離子束金屬材料表面改性技術(shù)

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1、離子束金屬材料表面改性技術(shù)衛(wèi)中山，王琨,左敦穩(wěn)（南京航空航天大學機電學院，遼蘇南京210016）摘要:本文綜述了國內(nèi)外離子束金屬材料表面改性技術(shù)的斫究概況，敘述了離子鍍、離子注入、為子束混合、離子束增強沉積和等離子體浸沒離子注入等表面技術(shù)的特點和應(yīng)用。關(guān)鍵詞；離子束；表面改性；金屬材料中圖分類號：O484,TG174文獻標識碼:A文章編號:1007-760X(2001.)06-0015-03IonBeamSurfaceModificationTechnologyofMetalMaterialsWEIZhong-shan,WANGMin,ZUODun-wen(Col

2、legeofMechanicalandElectronicEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsfJSNanjing210016,China)Abstract：Inthispaper,theresearchonionbeamsurfaceprocessinginChinaandabroadisreviewedfincludingcathodearedeposition,ionimplantation,ionbeammix,ionenhanceddepositionandplasmaimme

3、rsionionimplantation.Theprospectofthistechnologyisdiscussed?Keywords：ionbeam;surfacemodification;metalmaterials1引言2離子束金屬材料表面強化機理收稿日期：20010724?15?離子束材料表面改性技術(shù)經(jīng)過近20年的研究和發(fā)展，已取得了顯著成效，逐漸成為多學科相互滲透和交叉發(fā)展的邊緣學科°和通常的表面改性技術(shù)，如化學和物理氣相沉積等比較，離子束金屬材料表面改性技術(shù)有許多優(yōu)點11~31：a）注入的元素可以任意選取。根據(jù)工藝要求可取各種金屬和氣體作為工作物質(zhì)

4、，引出這些材料的離子，各種金屬和非金屬都可作為添加元索。b）無需改變材料的整體特性,就可有選擇地改變材料的表面特性。c）注入或添加到基體中的原子不受基體固溶度的限制，不受擴散系數(shù)和化合結(jié)合力的影響。d）強流氮和強流金屬離子束的束流強度可達5?50mA,提髙了注入效率，適用于工業(yè)應(yīng)用。?）離子注入不改變工件尺寸,適合于精密機械零件的表面處理，如應(yīng)用在航空、航天等工業(yè)。0離子束增強沉積可獲得厚度大于“m的改性層或超硬層，適于惡劣條件下的應(yīng)用，如在石油化工等領(lǐng)域。離子注人金屬強化過程是點缺陷、位錯和析出相產(chǎn)生的過程，也是注入原子與基體原子相互作用的過程。這些過程進行的激

5、烈程度取決于注人能量、注人劑量、離子種類、基體原子種類和結(jié)構(gòu)、注入時的溫升等。在激烈的碰撞過程中，金屬材料中產(chǎn)生了超飽和固溶體、密集體錯網(wǎng)、激烈的增強擴散、晶粒細化、新的析出相和無序相等。例如，張通和等在Ti注人HI3鋼中觀察到了高密度的位錯網(wǎng)的形成，同時在位錯網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)了析岀相,這種位錯網(wǎng)和析出相使金屬得到了強化⑴。離子注入過程中激烈的碰撞所引起的熱峰效應(yīng)可使局部區(qū)域驟然熔化，然后急冷。在合適的條件下，基體會發(fā)生馬氏休相變強化。氮離子注入使鋼的表層出現(xiàn)晶格損傷和晶粒損傷和晶粒細化，還可觀察到e-Fe2-3N相的出現(xiàn)⑵c3離子束材料表面改性技術(shù)的分類離子束加工技術(shù)已

6、利用了很寬的能區(qū):在幾十電子伏待到幾百電子伏特范圍內(nèi)為離子束沉積區(qū);lkcV~5keV為離子束刻蝕區(qū);10keV~3()MeV為離子注入?yún)^(qū);l-10MeV為核分析能區(qū)。但隨著離子束增強薄膜沉積技術(shù)的發(fā)展和等離子體浸沒離于注入的發(fā)展，這些界限變得模糊起來c在等離子體中?荷冇幾卜電子伏特能量的正離子也能起到注入作用山°?3.1離子鍍20惟紀80年代以來，離子鍍已發(fā)展成為一項世界范圍的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，主要用于在高速鋼和硬質(zhì)合金工具匕形成TiN或相關(guān)體系的耐磨鍍層,以及在不銹鋼制品上形成TiN仿金裝飾鍍層"H本Kobe鋼鐵公司的連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)真空鍍膜設(shè)備?在壓縮機零件表面沉

7、積CrN,月產(chǎn)量達幾十萬件⑷一、我國W89年仿制熱絲電弧離子沉積設(shè)備成功,并應(yīng)用于刀具、模具、不銹鋼板及各種五金制品等領(lǐng)域。在電弧放電沉枳過程中，發(fā)生高能量離子的轟擊、濺射、混雜、注人等多種過程，能制備結(jié)合力非常好的表面膜層,髙能量粒子的轟擊還會對膜的特性產(chǎn)生多重影響。與化學氣相沉積(CVD)相比,離子鍍技術(shù)大幅度降低了沉積溫度，滿足了發(fā)展高性能特種鍍層的需要cTiBj抗空蝕鍍層、Ti(C,N)抗沖蝕鍍層、以韌性好的TiN為過渡層的復合耐磨耐蝕鍍層等相繼獲得成功，促進了機械工業(yè)水平的提高⑸。南京航空航天大學利用陰極電弧等離子體沉積技術(shù)成功地制備了類金剛石膜?顯著提

8、髙了基片的