等離子體加工及相關(guān)發(fā)展

-.z.等離子體加工技術(shù)假設(shè)干方向及相關(guān)科學(xué)工程問(wèn)題"等離子體〞與"加工〞

人們對(duì)目前稱之為等離子體態(tài)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)可以追溯到1879年威廉克魯克斯〔WilliamCrookes〕對(duì)真空放電管的研究。當(dāng)時(shí)它被實(shí)驗(yàn)者叫做"radiantmatter〞。接著，1897年英國(guó)物理學(xué)家SirJ.J.Thomson對(duì)真空放電管的性質(zhì)進(jìn)一步研究，并把其中產(chǎn)生的物質(zhì)叫陰極射線"cathoderay〞。到1928年，由艾瓦爾.朗謬爾〔IrvingLangmuir〕將放電管中的電離氣體最終命名為等離子體，距今已有80多年了[1-2]。

隨著科學(xué)與工程技術(shù)的迅速開(kāi)展，對(duì)新材料、新構(gòu)造、新工藝的要求日益迫切。人們不僅要對(duì)材料的外表性能進(jìn)展改良，而且還要了解元素〔原子〕的相互作用，新相的形成，亞穩(wěn)態(tài)、非晶態(tài)的形成等機(jī)制；對(duì)一些構(gòu)造器件的要求已到達(dá)了μm、nm量級(jí)〔先進(jìn)激光陀螺反射鏡基片要求Ra≤1nm，集成電路線寬Ra≤1μm。在實(shí)現(xiàn)這些要求的過(guò)程中，作為特種加工手段之一的等離子加工工藝的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)分化出來(lái)一項(xiàng)新技術(shù)——等離子體輔助制造技術(shù)[3]。實(shí)際上，等離子體之所以成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要手段之一，是由其能量狀態(tài)決定的。物體由固體到等離子體態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，都伴隨有足夠能量的輸入，見(jiàn)圖1。所以作為一種物質(zhì)形態(tài)的等離子體具有最高的能量狀態(tài)，為現(xiàn)代材料加工提供了巨大潛力。等離子體制造〔加工〕技術(shù)簡(jiǎn)介

等離子體的分類有多種方法，但在工業(yè)上用的等離子體通常按溫度分類見(jiàn)表1[4]，用的較多的是非平衡等離子體和熱能離子體中的低溫等離子體。一般情況下，低溫?zé)岬入x子體比非平衡的等離子體的壓力高。實(shí)際上，也正是它們的工作壓力不同，使它們的作用機(jī)理發(fā)生了變化。低氣壓時(shí)，粒子間的碰撞頻率較低，主要作用是帶電粒子與被處理材料之間發(fā)生的物理過(guò)程。隨著壓力的增加，碰撞次數(shù)增加，化學(xué)過(guò)程開(kāi)場(chǎng)充當(dāng)主要角色。當(dāng)壓力進(jìn)一步增加到達(dá)1×105Pa左右時(shí)，等離子體變得更象一個(gè)熱源，很多場(chǎng)合代替了燃燒。此時(shí)，離子與電子的溫度趨于大致接近，其密度比非平衡類型的等離子體要高。2與等離子體制造有關(guān)的現(xiàn)代制造技術(shù)范疇

等離子體加工與現(xiàn)代制造技術(shù)關(guān)系日益密切。可以說(shuō)已經(jīng)涉及或滲透到幾乎所有現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域。從精細(xì)的微納加工到大功率的金屬冶煉以及廢物處理，等離子體的高能量〔態(tài)〕特點(diǎn)都發(fā)揮著其固有優(yōu)勢(shì)，而且有些方面已經(jīng)成為不可或缺的技術(shù)手段。如在MEMS加工領(lǐng)域，傳統(tǒng)加工手段幾乎是無(wú)能為力的。等離子體加工技術(shù)與現(xiàn)代制造技術(shù)的相互關(guān)系可以用圖2表示。目前工業(yè)上對(duì)低溫?zé)岬入x子體的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：抗腐蝕、耐磨及其它性能的外表涂層；新化學(xué)制品和新材料的研制；金屬的精煉高性能陶瓷；焊接、切割；有害廢物的處理；磁流體發(fā)電。

非平衡等離子的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：聚合物薄膜；磁記錄介質(zhì)；半導(dǎo)體集成電路及其他電子器件的生產(chǎn)；刀具、模具及工業(yè)金屬的硬化；精細(xì)加工。

3等離子體加工涉及的工程技術(shù)與科學(xué)問(wèn)題

等離子體加工技術(shù)涵蓋了大范圍的制造領(lǐng)域，其結(jié)果必然使該技術(shù)涉及到深入的科學(xué)問(wèn)題與廣泛的工程問(wèn)題。從加工設(shè)備——等離子體源的產(chǎn)生，到過(guò)程監(jiān)控——等離子體診斷，到最終的加工對(duì)象屬性——等離子體與物質(zhì)的相互作用等，均將涉及多個(gè)專業(yè)或它們的相互穿插。由圖3可以看出這一領(lǐng)域牽涉的科工程問(wèn)題的豐富性[3]。等離子體加工假設(shè)干領(lǐng)域簡(jiǎn)介

1等離子噴涂技術(shù)

噴涂技術(shù)是等離子體加工領(lǐng)域應(yīng)用最早、成熟度最高的技術(shù)之一，屬于増材加工范疇，在汽車、航空航天、化工等行業(yè)均有應(yīng)用。由于等離子弧焰溫度高〔約20000K〕，幾乎所有能夠熔化而不分解的材料均能制成涂層。例如一些飛行器的零件就是用等離子噴涂〔低壓LPPS或大氣APS〕不同材料獲得各種涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)抗腐蝕和耐熱的功能〔如航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的熱障涂層、封嚴(yán)涂層等等〕。然而，盡管等離子噴涂技術(shù)已有40多年的開(kāi)展歷史且取得了很大的成就，但對(duì)這一認(rèn)識(shí)的過(guò)程仍很粗淺。到目前為止在所得涂層的性能、質(zhì)量與可控制的噴涂參數(shù)之間還沒(méi)有一個(gè)確切的函數(shù)關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用仍是主要根據(jù)經(jīng)歷進(jìn)展噴涂工藝試驗(yàn)，取得優(yōu)化參數(shù)。

按等離子體射流的狀態(tài)不同，可將目前的等離子噴涂技術(shù)按圖4的形式粗略劃分。其中軸向送粉技術(shù)以及層流等離子體噴涂是該領(lǐng)域近幾年出現(xiàn)的新趨勢(shì)。軸向送粉是對(duì)傳統(tǒng)旁側(cè)送粉方式的改良。傳統(tǒng)的等離子噴涂粉末是從弧焰旁側(cè)送入的，只有那些粒度適宜的顆粒才能被很好地加熱和加速。這一現(xiàn)象無(wú)疑對(duì)噴涂是不利的。而軸向送粉通過(guò)對(duì)噴槍構(gòu)造的巧妙設(shè)計(jì)，使粉末直接送入弧焰中心，其加速和熔化程度得到了徹底的改善，噴涂速度和沉積效率大大提高，且防止了易氧化粉末的氧化〔在弧焰中心被工作氣體包圍，根本不與空氣接觸〕，是送粉技術(shù)的一大進(jìn)步。目前世界上從事軸向送粉技術(shù)研究的有加拿大、日本等國(guó)的相關(guān)企業(yè)與機(jī)構(gòu)，航空制造工程研究所也對(duì)該技術(shù)進(jìn)展著探索性研究。

等離子噴涂領(lǐng)域涌現(xiàn)的另一新技術(shù)是層流等離子噴涂。它利用等離子射流的層流狀態(tài)，是等離子射流應(yīng)用的拓展。目前噴涂用的等離子射流均是湍流度很高的湍流形式，這種很快淹沒(méi)在氣氛中的湍流實(shí)用上有很多弊端：對(duì)空氣的擾動(dòng)大、形成強(qiáng)噪音〔110~130dB〕，能量損失嚴(yán)重〔與周圍的徑向熱交換〕、空氣摻入、材料易氧化等。而層流射流克制了這些缺點(diǎn)，代之以無(wú)噪音〔約70dB〕、熱保存性好〔徑向無(wú)對(duì)流熱交換〕、材料成分較穩(wěn)定、能耗低、節(jié)氣體〔是湍流的1/3到1/4〕等優(yōu)點(diǎn)。它首先給操作者免去了強(qiáng)噪音之苦，又可節(jié)省建造高質(zhì)量隔音間的本錢(qián)，而且其束流集中〔發(fā)散角2°到6°〕，長(zhǎng)度可控〔50~400mm〕。由于層流流動(dòng)的規(guī)則性，噴出的涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高。用層流等離子對(duì)鋁青銅和碳化鎢材料所作的噴涂工藝試驗(yàn)說(shuō)明，涂層結(jié)合強(qiáng)度分別達(dá)75.7MPa〔涂層厚0.21mm〕和69.1MPa〔涂層厚0.26mm〕，而所用功率較湍流射流卻大大降低。在一些噴涂面積不大的零件上，粉末利用率比湍流高幾倍。層流等離子噴涂目前在俄羅斯與烏克蘭有廣泛應(yīng)用，已經(jīng)顯示出較好的開(kāi)展前景，此技術(shù)將在航空制造業(yè)及其它行業(yè)發(fā)揮出更重要作用。比方葉片的葉冠及活塞密封槽部位涂層，層流等離子體噴涂具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2等離子體源離子注入與增強(qiáng)沉積

離子注入外表改性已有約30多年的歷史，最早以束線注入〔IonBeamImplantation，IBI〕為主。但很多場(chǎng)合，對(duì)具有一定厚度的涂層或薄膜的需求更為迫切。由于離子轟擊可有效改善沉積薄膜與基體的結(jié)合狀況，因此注入與沉積兩種技術(shù)自然而然地被人們有機(jī)地結(jié)合在一起，出現(xiàn)了增強(qiáng)沉積技術(shù)。尤其是等離子體浸沒(méi)離子注入〔PlasmaimmersionIonImplantation，PIII〕在20世紀(jì)80年代提出來(lái)以后，很快出現(xiàn)了等離子體源離子注入與沉積技術(shù)〔PlasmaimmersionIonImplantationandDeposition,PIII&D〕[6]。PIII&D的出現(xiàn)既彌補(bǔ)了單純注入改性層太薄的缺乏，又改良了普通沉積工藝結(jié)合不良的缺點(diǎn)。目前該技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段。隨著工件偏壓方式的改良，工藝靈活性大大增強(qiáng)。圖6顯示了高壓脈沖與直流偏壓及其復(fù)合后的工藝示意圖。航空制造工程研究所高能束流實(shí)驗(yàn)室最早開(kāi)發(fā)研制了此種復(fù)合偏壓技術(shù)，目前已在典型精細(xì)零件上進(jìn)展了小規(guī)模應(yīng)用試驗(yàn)，取得了較為理想的效果。該技術(shù)是把工件直接放入已形成的等離子體中，并對(duì)其加上負(fù)高壓脈沖與直流的復(fù)合偏壓。按偏壓的不同作用形式，可以在同一個(gè)真空周期內(nèi)分別進(jìn)展注入、沉積或同時(shí)進(jìn)展注入與沉積，對(duì)增加工藝靈活性十分有利。在較高溫度下的等離子滲工藝也有很好的外表強(qiáng)化作用。土耳其空軍科學(xué)院航空航天技術(shù)研究所即利用等離子體硼化技術(shù)處理刀具以加工鈦合金，效率提高數(shù)倍[7]。

3等離子體材料去除

材料去除是"加工〞概念的主要內(nèi)涵之一。集成電路制造工藝中，離子刻蝕一直是重要的加工工序。隨著制造技術(shù)的不斷開(kāi)展，非傳統(tǒng)材料去除工藝的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電子束、激光束及等離子體等不同的能量方式給人們提供了豐富的加工手段。由于各種能量形式與材料的作用方式不同，加工機(jī)理、設(shè)備、對(duì)象、本錢(qián)等問(wèn)題均有很大區(qū)別。如激光束加工〔LBM〕、電火花〔EDM〕、電子束加工〔EBM〕等離子體束加工〔PlasmaBeamMachining，PBM〕等工藝，外表溫度很高，可達(dá)10000~30000K范圍。而離子束刻蝕〔IBM〕以及聚焦離子束〔FIB〕加工，則很少超過(guò)400K。表2列出了幾種加工技術(shù)的加工機(jī)理與典型的功率密度[5]。近幾年開(kāi)展較快的是聚焦離子束〔FocusIonBeam，F(xiàn)IB〕，尤其是在精細(xì)加工刀具的加工方面顯出了較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。因其能量集中，所以對(duì)窄、尖區(qū)域的加工具有得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)[8]。如前面所述，離子束加工需要消耗大的能量，因此完全用聚焦離子束加工出一個(gè)刀具是難以實(shí)現(xiàn)的。如與激光加工結(jié)合起來(lái)，則可為工業(yè)效勞。圖7給出了經(jīng)激光切割的硬質(zhì)材料刀具在聚焦離子束后續(xù)加工前后形貌[5]。4等離子體聚合簡(jiǎn)介

等離子聚合工藝與PACVD很相似，但它們區(qū)別在于：等離子聚合更側(cè)重于有機(jī)從材料的沉積，而且這種有機(jī)材料在性質(zhì)上是可聚合的。這種方法形成的聚合物常是高度穿插連接的，且可形成用其他方法不能得到的高質(zhì)量薄膜。其根本過(guò)程包括初始激發(fā)、外表吸附、非均勻生長(zhǎng)、最后聚合等階段。初始?xì)怏w被鼓勵(lì)活化后，生成有機(jī)物單體和氣相自由基，這些衍生相吸附在固體外表時(shí)，形成外表自由基，亦