單元七 表面氣相沉積和熱處理新工藝簡介

單元七表面氣相沉積和熱處理新工藝簡介近年來，金屬材料表面處理新技術得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出許多新的工藝方法，這里只介紹主要的幾種。

全方位離子注入與沉積設備一、熱噴涂技術

將熱噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，用高壓氣流使其霧化并噴射于工件表面形成涂層的工藝稱為熱噴涂。利用熱噴涂技術可改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及絕緣性等。廣泛用于包括航空航天、原子能、電子等尖端技術在內的幾乎所有領域。等離子熱噴涂1、涂層的結構熱噴涂層是由無數(shù)變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀結構，粒子之間存在著孔隙和氧化物夾雜缺陷。噴涂層與基體之間以及噴涂層中顆粒之間主要熱噴涂層組織

是通過鑲嵌、咬合、填塞等機械形式連接的，其次是微區(qū)冶金結合及化學鍵結合。2、熱噴涂方法常用的熱噴涂方法有：①火焰噴涂:多用氧-乙炔火焰作為熱源。②電弧噴涂:絲狀噴涂材料作為自耗電極、電弧作為熱源的噴涂方法③等離子噴涂:是一種利用等離子弧作為熱源進行噴涂的方法。火焰熱噴涂電弧熱噴涂等離子噴涂3、熱噴涂的特點及應用⑴工藝靈活：熱噴涂的對象小到Φ10mm的內孔,大到鐵塔、橋梁,可整體噴涂，也可局部噴涂⑵基體及噴涂材料廣泛：基體可以是金屬和非金屬，涂層材料可以是金屬、合金及塑料、陶瓷等⑶涂層可控:從幾十m到幾mm⑷生產效率高⑸工件變形?。夯w材料溫度不超過250℃(冷工藝)渦輪葉片的熱障涂層(熱噴涂層)由于涂層材料的種類很多，所獲得的涂層性能差異很大，可應用于各種材料的表面保護、強化及修復并滿足特殊功能的需要。熱噴涂二、氣相沉積技術

氣相沉積技術是指將含有沉積元素的氣相物質，通過物理或化學的方法沉積在材料表面形成薄膜的一種新型鍍膜技術。根據(jù)沉積過程的原理不同，氣相沉積技術可分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩大類。物理氣相沉積TiAl靶1、物理氣相沉積（PVD）物理氣相沉積是指在真空條件下，用物理的方法，

使材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程，在材料表面沉積一層薄膜的技術。物理沉積技術主要包括真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍三種基本方法。磁控濺射鍍膜設備真空蒸鍍是蒸發(fā)成膜材料使其汽化或升華沉積到工件表面形成薄膜的方法。真空蒸鍍TiN活塞環(huán)真空蒸鍍Al膜的塑料制品濺射鍍是在真空下通過輝光放電來電離氬氣，氬離子在電場作用下加速轟擊陰極，濺射下來的粒子沉積到工件表面成膜的方法。濺射鍍示意圖磁控濺射鍍膜機磁控濺射鍍Al的塑料制品離子鍍是在真空下利用氣體放電技術，將蒸發(fā)的原子部分電離成離子，與同時產生的大量高能中性粒多弧離子鍍膜機子一起沉積到工件表面成膜的方法。物理氣相沉積具有適用的基體材料和膜層材料廣泛；工藝簡單、省材料、無污染；獲得的膜層膜基附著力強、膜層厚度均勻、致密、針孔少等優(yōu)點。廣泛用于機械、航空航天、電子、光學和輕工業(yè)等離子鍍產品領域制備耐磨、耐蝕、耐熱、導電、絕緣、光學、磁性、壓電、滑潤、超導等薄膜。

2、化學氣相沉積(CVD)化學氣相沉積是指在一定溫度下，混合氣體與基體CVD設備表面相互作用而在基體表面形成金屬或化合物薄膜的方法。例如，氣態(tài)的TiCl4與N2和H2在受熱鋼的表面反應生成TiN，并沉積在鋼的表面形成耐磨抗蝕的沉積層?；瘜W氣相沉積由于化學氣相沉積膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐熱性及電學、光學等特殊性能，已被廣泛用于機械制造、航空航天、交通運輸、煤化工等工業(yè)領域。經CVD處理的模具經CVD處理的活塞環(huán)三、三束表面改性技術

三束表面改性技術是指將激光束、電子束和離子束(合稱“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學變化，以獲得特殊表面性能的技術。激光束加工電子束加工等離子束加工

進行快速加熱和快速冷卻，使表層的結構和成分發(fā)生大幅度改變（如形成微晶、納米晶、非晶、亞穩(wěn)成分固溶體和化合物等），從而獲得所需要的特殊性能。束流技術還具有能量利用率高、工件變形小、生產效率高等特點。由于這些束流具有極高的能量密度，可對材料表面離子束濺射系統(tǒng)1、激光束表面改性技術激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短時間內將工件表面快速加熱或融化,而心部溫度基本不變;當激光輻射停止后，由于散熱速度快，又會產生“自激冷”。激光表面改性技術主要應用于以下幾方面:CO2激光器⑴激光表面淬火（激光相變硬化）激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高15~20%）、耐磨、耐疲勞，變形極小，表面光亮。已廣泛用于發(fā)動機缸套、滾動軸承圈、機床導軌、冷作模具等。激光表面淬火件激光表面淬火⑵激光表面合金化預先用鍍膜或噴涂等技術把所要求的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜與基

體材料表層融合在一起并迅速凝固，從而形成成分與結構均不同于基體的、具有特殊性能的合金化表層。已成功用于發(fā)動機閥座和活塞環(huán)、渦輪葉片等零件的性能和壽命的改善。激光合金化熱剪斷刀電子束表面改性技術是以在電場中高速移動的電子作為載能體,電子束的能量密度最高可達109W/cm2。除所使用的熱源不同

外，電子束表面改性技術與激光束表面改性技術的原理和工藝基本類似。凡激光束可進行的處理，電子束也都可進行。電子束表面改性裝置2、電子束表面改性技術與激光束表面改性技術相比，電子束表面改性技術還具有以下特點:①由于電子束具有更高的能量密度，

所以加熱的尺寸范圍和深度更大。②設備投資較低，操作較方便（無需象激光束處理那樣在處理之前進行“黑化”）。③因需要真空條件，故零件的尺寸受到限制。電子束物理氣相沉積3、離子注入表面改性技術離子注入是指在真空下，將注入元素離子在幾萬至幾十萬電子伏特電場作用下高速注入材料表面，使材料表面層的物理、化學和機械性能發(fā)生變化的方法。離子注入航空液壓泵配流盤離子注入設備離子注入的特點是：可注入任何元素，不受固溶度和熱平衡的限制；注入溫度可控，不氧化、不變形；注入層厚度可控，注入元素分布均勻；注入層與基體結合牢固，無明顯界面；可同時注入多種元素，