材料表面工程-第四讲

1、资料外表工程主讲教师：吕 祥 鸿西安石油大学资料科学与工程学院1. 一、气相堆积技术 二、高能束外表处置目 录.一、气相堆积技术 1.气相堆积技术原理、分类2.物理气相堆积原理、安装及工艺 3.化学气相堆积原理、安装及工艺 3.1.气相堆积技术原理、分类定义-在基体上形胜利能膜层的技术，也称作干镀。 分类-膜层构成机理可分为4(1)物理气相堆积(2)化学气相堆积 真空蒸镀溅射镀膜离子镀膜一、气相堆积技术.2.物理气相堆积原理、安装及工艺 (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，然后凝聚在基体外表的方法。步骤-清洁基材外表蒸发源加热镀膜资料资料蒸发或升华成蒸气蒸气在基

2、材外表凝聚成膜。5一、气相堆积技术.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，那么蒸气在基体上构成凝固膜。6一、气相堆积技术.设备7真空蒸镀设备简图高真空阀出水分散泵冷阱增压泵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、气相堆积技术.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、气相堆积技术.9 高频感应加热法 一、气相堆积技术.10 激光蒸镀法 一、气相堆积技术.11真空蒸镀膜影响要素 真空度 基材外表形状：清洁度、温度、晶体构造蒸发温度蒸发和凝结速率基材外表与蒸发源的空间关系一、气相堆

3、积技术.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；形貌取决于膜层资料的特性、基体资料及操作时基体的温度；常用的蒸镀资料有:铬、铜、金、铝、氧化硅、锡、锑、三硫化锑等。12真空蒸镀膜运用反射器(镜)蒸发镀铝；电视设备、电子计算机用的电子元件。 一、气相堆积技术.(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，并在工件外表堆积成膜。荷能粒子普通为离子。步骤-靶面原子溅射溅射原子向基片迁移堆积成膜。13一、气相堆积技术.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

4、电源加热电源基片阴极屏障加热器一、气相堆积技术. 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、气相堆积技术. 磁控溅射16一、气相堆积技术靶SSN屏蔽基片工件架辉光区磁铁. 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、气相堆积技术.溅射镀膜运用 机械功能膜：耐摩、减摩、耐热、抗蚀等强化膜，固体光滑薄膜； 物理功能膜：电气、磁学、光学等；装饰膜。18一、气相堆积技术.(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

5、物或反响物堆积成膜。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、气相堆积技术.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，中性粒子堆积成膜。 20一、气相堆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.常用离子镀膜方法空心阴极离子镀 21一、气相堆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.多弧离子镀 2

6、2一、气相堆积技术至真空泵弧靶70V,100A工件架阳极任务室工件引弧电极.磁控溅射离子镀 23一、气相堆积技术至真空泵永久磁铁基板(工件)任务室磁控电源N S N氩气离子镀电源磁控阳极磁控靶膜层.活性反响离子镀 24一、气相堆积技术至真空泵基板电子枪真空室反响气体真空机组反响气导入环电源探测电极压差板物料.离子镀膜运用外表强化镀层：耐磨镀层、耐蚀镀层、光滑镀层；装饰镀层；特殊功能镀层。25一、气相堆积技术.3.化学气相堆积原理、安装及工艺定义-经过热化学反响产生的气相在工件外表堆积成膜的方法。设备-26一、气相堆积技术甲烷工件氢气瓶TiCl4高频源感应 加热炉枯燥剂催化剂反响室工件出口出气口

7、混合室流量计常由石英控制成；器壁为热态油槽.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；薄膜的堆积温度可以低于其本身的熔点。27一、气相堆积技术缺陷需求较高T，基材T高，堆积速率低/难以实现部分堆积；参与反响的气源和反响后的的余气都具有一定毒性。.分类28一、气相堆积技术按堆积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加强CVD光化学反响CVD金属有机物CVD如：在刀具上堆积TiC/TiN超硬膜如:堆积SiN9002000激光CVD500800 500PECVDLCVD按堆积系统压强

8、常压CVD减压CVD1atm(1.013105 Pa)数十数百Pa.29一、气相堆积技术气动连锁安装气体控制系统主真空泵防振台感应加热压力表清洗氮装料门组件反响室冷阱反响气体管排气波纹管真空阀减压CVD .30一、气相堆积技术等离子体加强CVD (PECVD) 分散泵加热器SiH4+Ar试样高频发生器反响室质量流量计N2机械泵质量流量计等离子区.31一、气相堆积技术金属有机化合物CVD (MOCVD)质量流量计4个反响室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

9、安装.32一、气相堆积技术光化学CVD利用光化学反响，使反响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响，生成化合物的CVD方法。主要用于堆积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。. 一、气相堆积技术 二、高能束外表处置目 录.二、高能束外表处置 1.高能束外表改性概述2.激光外表处置概述及其分类 3.电子束外表处置及热过程4. 离子注入原理、安装及运用 34.1.高能束外表改性概述高能束-激光束、电子束、离子束。外表改性-获得与基体的组织、性能不同的资料外表。 高能束加热和冷却速度极高-微晶或非晶制备。离子注入-把异类原子引入外表层-

10、外表合金化。35二、高能束外表处置.2.激光外表处置概述及其分类 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、金属外表本身性质有关；激光与金属作用的类型：热作用、力作用、光作用。36二、高能束外表处置.分类：不改动基材外表成分37二、高能束外表处置.38改动基材外表成分二、高能束外表处置.39激光熔覆技术二、高能束外表处置.40激光熔覆资料的添加预制涂层法：先涂覆、喷涂、电镀一层资料；同步送料法：将资料直接送入激光熔池，多为粉末、线材。二、高能束外表处置激光熔覆技术特点类似于喷焊或堆焊，与二者相比特点： (1) 稀释率低； (2)基材热变形最小； (3)熔覆

11、层致密，结合强度高； (4)无污染，无辐射，低噪声，劳动条件好。.41激光熔覆资料自熔合金：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、高能束外表处置激光熔覆影响要素激光功率、光斑直径、功率密度、扫描速度、送粉速率、资料相容性。激光熔覆用途构成特殊外表层；零件修复、恢复尺寸。.42激光外表合金化技术二、高能束外表处置铸铁大型轧辊激光合金化.43激光外表合金化工艺预制涂层法：刷涂、电镀、热扩渗、喷涂等；同步送粉法：将含有强化粒子资料送入熔池；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、高能束外表处置.4

12、4激光外表合金化特点既改动表层的物理形状，又改动其化学成分；与激光熔覆激光外表合金化的基材熔化程度高，需求更大的能量密度。二、高能束外表处置包头市鑫垣机械制造有限责任公司球墨铸铁轧辊激光外表合金化 .45激光外表淬火二、高能束外表处置内蒙古科技大学 轧辊外表强化 广州某光科技术 齿轮激光淬火.46激光外表非晶化和熔凝二、高能束外表处置齿圈激光熔凝轧辊激光熔凝.3.电子束外表处置及热过程 原理47二、高能束外表处置电子束能量密度达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。缺陷：必需在真空环境中处置。.电子束外表改性方法电子束淬火；电子束外表合金化； 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、高能束外表处置.4.离子注入原理、安装及运用原理-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，并注入金属资料表层。49二、高能束外表处置.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；压应力效应(喷丸强化)。 50二、高能束外表处置离子注入机.离子注入特点靶材与注入元素不受