現(xiàn)代外表工程技術(shù)

現(xiàn)代外表工程技術(shù)

現(xiàn)代外衰工程與技術(shù)

什么是外表工程？

外表工程是將材料的外表與基體一起作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用各種外

表技術(shù)，使材料的外表獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程。

第一章外表技術(shù)概論

外表技術(shù)是直接與各種外表現(xiàn)象或過程相關(guān)的，能為人類造?；虮蝗藗兝玫?/p>

技術(shù)--寬廣的技術(shù)領(lǐng)域。

一、使用外表技術(shù)的目的

1、提高材料抵御環(huán)境作用能力。

2、賦予材料外表功能特性。

3、實(shí)施特定的外表加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件。

途徑：

外表涂覆：各種涂層技術(shù)(電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)

轉(zhuǎn)化膜、涂裝、氣相沉積、包箔、貼片)。

外表改性：噴丸強(qiáng)化、外表熱處理、化學(xué)熱處理、激光外表處理、電子束

外表處理。

二、外表技術(shù)的分類

1、按作用原理

(1)原子沉積

電鍍、化學(xué)鍍、物理、化學(xué)氣相沉積

(2)顆粒沉積

熱噴涂、搪瓷涂敷

(3)整體覆蓋

包箔、貼片

(4)外表改性

2、按使用方法

(1)電化學(xué)法

電鍍、電化學(xué)氧化(陽極氧化)

(2)化學(xué)法

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、化學(xué)鍍

(3)真空法

物理、化學(xué)氣相沉積、離子注入

(4)熱加工法

熱浸鍍、熱噴涂、化學(xué)熱處理、堆焊

(5)其它方法

涂裝、機(jī)械鍍、激光外表處理

叵子可國子注入?,,

i?電子束.

叵函0代“I激光束

中因

「

平陽極氧化?陛酸鹽化?

/1

1電化.色1

材|包酸鹽化J

1氧化?

|靜電噴涂1

&泳涂1流化床1面

工楮鞏/砂

陪涂

1—

COz保護(hù),_Zx11&|

tA??J

振動(dòng)電鞏|看￡^

|高頻淬火_伏焰淬火］)技

吸q表面熱展由.術(shù)、

三、外表技術(shù)的應(yīng)用

1、廣泛性和重要性

(1)廣泛性

＞內(nèi)容廣

A基材廣

?種類多

普及各行業(yè)，用于構(gòu)件、零部件、元器件，效益巨大

(2)重要性

?改善耐腐蝕、磨損、氧化、疲勞斷裂、輻照損傷

?提高產(chǎn)品長期運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性

?滿足特殊要求(必不可少或唯一途徑)

?生產(chǎn)各種新材料、新器件(在制備臨界溫度超導(dǎo)膜、金剛石膜、納米多層

膜、納米粉末、納米晶體材料、多孔硅中起關(guān)鍵作用；又是許多光學(xué)、微

電子、磁性、化學(xué)、生物等功能器件研究和生產(chǎn)的根底)

2、在結(jié)構(gòu)材料及構(gòu)件和零部件上的應(yīng)用

外表技術(shù)作用：防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾

3、在功能材料和元器件上的應(yīng)用

制造裝備中具獨(dú)特功能的核心部件。

外表技術(shù)可制備或改進(jìn)一系列功能材料及元器件

物理特性：

?光學(xué)

反射鏡材料，防眩零件

?熱學(xué)

散熱材料，耐熱涂層，吸熱材料

?電學(xué)

外表導(dǎo)電玻璃，絕緣涂層

?磁學(xué)

磁記錄介質(zhì)，電磁屏蔽材料，磁泡材料

化學(xué)特性：

別離膜材料

4、在人類適應(yīng)、保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境方面的應(yīng)用

(1)凈化大氣

原料、燃料fCO2、NO2、SO2

措施：回收、分解

方法：制備觸媒載體1杷炭、祐炭、釘炭、錯(cuò)炭)

(2)凈化水質(zhì)

制備膜材料，處理污水、化學(xué)提純、水質(zhì)軟化、海水淡化

(3)抗菌滅菌

TiO2(粉狀、粒狀、薄膜狀)可將污染物分解

?當(dāng)光照射半導(dǎo)體化合物時(shí)，并非任何波長的光都能被吸收和產(chǎn)生激發(fā)

作用，只有能量E滿足式(1)的光量子才能發(fā)揮作用。

hr

E=y>Eg,ev(1)

A

?光子波長

博￡《譬，皿

EgEg

h-普朗克常數(shù)，4.138xl0-i5eV-s；

c-真空中光速，2.998x1017nm/s

銳鈦型TiO2的

?在TiO2粒子外表上，e石有復(fù)原作用；h:匕產(chǎn)生氧化作用。

在界面處e1的復(fù)原作用：

ecb+02->02

ecl+修。2-HO+OH"

e▲+Ox—?Ox-

0廠繼續(xù)發(fā)生反響：

Oj-+H—H02

2HoLhOz+Q

Of+HO2-02+HOj

,

HOj+H^H2O2

H2O2-^*2HO-

1

HjOj+Oj--HO-+0H-+02

在界面處h:b的氧化作用：

hX+OK—HO

h[+H20fHO+H'

h工+Red—Red'

eA和。/是強(qiáng)復(fù)原劑，可復(fù)原重金屬離子：

e~b

+Men+-Men-,norM°

（＞原重金屬離子為低價(jià)或零價(jià)）

h，和HO?是強(qiáng)氧化劑，可氧化降解有機(jī)物：

HC.2-+

二+Org-CO2，H2O,Cr,SO4,H

hVb

TiO2光催化材料的特性：

＞光催化活性高（吸收紫外光性能強(qiáng)；禁帶和導(dǎo)帶之間的能隙大，光

生電子和空穴的復(fù)原性和氧化性強(qiáng)）

＞化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)生物無毒

＞在可見光區(qū)無吸收，可制成白色塊料或透明薄膜

光催化劑的納米尺寸效應(yīng)：

?量子效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體粒徑是納米尺寸時(shí)，導(dǎo)帶和價(jià)帶間的能隙變寬，光生空穴和電

子的能量增加，氧化復(fù)原能力增強(qiáng)

?外表積效應(yīng)

隨著粒子尺寸減小到納米級(jí)，光催化劑的比外表積大大增加，對(duì)底物的

吸附能力增強(qiáng)

?載流子擴(kuò)散效應(yīng)

粒徑越小，光生電子從晶體內(nèi)擴(kuò)散到外表的時(shí)間越短，電子和空穴的復(fù)

合幾率減小，光催化效率提高

納米TiO2光催化劑的制備：

制備方法優(yōu)點(diǎn)不足

溶膠-凝膠粒徑小，分布窄，晶型鈦醇鹽，成本

法(sol-gel)為銳鈦礦型，純度高，高

熱穩(wěn)定性好

化學(xué)氣相粒徑小，分散性好，分投資大

沉積法布窄，化學(xué)活性高，可

(CVD)連續(xù)生產(chǎn)

微乳液法可有效控制Ti()2納米粉易團(tuán)聚

末的尺寸

納米TiO2光催化劑的應(yīng)用：

?環(huán)保方面的應(yīng)用

?有機(jī)污染物的處理

?無機(jī)污染物的處理

?室內(nèi)環(huán)境凈化

?衛(wèi)生保健方面的應(yīng)用

?滅殺細(xì)菌和病毒

Of

活性超氧離子自由基一和羥基自由基H0?能穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁，進(jìn)

入菌體，從而有效殺滅細(xì)菌。研究的范圍包括TiO2光催化對(duì)細(xì)菌、病

毒、真菌、藻類和癌細(xì)胞等的作用。

?抗菌材料

涂有TiO2納米膜的抗菌瓷磚和衛(wèi)生陶瓷用于醫(yī)院、食品加工等場所

含納米TiO2材料的假牙

新型的含納米TiO2粉末的牙齒漂白劑

?防結(jié)霧和自清潔涂層

?光催化化學(xué)合成

納米TiCh光催化技術(shù)的缺乏：

?光致電子和空穴對(duì)的轉(zhuǎn)移速度慢，復(fù)合率高，導(dǎo)致光催化量子效率低

?只能用紫外光活化，太陽光利用率低

提高TiO2光催化性能的主要途徑：

＞貴金屬沉積

＞離子摻雜

今后研究重點(diǎn)：

?對(duì)納米TiO2催化劑進(jìn)行修飾，研制復(fù)合納米TiO2催化劑，提高催化

活性

?加強(qiáng)采用自然光源和光催化劑固定技術(shù)的研究

?設(shè)計(jì)新型光催化反響器，提高光催化效率

(4)生物醫(yī)學(xué)

?醫(yī)用涂層：

?方法：氣相沉積、等離子噴涂

?例：金屬上涂生物陶瓷一人造骨、人造牙

(5)優(yōu)化環(huán)境

調(diào)光、調(diào)溫的“智慧窗〃

方法：涂覆、鍍膜

5、在研究和生產(chǎn)新型材料中的應(yīng)用

例1：立方氮化硼

例2：超微顆粒材料

四、外表技術(shù)的開展

例1：外表涂覆技術(shù)的開展

＞涂料涂裝：古老、重要

＞熱噴涂：

例2：外表強(qiáng)化技術(shù)的開展

?外表熱處理、化學(xué)熱處理：戰(zhàn)國，鋼淬火

?噴丸強(qiáng)化：20世紀(jì)20年代出現(xiàn)，汽車工業(yè)一60年代后航空工業(yè)

?20世紀(jì)60年代，激光、電子束新熱源

五、思考題

1、材料外表工程技術(shù)為什么能得到社會(huì)的重視獲得迅速開展？

2、外表工程技術(shù)的目的和作用是什么？

3、納米TiO2光催化劑的應(yīng)用及提高TiO2光催化性能的主要途徑有哪些?

第二章熱噴涂

一、概述

二、熱噴涂過程及涂層性質(zhì)

1、定義：采用各種熱源（氧-乙煥焰、電弧、等離子弧、爆炸波）使粉

狀或

絲狀固體材料（金屬、陶瓷、金屬-陶瓷復(fù)合材料、塑料）加熱到熔融或半

熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化,然后高速噴射、沉積到經(jīng)過預(yù)處理（清

潔粗糙）的工件外表形成涂層。

2、噴涂層形成過程

（1）噴涂過程

痂噴涂涂層

陵涂羽流

預(yù)處理

加熱熔化（熔融或半熔融）

霎化」外加壓縮氣流）

飛行

噴涂

（2）涂層形成過程

?由不斷飛向基體外表的粒子撞擊基體或涂層外表堆積而成

即，粒子的碰撞變形一冷凝收縮

＞兩粒子撞擊時(shí)間間隔左右

＞隔0.1s第二層薄片形成，逐漸成層狀結(jié)構(gòu)

（3）粒子流的特點(diǎn)

①粒子的飛行速度

與噴涂方法、噴涂材料的密度和形狀、粒子的尺寸、飛行距離等有關(guān)。

飛行速度的大小影響粒子與基體外表碰撞時(shí)轉(zhuǎn)換能量的大小、粒子的變形程

度以及結(jié)合強(qiáng)度。

②粒子的溫度

假設(shè)不考慮粒子與基體碰撞時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能所引起的粒子自身溫度的升

高，那么粒子到達(dá)基體時(shí)的溫度為其熔點(diǎn)。

③噴涂粒子的最小尺寸

在一定的噴涂條件下，粒子的尺寸存在著最小的臨界尺寸。

粒子質(zhì)量越小，那么其軌跡偏離初始流速直線方向就越多。

3、涂層的成分和結(jié)構(gòu)

（1）涂層的成蒸發(fā)

氧化燒損

噴涂材料的成分＞涂層的成分

與粒子和噴涂氣氛之間的化學(xué)反響有關(guān)

(2)涂層結(jié)構(gòu)

■層狀結(jié)構(gòu)(變形粒子互相交錯(cuò)呈波浪式堆疊)，性能具有方向性

■孔隙或空洞(孔隙率1-15%),伴有氧化物夾雜

4、涂層結(jié)合機(jī)理

包套涂層g基體的結(jié)合、涂層內(nèi)部的結(jié)合

(1)涂層與基體的結(jié)合

①機(jī)械結(jié)合

■拋錨鼠最粒子碰撞、變成扁平狀并隨基體外表的凹凸不平而起伏,這

些覆蓋并緊貼基體外表的液態(tài)薄片，在冷卻凝固時(shí)收縮咬住凸出點(diǎn)而形成機(jī)

械結(jié)合。

②物理結(jié)合

＞范德華力的作用

(§)冶金結(jié)合

＞金屬高金合物或固溶體

(2)涂層間的結(jié)合

＞機(jī)械結(jié)合為主，物理結(jié)合、冶金結(jié)合等也起一定作用。

5、涂層應(yīng)力

■冷卻凝固時(shí)伴隨著收縮，顆粒內(nèi)部產(chǎn)生張應(yīng)力,基體外表產(chǎn)生壓應(yīng)力。

■厚度達(dá)一定值，涂層內(nèi)的張應(yīng)力超過涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度或涂層自身

的結(jié)合強(qiáng)度，涂層破壞。

■薄涂層耐用(最正確厚度不超過)。

6、熱噴涂分類及特點(diǎn)

特點(diǎn)：

①涂層材料取材范圍廣

金屬、合金、陶瓷、塑料、尼龍、復(fù)合材料等

②可用于各種基體

金屬、陶瓷、玻璃、石膏、布、紙、木材等固體

③可使基體保持較低溫度、基材變形小

30~200℃、不變形

④工藝靈活

可10mm內(nèi)孔，也可大型構(gòu)件；可大面積，也可局部；保護(hù)性氣氛，也可現(xiàn)

場作業(yè)

⑤工效高、操作程序少、速度快

每小時(shí)幾公斤~幾十公斤

⑥涂層厚度可調(diào)范圍大

幾十微米~幾毫米

⑦可得到特殊的外表性能

耐磨、抗氧化、耐熱、導(dǎo)電、絕緣

⑧本錢低、經(jīng)濟(jì)效益顯著

?缺點(diǎn)：

①結(jié)合強(qiáng)度低；②材料利用率低；③熱效率低；④均勻性差；⑤孔隙率高。

三、熱噴涂工藝方法

l^火焰噴涂(FlameSpray)

1?利用氣體燃燒放出的熱進(jìn)行的熱噴涂。J

2?WireFlameSpray,PowderFlameSprayj

3?歷史悠久，但目前仍使用]

(1)線材火焰噴涂(WireFlameSpray)

過渡器

絲材火焰噴涂的裝置示意圖

(2)粉末火焰噴涂(PowderFlameSpray)

粉末火焰噴涂的裝置圖

■金屬粉

■合金粉

■碳化物粉

■陶瓷粉

■金屬陶瓷粉

■復(fù)合粉

■“自熔"合金粉（含B、Si）

■火焰噴凝勢(shì):設(shè)備或資少，操作容易，設(shè)備可攜帶到現(xiàn)場施工，無電

力要求。（噴涂純鋁涂層的最好選擇）

■缺點(diǎn)：涂層氧含量較高，孔隙較多，結(jié)合強(qiáng)度偏低，質(zhì)量不高。

最常用的火焰噴涂涂層材料及應(yīng)用

涂

層應(yīng)用

材

料

鋅、鋁鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)防腐涂層

塑料防腐蝕涂層

銀-鋁粘結(jié)底層

鋁粘結(jié)底層：優(yōu)異的抗粘著磨損性能，用于活塞環(huán)、

同步齒輪環(huán)和軸頸

高銘鋼耐磨保護(hù)涂層

青銅軸承修復(fù)

鋁、抗熱氧化涂層

鎮(zhèn)?鋁

2、電弧噴涂（ArcSpray）

在兩根金屬絲之間產(chǎn)生電弧,因電弧產(chǎn)生的熱使金屬絲逐漸熔化，熔化局

部被壓縮空氣氣流噴向基體外表而形成涂層。

絲盤

＞電弧溫度：5000-6000℃

＞優(yōu)點(diǎn)(相對(duì)火焰噴涂)：

”舞翻快｝結(jié)合強(qiáng)度高脩噴涂效率高

＞應(yīng)用：大型金屬構(gòu)件，本錢低，一次性投資少，使用方便。適合大面積

長效防腐鋅、鋁涂層。

3、等離子噴涂(PlasmaSpray)

?利用等離子焰流作熱源，將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，在高速

等離子焰流引導(dǎo)下高速撞擊工件外表，并沉積在經(jīng)過粗糙處理的工件外表

形成很薄的涂層。

-等離子焰溫度10000C以上，可噴涂幾乎所有固態(tài)材料，金屬和合金、

陶瓷、非金屬礦物及復(fù)合粉末等。

?等離子焰流速度lOOOm/s以上，粉粒180-600m/s,涂層致密性和結(jié)合強(qiáng)

度比火焰噴涂及電弧噴涂高。

等離子氣體的選擇：

-氮和氫是雙原子氣體，形成等離子體時(shí)有分解反響，在一定溫度下其等

離子體比由氮、氫等單原子氣體的等離子體能量更高，所以廉價(jià)的氮?dú)馐?/p>

等離子噴涂主要工作氣體。

?而氨氣金易形成等離子體，對(duì)噴槍損耗較小，因此常用來引發(fā)等離子體。

氨氣起弧后再參加氫、氮或氮等提高等離子體能量，或轉(zhuǎn)用氮?dú)鈬娡?。?/p>

和氧那么主要作輔助氣體，以改變等離子體的能量結(jié)構(gòu)。氫還可作噴涂中

的防氧化劑。

原理：

工作氣嗔株粉末

圖5-13等離子噴涂原理

噴槍I?［整流電源”引瓠裝置

控制系統(tǒng)外送式，在噴嘴之外的區(qū)域送入等離子焰；內(nèi)送

式，是用送粉管將粉末從噴嘴內(nèi)部送到等離子焰

等離子噴涂的特點(diǎn)及應(yīng)用：

?焰流溫度高（最大優(yōu)勢(shì)），噴涂材料適應(yīng)面廣，特適合高熔點(diǎn)材料；

?涂層密度達(dá)理論密度的85-98%,真空噴涂可達(dá)95-99.5%；

?結(jié)合強(qiáng)度高（35~70Mpa）,涂層質(zhì)量優(yōu)于火焰噴涂。

應(yīng)用：

耐磨涂層、固體自潤滑涂層、耐蝕涂層、抗高溫氧化、抗高溫氣流沖

涂層、導(dǎo)電涂層、絕緣涂層、磁性涂層

4、爆炸噴涂（DetonationSpray）

?將粉末注入噴槍的同時(shí)，引入氧-乙煥混合氣體，將混合氣體點(diǎn)火燃燒，

造成氣體膨脹而爆炸，釋放出熱能和沖擊波。熱能使粉末熔融，沖擊波使

熔融粉末高速（約500-700）m/s射向工件外表，形成高結(jié)合強(qiáng)度和高致密

度的涂層。

-噴槍是一個(gè)長的水冷槍筒，開有進(jìn)氣門和送粉口

首先將氧氣和燃料（乙塊）混合氣及

粉末送入噴槍

然后通過火花塞點(diǎn)火，使氣體燃燒

爆炸（爆炸頻率4-8次/s,最快10次/s）

熔化的粉末顆粒從噴槍口射出向工件表

面轟擊，在工件表面形成高質(zhì)量涂層

粉末每噴一次，就通一股脈沖氮?dú)?/p>

流清洗槍管

?沖擊波傳播速度達(dá)3000米/秒,膜層具極強(qiáng)的結(jié)合力。

■每次爆炸粉末在工件外表形成一個(gè)厚4厚Pm,直徑25mm的圓斑。許

多圓斑互相重疊，在工件外表形成一個(gè)完整、均勻的涂層。

特點(diǎn)及應(yīng)用：

＞結(jié)合強(qiáng)度高，致密性好

噴速高，顆粒能量大，與基體撞擊力強(qiáng)。結(jié)合強(qiáng)度＞50MPa。例：Co-WC

lOOMPa,等離子噴涂30MPa。氣孔率一般小于1%（Co-WC氣孔率0.5%）。

＞噴涂材料范圍廣

從低熔點(diǎn)的鋁合金到高熔點(diǎn)的陶瓷，粉末10-10011mo

＞工件受熱小，不變形

每次爆炸噴涂時(shí)間短，工件不會(huì)受連續(xù)加熱。溫升小于100C,不易相變和

形變。

＞適于大尺寸工件

大氣中完成，工件周圍不需真空或其它保護(hù)氣體，噴槍和工件均可采用移開

工作方式。

＞噴涂效率低，運(yùn)行本錢相對(duì)較高

一般專用于含碳化物涂層的噴涂。

爆炸噴涂的應(yīng)用

零件噴涂位置涂層

風(fēng)扇風(fēng)扇罩Co-WC

油泵齒輪外徑、軸頸Co-WC

軸承軸承表面NiCr-Ci3C2

襯套+套筒內(nèi)外徑密封面NiCi-Cr3C2

噴涂碳化物類陶瓷（如Co-WC,Ni-WC,NiCr-Cr3C2）

＞碳化物在高溫時(shí)易分解，用等離子噴涂很難通過控制工藝參數(shù)來防止分

解，而火焰噴涂層質(zhì)量差，結(jié)合強(qiáng)度低。

＞爆炸噴涂溫度低，可抑制碳化物分解，同時(shí)其超音速的噴射速度可保證

獲得高密度、高結(jié)合強(qiáng)度涂層。

5、超音速火焰噴涂（HVOF）

＞開展：與爆炸噴涂抗?fàn)?/p>

?美國人J.Browning創(chuàng)造

?1983年美國專利

A氣體：燃?xì)猓℉2,C3H8,C3H4或C2H2-CH4-C3H8）+助燃?xì)猓?2）

一燃燒室混合一燃燒一高速通過膨脹管獲得超音速

送粉氣：Ar或N2

A速度：噴口處，音速的4倍（1520m/s）,最高達(dá)2400m/s

到達(dá)工件時(shí)，550~1000m/s

＞質(zhì)量：與氣體種類、比例、流量，粉末粒度和流量等有關(guān)

特點(diǎn)：______

rJ-射流速度高、焰流涮度較低,適合噴涂含碳化物材料

—41（同爆炸噴涂）

2?涂層最高密度可達(dá)理論密度99.9%（優(yōu)于爆炸噴涂）

3?結(jié)合強(qiáng)度略高于爆炸噴涂

?涂層雜質(zhì)較少

4

,涂層殘余應(yīng)力小,可噴厚涂層（不銹鋼涂層）

512.7mm

6?燃料消耗大，噴涂效率比爆炸噴涂爆,成本仍較高

7?噪音大（＞120dB）,需隔音、防護(hù)裝置

42/118

應(yīng)用：制備Co-WC、NiCr-Cr3c2涂層

項(xiàng)目指標(biāo)

涂層最高工作溫度815℃

結(jié)合強(qiáng)度70?90MPa

抗壓強(qiáng)度6000—8000MPa

硬度HV1000?1300

致密度95?99.9%

幾種熱噴涂方法的比較

比較項(xiàng)目線材火焰粉末火焰電貝等離子爆炸Ml

電能及Q+QHj

熱?

Q?C：H：O:+C2H2電能（VQ收

Nz，Ar,Hz，He。+此

,,,■

金屬、合金、高分幾乎全部金屬金國、合金金屬、合金

螭材料金亂合金金,霍合金

子、部分肉瓷合金及用資部分附登部分雕

2760-32602760-32605000-6000160002760-32602760-3260

粒子獻(xiàn)/m?「150-20050-200150-200180-600500-700550-1000

蟠材郴態(tài)線ft線?的粉

兒旌部

幾乎全部幾乎全部幾乎全部幾乎全部幾乎全部

基體材料

冏體材料固體材料固體材料固體材料固體材料咻材料

基體溫度/c<200<200<200<200<200<200

結(jié)合雕/MPa>10>7>10>20>50X0

氣孔串/%<6<8<6<5<1<1

涂層厚/mm0.3T,00.2~1.00.k3.00.05-0.50.05-0.10,卜1

A本低低低商商女高

特點(diǎn)議備簡單可用于高分子設(shè)備簡單層厚適于高焰點(diǎn)材料小而機(jī)可得崗質(zhì)量及層

四、熱噴涂工藝流程和質(zhì)量控制

1、基體外表預(yù)處理

①清洗、脫脂

②氧化膜的處理

機(jī)械法：切削加工和人工除銹法

化學(xué)法：硫酸或鹽酸酸洗

③粗化處理

?噴涂前4?8h內(nèi)進(jìn)行。

a.噴砂

?冷硬鐵砂、氧化鋁砂、碳化硅砂等，根據(jù)工件外表硬度選擇使用。

b.機(jī)械加工法

?對(duì)軸、套類零件，采用車螺紋、開槽等切削方法。

?對(duì)結(jié)合力要求不高的軸類工件，可車螺紋，形成粗糙外表。

④預(yù)熱處理

?涂層與基體外表的溫差會(huì)使涂層產(chǎn)生收縮應(yīng)力，引起開裂和剝落。

?預(yù)熱溫度不宜過高，以免基體外表氧化而影響結(jié)合強(qiáng)度。

⑤非噴涂外表的保護(hù)

?根據(jù)形狀和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)簡易保護(hù)罩（薄銅皮或鐵皮）。

?對(duì)基體外表的鍵槽和小孔等不允許外物進(jìn)入的部位，噴砂前用金屬、橡膠

等堵塞，噴砂后換上炭素物或石棉等，以防止熔融噴涂料進(jìn)入。

2、熱噴涂

3、后處理

①封孔

多孔隙是熱噴涂層的固有缺陷，孔隙度可從小于1%變到大于15%,或

者更高?？紫犊苫ハ噙B接，甚至從外表延伸到基體。

封孔的作用

a.防止或阻止腐蝕介質(zhì)浸入到基材外表;

b.用于密封的涂層防止液體和壓力泄漏;

c.防止污染或研磨屑碎片進(jìn)入涂層；

d.保持陶瓷涂層的絕緣性能。

常用封孔劑：

類型封孔劑

非干燥型石蠟

空氣干燥型硅樹脂，煤焦油，聚氨酯，亞麻子油

烘烤型酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂，聚酯，聚酰胺

樹脂

無機(jī)封孔劑水玻璃

②機(jī)加工

?熱噴涂層外表較粗糙，對(duì)特定使用要求，需機(jī)加工以到達(dá)所要求的精度和

粗糙度。但涂層顆粒間主要是機(jī)械結(jié)合，磨削壓力過大，單個(gè)顆?？赡苊摮觥?/p>

?仔細(xì)操作，加工工具（如金剛石砂輪）適宜。

五、熱噴涂用材

要求：

?首先，有較寬的液相區(qū)（使熔滴在較長時(shí)間內(nèi)保持液相。

假設(shè)高溫下易分解或揮發(fā)，不適合。

?其次，噴涂材料形狀與尺寸也有要求。線材1?3mm,粉末1?lOOum。

線材用普通拉拔方法制造，只有塑性好的才可制成線材。

粉末用霧化法制造，制造簡單、靈活。

l^金屬

線材和粉末

粉末可按任何比例調(diào)配，組成復(fù)合粉，獲得特殊性能涂層。

粉末外表積大，氧化程度高，推薦用線材。

①線材

a.碳鋼及低合金鋼絲

?噴涂曲軸、柱塞、機(jī)床導(dǎo)軌等常溫工作的機(jī)械零件滑動(dòng)外表耐磨涂層及磨

損部位修復(fù)。

b.不銹鋼絲

?1013、2013、3013馬氏體鋼：用于強(qiáng)度和硬度較高、耐蝕性要求不高

的場合。

?lCrl7鐵素體鋼：抗氧化性酸、多數(shù)有機(jī)酸、有機(jī)酸鹽。

?lCrl8Ni9Ti奧氏體鋼絲：良好工藝性，在多數(shù)氧化介質(zhì)和某些復(fù)原介質(zhì)中

有較好耐蝕性，用于噴涂水泵軸等。

c.鋁絲

?鋼鐵保護(hù)涂層，抗高溫氧化、導(dǎo)電和改善電接觸的涂層。

d.鋅絲

?鋼鐵件噴涂鋅，在大氣、淡水、海水中保持幾年至幾十年不銹。

?鋅中加鋁可提高涂層耐蝕性，30%鋁，最正確。

?用于大型橋梁、鐵路配件、鋼窗、電視臺(tái)天線、水閘門和容器等。

e.鋁絲

?鋁與碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、銀、鎂、鋁及其合金形成牢固結(jié)合。

?鋁可在光滑工件上形成lum冶金結(jié)合層，用作打底層。如機(jī)床導(dǎo)軌噴涂鋼,

鑰作打底層增加鋼涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度。

?鋁的摩擦系數(shù)小，用于噴涂活塞環(huán)和摩擦片。

f?錫及錫合金絲

?錫涂層耐蝕性高，用作食品器具的保護(hù)涂層，錫中碑含量W%。

?含錨和鋁的錫合金絲摩擦系數(shù)低、韌性、耐蝕性和導(dǎo)熱性好。

?用于軸承和其他滑動(dòng)摩擦部件的耐磨涂層。此外，錫可在熟石膏上噴涂制

成

低熔點(diǎn)模具。

g.鉛及鉛合金絲

?鉛，防X射線輻射，原子能工業(yè)中用于防輻射涂層。

?含錨和銅的鉛合金絲涂層，耐磨和耐蝕，用于軸承和其他滑動(dòng)摩擦部件。

?涂層較疏松，用于耐蝕時(shí)需封閉。鉛蒸氣對(duì)人體危害大，噴涂時(shí)加強(qiáng)防護(hù)。

h.銅及銅合金絲

?銅：電器開關(guān)導(dǎo)電涂層、塑料和水泥等建筑外表裝飾涂層；

?黃銅：修復(fù)磨損及超差工件，如修補(bǔ)有鑄造砂眼、氣孔的鑄件，也作裝飾

涂

層。加1%錫，改善耐海水。

?鋁青銅：強(qiáng)度比黃銅高，耐海水、硫酸和鹽酸，耐磨和抗腐蝕疲勞，作為

打

底涂層，用于水泵葉片、活塞等。

?磷青銅：比其他青銅涂層更致密，耐磨，軸承等磨損部位修復(fù)，美術(shù)工藝

品

裝飾。

i.銀及銀合金絲

>Ni-Cu合金

?用于水泵軸、耐蝕容器的噴涂。

>Ni-Cr合金

高溫下幾乎不氧化，最好的耐熱耐蝕材料，用于高溫耐蝕涂層。

?銀銘耐熱合金絲涂層致密，結(jié)合性好，用于A12O3、ZrO2等陶瓷涂層的

打底層。

j復(fù)合噴涂絲

加械方法將旖種或更多材料壓制成。

?不銹鋼、銀、鋁組成的復(fù)合絲，改善涂層綜合性能，致密。

?目前正擴(kuò)大使用的噴涂材料，用于油泵轉(zhuǎn)子、軸承、汽缸襯里和機(jī)械導(dǎo)軌

的

噴涂；碳鋼和耐蝕鋼磨損件的修補(bǔ)。

②粉末

■自熔合金粉末

強(qiáng)烈的脫良元素Si、B,重熔中優(yōu)先與合金粉末中氧和工件外表的氧化物作

用，生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽覆蓋在外表，防止液態(tài)金屬氧化，改善對(duì)基體潤

濕能力，起到自熔劑作用。

2、陶瓷

?耐高溫?zé)o機(jī)材料。金屬氧化物、碳化物、硼化物、硅化物等的總稱，硬度

高、熔點(diǎn)高，但脆性大。

?粉末形A,M外，將陶瓷粉末燒結(jié)成陶瓷棒可直接噴涂，但本錢較高，應(yīng)

用少O

?主要:氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷在噴涂中易揮發(fā)或分解。

①氧化物

?使用最廣泛的高溫材料。氧化物陶瓷粉末涂層與其他耐熱涂層相比，絕緣

性好，熱導(dǎo)率低，高溫強(qiáng)度高，適合作熱屏蔽和電絕緣涂層。

②碳化物

?碳化鴇、碳化銘、碳化硅等，少單獨(dú)使用，用鉆包碳化鴇或銀包碳化鴿，

以防止噴涂時(shí)嚴(yán)重失碳。

?耐磨或耐熱涂層。

3、塑料

■粉末

?良好的防粘性、低摩擦系數(shù)和特殊的物化性能。

?但塑料熔化溫度范圍應(yīng)較寬、粘度較低、熱穩(wěn)定性好。

?聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫酸

4、復(fù)合材料

?一類是為適應(yīng)熱噴涂工藝而制備的復(fù)合材料，例，為防止碳化鋁在噴涂

中氧化分解而制備的銀包碳化鴇，當(dāng)前熱噴涂用復(fù)合材料的主流；

?另一類是通過增強(qiáng)相增強(qiáng)涂層性能的復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)涂層材料。

-復(fù)合絲材和復(fù)合粉末

復(fù)合絲運(yùn)二

包覆型-包覆型

絞股型團(tuán)聚型

」填充型

燒結(jié)型

六、熱噴涂涂層種類、質(zhì)量評(píng)定及新進(jìn)展

1、耐腐蝕涂層

最成功的是鋅、鋁涂層，對(duì)鋼鐵的“隔離〃和“阻擋”；即使涂層有孔

隙、缺陷或裂紋，介質(zhì)將首先腐蝕鋅和鋁，使鐵基體作為陰極得到保護(hù)。用于

大型橋梁、海洋鉆井平臺(tái)、水利設(shè)施等，壽命達(dá)20年以上。

2、耐磨涂層

?森基或鉆基表化鴇涂層（超音速火焰或爆炸噴涂）。

混凝土攪拌機(jī)的螺旋輸送機(jī)在工作時(shí)承受著混凝土輸送所導(dǎo)致的持續(xù)的、

強(qiáng)

力的、惡劣的磨損。

?碳化筲（超音速火焰噴涂）或氧化鋁、氧化銘陶瓷涂層（等離子噴涂）。

水輪機(jī)、抽風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)除塵器等，要求涂層硬度高、韌性好；紡織、造紙

和

印刷等行業(yè)，機(jī)械零件與布匹、棉紗、紙張等纖維制品摩擦，導(dǎo)致磨損。如：

復(fù)印機(jī)的墨粉滾筒長期使用被磨薄，復(fù)印效果變黑或出現(xiàn)黑線。

3.耐高溫涂層

?900℃以下，NiCr-Cr3c2（超音速火焰噴涂）。

?900℃以上，ZrO2、MgO、Y2O3（大氣等離子噴涂）；NiCrAl或Ni（Co）

CrAlY（真空等離子噴涂）。

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，工廠、輪船的煙囪，汽車密封閥，汽輪機(jī)的葉片，

冶金工業(yè)中連續(xù)退火爐爐底相需耐高溫氧化涂層。

4.功能涂層

＞電磁屏蔽涂層

電氣工業(yè)（計(jì)算機(jī)終端設(shè)備、電子辦公設(shè)施、藥品監(jiān)測裝置和感光電子設(shè)

備），噴涂鋅屏蔽涂層，用于消除電磁波和無線電波的干擾。

A生物相容性涂層

一般種植體材料'（不銹鋼等）與人體組織排斥。等離子噴涂羥基磷灰石涂

層（生物相容性好），人體生物組織就可長入涂層的孔隙，與種植體形成緊

密結(jié)合。這種技術(shù)已用在人工牙齒、人工骨頭種植體上。

A親水涂層

?涂布機(jī)的涂布輻

?火焰噴涂陶瓷涂層，有微細(xì)毛孔，如同海棉結(jié)構(gòu)，有吸水能力，增強(qiáng)了涂

層的潤濕性，使得輻面帶料能力增強(qiáng)。涂層根子具備三年以上壽命。

＞防粘涂層

?烘缸外表防止粘膠

?超音速火焰噴涂氧化物、碳化物陶瓷涂層，防粘效果不亞于塑料涂層，耐

磨更好。

＞防滑涂層

?卷紙輻

?超音速噴涂碳化物陶瓷（致密、耐磨的毛化外表）。

5.熱噴涂涂層質(zhì)量評(píng)定

生產(chǎn)現(xiàn)場，簡便方法初步檢驗(yàn)。

?肉眼觀察是否均勻,有無明顯隆起現(xiàn)象，粗糙度是否符合要求等。

?結(jié)合力檢驗(yàn)

?涂層外表微裂紋檢查,在有一定溫度的工件外表涂乙醇或石油酸,在溶劑

蒸發(fā)的數(shù)秒內(nèi)，假設(shè)涂層外表有暗線條那么說明有微裂紋。

常用指標(biāo)：厚度、硬度、孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度、界面和涂層顯微結(jié)構(gòu)。

-厚度測定

簡單幾何形狀基體，游標(biāo)卡尺或千分尺。

形狀較復(fù)雜零件，磁性和渦流測厚儀（GB11374-89）o

?顯微硬度測定

顯微硬度計(jì)

?孔隙率測定

金相法

-結(jié)合強(qiáng)度測定

拉伸法(GB8642-88),將膠粘好的試樣裝在試驗(yàn)機(jī)上，均勻、連續(xù)地施加

載荷，至涂層剝落，記錄最大載荷

。b=F/Ao

Ob結(jié)合強(qiáng)度；F施加載荷；Ao涂層面積。

?顯微結(jié)構(gòu)測定

金相分析、SEM、TEM等。

截面分析，制樣非常關(guān)鍵。

6.熱噴涂技術(shù)的新進(jìn)展

工藝：

?大功率等離子噴涂出現(xiàn)(噴涂功率200kW),沉積效率提高。

?近年，反響噴涂,利用噴涂材料各組分之間或噴涂材料與噴涂氣體之間的

化學(xué)反響，合成特殊成分的涂層。例，等離子噴涂鈦合金涂層時(shí)，氮?dú)馀c

鈦合金反響，形成鈦合金-氮化鈦復(fù)合涂層，耐磨性提高。

用材：

?納米涂層材料

?非晶態(tài)涂層材料

監(jiān)控系統(tǒng)：

?目前京東發(fā)各種在線測量裝置，帶自我診斷監(jiān)控的智能熱噴涂系統(tǒng)。

七、思考題

,I什么是熱噴涂？其技術(shù)特點(diǎn)是什么？

2、火焰噴涂和爆炸噴涂各有何特點(diǎn)及應(yīng)用？

3、碳化物陶瓷材料常用哪種工藝進(jìn)行噴涂？為什么？

4、等離子噴涂的根本原理是什么？其設(shè)備主要構(gòu)成及作用如何？

第三章氣相沉積技術(shù)

一、概述

二、物理氣相沉積（PVD）

定義：真空條件下，采用物理方法將成膜材料氣化成原子、分子或離子化

成離子，在工件外表形成覆蓋層。

PVD三種方式：真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍

PVD根本過程：

（1）氣相物質(zhì)的產(chǎn)生

成膜材料的氣化（蒸發(fā)、升華、被濺射、分解）一成膜材料的來源

?鍍料加熱蒸發(fā)（蒸發(fā)鍍膜）。

?一定能量的離子轟擊靶材（鍍料），從靶材上擊出鍍料原子（濺射鍍膜）。

（2）氣相物質(zhì)的輸送

成膜原子、分子或離子從源到基片的遷移（粒子間碰撞、離化、復(fù)合、反響、能

量變化、運(yùn)動(dòng)方向改變）

?真空中進(jìn)行（防止氣體碰撞阻礙氣相鍍料到達(dá)基片）。

（3）氣相物質(zhì)的沉積

?凝聚過程（成膜原子吸附、堆積、成核、長大）凝聚條件不同,形成非晶膜、多

晶膜或單晶膜。

?鍍料原子沉積時(shí)，與其它活性氣體分子發(fā)生化學(xué)反響而形成化合物膜一反響餐。

?鍍料原子凝聚成膜同時(shí)離子轟擊膜層，（改變膜層結(jié)構(gòu)和性能）…離子鍍。

1、真空蒸渡（P28）

（1）定義

將工件放入真空室，并用一定方法加熱，使鍍膜材料（膜料）蒸發(fā)或升華，

飛至工件外表凝聚成膜。

（2）蒸渡過程

①蒸發(fā)過程：采用各種方式，使膜料蒸發(fā)或升華，成為具一定能量（0.1~leV）

的氣態(tài)粒子（原子、分子或原子團(tuán)）；

②輸運(yùn)過程：氣態(tài)粒子通過根本上無碰撞的直線運(yùn)動(dòng)方式傳輸?shù)交?/p>

③淀積過程：粒子沉積在基片外表上并凝聚成薄膜（蒸氣凝聚、成核、核

生長、形成連續(xù)薄膜薄

（3）原理

（4）蒸發(fā)方式及蒸發(fā)源

①電阻加熱

?用高熔點(diǎn)金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源（加熱器），并將膜料放上面，接通

電源，利用電流的熱效應(yīng)使加熱器溫度到達(dá)材料蒸發(fā)的溫度,膜料蒸發(fā)并

淀積在基片上。

?蒸發(fā)源材料根本要求：高熔點(diǎn)，蒸發(fā)溫度下不與膜料發(fā)生化學(xué)反響或互溶,

一定機(jī)械強(qiáng)度。

?常用蒸發(fā)源材料：鴇、鋁、留等，制成絲狀、帶狀、板狀、舟狀等。

大多數(shù)膜料熔化后與加熱材料浸潤，外表擴(kuò)張，附著在加熱器上形成面蒸發(fā)

源。

電阻法特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、造價(jià)低廉。

缺乏：膜料與蒸發(fā)源材料直接接觸，可能互相擴(kuò)散，膜含雜質(zhì)。不適用于

難熔物質(zhì)的蒸發(fā)。

②電子束加熱

蒸發(fā)源是e形電子槍（也有直射式和環(huán)形），由電子發(fā)射源（熱鴇陰極）、電

子加速電源、用煙（銅用煙，陽極）、磁場線圈、冷卻水套等組成。

燈絲發(fā)射的電子經(jīng)6?10kV高壓

加速，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁鐵，被聚焦并偏

轉(zhuǎn)270°形成電子束轟擊鍍料。高

速電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為加熱材料的

熱能，使鍍料熔化蒸發(fā)。鍍料裝在

水冷銅用煙內(nèi)，只有被電子轟擊的

部位局部熔化，不存在地?zé)熚廴尽?/p>

圖12-2電子加熱蒸發(fā)源

.特點(diǎn)：能量高度集中，使膜料的局部外表獲得很高的溫度，能準(zhǔn)確而方便

地控制蒸發(fā)溫度。

?電子束加熱防止了電阻法的缺點(diǎn)，適于制備高純度膜層。

③激光加熱

特點(diǎn)：可蒸發(fā)任何能吸收激光光能的高熔點(diǎn)材料，蒸發(fā)速率極高，制得的

膜成分幾乎與料成分一樣。

不同材料吸收激光波段范圍不同，需選用相應(yīng)激光器。

例：

>SiO2>ZnS、TiCh、AI2O3、SiN4等膜料（波長：）；

>Cr、W、Ti、Sb2s3等（波長:）;

AGe、GaAs等（波長：）。

（5）真空蒸渡設(shè)備

?前處理設(shè)備、蒸發(fā)鍍膜機(jī)和后處理設(shè)備。

?蒸發(fā)鍍膜機(jī)是主機(jī)，由真空室、排氣系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)和電器設(shè)備等組成。

?真空室內(nèi)除工件架外，有加熱（烘烤），離子轟擊裝置。為提高鍍膜均勻

性，工件架有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。連續(xù)鍍膜機(jī)還有卷板、傳動(dòng)、加料裝置。

（6）真空蒸渡工藝

①一般工藝

?前處理、鍍膜及后處理。不同工件、不同膜層、不同用途，三局部差異較

大。

?根本流程：工件。鍍前處理一裝件f抽真空f烘烤f離子轟擊?預(yù)熔一蒸

發(fā)沉積一冷卻一取件一后處理一成品

a.鍍前處理

>鍍件清洗：

?外表達(dá)無油、無污、無水清潔狀態(tài)，保證鍍膜質(zhì)量和提高產(chǎn)品成品率。

基片的污染：粉塵、油污、汗?jié)n、氧化膜、吸附氣體

?常用清洗方法：清洗劑清洗；有機(jī)溶劑清洗；超聲波清洗（頻率為

20-30KHZ）；

離子轟擊清洗（加速的正離子轟擊基片，去除外表殘留污染物和吸附物。）

?離子轟擊清洗一般用氮?dú)?，真空度約，基片加L3KV負(fù)高壓，產(chǎn)生輝光放

電，對(duì)基片進(jìn)行離子轟擊清洗，15-30min,但要注意防止高能離子轟擊造

成基片濺射。

?實(shí)際清洗時(shí)，幾種方法組合。

＞除靜電

鍍件i卜表不平度，裝飾性真空蒸鍍，因此

鍍膜后不光亮，效果差。為降低外表粗糙度，涂7~10um

底漆，提高鍍膜質(zhì)量。

b.裝件

?真空室清理與鍍件夾具清洗

?蒸發(fā)源的安裝

?鍍件裝卡

c.抽真空

?抽至以上真空度。

d烘烤（去油）

?非W屬鍍件烘烤溫度應(yīng)低于材料軟化溫度20~40'C。

e.離子轟擊（工件最后的清洗，前面清洗工序沒用離子轟擊的工件，此時(shí)用）

?非導(dǎo)電件的離子轟擊5~30min；金屬導(dǎo)電件離子轟擊15~30min。

f.預(yù)熔

?去除蒸發(fā)材料吸附的氣體和低熔點(diǎn)雜質(zhì)，預(yù)

熔真空度通常為鍍膜機(jī)的工作真空度，接通

蒸發(fā)電源，調(diào)整電流使蒸發(fā)材料熔化。

g.蒸發(fā)沉積

?材料不同，蒸發(fā)要求也不同，根據(jù)蒸發(fā)要求，調(diào)整蒸發(fā)電流至穩(wěn)定蒸發(fā)，

沉積結(jié)束后關(guān)斷蒸發(fā)源電源和轉(zhuǎn)動(dòng)電源。

h.冷卻

?真空條件下冷卻到一定溫度。

i.取件

?關(guān)閉真空閥門，翻開真空充氣閥，待真空室達(dá)大氣壓時(shí)，翻開真空室，取

出鍍件夾具，取下鍍件。

j.后處理

?裝飾性真空蒸鍍膜很薄，強(qiáng)度不高，須涂面涂層，涂料與底漆同。

②合金蒸渡工藝

a.單源蒸鍍法

?把合金做成粉末或細(xì)顆粒，放入能保持高溫的加熱器和均堪之類的蒸發(fā)源

中。

?為保證一個(gè)個(gè)顆粒蒸發(fā)完后就有下次蒸發(fā)顆粒的供應(yīng)，蒸發(fā)速率不能太

快。顆粒原料常從加料斗的孔一點(diǎn)一點(diǎn)出來，通過滑槽落到蒸發(fā)源上。

問題：合金中各組分在同一溫度下有不同蒸氣壓，即不同蒸發(fā)速率，因此

在基材上沉積的合金膜與膜料比，存在較大組分偏離。

?例：Ni-Cr,組成為80/20。蒸發(fā)溫度約2000K,銘在2000K時(shí)的蒸氣壓比

銀要高100倍。如果鍍料是一次加熱，那么因銘原子消耗較快，而使鍍層

逐漸貧銘。

解決方法：連續(xù)加料,熔池的溫度和體積恒定也是這種鍍膜工藝成功的關(guān)

鍵。

b.多源同時(shí)蒸鍍法

?將各組分裝在各自蒸發(fā)源中，獨(dú)立控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度，使到達(dá)基材

上的各種原子與所需鍍膜組成對(duì)應(yīng)。

③化合物蒸渡工藝

a.對(duì)于難分解或凝聚時(shí)各組元又重新化合成原膜料組分配比的化合物

（前者如SiCh、B2O3、MgF2等，后者如ZnS、PbS、CdTe、CdSe等），采

用一般蒸鍍法。

b云獲福?物在加熱蒸發(fā)時(shí)全部或局局部解。用一般蒸鍍無法由化合

物鍍料鍍出組成符合化學(xué)比的膜層。

除熱分解問題，也有與用煙反響改變膜成分的問題。需反響蒸鍍。

反響蒸鍍

?在膜料蒸發(fā)的同時(shí)充入相應(yīng)氣體，使兩者反響化合沉積成膜，如A12O3、

Cr2O3>SiO2、TazOs、TiN、ZrN、SiC、TiC等。

?例：鍍TiC,在蒸鍍Ti的同時(shí)，向真空室通入乙煥氣，得TiC膜。

2Ti+C2H2-*2TiC十H2

?如果在蒸發(fā)源和基板之間形成等離子體，那么可提高反響氣體分子的能

量、離化率和相互間的化學(xué)反響程度，稱“活性反響蒸鍍”。

（7）蒸渡特點(diǎn)及用途

特點(diǎn)：

一設(shè)備簡單、操作容易

一薄膜純度高、質(zhì)量好，厚度可控性較好

一成膜速率快、效率高，易獲得厚膜

缺乏：

一膜基附著力小

—繞鍍性差

用途：

?蒸鍍只用于鍍制對(duì)結(jié)合強(qiáng)度要求不高的功能

膜;如用作電極的導(dǎo)電膜，光學(xué)鏡頭用增透膜。

?蒸鍍A金膜時(shí)，魯保證合金成d上，比濺射難，但鍍純金屬時(shí)，表現(xiàn)出鍍

膜速率快的優(yōu)勢(shì)。

a.真空蒸鍍鋁膜制鏡

?與傳統(tǒng)化學(xué)法鍍銀鏡比的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省銀，7g/m2

左右，反射率與銀鏡差不多，影像清晰、耐用、

質(zhì)量好，工藝簡單、質(zhì)量易控制、無污染、本錢低。

?通常采用鴇絲蒸發(fā)源，長期加熱晶粒長大變脆，被鋁浸蝕變細(xì)，易損壞，

因此，鍍膜中鋁料用量、蒸發(fā)源加熱溫度（加熱電流），要嚴(yán)格控制，以延

長鴿絲壽命。

b.塑料膜的金屬化處理

?塑料膜上蒸鍍鋁，用于裝飾、電容器、包裝膜等，應(yīng)用廣泛。

?塑料膜的金屬化常用半連續(xù)卷繞鍍膜機(jī)，國外鍍膜機(jī)卷繞速度200~400m/

min,國產(chǎn)設(shè)備有差距。

?塑料膜：聚酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、苯

乙烯等。

?包裝膜：防潮、防氧化變質(zhì)、遮光保香及裝飾。

?電容器：工序簡單，局部擊穿后可自恢復(fù)，廣泛應(yīng)用，常用鍍膜材料為鋅

和鋁，鋅與基片附著性能較差，添加少量銀、錫、銅等。

c.塑料制品金屬化

?旋鈕、手柄、化裝品容器、框架、燈飾、工藝品廣泛應(yīng)用。

?常用膜料，鋁、銀、銘等，鋁價(jià)格低、金屬反光性好，可著色成多種顏色,

使用最多。

?通常在鍍膜前涂底漆，鍍后涂面漆保護(hù)。

2、濺射渡膜(P33)

定義：在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶材外表，使被轟擊出的粒子在基

片上沉積的技術(shù)。

(1)原理

A.濺射現(xiàn)象

?用100~10KeV或更高動(dòng)能的荷能粒子轟擊材料外表,使其原子獲得足夠的

能量而濺出進(jìn)入氣相，這種濺出的、復(fù)雜的粒子散射過程稱為濺射。

?靶：被轟擊的材料。離子易在電磁場中加速或偏轉(zhuǎn),荷能粒子一般為離子,

稱離子濺射。用離子束轟擊靶發(fā)生的濺射，稱離子束濺射。

?濺射率：

濺射率(濺射產(chǎn)額、濺射系數(shù))：入射一個(gè)離子所濺射出的原子個(gè)數(shù)(原子

個(gè)數(shù)/離子)，用S表示。濺射率越大，成膜速度就越快。

S的影響因素：

＞入射離子的類型、能量、入射角

＞靶材原子的種類、結(jié)構(gòu)

＞濺射時(shí)靶材外表發(fā)生的分解、擴(kuò)散、化合等狀況

?主要影響因素：

a.入射離子：露量降低，濺射率迅速下降。當(dāng)入射離子的能量小于或等

于某個(gè)能量值時(shí)，不發(fā)生濺射，S=0,此值稱為濺射能量閾值。

與入射離子的種類關(guān)系不大、與靶材有關(guān)。

大多數(shù)金屬濺射閾值20~40eVo

?入射離子能量在濺射閾值~150eV,濺射率與其平方成正比；在150~lKeV,

濺射率與其成正比；在l~10KeV,濺射率變化不明顯；能量再增加，濺射

率開始降低。

?入射離子中Ne,Ar,Kr,Xe等惰性氣體可得到高的濺射率，在通常濺射

裝置中，從經(jīng)濟(jì)方面考慮多用氨。

b.靶：濺射率隨靶材原子序數(shù)的變化呈周期性改變，隨靶材原子d殼層電

子填滿程度增加，濺射率變大，即Cu、Ag、Au等濺射率高，Ti、Zr、Nb、

Mo、HLTa、W等低。

?濺射率10U10個(gè)原子/離子。濺射出來的粒子動(dòng)能約l~50eV,大局部為中

性原子和少量分子，濺射得到離子(二次離子)10%以下。

B.直流輝光放電

(2)特點(diǎn)

與真空蒸鍍比的特點(diǎn)：

a.濺射鍍膜是依靠動(dòng)量交換作用使固體材料的原子、分子進(jìn)入氣相，濺

射出的粒子能量約1?50eV,高于蒸鍍粒子，沉積在基底外表之后，尚有足

夠的動(dòng)能在基底外表遷移，因而膜層質(zhì)量較好，結(jié)合牢固。

b.任何材料都能濺射鍍膜，材料濺射特性差異不如其蒸發(fā)特性的差異

大，即使高熔點(diǎn)材料也易濺射，對(duì)于合金、化合物材料易制成與靶材組分

比例相同的薄膜，應(yīng)用廣泛。

c.濺射鍍膜中入射離子利用氣體放電得到，濺射粒子在飛行到基底前已

與真空室的氣體分子發(fā)生過碰撞，其運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī)偏離原來的方向，且濺

射一般是從較大靶外表射出的，因而比真空蒸鍍易得均勻厚度的膜，適于

?但足,較高壓力下濺射會(huì)使薄膜中含較多氣體分子。

d.濺射鍍膜操作簡單，工藝重復(fù)性好，易實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化。

?適宜大規(guī)模集成電路、磁盤、光盤等高新技術(shù)產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，也適于大

面積高質(zhì)量鍍膜玻璃等產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)。

?除磁控濺射外，沉積速率較低，設(shè)備比真空蒸鍍復(fù)雜，價(jià)格較高，

（3）濺射鍍膜的方式

①直流二級(jí)濺射

濺射靶

（陰極）

和基片

及

固定架

（陽極）

構(gòu)成濺

射裝置

的兩個(gè)

?"tfc點(diǎn):

構(gòu)造簡單，在大面積工件外表可制取均勻薄膜，放電電流隨壓力和電壓變

化而變。

?缺點(diǎn):

工作壓力較高，膜有玷污；沉積速率低，不宜鍍10pm以上膜厚；

大量衛(wèi)蚯直接轟擊基片使基片溫升過高。

②三級(jí)和四級(jí)濺射

?三極濺射是在二極濺射的裝置上附加一個(gè)電極，使放出熱電子強(qiáng)化放電，

提高濺射速率。

?四極濺射在二極濺射靶和基板垂直的位置上，分別放置一個(gè)發(fā)射熱電子的

燈絲（熱陰極）和吸引熱電子的輔助陽極，其間形成低電壓大電流等離子

體弧柱，大量電子碰撞氣體電離，產(chǎn)生大量離子。

?四極濺射優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)低氣壓、低電壓濺射，放電電流和轟擊靶的離子能

量可獨(dú)立調(diào)節(jié)控制。

?缺點(diǎn)：不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對(duì)基片的轟擊，燈絲具有不純物而使

膜玷污。

③射頻濺射

?直流濺射：靶材為陰極，基片為陽極。當(dāng)靶為絕緣體時(shí)，正離子使靶帶電,

使靶的電位逐漸上升，到一定程度后，離子加速電場變小，使輝光放電停

止。因此，靶材只能為導(dǎo)體，不能為絕緣體。

?射頻：無線電波發(fā)射范圍的頻率。5-30MHZ,為防止干擾電臺(tái)工作，濺

射專用頻率規(guī)定為。

?優(yōu)點(diǎn)：射頻電壓可穿過各種阻抗，故電極不要求是導(dǎo)電體，可濺射任何材

料。

?缺點(diǎn)：大功率射頻電源價(jià)高。

④磁控濺射

傳統(tǒng)濺射方法缺點(diǎn)：

?沉積速率較低，放電過程大約只有?％的氣體

分子被電離

?工作氣壓高，氣體分子對(duì)薄膜污染高

磁控濺射技術(shù)：

20世紀(jì)70年代

?是一種高速低溫濺射技術(shù),在濺射中運(yùn)用了正交電磁場,離化率提高到5?

6%,濺射速率比二極濺射提高10倍以上，沉積速率達(dá)幾百?2000nm/

min。

工作原理：

?在陰極靶外表上方形成一個(gè)正交電磁場（磁場與電場正交，磁場方向與陰

極外表平行）。

?當(dāng)濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)被加速為高能電子后，并不能直接飛

向陽極，而是在正交電磁場作用下來回振蕩，近似作擺線運(yùn)動(dòng)，并不斷地

與氣體分子發(fā)生碰撞，把能量傳給氣體分子，使之電離，而本身變?yōu)榈湍?/p>

電子，最終沿磁力線漂移到陰極附近的輔助陽極，進(jìn)而被吸收。

?防止了高能粒子對(duì)基底的強(qiáng)烈轟擊，消除了二極濺射中基底被轟擊加熱和

被電子輻照引起損傷的根源，表達(dá)了磁控濺射中基底"低溫"、"低損傷"

特點(diǎn)O

?另外，磁控濺射產(chǎn)生的電子來回振蕩，一般經(jīng)過上百米的飛行才最終被陽

極吸收，而氣體壓力為10-lPa量級(jí)時(shí)電子的平均自由程只有10cm量級(jí)，

所以電離效率很高，易放電，它的離子電流密度比其他形式濺射高一個(gè)數(shù)

量級(jí)以上，濺射速率高，”高速〃特點(diǎn)。

磁控濺射的特點(diǎn)：

?優(yōu)點(diǎn)：高速、低溫（基片溫升低）、低損傷（對(duì)膜層損傷?。?。

?缺點(diǎn)：靶材利用率不高，低于40%。

⑤離子束濺射

?前述各種方法靶都置于等離子體中，膜面受氣體和帶電粒子的沖擊、膜性

能受等離子體狀態(tài)影響很大，濺射條件不易嚴(yán)格控制，如氣體壓力、靶電

壓、放電電流等參數(shù)不能獨(dú)立控制。

?離子束濺射是從一個(gè)與沉積室隔開的離子源中引出高能離子束，對(duì)靶進(jìn)行

濺射。沉積室真空度達(dá)10LlO^pa,剩余氣體少，可得高純度、高結(jié)合力膜

層。

優(yōu)點(diǎn)：

＞基底與等離子體隔離，不必考慮成膜中等離子體的影響，靶與基板又可

保持等電位，靶上放出的電子不會(huì)對(duì)基底產(chǎn)生轟擊的損傷作用，

成膜質(zhì)量高。

＞離子束的入射角、能量、密度可在較大范圍變化，并可單獨(dú)調(diào)節(jié)，因而