高能粒子束表面改性技术研究与发展

高能粒子束表面改性技术研究与发展昆明理工大学材料111班解开书【摘要】关键叙述了高能粒子束表面改性技术中离子束表面改性技术基础原理、工艺特点、发展趋势及其存在问题和处理路径。关键词:高能粒子束;表面改性;研究与进展前言高能粒子束表面改性是经过高能量密度束流改变材料表面成份或组织结构表面处理技术。因为高能粒子束功率密度能够达成108W/cm2以上,甚至可超出109W/cm2,所以在极短作用周期下,材料表面就能达成其她表面技术所无法达成效果。高能粒子束表面改性技术含有以下部分特点:能量密度能够在很大范围内进行调整,并可正确控制;高能粒子束表面改性技术能够方便地与传统表面改性技术结合起来,从而填补甚至消除各自不足;利用高能粒子束能够对材料表面进行超高速加热和超高速冷却,其冷却速度可达104℃/S,从而实现新型超细、超薄、超纯材料合成和金属复合材料制备。高能离子束表面改性技术研究及其应用1.1离子束表面改性研究现实状况20世纪70年代中期,离子注入技术进入到半导体材料表面改性,采取离子注入精细掺杂替换热扩散工艺,使半导体从单个晶体管加工发展为平面集成电路加工。20世纪80年代初,离子束混合出现,对离子束冶金学发展做出了巨大贡献。80年代中期,金属蒸发真空弧离子源（MEVVA）和其她金属离子源问世,为离子束材料改性提供了强金属离子束。与此同时,为克服注入层浅问题,开始研究离子束辅助沉积技术（IBAD）,又称离子束增强沉积技术（IBED）。20世纪末发展起来称为“等离子体注入”技术（PSII-PIasmaSourceIonImplantation）克服了常规注入缺点,可对成批工件同时进行全方位离子注入而引发大家关注,因为工件是直接“浸泡”在被注入元素等离子体内,也有些人称之为“等离子体浸没离子注入”（PIII-PlasmaSourceIonImplantation）。PSII技术发展很快,该技术奠基人之一CONRADJR已取得大量基础研究和应用结果。自20世纪70年代以来,很多国家对离子注入材料改性研究和应用都给予了相当重视,部分大学、科研机构和企业都相继成立了专门从事这方面工作研究中心或试验室,如美国斯坦福大学,英国哈威尔原子能研究中心以及日本RIKEN物理化学研究所等。中国离子注入改性技术研究,早期也和国外一样关键集中在半导体研究和应用方面,从20世纪70年代至今逐步把该技术应用于其她领域,尤其是在优化材料表面摩擦学特征方面研究和应用得到了不停发展。现在,除了北京师范大学、清华大学、四川联合大学原子能研究所、中国原子能研究所等有专门研究中心外,还在上海冶金研究所建立了中国科学院离子束开放试验室,在大连理工大学建立了国家激光束、电子束、离子束开放研究室。不过因为高性能离子束装置研制和建立都比较缓慢,所以,不管在基础研究或应用方面与国外相比都还存在一定差距。1.2高能粒子束表面改性技术基础原理（1）离子注入基础原理在离子注入机中把各自所需离子加速成含有几万甚至几百万电子伏特能量载能束,并注入金属固体材料表层,在其表层形成几微米改性层,以此来提升基体材料表面性能。现在离子注入工艺已应用于很多部门,尤其是在工、模具制造业,效果突出。英国Rolls-Roycc股份有限企业为处理飞机发动机叶片材料微粒磨损问题,曾比较了46种不一样表面处理工艺,最终选择了三种,其中之一就是离子注入新工艺。（2）离子注入表面改性通常机理损伤强化作用、弥散强化作用、喷丸强化作用、提升抗氧化性、提升润滑性、提升耐腐蚀性（4）离子束辅助沉积离子束辅助沉积是一个将离子注入技术和物理气相沉积技术相结合真空沉积技术。它是指在同一真空系统中,以离子束溅射沉积薄膜同时,用几百电子伏特到几万电子伏特能量离子束对其进行轰击利用沉积原子和注入离子之间一系列物理化学作用,来增强膜层与基体结合,改善膜层质量。与其她薄膜制备方法相比,采取这种方法能够或得附着力极好薄膜。正因为离子束辅助沉积特殊作用和优点,使得该技术在合成新材料、制备功效膜方面得到了广泛应用。现在,利用该技术能够稳定地合成立方氮化硼（B3N）、类金刚石薄膜（DLC）、TiN和Ti2N等多个优质膜层及陶瓷材料,尤其是TiN和Ti2N膜层,性能优良,含有良好耐磨性和减磨性。（3）离子束混合及离子束反冲注入离子束混合离子束混合就是将所需多个元素交替地镀在集体上,组成多层薄膜,每层约10nm厚,然后用加速器轻易或得单能量离子。她关键优点在于填补了离子直接注入过程不足。有研究指出,经惰性气体Xe离子轰击预镀钯纯钛表面,生成钯改性表面,显著地提升钛在还原性酸中耐腐蚀性能。离子束反冲注入离子束反冲注入就是指将所需元素,尤其是难于融化金属元素,经真空蒸发或离子溅射,在试样表面形成镀膜,然后用惰性离子,如Xe+、Ar+、Kr+等轰击,将镀层原子撞击反冲到试样基体中去,起到对所需元素进行间接注入作用。有些人利用Ar+溅射Ti原子,使Ti沉积在钛表面,去得了很好效果。等离子体注入等离子体球壳形成（5）离子注入特点注入元素多且任意选择;无需改变材料整体特征,就可有选择地改变材料表面特征;注入或添加到基体中原子不受基体固溶度限制,不受扩散系数和化合结协力影响;强流氮和强流金属离子束束流强度可达5~50mA,提升了注入效率,适适用于工业应用;离子注入不改变工件尺寸,适合于机密机械零件表面处理;离子束增强沉积可或得厚度大于1µm改性层或超硬层,适于恶劣条件下应用;离子注入无废液处理等环境污染;离子注入因为采取电信号操作,能够比较正确地控制离子注入深度和浓度,有很好工艺一致性和反复性。2高能粒子束表面改性技术发展高能粒子束表面改性技术已在很多精密、关键、高附加值模具和机械零件生产中得到了广泛应用,并将继续开拓其应用领域。发展前景有以下多个方面:等离子体浸没离子注入（PⅢ）是目前表面改性技术热点,以其设备结构简单、成本低、效率高、克服了束线离子注入（ⅠBⅡ）固有视线限制,适适用于处理体积较大、形状复杂工件等优点而受社会各界亲密关注。在PⅠⅡ过程中,探讨合理电磁场位形和高磁过滤器传输效率而又不至对注入离子能量和注入角度产生重大影响路径是未来发展方向。同时PⅠⅡ与MEVVA等离子体源技术相结合,形成了金属等离子体浸没离子注入技术,使等离子体注入种类由多种气态离子扩展为几乎全部元素离子,极大地扩展了PⅠⅡ技术应用领域,取得很好效果。伴随计算机技术和信息技术快速发展,利用计算机进行辅助设计来实现离子束表面改性工艺多样化;离子束表面改性技术向有效增加改性层厚度方向发展;材料在远离平衡状态下,其微观结构形成、演化机理及规律研究;多元表面改性处理时成份控制。存在问题及处理方案离子束表面改性技术存在关键问题在于:沉积或注入时伴随产生微米级微粒,是影响膜层结协力和光泽度。在电弧燃烧过程中,从阴极斑点处产生包含有金属离子、金属蒸汽、电子、宏观离子团（MPsMacroparticles）等组成电弧流。这些MPs关键是部分阴极材料液滴,它们假如达成机体表面,就会附着到上面,造出表面粗糙、性能不均匀。为了处理这个问题,关键从两方面入手:一是经过有效地冷却来避免阴极表面长久过热;二是阻止MPs向工件输送。比如:AKARIK采取直线型磁过滤器;KUEHNM等采取膝曲式磁过滤器;ANDERSS等采取900弧磁过滤器,并在弯管内壁上附加一系列挡板。这多个方法对MPs过滤都比较有效。王广甫等发觉,在磁过滤器管道上加正偏压,对提升传输效率大有益处,但偏压过高会造成真空弧不稳定。南京航空航天大学再利用阴极电弧沉积技术制备类金刚石膜时,采取MPs过滤方法,并研究了挡板结构和数据对过滤情况影响,此法实际应用效果良好。【参考文件】[1]刘正埙,高能束加工技术[M].航空工业出版社,.[2]江静华,方峰,马爱斌.金属表面改性技术[J].江苏机械制造与自动化,,（5）:42-45.[3]邬建辉,张传福.高能束流技术及其在腐蚀与防护中应用[J].腐蚀科学与防护技术,,（2）:105-108.[4]MURPHYM,LEEC,STEENWRapidPrototypingofMetalComponents[A].UsingAcombinedProcessoflasercladdingandmetalMachining[C].SecondInternationalConferenceonManufacturingTechnology,1993.123-127.[5]王贻华,胡正琼.离子注入与分析基础[M].北京航空工业出版社.1992.[6]徐滨士,刘世参.表面工程新技术[M].北京国防工业出版社..[7]张伏,王凤娟,郝建军.三束表面改性技术应用及发展趋势[J].河北农业大学学报.,26（5）:260-263.[8]李金桂,赵进,吴再思.三束诱发表面技术进展[J].材料保护,,34（10）:34-35.[9]王钧石,柳襄怀,王曦,等.等离子体源离子注入表面改性研究及应用[J].材料热处理学报,,23（1）:25-28.[10]张光胜.离子注入材料表面改性及其在摩擦