材料表面工程-第四講

材料表面工程主講教師：呂祥鴻西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院12023最新整理收集do

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一、氣相沉積技術(shù)二、高能束表面處理目錄一、氣相沉積技術(shù)

1.氣相沉積技術(shù)原理、分類2.物理氣相沉積原理、裝置及工藝3.化學(xué)氣相沉積原理、裝置及工藝31.氣相沉積技術(shù)原理、分類定義-在基體上形成功能膜層的技術(shù)，也稱作干鍍。分類-膜層形成機理可分為4(1)物理氣相沉積(2)化學(xué)氣相沉積

真空蒸鍍?yōu)R射鍍膜離子鍍膜一、氣相沉積技術(shù)2.物理氣相沉積原理、裝置及工藝(1)真空蒸鍍定義-在真空條件下，用加熱蒸發(fā)的方法使鍍料轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝聚在基體表面的方法。步驟-清潔基材表面→蒸發(fā)源加熱鍍膜材料→材料蒸發(fā)或升華成蒸氣→蒸氣在基材表面凝聚成膜。5一、氣相沉積技術(shù)原理-在高真空中，鍍料氣化（升華）。基體設(shè)在蒸氣流上方，且溫度相對較低，則蒸氣在基體上形成凝固膜。6一、氣相沉積技術(shù)設(shè)備7真空蒸鍍設(shè)備簡圖高真空閥出水?dāng)U散泵冷阱增壓泵ZF-85針閥工件鐘罩工件夾和加熱器低真空閥放氣閥充氣閥蒸發(fā)源與加熱器機械泵進水一、氣相沉積技術(shù)8方法

電阻加熱法溫度<1500℃，Al、Au、Ag。鎢絲、鎢舟、鉬舟電阻加熱蒸發(fā)源一、氣相沉積技術(shù)9

高頻感應(yīng)加熱法

一、氣相沉積技術(shù)10

激光蒸鍍法

一、氣相沉積技術(shù)11真空蒸鍍膜影響因素真空度基材表面狀態(tài)：清潔度、溫度、晶體結(jié)構(gòu)蒸發(fā)溫度蒸發(fā)和凝結(jié)速率基材表面與蒸發(fā)源的空間關(guān)系一、氣相沉積技術(shù)真空蒸鍍膜性質(zhì)大多數(shù)呈晶態(tài)，尺寸10~100nm；膜層與基體的結(jié)合主要為機械結(jié)合；形貌取決于膜層材料的特性、基體材料及操作時基體的溫度；常用的蒸鍍材料有:鉻、銅、金、鋁、氧化硅、錫、銻、三硫化銻等。12真空蒸鍍膜應(yīng)用反射器(鏡)蒸發(fā)鍍鋁；電視設(shè)備、電子計算機用的電子元件。一、氣相沉積技術(shù)(2)濺射鍍膜定義-在真空室中，用荷能粒子轟擊靶材，使其原子獲得能量而濺出進入氣相，并在工件表面沉積成膜。荷能粒子一般為離子。步驟-靶面原子濺射→濺射原子向基片遷移→沉積成膜。13一、氣相沉積技術(shù)常用方法

二極濺射

14由真空室+抽真空系統(tǒng)+電氣系統(tǒng)+供氣部分組成鐘罩氬氣陰極(靶)陽極(基板)＋—高壓電源加熱電源基片陰極屏障加熱器一、氣相沉積技術(shù)射頻濺射射頻：指頻率低于6×1012的電振蕩頻率15射頻電源氬氣靶材射頻電極匹配電路工件架工件電磁線圈電磁線圈真空罩一、氣相沉積技術(shù)磁控濺射16一、氣相沉積技術(shù)靶SSN屏蔽基片工件架輝光區(qū)磁鐵三極濺射17鐘罩靶子擋板磁場線圈基片陽極燈絲抽氣系統(tǒng)進氣閥等離子區(qū)一、氣相沉積技術(shù)濺射鍍膜應(yīng)用

機械功能膜：耐摩、減摩、耐熱、抗蝕等強化膜，固體潤滑薄膜；物理功能膜：電氣、磁學(xué)、光學(xué)等；裝飾膜。18一、氣相沉積技術(shù)(3)離子鍍膜定義-在真空條件下，由惰性氣體輝光放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離子化，離子經(jīng)電場加速后對帶負電荷的基體轟擊，同時將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積成膜。鍍料蒸發(fā)方式-電阻加熱、電子束加熱、等離子束加熱、高頻感應(yīng)加熱等。離化方式-輝光放電型、電子束型、熱電子型、等離子電子束型等。19一、氣相沉積技術(shù)原理工件為陰極，陽極兼作蒸發(fā)源。抽真空10-3~10-4Pa，充氬氣至10-2~1Pa，加幾百至幾千伏直流電壓，氬離子轟擊清洗基片，接通交流電，膜料蒸發(fā)且電離或激發(fā)，正離子轟擊基片，中性粒子沉積成膜。20一、氣相沉積技術(shù)陰極＋—交流電源至真空系統(tǒng)基片~蒸發(fā)源直流高壓氬氣鐘罩

陽極等離子區(qū)陰極暗區(qū)常用離子鍍膜方法空心陰極離子鍍

21一、氣相沉積技術(shù)水冷銅坩堝鐘罩工件高壓電源蒸發(fā)源氬氣HCD陰極至真空系統(tǒng)陽極輔助陽極多弧離子鍍

22一、氣相沉積技術(shù)至真空泵弧靶70V,100A工件架陽極工作室工件引弧電極磁控濺射離子鍍

23一、氣相沉積技術(shù)至真空泵永久磁鐵基板(工件)工作室磁控電源NSN氬氣離子鍍電源磁控陽極磁控靶膜層活性反應(yīng)離子鍍

24一、氣相沉積技術(shù)至真空泵基板電子槍真空室反應(yīng)氣體真空機組反應(yīng)氣導(dǎo)入環(huán)電源探測電極壓差板＋—物料離子鍍膜應(yīng)用表面強化鍍層：耐磨鍍層、耐蝕鍍層、潤滑鍍層；裝飾鍍層；特殊功能鍍層。25一、氣相沉積技術(shù)3.化學(xué)氣相沉積原理、裝置及工藝定義-通過熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣相在工件表面沉積成膜的方法。設(shè)備-26一、氣相沉積技術(shù)甲烷工件氫氣瓶TiCl4高頻源感應(yīng)加熱爐干燥劑催化劑反應(yīng)室工件出口出氣口混合室流量計常由石英管制成；器壁為熱態(tài)油槽特點可以制備多種單質(zhì)/化合物/氮化物或不同組分的薄膜；可以在較寬的范圍內(nèi)獲得具有可控成分的覆層；薄膜的沉積溫度可以低于其本身的熔點。27一、氣相沉積技術(shù)缺點需要較高T，基材T高，沉積速率低/難以實現(xiàn)局部沉積；參加反應(yīng)的氣源和反應(yīng)后的的余氣都具有一定毒性。分類28一、氣相沉積技術(shù)按沉積T高溫CVD按實施方法中溫CVD低溫CVD普通CVDMOCVD如：平面硅和MOS集成電路的鈍化膜等離子增強CVD光化學(xué)反應(yīng)CVD金屬有機物CVD如：在刀具上沉積TiC/TiN超硬膜如:沉積SiN900~2000℃激光CVD500~800℃<500℃PECVDLCVD按沉積系統(tǒng)壓強常壓CVD減壓CVD1atm(1.013×105Pa)數(shù)十~數(shù)百Pa29一、氣相沉積技術(shù)氣動連鎖裝置氣體控制系統(tǒng)主真空泵防振臺感應(yīng)加熱壓力表清洗氮裝料門組件反應(yīng)室冷阱反應(yīng)氣體管排氣波紋管真空閥減壓CVD

30一、氣相沉積技術(shù)等離子體增強CVD(PECVD)

擴散泵加熱器SiH4+Ar試樣高頻發(fā)生器反應(yīng)室質(zhì)量流量計N2機械泵質(zhì)量流量計等離子區(qū)31一、氣相沉積技術(shù)金屬有機化合物CVD(MOCVD)質(zhì)量流量計4個反應(yīng)室H2SeAsH3GaAs基片排氣RF線圈托架凈化器TMGTMADEZ石墨制成H2采用GaAs作為基片不銹鋼發(fā)泡器高壓氣瓶用氫氣稀釋至5~10%用氫氣稀釋至幾十~幾百ppm至廢氣回收裝置32一、氣相沉積技術(shù)光化學(xué)CVD利用光化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)物吸收一定波長和能量的光子，促使其中的原子團和離子發(fā)生反應(yīng)，生成化合物的CVD方法。主要用于沉積SiO2、Si3N4以及多晶硅膜；生長M膜和Ga、Ge、Ti、W等元素的氧化物膜。

一、氣相沉積技術(shù)二、高能束表面處理目錄二、高能束表面處理

1.高能束表面改性概述2.激光表面處理概述及其分類

3.電子束表面處理及熱過程4.離子注入原理、裝置及應(yīng)用341.高能束表面改性概述高能束-激光束、電子束、離子束。表面改性-獲得與基體的組織、性能不同的材料表面。高能束加熱和冷卻速度極高-微晶或非晶制備。離子注入-把異類原子引入表面層-表面合金化。35二、高能束表面處理2.激光表面處理概述及其分類概述：金屬對激光的吸收——部分反射,部分吸收；吸收能量——電子躍遷；吸收率與波長、溫度、金屬表面自身性質(zhì)有關(guān)；激光與金屬作用的類型：熱作用、力作用、光作用。36二、高能束表面處理分類：不改變基材表面成分37二、高能束表面處理38改變基材表面成分二、高能束表面處理39激光熔覆技術(shù)二、高能束表面處理40激光熔覆材料的添加預(yù)制涂層法：先涂覆、噴涂、電鍍一層材料；同步送料法：將材料直接送入激光熔池，多為粉末、線材。二、高能束表面處理激光熔覆技術(shù)特點類似于噴焊或堆焊，與二者相比特點：

(1)稀釋率低；

(2)基材熱變形最??；(3)熔覆層致密，結(jié)合強度高；(4)無污染，無輻射，低噪聲，勞動條件好。41激光熔覆材料自熔合金：鎳基、鐵基、鈷基、銅基；金屬陶瓷符合粉末：合金與碳化物(WC、TiC、SiC等)；陶瓷粉末：Al2O3、ZrO2等。二、高能束表面處理激光熔覆影響因素激光功率、光斑直徑、功率密度、掃描速度、送粉速率、材料相容性。激光熔覆用途形成特殊表面層；零件修復(fù)、恢復(fù)尺寸。42激光表面合金化技術(shù)二、高能束表面處理鑄鐵·大型軋輥·激光合金化43激光表面合金化工藝預(yù)制涂層法：刷涂、電鍍、熱擴滲、噴涂等；同步送粉法：將含有強化粒子材料送入熔池；激光氣體合金化法：激光熔化鋁或鈦合金通入N2、O2等氣體。二、高能束表面處理44激光表面合金化特點既改變表層的物理狀態(tài)，又改變其化學(xué)成分；與激光熔覆激光表面合金化的基材熔化程度高，需要更大的能量密度。二、高能束表面處理包頭市鑫垣機械制造有限責(zé)任公司球墨鑄鐵軋輥激光表面合金化45激光表面淬火二、高能束表面處理內(nèi)蒙古科技大學(xué)軋輥表面強化廣州某光科技術(shù)有限公司齒輪激光淬火46激光表面非晶化和熔凝二、高能束表面處理齒圈激光熔凝軋輥激光熔凝3.電子束表面處理及熱過程原理47二、高能束表面處理電子束能量密度達103MW/m2，比激光高一至二個數(shù)量級。電子束加熱深度和尺寸比激光大。缺點：必須在真空環(huán)境中處理。電子束表面改性方法①電子束淬火；②電子束表面合金化；③電子束覆層；④制造非晶態(tài)層；此外，電子束蒸鍍、濺射也應(yīng)屬于電子束的改性范疇。48二、高能束表面處理4.離子注入原理、裝置及應(yīng)用原理-把所需的離子（如N、C、O、Cr、Ni、Ti等元素離子）加速至幾萬甚至百萬電子伏特能量，并注入金屬材料表層。49二、高能束表面處理離子注入強化機理①固溶強化；②細晶強化；③晶格損傷強化；④彌散強化；⑤晶格變換效應(yīng)；⑥壓應(yīng)力效應(yīng)(噴丸強化)。50二、高能束表面處理離子注入機離子注入特點①靶材與注入元素不受限制；②不受溫度限制；③不受固溶度、擴散系數(shù)、結(jié)合力限制；④可精確控制摻雜數(shù)量、深度與位置；⑤橫向擴散可忽略，深度均勻；⑥不改變工件尺寸；⑦缺點：設(shè)備昂貴，成本較高，在真空中處理。51二、高能束表面處理1）簡述材料表面工程在材料科學(xué)研究中的重要性；2）針對石油裝備材料表面改性及強化的研究方法，對其工作原理及應(yīng)用進行論述；3）結(jié)合課題方向，簡述學(xué)習(xí)《材料表面工程》這門課的心得體會；4）篇幅要求：20頁（1.5萬字左右）?！恫牧媳砻婀こ獭反笞鳂I(yè)要求樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。12月-2312月-23Wednesday,December20,2023人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。01:11:4801:11:4801:1112/20/20231:11:48AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。12月-2301:11:4801:11Dec-2320-Dec-23加強交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。01:11:4801:11:4801:11Wednesday,December20,2023安全在于心細，事故出在麻痹。12月-2312月-2301:11:4801:11:48December20,2023踏實肯干，努力奮斗。2023年12月20日1:11上午12月-2312月-23追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹立形象。20十二月20231:11:48上午01:11:4812月-23嚴格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。十二月231:11上午12月-2301:11December20,2023作業(yè)標(biāo)準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2023/12/201:11:4801:11:4820December2023好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。1:11:48上午1:11上午01:11:4812月-23一馬當(dāng)先，全員舉績，梅開二度，業(yè)績保底。12月-2312月-2301:1101:11:4801:11:48Dec-23牢記安全之責(zé)，善謀安全之策，力務(wù)安全之實。2023/12/201:11:48Wednesday,December20,2023相信相信得力量。12月-232023/12/201:11:4812月-23謝謝大家！樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。12月-2312月-23Wednesday,December20,2023人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。01:11:4801:11:4801:1112/20/20231:11:48AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。12月-2301:11:4801:11Dec-2320-Dec