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1、2011-7-11真空热蒸发镀膜系统电子束蒸发镀膜系统等离子体镀膜2011-7-12应用于 研究和确定晶体生长机理及开展表面物理研究并可生长各种半导体材料。可精确控 制外延薄膜的厚度成分和掺杂浓度外延生长时可做原位分析与检测实现原子尺度的 外延生长。2011-7-13低压等离子体化学气相沉积设备LPPCVD 2011-7-14钟罩靶子 挡板磁场线圈基片阳极灯丝抽气系统进气阀溅射镀膜图:溅射装置示意图特点是 设有热阴极在阴极靶面周围置有外加磁场溅射气压低真空度约101102Pa不 足处a工作气体的电子增多电离几率增大使得在低气压下也能维持放电b外加磁场使 等离子体约束在靶的周围提高了溅射效率一般
2、来说低气压有利于溅射出来的粒子运 动但随着气压的降低会引起阴极位降区逐渐扩大以致辉光熄灭c由于气压低采用溅 射电压相应低膜层的的质量好基片的温升也低由钨丝或钨铼丝制成等离子区不 适用于大面积沉积均匀薄膜不能溅射介质与半导体2011-7-15表面功能覆层技术 一、技术概述新型表面功能覆层技术包括低温化学表面涂层技术及超深层表面改性 技术它运用物理、化学或物理化学等技术手段来改变“材料及其制件表面成份和组 织结构”其特点是保持基体材料固有的特征又赋予表面化所要求的各种性能从而适 应各种技术和服役环境对材料的特殊要求因而它是制造和材料学科最为活跃的技术 领域又是涉及表面处理与涂层技术的交叉学科。其最
3、大的优势在于能以极少的材料 和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层从而获得最大 的经济效益它是一种优质高效的表面改性与涂层技术。优质、高效的表面改性与涂 层技术其范围广阔如热化学表面技术物理气相沉积化学气相沉积物理化学气相沉积 技术高能等离子体表面涂层技术金刚石薄膜涂层多元多层复合涂层技术表面改性及 涂层性能预测及剪裁技术性能测试与寿命评估等等。新型低温化学气相沉积技术引 入等离子体增强技术使其温度降至600度以下获得硬质耐磨涂层新工艺所生产的高 强度、高性能的涂层工艺在高速、重负荷、难加工领域中有其特殊的作用。超深层表 面改性技术可应用于绝大多数热处理件和表面处理件可替
4、代高频淬火碳氮共渗离子 渗氮等工艺得到更深的渗层更高的耐磨性产品寿命剧增可产生突破性的功能变化。 二、现状及国内外发展趋势随着基础工业及高新技术产品的发展对优质、高效表面 改性及涂层技术的需求向纵深延伸国内外在该领域与相关学科相互促进的局势下在 诸如“热化学表面改性”、“高能等离子体表面涂层”、“金刚石薄膜涂层技术”以及“表 面改性与涂层工艺模拟和性能预测”等方面都有着突破的进展。1.热化学表面改性技 术现状及发展趋势国外近年来重视对“可控气氛条件和真空条件下的渗碳碳氮共渗 等技术的研究并已实现工业化。而在我国应用很少相关的技术研究工作亦不够。可 控气氛渗碳和真空渗碳技术能显著缩短生产周期节能
5、、省时同时可提高工件质量不 氧化、不脱碳保证零件表面耐腐蚀和抗疲劳性并减少热处理后机加工余量及清理工 时。目前国际上渗碳控制和监测渗层布型控制等方面的研究成果已应用于实际生产 并用计算机进行在线动态控制。2011-7-162.PVD、CVD、PCVD技术现状及发展趋势 各种气相沉积是当前世界上著名研究机构和大学竞相开展的具有挑战性的研究课题。 目前该技术在信息、计算机、半导体、光学仪器等产业及电子元器件、光电子器件、 太阳能电池、传感器件等制造中应用十分广泛在机械工业中制作硬质耐磨镀层、耐 腐蚀镀层、热障镀层及固体润滑镀层等方面也有较多的研究和应用其中TiN等镀膜刀具的普及已引起切削领域中的一
6、场革命金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也十 分火热并已向实用化方面推进。在不同PVD、CVD工艺的基础上通过发展和复合很 多新的工艺和设备如IBAD、PCVD与空心阴极多弧复合离子镀膜装置、离子注入与 溅射镀或蒸镀的复合装置、等离子体浸没式离子注入装置等不断将该类技术推向新 的高度。与国外的发展相比我国在上述方面虽研究较多但水平有较大差异在实用化 方面差距更大。3.高能等离子体表面涂层技术现状及发展趋势该技术是增加表面物 理化学反应获取特殊性能覆盖层。其核心是更有效地增强和控制阴极电弧等离子体 的产生和作用美国、日本、德国大力发展该技术。等离子体增强电化学表面改性技术 是目前国际上较活跃的开发
7、研究领域对于铝、钛等材料通过等离子体辉光放电手段 增强电化学处理效果在金属表面上生成致密氧化铝和其它氧化物陶瓷膜层可使基体 具有极高性能表面是先进制造工艺的前沿技术在机加工用刀具和模具行业也有很好 的应用前景2011-7-174.金刚石薄膜涂层技术金刚石具有极好的物理性能在形状复杂 的刀具、模具、钻头等工件表面沉积上一层很薄的金刚石薄膜可提高工件的使用性 能并满足一些特殊条件的需求。近年来由于金刚石薄膜的优异性能以及广泛的应用 前景日本、美国、西欧均进行大量的研究工作并开发了多种金刚石涂层工艺技术已 在国内外掀起金刚石涂层研究的热潮。尤其是在提高金刚石涂层和基体结合强度大 面积快速沉积金刚石涂
8、层技术产业化生产涂层金刚石薄膜设备系统等关键技术方面 国外已取得突破性进展美国、瑞典等国已推出金刚石金属切削工具供应市场而我国 该技术还没有达到实用水平急待开发并实现产业化。5.多元多层复合涂层技术的现 状及发展趋势单一的表面涂层不能满足表面工程设计中苛刻的工况条件任何表面处 理均有其不同的优缺点因此利用不同涂层材料的性能优点在基体表面形成多元多层 复合涂层渐变的梯度层具有重大的意义。国外已开展单层涂层厚度为纳米级层数在 100层以上的多元多层复合涂层技术的研究所制备的涂层具有较高的耐腐性、韧性 和强度和基体的结合强度也好表面粗糙度低这对于精密高速机械加工十分有利。国 外已列为主要发展方向预计
9、在纳米级精细涂层材料研究和应用领域会有新的突破。 因为复合涂层技术具有抗磨损、抗高温氧化腐蚀、隔热等功能能扩大涂层制品使用 范围延长使用寿命是一项在下一世纪会得到迅速发展的技术。我国目前已开始研究 并取得初步成果但还存在一些问题有待于解决。6.表面改性与涂层工艺模拟和性能 预测的现状及发展趋势表面改性与涂层技术作为表面工程的重要组成部分已经渗透 到传统工业与高新技术产业部门根据应用的要求反过来又促进表面功能覆层技术的 进一步发展。根据使用要求对材料表面进行设计、对表面性能参数进行剪裁使之符 合特定要求并进一步实现对表面覆盖层的组织结构和性能的预测等已成为该领域重 要研究方向。国外已对CVD、P
10、VD以及其它表面改性方法开展计算机模拟研究针对 CVD过程进行模拟采用宏观和微观多层次模型对工艺和涂层各种性能和基体的结 合力进行模拟和预测对渗碳渗氮工件渗层性能应力等进行计算机模拟等等人们可以 更好地控制和优化工艺过程。我国这方面的研究刚处于起步阶段。2011-7-18一、概 述表面技术是利用各种物理的、化学的或机械的方法使金属表面获得特殊的化学成 分、组织结构和性能从而提高金属零件或构件使用寿命的技术。1.表面技术的特点 材料性能只需进行表面改性或强化可以节约材料。可以获得特殊的表面层。表面涂层很薄涂层用料少。可以用于修复已损坏、失效的零件。2.表面技术的分类 表面覆层。表面覆层技术包括镀
11、层电镀、化学镀等、热喷涂、涂料涂装、陶瓷涂敷、 化学转化膜、堆焊、气相沉积、着色染色等。2011-7-19表面合金化。包括表面扩渗、 喷焊堆焊、激光合金化、离子注入等。表面处理。各种表面淬火感应加热、激光加 热、电子束加热、表面形变强化如喷丸、滚压等。二、各种材料表面技术简介一热喷 涂技术热喷涂技术是利用热源将金属或非金属材料加热到熔化或半熔化状态用高速 气流将其吹成微小颗粒雾化喷射到工件表面形成牢固的覆盖层的表面加工方法。 2011-7-1101.热喷涂方法分类2011-7-1112.热喷涂技术特点1涂层和基体材料广泛2热 喷涂工艺灵活3喷涂层、焊喷层的厚度可以在较大范围内变化4热喷涂有着较
12、高的生 产效率5热喷涂时基体受热程度低6母材对涂层的稀释率较低3.常用热喷涂技术1火 焰喷涂利用各种可燃烧气体放出的热进行的热喷涂称火焰喷涂。目前应用最广泛的 气体是氧、乙炔。2电弧喷涂3等离子喷涂2011-7-1124.涂层结构的特点1涂层是层状 结构2涂层中有应力涂层外层受拉应力基体有时也包括涂层的内层受压应力。3涂层 有着不均匀的化学成分4涂层的多孔性5.热喷涂材料1纯金属及其合金2陶瓷材料3复 合材料6.热喷涂工艺表面处理预热喷涂喷后处理2011-7-113二气相沉积根据 气相沉积过程进行的方式不同分为物理气相沉积、化学气相沉积和等离子体化学气 相沉积。1.物理气相沉积PVD法是借助一
13、种惰性气体如氩气的辉光放电使金属如Ti 蒸发离子化同时引进CO2等反应气体便可使工件表面获得碳化物如TiC。此法可沉 积钛、铝以及某些高熔点材料。1真空蒸镀是将沉积材料与工件同放在真空室中然后 加热沉积材料使之迅速熔化蒸发当蒸发原子与冷工件表面接触后便在工件表面上凝 结形成一定厚度的沉积层。2离子镀与真空蒸镀不同的是工作室内充有氩气而且在 蒸发源与工件之间加上一个电场。在电场作用下氩气产生辉光放电在工件周围形成 一个等离子区。当蒸发原子通过时也被电离结果被电场加速射向工件在表面产生沉 积。2011-7-1142.化学气相沉积CVD法在高温下使气相进行一定的化学反应结果在 工件特定的表面上沉积而
14、形成一种固态薄膜的方法。在真空反应室内加热到 9001100进行。如覆以TiC层则将挥发性氯化钛如TiCl4与气态碳氢化合物如CH4一 道通入容器便使工件表面发生化学反应生成TiC并沉积成68m的覆盖层。其沉积过 程一般包括沉积物的蒸发气化、气相与工件的化学反应、膜的沉积加厚三个阶段。此 法可以制造各种用途的薄膜例如绝缘体、半导体、导体或超导体薄膜以及防腐、耐磨 和耐热薄膜等。3.等离子体化学气相沉积PCVD法在离子镀试验方法的基础上向工 作室内通入一些化学反应气体使之在电场中电离这样不同成分的离子射向工件表面 并发生化学反应形成新相的沉积层。此法可在工件表面形成TiC、Al2O3等薄膜因而
15、显著提高工件的耐磨性。2011-7-115化学气相沉积Chemical Vapor Deposition简称 CVD是近30年来迅速发展起来的材料表面改性技术它是利用气相之间的反应在各 种材料或制品表面沉积一层薄膜赋予材料表面一些特殊的性能。它可以提高材料抵 御环境作用的能力如提高材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性它还可以赋予材料某 些功能特性包括光、电、磁、热、声等各种物理和化学性能。因此化学气相沉积制膜 技术被广泛应用于机械制造工业、冶金工业、光学工业、半导体工业等领域。化学气 相沉积的应用化学气相沉积膜层致密和基体结合牢固某些特殊膜层具有优异的光学、热学和电学性能。此外化学气相沉积绕镀性好
16、膜厚比较均匀膜层质量稳定易于实现 批量生产因此CVD制膜技术得到了广泛的应用。2011-7-116CVD在切削工具方面的 应用从19681969年德国和瑞典的TiC涂层刀片已经先后投放世界市场。到1970年美 国、日本、英国等硬质合金制造商也相继开始了涂层刀片的研究与生产美国TFS公 司与德国研制的TiN涂层刀片也相继问世。到20世纪60年代末CVD TiC及TiN硬膜技 术已逐渐成熟并广泛用于涂层硬质合金刀片。目前在发达国家中使用的刀片7080是 带涂层的。通过在刀具的表面沉积上涂层可以使刀具的使用寿命延长2-10倍切削速 度提高20-100 进给量增加20-200。因此刀具表面化学气相沉积薄膜技术被称为“刀 具革命”。为了提高涂层刀具的使用性能除单涂层外近年来还发展了双涂层及多涂 层的复合涂层刀片。常见的双涂层有TiC-TiN、TiC-Al2O3等涂层。这些相互结合的 涂层改善了涂层的结合强度和韧性提高了耐磨性。随着化学气相沉积金刚石薄膜技 术的研究与发展CVD金刚石薄膜也被用于刀具中。金刚石具有硬度高、耐磨性好、 导热性好、热膨胀系数低和化学惰
