毕业设计（论文）PPT答辩-等离子体点解沉积的研究现状.ppt

河南科技学院2009届本科毕业论文,论文题目：等离子体电解沉积的研究现状学生姓名：栗然所在院系：机电学院所学专业：机电技术教育导师姓名：王振宁完成时间：2009年5月20日,摘要,等离子体电解沉积（plasmaelectrolyticdeposition,PED）是一种利用等离子体电解进行材料表面处理的新兴技术。本文介绍了等离子体电解沉积的机理及其在材料表面改性方面的应用。工件作为阴极的研究，主要集中在对钢铁材料的处理上，可以利用PED技术对钢铁基体进行快速碳氮共渗或涂覆金属镀层，以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能，这是本文的重点；工件作为阳极的研究多围绕着铝、钛等轻金属进行，可以在铝合金、钦合金、镁合金等轻金属表面制备陶瓷层，选择含有钙、磷元素的电解液或是在电解液中添加基磷灰石粉末进行PED处理，可以在钛合金表面制备具有生物活性的陶瓷膜，从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合。文中还对PED涂层的力学问题、强韧化机理以及等离子体电解沉积发展趋势进行了讨论。关键词:等离子体电解沉积，表面改性，碳氮共渗，陶瓷层,等离子体电解沉积的基本原理,等离子体电解渗透装置示意图1.电源系统2.电流表3.电压表4.冷却系统5.样品6.电解液7.搅拌系统8.绝缘材料9.不锈钢的容器10.冷却水,基本原理:将待处理的材料浸入一定的电解液中作为一个电极，另有一个金属电极作为对应电极，在两极之间施加直流或其他波形的电压当两极之间的电势差达到一定程度时，电极与电解液界面处的电势突变产生的高电场强度，可以击穿界面处的钝化膜、气体膜等电介质，使得电极表面局部瞬间高温并发生复杂的物理、化学反应，从而在电极表面制备特定性能的渗透层或陶瓷层.说明：电极表面存在或生成一电解质阻挡膜是电极周围产生离子体的必要条件。,等离子体电解沉积对钢铁的处理,利用阴极等离子体电解渗透技术可以实现渗C,N及C-N共渗，电解液的选择通常由有机化合物、易溶盐和水三部分组成。常用的有机化合物有:甲酰胺、尿素、乙醇胺等由于有机化合物的导电能力比较差，因此常加入一些易溶盐的水溶液来提高溶液的导电性，以便形成稳定的放电电弧。（先配制好易溶盐的水溶液，然后再将水溶液加入到有机溶液中，直接将易溶盐加入到有机电解液中是不会溶解的，水溶液的含量对电参数有较大的影响）,现以甲酰胺为例，分析一般的热分解反应。HCONH2在400700的范围内，按下式分解HCONH2NH3+COHCONH2HCN+H2O其中NH3,HCN及CO进一步分解，产生活性C,N原子，并被工件表面吸收:2NH33H2+2N2COCO2+C2HCNH2+2C+2N,弧光放电过程,整个弧光放电过程：分为3个阶段（如右图a）第一阶段（0U1）试样表面产生大量气泡，此时电压在0150V之间第二阶（U1U2），电流增加较快出现了雪崩式的电子流增大。伴随有气体发光的现象称为气体放电或气体的击穿。此时的电压称为临界击穿电压，电压在150200V之间。第三阶段（U2U3），在气体被击穿稳定以后，电流迅速减小，继续提高电压，电流只有稍微增加，增加电压的目的是为了维持试样表面的温度，此时维持的电压称为工作电压，工作电压一般在200300V之间,渗透机理,由于弧光放电气体被击穿产生大量的等离子体，等离子体轰击试样表面，离子注入到被处理材料中，产生空位和位错，将导致两方面的影响:一方面，使工件表面的活性原子的浓度提高;另一方面，强化沿晶内扩散，即位错沿着与轰击表面垂直的滑移面移动，其运动的方向与饱和元素（C,N）扩散流的方向重合，从而大幅度提高材料内C,N原子的扩散迁移速度。离子轰击导致浓度梯度提高和扩散系数的增大，使得非金属扩散系数可提高23倍，从而使C和N原子的扩散过程得以强化;在等离子电解渗透技术中等离子体是通过弧光放电产生的，具有比较大的电流密度1A/cm2左右所以离子的轰击非常强烈，致使渗透的速度加快，最终实现材料表面快速固溶和化合物强化处理。,渗透层的耐磨性能,田占军等应用等离子体电解碳氮共渗技术在150V,1min条件下处理的试样进行了耐磨性测试。试验结果表明：在50min内处理过的试样与基体相比具有更好的耐磨性，超过50min后耐磨性与基体相同（渗透层被磨透露出了基体），如图所示,渗透层的耐蚀性能,田占军等将基体和处理的试样浸泡在w=3%的NaCl溶液进行耐蚀性测试，密封浸泡400h。试样结果表明:浸泡后基体的腐蚀增重是2.22mg/mm2，应用等离子体电解碳氮共渗技术150V、lmin处理的试样的腐蚀增重是1.80mg/mm2，可见处理过的试样比基体的耐蚀性好。,渗透层的硬度,经过等离子体电解渗氮/碳处理可以提高表面层的硬度。田占军等对Q235钢进行碳氮共渗处理，渗透层的最大硬度为770HV0.1，而基体的硬度为170HV0.1。,对钢铁的处理还可通过将PEN/C和等离子体浸入离子辅助沉积（plasma-immersionion-assisteddeposition,PIAD）结合起来，在不锈钢表面制备梯度复合涂层首先采用PEN/C工艺处理不锈钢试样，在其表面获得渗氮/碳层，然后在其上用PIAD工艺制备类金刚石（diamond-likecarbon,DLC）涂层也可预先沉积一层具有较高电阻的氧化物薄膜，然后将其作为阴极置于无水乙醇溶液中，施加脉冲恒压电源，使得预先制备的绝缘氧化物薄膜击穿产生微弧放电，在阴极表面制备基体结合良好的陶瓷涂层，此种工艺被命名为阴极微弧电沉积技术是PED技术的一种,等离子体电解沉积对铝及铝合金的处理,PED过程中陶瓷层的厚度随处理时间的变化，结果示于右图其中h是总厚度，a是陶瓷层向基体外部生长的厚度，b是陶瓷层向基体内部生长的厚度从图9中可以看出，陶瓷膜的生长在初期以向外生长为主，经过一定时间后转变为向内生长为主,陶瓷层的微观组织结构在厚度方向有一定程度的变化在表面处形成多孔疏松层，而内部呈致密形态。根据X射线衍射分析对陶瓷层的研究结果，陶瓷层主要由-Al2O3和-Al2O3组成-Al2O3和-Al2O3都是由熔融态的Al2O3凝固而成，外层冷却率高，故而亚稳态的相含量较多;内层冷却率低，故而稳态的相含量较多,等离子体电解对钛合金的处理,不同的电解液中对钛合金进行PED处理，并研究所制备的PED陶瓷层的各种性质，研究表明由偏铝酸盐和磷酸盐组成的电解液所制备的陶瓷层硬度最高，约为基体材料的2倍，且涂层和基体的结合性能最好利用PED技术和物理气相沉积（PVD）复合起来处理钛合金，在钛合金表面制备了梯度结合的陶瓷层，首先用PED技术在钛合金基体上制备一层TiO膜，然后在其表面用磁控溅射技术制备Cr（N）涂层，试验表明PVD/PED复合沉积所得的陶瓷层硬度比单一PVD沉积所得的陶瓷层硬度明显提高,等离子体电解方法制备生物活性陶瓷层,钛合金的密度小、强度高，具有很好的生物相容性，是应用最早的生物医学料但是钛合金是一种生物惰性材料，不像生物活性材料那样与骨形成分子水平的化学键合。憨勇等人配置了不同比例的钙盐和磷酸盐溶液，在钛合金表面PED制备了含钙、磷的二氧化钛生物薄膜，使膜中的钙的磷酸盐转化成羟基磷灰石，因而具备了生物活性。PED技术和电泳沉积（electrophoresisdeposition）技术结合起来，在钛合金表上制备了HA/Ti2（HA为羟基磷灰石）生物活性涂层,PED过程中的力学问题及其强韧化机理,由于等离子体放电在固液界面产生瞬时高温并由电解液急速冷却，所制备的涂层中产生了残余应力PED陶瓷层与基体的结合力、界面断裂韧性方面仍缺乏相应的研究把涂层材料的磨擦磨损机理和涂层的制备工艺结合起来研究，进行涂层的优化设计思想把PED表面防护陶瓷层的失效机理和制备工艺结合起来，揭示其在摩擦磨损、腐蚀等使用条件下失效机理，进一步优化工艺参数，是一个非常重要的问题,