1、材料表面工程材料表面工程主讲教师：吕主讲教师：吕 祥祥 鸿鸿西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院1l 一、一、气相沉积技术气相沉积技术l 二、二、高能束表面处理高能束表面处理目目 录录一、一、气相沉积技术气相沉积技术 1.气相沉积技术原理、分类气相沉积技术原理、分类2.物理气相沉积物理气相沉积原理、装置及工艺原理、装置及工艺 3.化学气相沉积原理、装置及工艺化学气相沉积原理、装置及工艺 31.气相沉积技术原理、分类气相沉积技术原理、分类v定义定义-在基体上形成功能膜层的技术，也称作干镀。在基体上形成功能膜层的技术，也称作干镀。v分类分类-膜层形成机理可分为膜层形成机理可
2、分为4(1)物理气相沉积物理气相沉积(2)化学气相沉积化学气相沉积 真空蒸镀真空蒸镀溅射镀膜溅射镀膜离子镀膜离子镀膜一、一、气相沉积技术气相沉积技术2.物理气相沉积原理、装置及工艺物理气相沉积原理、装置及工艺(1)真空蒸镀真空蒸镀v定义定义-在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，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。然后凝聚在基体表面的方法。v步骤步骤-清洁基材表面清洁基材表面蒸发源加热镀膜材料蒸发源加热镀膜材料材料蒸发或升华材料蒸发或升华成蒸气成蒸气蒸气在基材表面凝聚成膜。蒸气在基材表面凝聚成膜。5一、一、气相沉积技术气相沉积技术v 原理原理-在
3、高真空中，镀料气化（升华）。基体设在蒸气流上方，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。且温度相对较低，则蒸气在基体上形成凝固膜。6一、一、气相沉积技术气相沉积技术v 设备设备7真空蒸镀设备简图真空蒸镀设备简图高真空阀高真空阀出水出水扩散泵扩散泵冷阱冷阱增压泵增压泵ZF-85针阀针阀工件工件钟罩钟罩工件夹和工件夹和加热器加热器低真低真空阀空阀放气阀放气阀充气阀充气阀蒸发源与蒸发源与加热器加热器机械泵机械泵进水进水一、一、气相沉积技术气相沉积技术8v 方法方法F 电阻加热法电阻加热法 温度温度1500，Al、Au、Ag。钨丝、钨舟、钼舟钨丝、钨
4、舟、钼舟电阻加热蒸发源电阻加热蒸发源一、一、气相沉积技术气相沉积技术9F 高频感应加热法高频感应加热法 一、一、气相沉积技术气相沉积技术10F 激光蒸镀法激光蒸镀法 一、一、气相沉积技术气相沉积技术11F 真空度真空度 F基材表面状态：清洁度、温度、晶体结构基材表面状态：清洁度、温度、晶体结构F蒸发温度蒸发温度F蒸发和凝结速率蒸发和凝结速率F基材表面与蒸发源的空间关系基材表面与蒸发源的空间关系一、一、气相沉积技术气相沉积技术F 大多数呈大多数呈晶态，尺寸晶态，尺寸10100nm；F膜层与基体的结合主要为膜层与基体的结合主要为机械结合机械结合；F形貌取决于膜层材料的形貌取决于膜层材料的特性、基体
5、材料及操作时基体的温度特性、基体材料及操作时基体的温度；F常用的蒸镀材料有常用的蒸镀材料有:铬、铜、金、铝、氧化硅、锡、锑、三硫化锑铬、铜、金、铝、氧化硅、锡、锑、三硫化锑等。等。12F反射器反射器(镜镜)蒸发镀铝；蒸发镀铝；F电视设备、电子计算机用的电子元件。电视设备、电子计算机用的电子元件。一、一、气相沉积技术气相沉积技术(2)溅射镀膜溅射镀膜o定义定义-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。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。o步骤步骤-靶面原子溅射靶
6、面原子溅射溅射原子向基片迁移溅射原子向基片迁移沉积成膜。沉积成膜。13一、一、气相沉积技术气相沉积技术F 二极溅射二极溅射 14由真空室由真空室+抽真空系统抽真空系统+电气系统电气系统+供气部分组成供气部分组成钟罩钟罩氩气氩气阴极阴极(靶靶)阳极阳极(基板基板)高压高压电源电源加热加热电源电源基基片片阴极屏障阴极屏障加热器加热器一、一、气相沉积技术气相沉积技术F 射频溅射射频溅射l射频：指频率低于射频：指频率低于61012的电振荡频率的电振荡频率 15射频射频电源电源氩气氩气靶材靶材射频射频电极电极匹配电路匹配电路工件架工件架工件工件电磁电磁线圈线圈电磁电磁线圈线圈真空罩真空罩一、一、气相沉积
7、技术气相沉积技术F 磁控溅射磁控溅射16一、一、气相沉积技术气相沉积技术靶靶SSN屏屏蔽蔽基片基片工件架工件架辉光区辉光区磁铁磁铁F 三极溅射三极溅射17钟罩钟罩靶子靶子挡板挡板磁场磁场线圈线圈基片基片阳极阳极灯丝灯丝抽气系统抽气系统进气阀进气阀等离等离子区子区一、一、气相沉积技术气相沉积技术F 机械功能膜机械功能膜：耐摩、减摩、耐热、抗蚀等强化膜，固体润滑薄膜；：耐摩、减摩、耐热、抗蚀等强化膜，固体润滑薄膜；F物理功能膜物理功能膜：电气、磁学、光学等；：电气、磁学、光学等；F装饰膜装饰膜。18一、一、气相沉积技术气相沉积技术(3)离子镀膜离子镀膜o定义定义-在真空条件下，由惰性气体辉光放电使
8、气体或被蒸发物质在真空条件下，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。物或反应物沉积成膜。o镀料蒸发方式镀料蒸发方式-电阻加热、电子束加热、等离子束加热、高电阻加热、电子束加热、等离子束加热、高频感应加热等。频感应加热等。o离化方式离化方式-辉光放电型、电子束型、热电子型、等离子电子束辉光放电型、电子束型、热电子型、等离子电子束型等。型等。19一、一、气相沉积技术气相沉积技术F工件为阴极，阳极兼作蒸发源。工件为阴极，阳极兼作蒸发源。F抽真空抽真空10-310-
9、4Pa，充氩气至，充氩气至10-21Pa，加几百至几千伏直，加几百至几千伏直流电压，氩离子轰击清洗基片，流电压，氩离子轰击清洗基片，接通交流电，膜料蒸发且电离接通交流电，膜料蒸发且电离或激发，正离子轰击基片，中或激发，正离子轰击基片，中性粒子沉积成膜。性粒子沉积成膜。20一、一、气相沉积技术气相沉积技术阴极阴极交流交流电源电源至真空至真空系统系统基片基片 蒸发源蒸发源 直流直流高压高压氩气氩气钟罩钟罩 阳极阳极等离等离子区子区阴极阴极暗区暗区F 空心阴极离子镀空心阴极离子镀 21一、一、气相沉积技术气相沉积技术水冷铜水冷铜坩埚坩埚钟罩钟罩工件工件高压高压电源电源蒸发源蒸发源氩气氩气HCD阴极阴
10、极至真空至真空系统系统阳极阳极辅助辅助阳极阳极F多弧离子镀多弧离子镀 22一、一、气相沉积技术气相沉积技术至真至真空泵空泵弧靶弧靶70V,100A工件架工件架阳极阳极工作室工作室工工件件引弧引弧电极电极F磁控溅射离子镀磁控溅射离子镀 23一、一、气相沉积技术气相沉积技术至真至真空泵空泵永久磁铁永久磁铁基板基板(工件工件)工作室工作室磁控磁控电源电源N S N氩气氩气离子镀离子镀电源电源磁控磁控阳极阳极磁控靶磁控靶膜层膜层F活性反应离子镀活性反应离子镀 24一、一、气相沉积技术气相沉积技术至真至真空泵空泵基板基板电子枪电子枪真空室真空室反应反应气体气体真空机组真空机组反应反应气导气导入环入环电电
11、源源探测探测电极电极压差压差板板物料物料F表面强化镀层：表面强化镀层：耐磨镀层、耐蚀镀层、润滑镀层；耐磨镀层、耐蚀镀层、润滑镀层；F装饰镀层；装饰镀层；F特殊功能镀层。特殊功能镀层。25一、一、气相沉积技术气相沉积技术3.化学气相沉积原理、装置及工艺化学气相沉积原理、装置及工艺v定义定义-通过热化学反应产生的气相在工件表面沉积成膜的方法。通过热化学反应产生的气相在工件表面沉积成膜的方法。v设备设备-26一、一、气相沉积技术气相沉积技术甲烷甲烷工件工件氢气瓶氢气瓶TiCl4高频源高频源感应感应 加热炉加热炉干燥剂干燥剂催化剂催化剂反应室反应室工件工件出口出口出气口出气口混合室混合室流量计流量计常
12、由石英管制成；常由石英管制成；器壁为热态器壁为热态油槽油槽F可以制备多种单质可以制备多种单质/化合物化合物/氮化物或不同组分的薄膜；氮化物或不同组分的薄膜；F可以在较宽的范围内获得具有可控成分的覆层；可以在较宽的范围内获得具有可控成分的覆层；F薄膜的沉积温度可以低于其本身的熔点。薄膜的沉积温度可以低于其本身的熔点。27一、一、气相沉积技术气相沉积技术F需要较高需要较高T，基材，基材T高，沉积速率低高，沉积速率低/难以实现局部沉积；难以实现局部沉积；F参加反应的气源和反应后的的余气都具有一定毒性。参加反应的气源和反应后的的余气都具有一定毒性。28一、一、气相沉积技术气相沉积技术按沉积按沉积T T
13、高温高温CVD按实施方法按实施方法中温中温CVD低温低温CVD普通普通CVDMOCVD如：如：平面硅和平面硅和MOS集成电路的钝化膜集成电路的钝化膜等离子增强等离子增强CVD光化学反应光化学反应CVD金属有金属有机物机物CVD如：如：在刀具上沉积在刀具上沉积TiC/TiN超硬膜超硬膜如如:沉积沉积SiN9002000激光激光CVD500800 500PECVDLCVD按沉积系统压强按沉积系统压强常压常压CVD减压减压CVD1atm(1.013105 Pa)数十数十数百数百Pa29一、一、气相沉积技术气相沉积技术气动气动连锁连锁装置装置气体控气体控制系统制系统主真空泵主真空泵防振台防振台感应加热
14、感应加热压力压力表表清洗清洗氮氮装料装料门组门组件件反应室反应室冷阱冷阱反应反应气体气体管管排气排气波纹波纹管管真空真空阀阀F减压减压CVD 30一、一、气相沉积技术气相沉积技术F等离子体增强等离子体增强CVD(PECVD)扩散泵扩散泵加热器加热器SiH4+Ar试样试样高频发生器高频发生器反应室反应室质量流量计质量流量计N2机械泵机械泵质量流量计质量流量计等离子区等离子区31一、一、气相沉积技术气相沉积技术F 金属有机化合物金属有机化合物CVD(MOCVD)质量流质量流量计量计4个个反应室反应室H2SeAsH3GaAs基片基片排气排气RF线圈线圈托架托架净化器净化器TMG TMA DEZ石墨制
15、成石墨制成H2采用采用GaAs作为基片作为基片不锈钢发泡器不锈钢发泡器高压气瓶高压气瓶用氢气稀释至用氢气稀释至510%用氢气稀释至几十用氢气稀释至几十几百几百ppm至废气回至废气回收装置收装置32一、一、气相沉积技术气相沉积技术F 光化学光化学CVDl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，生成化合物的中的原子团和离子发生反应，生成化合物的CVD方法。方法。l主要用于沉积主要用于沉积SiO2、Si3N4以及多晶硅膜；生长以及多晶硅膜；生长M膜和膜和Ga、Ge、Ti、W等元素的氧化物膜。等元素的氧化
16、物膜。l 一、一、气相沉积技术气相沉积技术l 二、二、高能束表面处理高能束表面处理目目 录录二、二、高能束表面处理高能束表面处理 1.高能束表面改性概述高能束表面改性概述2.激光表面处理激光表面处理概述概述及其分类及其分类 3.电子束表面处理及热过程电子束表面处理及热过程4.离子注入原理、装置及应用离子注入原理、装置及应用 341.高能束表面改性概述高能束表面改性概述v高能束高能束-激光束、电子束、离子束。激光束、电子束、离子束。v表面改性表面改性-获得与基体的组织、性能不同的材料表面。获得与基体的组织、性能不同的材料表面。v高能束加热和冷却速度极高高能束加热和冷却速度极高-微晶或非晶制备。微
17、晶或非晶制备。v离子注入离子注入-把异类原子引入表面层把异类原子引入表面层-表面合金化。表面合金化。35二、二、高能束表面处理高能束表面处理2.激光表面处理激光表面处理概述概述及其分类及其分类 v概述：概述：l金属对激光的吸收金属对激光的吸收部分反射部分反射,部分吸收；部分吸收；l吸收能量吸收能量电子跃迁；电子跃迁；l吸收率与波长、温度、金属表面自身性质吸收率与波长、温度、金属表面自身性质有关；有关；l激光与金属作用的类型：热作用、力作用、光作用。激光与金属作用的类型：热作用、力作用、光作用。36二、二、高能束表面处理高能束表面处理v分类：分类：F不改变基材表面成分不改变基材表面成分37二、二
18、、高能束表面处理高能束表面处理38F 改变基材表面成分改变基材表面成分二、二、高能束表面处理高能束表面处理39v 激光熔覆技术激光熔覆技术二、二、高能束表面处理高能束表面处理40l激光熔覆材料的添加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；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。同步送料法：将材料直接送入激光熔池，多为粉末、线材。二、二、高能束表面处理高能束表面处理l激光熔覆技术特点激光熔覆技术特点类似于喷焊或堆焊，与二者相比特点：类似于喷焊或堆焊，与二者相比特点：(1)稀释率低；稀释率低；(2)基材热变形最小；基材热变形最小
19、；(3)熔覆层致密，结合强度高；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。无污染，无辐射，低噪声，劳动条件好。41l激光熔覆材料激光熔覆材料自熔合金：镍基、铁基、钴基、铜基；自熔合金：镍基、铁基、钴基、铜基；金属陶瓷符合粉末：合金与碳化物金属陶瓷符合粉末：合金与碳化物(WC、TiC、SiC等等)；陶瓷粉末：陶瓷粉末：Al2O3、ZrO2等。等。二、二、高能束表面处理高能束表面处理l激光熔覆影响因素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。容性。l激光熔覆用途激光熔覆用途形成特殊表
20、面层；零件修复、恢复尺寸。形成特殊表面层；零件修复、恢复尺寸。42v 激光表面合金化技术激光表面合金化技术二、二、高能束表面处理高能束表面处理铸铁铸铁大型轧辊大型轧辊激光合金化激光合金化43l激光表面合金化工艺激光表面合金化工艺预制涂层法：预制涂层法：刷涂、电镀、热扩渗、喷涂等；刷涂、电镀、热扩渗、喷涂等；同步送粉法：同步送粉法：将含有强化粒子材料送入熔池；将含有强化粒子材料送入熔池；激光气体合金化法：激光气体合金化法：激光熔化铝或钛合金通入激光熔化铝或钛合金通入N2、O2等气体。等气体。二、二、高能束表面处理高能束表面处理44l激光表面合金化特点激光表面合金化特点既改变表层的既改变表层的物理
21、状态物理状态，又改变其，又改变其化学成分化学成分；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。密度。二、二、高能束表面处理高能束表面处理包头市鑫垣机械制造有限责任公司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球墨铸铁轧辊激光表面合金化 45v 激光表面淬火激光表面淬火二、二、高能束表面处理高能束表面处理内蒙古科技大学内蒙古科技大学 轧辊表面强化轧辊表面强化 广州某光科技术有限公司广州某光科技术有限公司 齿轮激光淬火齿轮激光淬火46v 激光表面非晶化和熔凝激光表面非晶化和熔凝二、二、高能束表面处理高能束表面处
22、理齿圈激光熔凝齿圈激光熔凝轧辊激光熔凝轧辊激光熔凝3.电子束表面处理及热过程电子束表面处理及热过程 v原理原理47二、二、高能束表面处理高能束表面处理l电子束能量密度达电子束能量密度达103MW/m2，比激光高一至二个数量级。比激光高一至二个数量级。l电子束加热深度和尺寸比激光大。电子束加热深度和尺寸比激光大。l缺点：必须在真空环境中处理。缺点：必须在真空环境中处理。F电子束淬火；电子束淬火；F电子束表面合金化；电子束表面合金化；F 电子束覆层；电子束覆层；F 制造非晶态层；制造非晶态层；F 此外，电子束蒸镀、溅射也应属于电子束的改性范畴。此外，电子束蒸镀、溅射也应属于电子束的改性范畴。48二
23、、二、高能束表面处理高能束表面处理4.离子注入原理、装置及应用离子注入原理、装置及应用v原理原理-把所需的离子（如把所需的离子（如N、C、O、Cr、Ni、Ti等元素离子）加速等元素离子）加速至几万甚至百万电子伏特能量，并注入金属材料表层。至几万甚至百万电子伏特能量，并注入金属材料表层。49二、二、高能束表面处理高能束表面处理F固溶强化；固溶强化；F细晶强化；细晶强化；F晶格损伤强化；晶格损伤强化；F弥散强化；弥散强化；F晶格变换效应；晶格变换效应；F压应力效应压应力效应(喷丸强化喷丸强化)。50二、二、高能束表面处理高能束表面处理离子注入机离子注入机F靶材与注入元素不受限制；靶材与注入元素不受
24、限制；F不受温度限制；不受温度限制；F不受固溶度、扩散系数、结合力限制；不受固溶度、扩散系数、结合力限制；F可精确控制掺杂数量、深度与位置；可精确控制掺杂数量、深度与位置；F横向扩散可忽略，深度均匀；横向扩散可忽略，深度均匀；F不改变工件尺寸；不改变工件尺寸；F缺点：设备昂贵，成本较高，在真空中处理。缺点：设备昂贵，成本较高，在真空中处理。51二、二、高能束表面处理高能束表面处理 1）简述材料表面工程在材料科学研究中的重要性；）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）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；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）结合课题方向，简述学习材料表面工程这门课的心得体会；的心得体会；4）篇幅要求：）篇幅要求：20页（页（1.5万字左右）。万字左右）。材料表面工程材料表面工程大作业要求大作业要求
