表面技术 庄.doc

真空中采用电弧放电方法，使阴极表面产生大量金属蒸气，产生的蒸气在真空电弧等离子放电过程中被电离而形成等离子体，金属正离子沉积在放置于等离子体中施加负电位的工件表面上，形成沉积层，称为真空电弧离子镀。与其他真空镀膜设备相比，真空电弧离子镀的优点是：（1）能够同时提供多金属元素沉积，也可沉积单金属元素；（2）金属原子离化率高；（3）膜层与基体附着强度高；（4）沉积成膜速率高；（5）阴极蒸发源也是工件加热源、金属原子离化源、轰击净化工件源，即一弧多用；（6）真空电弧离子镀设备与其他物理气相沉积设备相比，简单且成本低。真空电弧等离子放电过程中，阴极表面产生的高密度等离子体通过引出极引出金属离子，形成宽的强流金属离子束，用于工件表面改性加工，即离子注入。将这种提供强流金属离子束的源称为金属蒸气真空弧离子源(MEVVA源)。与其他离子束源相比，MEVVA源的特点是：（1）可提供几乎所有的金属离子；（2）离子束流强；（3）宽束；（4）引出的离子平均电荷态高，可以以较低的加速电压实现较高的能量注入；（5）金属离子束纯度高；（6）与常规离子注入机相比，结构简单，成本低，操作简单，运行稳定，便于向产业化发展。另外，利用MEVVA源进行离子注入可以对航空材料所囊括的金属材料(耐热合金、钢、钛合金、铝合金等)、高分子聚合物、复合材料、TiN及TiC等硬质耐磨涂层、陶瓷等，根据不同的表面改性要求，引出所需金属离子进行表面改性。综上所述，以真空电弧等离子放电为基础的MEVVA源离子注入和真空电弧离子镀，在各自领域中都具有独特的优点，将其用于研究工作和产业化方面都具有较强的竞争力。一、真空电弧等离子放电在离子沉积方面的应用1. 多弧离子镀采用多个真空电弧源的设备，在高速切削工具上沉积TiN、TiC硬质膜层，可使切削工具的寿命提高39倍以上。20世纪90年代，北京航空材料研究院利用多弧离子镀设备，沉积TiN、TiC、Cr3C2耐磨涂层，用于提高航空发动机压气机叶片的耐冲刷磨蚀性能；沉积多金属元素涂层，用于提高航空发动机压气机叶片的抗腐蚀性能。2. 单真空弧源离子镀（1）国外早在20世纪60年代就开始用物理气相沉积技术和低压等离子喷涂技术在航空发动机涡轮动、静叶片上沉积多金属元素防护涂层，20世纪70年代已广泛用于发动机涡轮叶片的防护，取代了固体粉末法制备的扩散型铝化物涂层。该航空发动机涡轮动、静叶片耐热合金多金属元素高温防护涂层在9001100下使用，并进行了批量生产，提高了航空发动机涡轮动、静叶片抗高温氧化、抗热腐蚀性能，延长了叶片的使用寿命，对叶片机械性能几乎无明显影响。春秋中文社区20世纪80年代末，我国由前苏联引进离子镀膜技术，称之为高能等离子真空镀膜设备，膜厚从小于10至上百微米。该离子镀技术设备结构简单，为单个真空电弧源，用于沉积金属元素涂层及金属氮化物和碳化物涂层，沉积速度1030m/h，操作简便。（2）利用单真空电弧源离子镀膜设备，制备多元合金化扩散铝化合物涂层，可以精确地控制铝和其他元素的加入量，生产时具有准确的重复性。涂层对耐热合金的机械性能同样无明显影响，与无涂层的合金相比，可使耐热合金的高温稳定性提高1倍以上。春秋中文社区利用镀膜技术制备的合金化扩散型铝化物涂层的优点是：可以有目的地向铝化物涂层中加入不同的合金元素，用以在不同的合金上提高涂层在各种不同外界条件下抗氧化、抗热腐蚀的能力。该工艺生产的合金化扩散型铝化物涂层，不仅进一步发展了扩散型铝化物涂层，而且提高了涂层的防护性能，同时摆脱了传统生产扩散型铝化物涂层的环境污染和劳动强度大的弊病。二、MEVVA源的应用材料的性能在使用过程中往往由于表面的损伤而降低，使工件过早地失效。离子注入的一个突出特点是能在不改变材料原性能的基础上改变和提高表面性能，延长工件的使用寿命。对于某些材料而言，由于表面改性可拓宽其应用领域。MEVVA源的问世为表面改性提供了更先进的工具，使表面改性手段更具多样性。应用范围涉及机械加工、航空、航天、集成电路和微电子加工等领域中的几乎所有材料(金属、陶瓷、高分子聚合物、复合材料、生物医用材料等)。1. MEVVA源在金属材料表面改性方面的应用（1） 研究较多的是将和C离子和Ti、Mo、W、Ta、Co、Zr等注入钢中，使钢表面耐磨损性能显著提高，金属离子与C双注入效果更好。其中，Ti、Co注入使钢的表面有好的自修复能力，钢表面有润滑作用，表面摩擦系数降低，耐磨损能力提高。对于C+Ti双注入，研究表明，钢表面存在密集的丝状抗腐蚀、抗点蚀的纳米结构金属碳化物，使钢表面具有优异的抗腐蚀特性的钝化层。又有应用研究表明，C+Mo、C+W双注入钢中，使钢在醋酸溶液和NaCl溶液中能抗酸性腐蚀、抗NaCl溶液产生的点腐蚀等等。航空发动机压气机钢叶片需要抗外来粒子冲刷磨蚀，同时在沿海飞行时又需要抗环境气氛的腐蚀，因此，以上应用研究工作对于寻找航空压气机钢叶片防护涂层提供了选用MEVVA源离子注入工艺的依据。（2）使用温度达600以上的航空发动机压气机钛合金部件易发生氧化而对钛合金零部件产生破坏性作用，目前多采用扩散型涂层、MCrAlY涂层、搪瓷涂层等一些防护方法，但均不理想。如用离子注入工艺，将Cu、Y、Ca+Eu、Ca+Ba等离子利用MEVVA源进行离子注入，有望达到大幅度改进钛合金抗磨损、抗腐蚀、抗氧化、抗粘着等性能的目的。另有研究表明，Mo+Ta离子注入钛合金，可起到稳定钛基体钝化特性的作用，据此，应加强金属离子注入作为钛合金防护手段的研究。春秋中文社区2. MEVVA源在硬质耐磨涂层表面改性方面的应用利用MEVVA源将Cr离子注入到用物理气相沉积(PVD)制备的CrN涂层表面，可使CrN涂层的抗腐蚀性能显著提高。CrN涂层属于硬质耐磨层，可以用作航空压气机叶片抗冲刷磨蚀的防护层，但它不能兼顾抗腐蚀的作用，这就限制了硬质耐磨涂层在航空发动机上的应用。因此，利用MEVVA源注入Cr离子于CrN涂层，达到表面改性的目的应是弥补这一使用缺陷有效手段之一。3. MEVVA源在复合材料表面改性方面的应用利用MEVVA源将Ti离子注入碳纤维或玻璃纤维进行纳米级表面改性，再制成复合材料。改性后的纤维增强树脂基复合材料具有较好的吸波性能，而且该复合材料的重量没有明显增加。这为隐身飞机的机翼蒙皮、机身蒙皮采用吸波复合材料多了一种选择。4. MEVVA源在高分子聚合物表面改性方面的应用（1）利用MEVVA源将Ti、Ag、Si、W、Mo和C等元素离子注入到PET聚酯膜表面，可使表面电阻降低，而且长期存放电阻保持不变。聚酯膜表面导电性能、抗磨损性能、弹性模量提高。（2）利用MEVVA源将Cu、Ni注入聚酯膜，可使表面导电性能增加以及紫外线和红外线吸收特性明显增加。（3）利用MEVVA源向聚合物注入Fe离子，可使聚合物表面具有铁磁性。由以上试验研究可以看出，利用MEVVA源将金属离子注入聚合物可使聚合物颜色加深，光吸收增加，并使聚合物力学、磁学、光学等性能发生变化，可拓宽高分子聚合物的应用范围。这些研究表明，对于飞机上使用的聚合物，可利用MEVVA源进行表面改性，达到计设要求应是可行的。5. MEVVA源在零部件表面改性方面的应用有文献报道表明，在1992年返回式科学试验卫星的抽气泵中，应用了MEVVA源注入C +Ti，提高了工作可靠性，为卫星在轨工作时间由38天延长到16天起到显著作用。国内已研究了利用MEVVA源在高精密仪器轴承上注入C+Ti、C+Ta，注入后能有效地提高轴承合金抗咬合磨损性能。此研究应在贵重而高精度的航空轴承上尽早应用。6. MEVVA源在复杂外形工件表面改性方面的应用对外形复杂的工件进行表面改性加工具有一定的难度。为此，提出了利用MEVVA源选用全方位离子注入，以实现复杂工件的表面改性。20世纪90年代初，全方位等离子注入PIII与MEVVA源相结合形成了金属等离子体浸没离子技术(MEPIII)。MEPIII适用于处理体积较大、形状复杂的工件，能保证工件所有暴露表面加工均匀。这种将表面沉积与表面注入改性相结合的工艺，可保证航空用外表复杂工件获得更符合质量要求的性能激光表面技术在航空领域中的应用 采用l03W/cm2以上功率密度的激光高能束流集中作用在金属表面，通过表面扫描或伴随有附加填充材料的加热，使金属表面由于加热、熔化、汽化而产生冶金的、物理的、化学的或相结构的转变，达到了金属表面改性的目的，这种加工技术称为激光表面（处理）技术。 激光熔覆是一种重要的材料表面改性技术，亦被称为激光镀覆或激光表面硬化。它是以高能密度的激光为热源在基材表面熔覆一层熔覆材料，使之与基材实现冶金结合，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的表面改性方法。近年来激光熔覆修复技术逐渐发展成为一种新型的先进制造技术。该技术集快速原型制造技术及激光熔覆表面改性技术于一体，可实现三维金属零件的修复而无需工模具。 激光熔覆的第一项工业应用是Rolls Royce 公司1981年对RB211涡轮发动机壳体结合部件进行硬面熔覆。在航空领域，航空发动机