材料表面工程第四讲课件

1、材料表面工程主讲教师：吕 祥 鸿西安石油大学材料科学与工程学院1第1页，共54页。 一、气相沉积技术 二、高能束表面处理目 录第2页，共54页。一、气相沉积技术 1.气相沉积技术原理、分类2.物理气相沉积原理、装置及工艺 3.化学气相沉积原理、装置及工艺 3第3页，共54页。1.气相沉积技术原理、分类定义-在基体上形成功能膜层的技术，也称作干镀。 分类-膜层形成机理可分为4(1)物理气相沉积(2)化学气相沉积 真空蒸镀溅射镀膜离子镀膜一、气相沉积技术第4页，共54页。2.物理气相沉积原理、装置及工艺 (1)真空蒸镀定义-在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。

2、步骤-清洁基材表面蒸发源加热镀膜材料材料蒸发或升华成蒸气蒸气在基材表面凝聚成膜。5一、气相沉积技术第5页，共54页。原理-在高真空中，镀料气化（升华）。基体设在蒸气流上方，且温度相对较低，则蒸气在基体上形成凝固膜。6一、气相沉积技术第6页，共54页。设备7真空蒸镀设备简图高真空阀出水扩散泵冷阱增压泵ZF-85针阀工件钟罩工件夹和加热器低真空阀放气阀充气阀蒸发源与加热器机械泵进水一、气相沉积技术第7页，共54页。8方法 电阻加热法 温度1500，Al、Au、Ag。钨丝、钨舟、钼舟电阻加热蒸发源一、气相沉积技术第8页，共54页。9 高频感应加热法 一、气相沉积技术第9页，共54页。10 激光蒸镀法

3、 一、气相沉积技术第10页，共54页。11真空蒸镀膜影响因素 真空度 基材表面状态：清洁度、温度、晶体结构蒸发温度蒸发和凝结速率基材表面与蒸发源的空间关系一、气相沉积技术第11页，共54页。真空蒸镀膜性质 大多数呈晶态，尺寸10100nm； 膜层与基体的结合主要为机械结合；形貌取决于膜层材料的特性、基体材料及操作时基体的温度；常用的蒸镀材料有:铬、铜、金、铝、氧化硅、锡、锑、三硫化锑等。12真空蒸镀膜应用反射器(镜)蒸发镀铝；电视设备、电子计算机用的电子元件。 一、气相沉积技术第12页，共54页。(2)溅射镀膜定义-在真空室中，用荷能粒子轰击靶材，使其原子获得能量而溅出进入气相，并在工件表面沉

4、积成膜。荷能粒子一般为离子。步骤-靶面原子溅射溅射原子向基片迁移沉积成膜。13一、气相沉积技术第13页，共54页。常用方法 二极溅射 14由真空室+抽真空系统+ 电气系统+供气部分组成钟罩氩气阴极(靶)阳极(基板)高压电源加热电源基片阴极屏障加热器一、气相沉积技术第14页，共54页。 射频溅射射频：指频率低于61012的电振荡频率 15射频电源氩气靶材射频电极匹配电路工件架工件电磁线圈电磁线圈真空罩一、气相沉积技术第15页，共54页。 磁控溅射16一、气相沉积技术靶SSN屏蔽基片工件架辉光区磁铁第16页，共54页。 三极溅射17钟罩靶子挡板磁场线圈基片阳极灯丝抽气系统进气阀等离子区一、气相沉积

5、技术第17页，共54页。溅射镀膜应用 机械功能膜：耐摩、减摩、耐热、抗蚀等强化膜，固体润滑薄膜； 物理功能膜：电气、磁学、光学等；装饰膜。18一、气相沉积技术第18页，共54页。(3)离子镀膜定义-在真空条件下，由惰性气体辉光放电使气体或被蒸发物质部分离子化，离子经电场加速后对带负电荷的基体轰击，同时将蒸发物或反应物沉积成膜。镀料蒸发方式-电阻加热、电子束加热、等离子束加热、高频感应加热等。离化方式-辉光放电型、电子束型、热电子型、等离子电子束型等。19一、气相沉积技术第19页，共54页。原理工件为阴极，阳极兼作蒸发源。 抽真空10-310-4Pa，充氩气至10-21Pa，加几百至几千伏直流电

6、压，氩离子轰击清洗基片，接通交流电，膜料蒸发且电离或激发，正离子轰击基片，中性粒子沉积成膜。 20一、气相沉积技术阴极交流电源至真空系统基片 蒸发源 直流高压氩气钟罩 阳极等离子区阴极暗区第20页，共54页。常用离子镀膜方法空心阴极离子镀 21一、气相沉积技术水冷铜坩埚钟罩工件高压电源蒸发源氩气HCD阴极至真空系统阳极辅助阳极第21页，共54页。多弧离子镀 22一、气相沉积技术至真空泵弧靶70V,100A工件架阳极工作室工件引弧电极第22页，共54页。磁控溅射离子镀 23一、气相沉积技术至真空泵永久磁铁基板(工件)工作室磁控电源N S N氩气离子镀电源磁控阳极磁控靶膜层第23页，共54页。活性

7、反应离子镀 24一、气相沉积技术至真空泵基板电子枪真空室反应气体真空机组反应气导入环电源探测电极压差板物料第24页，共54页。离子镀膜应用表面强化镀层：耐磨镀层、耐蚀镀层、润滑镀层；装饰镀层；特殊功能镀层。25一、气相沉积技术第25页，共54页。3.化学气相沉积原理、装置及工艺定义-通过热化学反应产生的气相在工件表面沉积成膜的方法。设备-26一、气相沉积技术甲烷工件氢气瓶TiCl4高频源感应 加热炉干燥剂催化剂反应室工件出口出气口混合室流量计常由石英管制成；器壁为热态油槽第26页，共54页。特点可以制备多种单质/化合物/氮化物或不同组分的薄膜；可以在较宽的范围内获得具有可控成分的覆层；薄膜的沉

8、积温度可以低于其本身的熔点。27一、气相沉积技术缺点需要较高T，基材T高，沉积速率低/难以实现局部沉积；参加反应的气源和反应后的的余气都具有一定毒性。第27页，共54页。分类28一、气相沉积技术按沉积T高温CVD按实施方法中温CVD低温CVD普通CVDMOCVD如：平面硅和MOS集成电路的钝化膜等离子增强CVD光化学反应CVD金属有机物CVD如：在刀具上沉积TiC/TiN超硬膜如:沉积SiN9002000激光CVD500800 500PECVDLCVD按沉积系统压强常压CVD减压CVD1atm(1.013105 Pa)数十数百Pa第28页，共54页。29一、气相沉积技术气动连锁装置气体控制系统

9、主真空泵防振台感应加热压力表清洗氮装料门组件反应室冷阱反应气体管排气波纹管真空阀减压CVD 第29页，共54页。30一、气相沉积技术等离子体增强CVD (PECVD) 扩散泵加热器SiH4+Ar试样高频发生器反应室质量流量计N2机械泵质量流量计等离子区第30页，共54页。31一、气相沉积技术金属有机化合物CVD (MOCVD)质量流量计4个反应室H2SeAsH3GaAs基片排气RF线圈托架净化器TMGTMADEZ石墨制成H2采用GaAs作为基片不锈钢发泡器高压气瓶用氢气稀释至510%用氢气稀释至几十几百ppm至废气回收装置第31页，共54页。32一、气相沉积技术光化学CVD利用光化学反应，使反

10、应物吸收一定波长和能量的光子，促使其中的原子团和离子发生反应，生成化合物的CVD方法。主要用于沉积SiO2、Si3N4以及多晶硅膜；生长M膜和Ga、Ge、Ti、W等元素的氧化物膜。第32页，共54页。 一、气相沉积技术 二、高能束表面处理目 录第33页，共54页。二、高能束表面处理 1.高能束表面改性概述2.激光表面处理概述及其分类 3.电子束表面处理及热过程4. 离子注入原理、装置及应用 34第34页，共54页。1.高能束表面改性概述高能束-激光束、电子束、离子束。表面改性-获得与基体的组织、性能不同的材料表面。 高能束加热和冷却速度极高-微晶或非晶制备。离子注入-把异类原子引入表面层-表面

11、合金化。35二、高能束表面处理第35页，共54页。2.激光表面处理概述及其分类 概述：金属对激光的吸收部分反射,部分吸收；吸收能量电子跃迁；吸收率与波长、温度、金属表面自身性质有关；激光与金属作用的类型：热作用、力作用、光作用。36二、高能束表面处理第36页，共54页。分类：不改变基材表面成分37二、高能束表面处理第37页，共54页。38改变基材表面成分二、高能束表面处理第38页，共54页。39激光熔覆技术二、高能束表面处理第39页，共54页。40激光熔覆材料的添加预制涂层法：先涂覆、喷涂、电镀一层材料；同步送料法：将材料直接送入激光熔池，多为粉末、线材。二、高能束表面处理激光熔覆技术特点类似

12、于喷焊或堆焊，与二者相比特点： (1) 稀释率低； (2)基材热变形最小； (3)熔覆层致密，结合强度高； (4)无污染，无辐射，低噪声，劳动条件好。第40页，共54页。41激光熔覆材料自熔合金：镍基、铁基、钴基、铜基；金属陶瓷符合粉末：合金与碳化物(WC、TiC、SiC等)；陶瓷粉末：Al2O3、ZrO2等。二、高能束表面处理激光熔覆影响因素激光功率、光斑直径、功率密度、扫描速度、送粉速率、材料相容性。激光熔覆用途形成特殊表面层；零件修复、恢复尺寸。第41页，共54页。42激光表面合金化技术二、高能束表面处理铸铁大型轧辊激光合金化第42页，共54页。43激光表面合金化工艺预制涂层法：刷涂、电

13、镀、热扩渗、喷涂等；同步送粉法：将含有强化粒子材料送入熔池；激光气体合金化法：激光熔化铝或钛合金通入N2、O2等气体。二、高能束表面处理第43页，共54页。44激光表面合金化特点既改变表层的物理状态，又改变其化学成分；与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、高能束表面处理包头市鑫垣机械制造有限责任公司球墨铸铁轧辊激光表面合金化 第44页，共54页。45激光表面淬火二、高能束表面处理内蒙古科技大学 轧辊表面强化 广州某光科技术有限公司 齿轮激光淬火第45页，共54页。46激光表面非晶化和熔凝二、高能束表面处理齿圈激光熔凝轧辊激光熔凝第46页，共54页。3.电子束表面处理

14、及热过程 原理47二、高能束表面处理电子束能量密度达103MW/m2，比激光高一至二个数量级。电子束加热深度和尺寸比激光大。缺点：必须在真空环境中处理。第47页，共54页。电子束表面改性方法电子束淬火；电子束表面合金化； 电子束覆层； 制造非晶态层； 此外，电子束蒸镀、溅射也应属于电子束的改性范畴。48二、高能束表面处理第48页，共54页。4.离子注入原理、装置及应用原理-把所需的离子（如N、C、O、Cr、Ni、Ti等元素离子）加速至几万甚至百万电子伏特能量，并注入金属材料表层。49二、高能束表面处理第49页，共54页。离子注入强化机理固溶强化；细晶强化；晶格损伤强化；弥散强化；晶格变换效应；

15、压应力效应(喷丸强化)。 50二、高能束表面处理离子注入机第50页，共54页。离子注入特点靶材与注入元素不受限制；不受温度限制；不受固溶度、扩散系数、结合力限制；可精确控制掺杂数量、深度与位置；横向扩散可忽略，深度均匀；不改变工件尺寸； 缺点：设备昂贵，成本较高，在真空中处理。 51二、高能束表面处理第51页，共54页。1）简述材料表面工程在材料科学研究中的重要性；2）针对石油装备材料表面改性及强化的研究方法，对其工作原理及应用进行论述；3）结合课题方向，简述学习材料表面工程这门课的心得体会；4）篇幅要求：20页（1.5万字左右）。材料表面工程大作业要求第52页，共54页。树立质量法制观念、提

16、高全员质量意识。8月-228月-22Friday, August 5, 2022人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。05:46:1005:46:1005:468/5/2022 5:46:10 AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。8月-2205:46:1005:46Aug-2205-Aug-22加强交通建设管理，确保工程建设质量。05:46:1005:46:1005:46Friday, August 5, 2022安全在于心细，事故出在麻痹。8月-228月-2205:46:1005:46:10August 5, 2022踏实肯干，努力奋斗。2022年8月5日5:46 上午8月-228

17、月-22追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。05 八月 20225:46:10 上午05:46:108月-22严格把控质量关，让生产更加有保障。八月 225:46 上午8月-2205:46August 5, 2022作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2022/8/5 5:46:1005:46:1005 August 2022好的事情马上就会到来，一切都是最好的安排。5:46:10 上午5:46 上午05:46:108月-22一马当先，全员举绩，梅开二度，业绩保底。8月-228月-2205:4605:46:1005:46:10Aug-22牢记安全之责，善谋安全之策，力务安全之实

18、。2022/8/5 5:46:10Friday, August 5, 2022相信相信得力量。8月-222022/8/5 5:46:108月-22谢谢大家！第53页，共54页。树立质量法制观念、提高全员质量意识。8月-228月-22Friday, August 5, 2022人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。05:46:1005:46:1005:468/5/2022 5:46:10 AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。8月-2205:46:1005:46Aug-2205-Aug-22加强交通建设管理，确保工程建设质量。05:46:1005:46:1005:46Friday, August 5, 2022安全在于心细，事故出在麻痹。8月-228月-2205:46:1005:46:10August 5, 2022踏实肯干，努力奋斗。2022年8月5日5:46 上午8月-228月-22追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。05 八月 20225:46:10 上午05:46:108月-22按章操作莫乱改，合理建议提出来。八月 225:46 上午8月-2205:46