材料表面工程-第四讲课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,材料表面工程主讲教师：吕 祥 鸿1,一、,气相沉积技术,二、,高能束表面处理,目 录,一、气相沉积技术目 录,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,3,一、气相沉积技术 1.气相沉积技术原理、分类3,1.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,1.气相沉积技术原理、分类4(1)物理气相沉积真空蒸镀溅射镀,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。,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,2.物理气相沉积原理、装置及工艺 5一、气相沉积技术,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，则蒸气在基体上形成凝固膜。,6,一、,气相沉积技术,原理-在高真空中，镀料气化（升华）。基体设在蒸气流上方，且温,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,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-85,8,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,8方法钨丝、钨舟、钼舟电阻加热蒸发源一、气相沉积技术,9,高频感应加热法,一、,气相沉积技术,9一、气相沉积技术,10,激光蒸镀法,一、,气相沉积技术,10一、气相沉积技术,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,11真空蒸镀膜影响因素一、气相沉积技术,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,真空蒸镀膜性质12真空蒸镀膜应用一、气相沉积技术,(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，并在工件表面沉积成膜。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,(2)溅射镀膜13一、气相沉积技术,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,),高压电源,加热电源,基片,阴极屏障,加热器,一、,气相沉积技术,常用方法14由真空室+抽真空系统+ 电气系统+供气部分组成钟,射频溅射,射频：指频率低于610,12,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,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,磁控溅射,16,一、,气相沉积技术,靶,S,S,N,屏蔽,基片,工件架,辉光区,磁铁,16一、气相沉积技术靶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、,气相沉积技术,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,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,溅射镀膜应用18一、气相沉积技术,(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,(3)离子镀膜19一、气相沉积技术,原理,工件为阴极，阳极兼作蒸发源。,抽真空10,-3,10,-4,Pa，充氩气至10,-,2,1Pa，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,原理20一、气相沉积技术阴极交流电源至真空系统基片 蒸,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,常用离子镀膜方法21一、气相沉积技术水冷铜坩埚钟罩工件高压电,多弧离子镀,22,一、,气相沉积技术,至真空泵,弧靶,7,0V,100A,工件架,阳极,工作室,工件,引弧电极,22一、气相沉积技术至真空泵弧靶70V,100A工件架阳极工,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,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,活性反应离子镀,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,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,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,离子镀膜应用25一、气相沉积技术,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,TiCl,4,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,3.化学气相沉积原理、装置及工艺26一、气相沉积技术甲烷工件,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。,特点27一、气相沉积技术缺点,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,CVD,MOCVD,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,SiN,9002000,激光,CVD,500800, 500,PECVD,LCVD,按沉积系统压强,常压,CVD,减压,CVD,1atm(1.01310,5,Pa),数十,数百,Pa,分类28一、气相沉积技术按沉积T高温CVD按实施方法中温CV,29,一、,气相沉积技术,气动连锁装置,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,反应室,冷阱,反应气体管,排气,波纹管,真空阀,减压CVD,29一、气相沉积技术气动连锁装置气体控制系统主真空泵防振台感,30,一、,气相沉积技术,等离子体增强CVD (PECVD),扩散泵,加热器,SiH,4,+Ar,试样,高频发生器,反应室,质量流量计,N,2,机械泵,质量流量计,等离子区,30一、气相沉积技术扩散泵加热器SiH4+Ar试样高频发生器,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,H,2,Se,AsH,3,GaAs,基片,排气,RF,线圈,托架,净化器,TMG,TMA,DEZ,石墨制成,H,2,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,31一、气相沉积技术质量流量计4个反应室H2SeAsH3Ga,32,一、,气相沉积技术,光化学CVD,利用光化学反应，使反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SiO,2、,Si,3,N,4,以及多晶硅膜；生长M膜和Ga、Ge、Ti、W等元素的氧化物膜。,32一、气相沉积技术,一、,气相沉积技术,二、,高能束表面处理,目 录,一、气相沉积技术目 录,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,34,二、高能束表面处理 1.高能束表面改性概述34,1.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,-,表面合金化。,35,二、,高能束表面处理,1.高能束表面改性概述35二、高能束表面处理,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,2.激光表面处理概述及其分类 36二、高能束表面处理,分类：,不改变基材表面成分,37,二、,高能束表面处理,分类：37二、高能束表面处理,38,改变基材表面成分,二、,高能束表面处理,38二、高能束表面处理,39,激光熔覆技术,二、,高能束表面处理,39二、高能束表面处理,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。,40二、高能束表面处理,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：Al,2,O,3,、ZrO,2,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。,41二、高能束表面处理,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,42二、高能束表面处理铸铁大型轧辊激光合金化,43,激光表面合金化工艺,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N,2,、O,2,等气体。,二、,高能束表面处理,43二、高能束表面处理,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,44二、高能束表面处理包头市鑫垣机械制造有限责任公司,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,45二、高能束表面处理内蒙古科技大学 轧辊表面强化 广州某,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,46二、高能束表面处理齿圈激光熔凝轧辊激光熔凝,3.电子束表面处理及热过程,原理,47,二、,高能束表面处理,电子束能量密度达,10,3,MW/m,2,，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。,3.电子束表面处理及热过程 47二、高能束表面处理电子束能量,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,电子束表面改性方法48二、高能束表面处理,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,4.离子注入原理、装置及应用49二、高能束表面处理,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、,高能束表面处理,离子注入机,离子注入强化机理50二、高能束表面处理离子注入机,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,离子注入特点51二、高能束表面处理,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,1）简述材料表面工程在材料科学研究中的重要性；材料表面工程,