1、等離子加工技術(shù)摘要信息隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)需求不斷增加，出現(xiàn)了各種尖端設(shè)備，但加工這些設(shè)備需要使用更先進(jìn)的加工技術(shù)。等離子加工技術(shù)是一種新型的進(jìn)化加工技術(shù)。本文簡(jiǎn)要介紹了與工業(yè)等離子體的分類及等離子體加工技術(shù)相關(guān)的科學(xué)和工程問題。以材料添加和去除處理為中心，討論了等離子噴涂、強(qiáng)化沉積、離子去除等舉例說明了一些典型加工工藝的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用、一些工藝中出現(xiàn)的現(xiàn)象以及一些有待深入研究的潛在科學(xué)問題。關(guān)鍵字：正在等待子體；加工等離子噴涂；等離子聚合Abstractwith the continuous development of science and technology，increasi

2、ng industrial demand，a variety of high-tech equipment camp into beintothe plasma processing technology is a continuous develop men T of new processing technology . this article briefly describes the class ification of IISseveral typical processing technology development and application，and some of t

3、he processes the phenom on appears to be in-depth study as wellScientific issues illustrate。Keywords : plasmaMachining；Plasma spraying；Plasma polymer virtualization引言隨著科學(xué)和工程技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的要求越來越迫切。人們不僅要改善物質(zhì)的表面特性，還要了解元素(原子)的相互作用、新的相形成、準(zhǔn)穩(wěn)定、非晶形成等機(jī)制。某些結(jié)構(gòu)單元的要求達(dá)到了m，nm級(jí)別。在實(shí)現(xiàn)這些要求的過程中，作為特殊加工手段之一的等離子加工技術(shù)

4、得到了越來越廣泛的應(yīng)用，實(shí)際上等離子體成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要手段之一，是由其能量狀態(tài)決定的。物體伴隨著足夠的能量從固體轉(zhuǎn)換成等離子體姿態(tài)。因此，一種物質(zhì)形態(tài)等離子體具有最高的能量狀態(tài)，為現(xiàn)代材料處理提供了巨大的潛力。1.等離子體制造(加工)技術(shù)簡(jiǎn)介分類等離子體有多種方法，但工業(yè)中使用的等離子體一般根據(jù)溫度分類列在表11中，多采用含有不平衡等離子體和熱離子的低溫等離子體。一般來說，低溫?zé)岬入x子體比非平衡等離子體壓力高。實(shí)際上，由于工作壓力不同，工作機(jī)制也發(fā)生了變化。低氣壓降低了粒子之間的碰撞頻率，主要是帶電粒子和處理中的材料之間發(fā)生的物理過程。隨著壓力的增加，碰撞次數(shù)的增加，化學(xué)工藝開始發(fā)揮主要

5、作用。壓力進(jìn)一步增加到1105Pa左右，等離子體在很多情況下更像代替燃燒的熱源。此時(shí)，離子傾向于與電子的溫度大致相似，其密度高于非平衡型等離子體。2與等離子制造相關(guān)的現(xiàn)代制造技術(shù)類別等離子加工與現(xiàn)代制造技術(shù)的關(guān)系越來越近。幾乎可以說已經(jīng)參與或滲透到所有現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域。等離子體從微觀納米加工到高功率金屬熔煉及廢物處理，其能源特性發(fā)揮了本質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，成為某些方面不可缺少的技術(shù)手段。在MEMS處理領(lǐng)域，傳統(tǒng)的加工手段幾乎是無能為力的。目前工業(yè)上低溫?zé)岬入x子體主要使用防腐蝕、耐磨等性能的表面涂層。開發(fā)新的化學(xué)產(chǎn)品和新材料；金屬精煉高性能陶瓷；焊接，切割；危險(xiǎn)廢物處理；磁流體發(fā)電。非平衡等離子體的應(yīng)用有

6、以下幾個(gè)方面：聚合物薄膜；磁記錄介質(zhì)；半導(dǎo)體集成電路等電子設(shè)備的生產(chǎn)；工具、模具和工業(yè)金屬硬化；精密加工。3與等離子加工相關(guān)的工程和科學(xué)問題等離子處理技術(shù)涉及廣泛的制造領(lǐng)域，結(jié)果必然涉及到技術(shù)中的深層科學(xué)問題和廣泛的工程問題。包括生成加工設(shè)備等離子體源、過程監(jiān)控等離子體診斷、最終加工對(duì)象屬性等離子體和物質(zhì)交互等多個(gè)專家或它們的交叉。從圖3 3中可以看出與該領(lǐng)域相關(guān)的工程問題的豐富性。4等離子體加工的多學(xué)科簡(jiǎn)介4.1等離子噴涂技術(shù)噴涂技術(shù)是等離子加工領(lǐng)域最古老、成熟度最高的技術(shù)之一，應(yīng)用于汽車、航空航天、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。等離子弧的溫度很高(約為20000K)，幾乎所有能在不分解的情況下熔化的材料

7、都可以涂層。例如，某些飛機(jī)的部件可以使用等離子噴涂(低壓LPPS或大氣APS)獲得防腐和耐熱功能，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱障涂層、密封涂層等。但是，盡管等離子噴涂技術(shù)發(fā)展了40多年，取得了很多成果，但這種理解很粗糙。到目前為止，生成的涂層的性能、質(zhì)量和可控制的噴涂參數(shù)之間沒有精確的函數(shù)關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用仍然主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行噴霧工藝試驗(yàn)，獲得優(yōu)化參數(shù)。4.1.1軸向送粉技術(shù)及層流等離子噴涂是該領(lǐng)域近年來的新趨勢(shì)。軸向粉末是對(duì)傳統(tǒng)側(cè)送粉方法的改進(jìn)?，F(xiàn)有的等離子噴涂粉末從電弧火焰旁邊發(fā)出，只有粒度適當(dāng)?shù)牧Ｗ硬拍芎芎玫丶訜岷图铀?。這種現(xiàn)象無疑對(duì)噴霧不利。軸向粉末是通過噴槍結(jié)構(gòu)的絕妙設(shè)計(jì)，直接向電弧火焰

8、中心輸送粉末，加速和熔化程度完全改善，噴霧速度和沉積效率大大提高，避免易氧化粉末氧化(在電弧火焰中心被工作氣體包圍，基本不與空氣接觸)的粉末供應(yīng)技術(shù)的一大進(jìn)步。目前全世界正在進(jìn)行軸向粉末供應(yīng)技術(shù)研究的加拿大、日本等相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)北京航空制造工程研究所也在進(jìn)行對(duì)該技術(shù)的探索性研究。4.2等離子體源離子注入和強(qiáng)化沉積離子注入表面改性已有約30多年的歷史，最初以光束注入為主。但是，對(duì)特定厚度的涂層或薄膜的需求較多的情況較多。由于離子轟擊能有效地改善沉積薄膜和基板的結(jié)合狀態(tài)，注入和沉積兩種技術(shù)自然被人們有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)化沉積技術(shù)正在出現(xiàn)。特別是等離子浸沒離子注入自20世紀(jì)80年代引進(jìn)以來，等離子源離子注入

9、和沉積技術(shù)很快出現(xiàn)，彌補(bǔ)了簡(jiǎn)單注入變質(zhì)層太薄的缺陷，改善了一般沉積過程耦合不良的缺點(diǎn)?，F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入了實(shí)用階段。工件偏移方式的改進(jìn)極大地提高了工藝靈活性。圖6顯示了高壓脈沖和直流偏壓及其復(fù)合后的工藝圖。北京航空制造工程研究所高能束研究室首次開發(fā)了這種復(fù)合偏壓技術(shù)，現(xiàn)在在典型的精密零件上小規(guī)模應(yīng)用，達(dá)到了理想的效果。該技術(shù)是將工件直接放入已形成的等離子體中，添加負(fù)高壓脈沖和直流的復(fù)合偏置。根據(jù)偏壓的不同作用形式，可以在同一真空周期內(nèi)單獨(dú)注入、沉積或同時(shí)注入和沉積，這對(duì)于提高工藝靈活性非常有用。4.3等離子體材料去除材料去除是“加工”概念的主要意義之一。在集成電路制造過程中，離子刻蝕一直是重要的

10、加工工藝。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，非傳統(tǒng)材料去除工藝得到了越來越廣泛的應(yīng)用。電子束、激光束和等離子等不同的能量方式為人們提供了豐富的加工手段。由于各種能源形式與材料的工作方式不同，處理機(jī)制、設(shè)備、對(duì)象、成本等問題存在很大差異。激光束加工、電火花加工、電子束處理等工藝，表面溫度高達(dá)10000-30000K范圍。離子束刻蝕和聚焦離子束處理幾乎不超過400K。表2 4列出了幾種加工技術(shù)的加工機(jī)理和典型功率密度。近年來發(fā)展得更快的是集中離子束，尤其是在精密加工工具處理上表現(xiàn)出了很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。其優(yōu)點(diǎn)是，由于能量集中，窄而尖的部分加工是獨(dú)特的。如上所述，離子束處理需要很多能量，因此很難將一個(gè)工具完全加工成聚

11、焦離子束。與激光加工相結(jié)合，可以為工業(yè)提供服務(wù)。5等離子聚合簡(jiǎn)介等離子聚合過程與PACVD相似，但等離子聚合更注重有機(jī)從屬物質(zhì)的沉積，這種有機(jī)物質(zhì)在性質(zhì)上是可聚合的。用這種方法形成的聚合物經(jīng)常高度交叉結(jié)合，可以形成其他方法無法獲得的高質(zhì)量薄膜。其基本過程包括初始激發(fā)、表面吸附、非均勻生長(zhǎng)、最終聚合等階段。早期氣體激活后吸附在固體表面時(shí)，產(chǎn)生形成表面自由基的有機(jī)單體和相自由基，即在基質(zhì)表面產(chǎn)生聚合反應(yīng)所需的“核”。然后，基于這些核的衍生單體與氣相自由基一起在等離子體大氣中繼續(xù)聚合在基體表面，生長(zhǎng)后生成大分子量的聚合膜。等離子聚合過程對(duì)能量、壓力、初始?xì)怏w和相對(duì)含量的要求比較嚴(yán)格，經(jīng)常與其他沉積過

12、程的反應(yīng)器有很大的不同。利用這種離子本體聚合技術(shù)，可以在工件表面制造光致抗蝕聚合物薄膜，而不是傳統(tǒng)的濕涂層工藝。還可以制造具有特殊電氣和光學(xué)特性的有機(jī)薄膜和金屬有機(jī)薄膜，這是具有廣泛應(yīng)用前景的領(lǐng)域。要研究的問題盡管等離子處理技術(shù)越來越廣泛，但對(duì)與他相關(guān)的一些科學(xué)問題和現(xiàn)象的理解仍然很膚淺。固體壁附近快速流動(dòng)的等離子體流動(dòng)的反射行為；一定角度電荷粒子流和材料表面附著行為等與最終工藝質(zhì)量、效率都有密切的關(guān)系。在技術(shù)的早期階段，這些問題通?？梢苑纸M為“流程黑盒”，而不是只關(guān)注最終結(jié)果。人們追求高質(zhì)量的過程監(jiān)控時(shí)，應(yīng)該打開“黑匣子”，進(jìn)行深入細(xì)致的研究。在一些瞬間特征擠出過程中，瞬間等離子體的動(dòng)作也值

13、得關(guān)注。產(chǎn)生激光沖擊強(qiáng)化過程，激光誘導(dǎo)等離子體直接工作等等離子體密度、溫度、輸送方向等問題需要進(jìn)一步的系統(tǒng)診斷、研究。連續(xù)激光焊接、脈沖激光焊接等過程中也存在類似的問題。7結(jié)束語隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展等離子加工技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍其位置也越來越突出由于這些過程的復(fù)雜性和跨學(xué)科，從事該領(lǐng)域的研究人員必須具備扎實(shí)的物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和相應(yīng)的工程技術(shù)知識(shí)。此外，在實(shí)際成功應(yīng)用這些技術(shù)之前，流程必須成熟。第二，要正確進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。參考文獻(xiàn)1尤金川白城郭英風(fēng)。特殊加工M。北京：機(jī)械工業(yè)報(bào)道，2008年。2早熟。特殊加工技術(shù)。M。北京：高等教育出版社，2001。李智俊風(fēng)洞案。等離子加工技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)j。機(jī)械制造，1996年。4雷雨龍灣西亞精密制造與自動(dòng)化 2003 B09-非信息網(wǎng)絡(luò)5李英宗雷玉龍李北華。中國測(cè)試技術(shù) 2007第4號(hào)-萬邦數(shù)據(jù)6晏嬰等?？焖僦圃旒夹g(shù)的最新發(fā)展和發(fā)展趨勢(shì)。第11屆全國特殊加工學(xué)術(shù)會(huì)議專輯，2005333040245。7中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)。機(jī)械制造技術(shù)開發(fā)和高科技j。中國機(jī)電產(chǎn)業(yè)2004。8孫元成、邵竹峰、宋學(xué)甫、王洪杰。熱等離子體在材料加工中的應(yīng)用J。中國建筑材料技術(shù)，2009，