表格模板-第四章材料表面技术 精品.ppt

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1、材料工艺基础材料工艺基础第四章 材料表面技术材料工艺基础（材料表面技术）24.1 概述概述材料表面工程技术是指通过材料表面工程技术是指通过物理物理、化学化学工艺方法使材料表面工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的具有与基体材料不同的组织结构组织结构、化学成分化学成分和和物理状态物理状态，从，从而使经过处理后的表面具有与基体材料不同的性能。而使经过处理后的表面具有与基体材料不同的性能。工程意义：工程意义：经表面处理后的材料，其基体材经表面处理后的材料，其基体材料的化学成分、显微组织和性能料的化学成分、显微组织和性能并未发生变化，但其表面却具有并未发生变化，但其表面却具有特殊的组织和性能，如耐磨性

2、、特殊的组织和性能，如耐磨性、耐蚀性、耐热性、导电性、电磁耐蚀性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。特性、光学性能等。工程意义：工程意义：可以利用相对廉价的基材，通过可以利用相对廉价的基材，通过表面改性，达到采用整体材料同表面改性，达到采用整体材料同样的使用效果，满足服役需要，样的使用效果，满足服役需要，降低工件的材料成本。降低工件的材料成本。材料工艺基础（材料表面技术）34.1.2 表面工程技术分类表面工程技术分类o 原子沉积物原子沉积物：原子在基体上凝聚，然后成核、长大最终形成薄膜，被原子在基体上凝聚，然后成核、长大最终形成薄膜，被吸附的原子处于快冷的非平衡态，沉积层中有大量结构缺陷，

3、沉积层常和吸附的原子处于快冷的非平衡态，沉积层中有大量结构缺陷，沉积层常和基体反应生成复杂的界面层。基体反应生成复杂的界面层。电镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、化学气相电镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、化学气相沉积、分子束外延等沉积、分子束外延等o 粒状沉积物粒状沉积物：熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体材料熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体材料表面凝聚、沉积或烧结，涂层的显微结构取决于颗粒的凝固或烧结情况。表面凝聚、沉积或烧结，涂层的显微结构取决于颗粒的凝固或烧结情况。如：火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、搪瓷釉等如：火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、搪瓷釉等o 整体涂层整体涂层：将

4、欲涂敷的材料于同一时间加于基体材料表面。将欲涂敷的材料于同一时间加于基体材料表面。如：涂漆、如：涂漆、包覆金属、静电喷涂、浸渍涂层等包覆金属、静电喷涂、浸渍涂层等o 表面改性表面改性：用离子处理、热处理、机械处理及化学处理等方法处理材料用离子处理、热处理、机械处理及化学处理等方法处理材料表面，改变材料表面的组织结构和性能。表面，改变材料表面的组织结构和性能。如：化学转化膜、熔盐镀、喷丸如：化学转化膜、熔盐镀、喷丸强化、离子注入、激光处理、离子氮化等强化、离子注入、激光处理、离子氮化等分类根据沉积物的尺寸材料工艺基础（材料表面技术）4分类根据组织结构、成分和性能o 表面组织强化：表面组织强化：改

5、善表面的显微组织改善表面的显微组织o 表面合金化：表面合金化：改善表面合金成分改善表面合金成分o 薄膜改性：薄膜改性：沉积到表面上形成薄膜沉积到表面上形成薄膜材料工艺基础（材料表面技术）5分类根据工艺特点 表面热处理表面热处理 表面机械强化处理表面机械强化处理 气相沉积镀膜气相沉积镀膜 热喷涂热喷涂 高能束表面处理高能束表面处理 电镀、化学镀电镀、化学镀 其他其他材料工艺基础（材料表面技术）64.2 气相沉积技术气相沉积技术o 在真空下用各种方法获得的气相原子或分子在基在真空下用各种方法获得的气相原子或分子在基体材料表面沉积以获得薄膜的技术。体材料表面沉积以获得薄膜的技术。o 适合于制备超硬、

6、耐蚀、耐热、抗氧化薄膜；磁适合于制备超硬、耐蚀、耐热、抗氧化薄膜；磁记录、信息存储、光敏、热敏、超导、光电转换记录、信息存储、光敏、热敏、超导、光电转换等功能材料；装饰性薄膜；等功能材料；装饰性薄膜；o 分类：分类：物理气相沉积物理气相沉积PVD 化学气相沉积化学气相沉积CVD材料工艺基础（材料表面技术）74.2.1 物理气相沉积物理气相沉积（PVD）PVD技术的应用实例：技术的应用实例：耐磨，减摩，耐腐蚀，耐磨，减摩，耐腐蚀，装饰或兼具二种及以装饰或兼具二种及以上功能上功能材料工艺基础（材料表面技术）8Coating of bladesCoating of vane材料工艺基础（材料表面技术

7、）9Process chamber with EB guns, crucibles and parts to be coated in the vapor cloud Loading chamber of an EB/PVD system, Complex substrate motions ensure a controlled thickness distribution Operators cockpit at an EB/PVD-production coater 材料工艺基础（材料表面技术）10The arc evaporation PVD coating process takes

8、 place in a vacuum chamber.材料工艺基础（材料表面技术）11PVD Coating Applications 材料工艺基础（材料表面技术）12the coefficient of friction, as measured in a ball on disk test材料工艺基础（材料表面技术）13材料工艺基础（材料表面技术）14真空蒸镀、阴极溅射和离子镀三大类真空蒸镀、阴极溅射和离子镀三大类采用高真空系统及低杂质含量气体，并能控制工作气采用高真空系统及低杂质含量气体，并能控制工作气体的流量或分压；体的流量或分压；能够很好控制涂层材料，并通过监控蒸气流量来进行能够很好

9、控制涂层材料，并通过监控蒸气流量来进行调整；调整；基材表面需经过细致处理；基材表面需经过细致处理；采用工作安装系统可以控制基材温度与沉积源的距离采用工作安装系统可以控制基材温度与沉积源的距离与方向；与方向；不同的过程对一些参数可有特殊的要求，如：基材偏不同的过程对一些参数可有特殊的要求，如：基材偏压、活性气体的引入等压、活性气体的引入等材料工艺基础（材料表面技术）15(I) 真空蒸镀真空蒸镀基材表面状态：洁净基材表面状态：洁净镀膜质量镀膜质量基材温度基材温度基材表面粗糙度和表面显微组织基材表面粗糙度和表面显微组织主要部件：主要部件：真空容器、蒸发源、基材、真空容器、蒸发源、基材、基材架和加热器

10、基材架和加热器材料工艺基础（材料表面技术）16真空蒸镀法特点真空蒸镀法特点o 镀膜由气相沉积而成，均匀性较好镀膜由气相沉积而成，均匀性较好o 镀膜在高真空形成，可获得纯净的薄膜镀膜在高真空形成，可获得纯净的薄膜o 可得到可得到0.01到几个微米厚的薄膜到几个微米厚的薄膜o 成膜过程简单，工艺可精确控制成膜过程简单，工艺可精确控制应用：用于光学透镜应用：用于光学透镜的反射膜（多层氧化的反射膜（多层氧化物镀膜）及装饰用的物镀膜）及装饰用的金膜、银膜等。电子金膜、银膜等。电子元件及相关领域元件及相关领域u被镀基件材料的蒸汽压不能太高；被镀基件材料的蒸汽压不能太高；u零件大小受到真空室大小的限制；零件

11、大小受到真空室大小的限制；u零件隐蔽部位不能被镀覆，如深孔等；零件隐蔽部位不能被镀覆，如深孔等；u为了增加镀层结合力，蒸镀过程中零件为了增加镀层结合力，蒸镀过程中零件必须加热。必须加热。材料工艺基础（材料表面技术）17蒸镀种类蒸镀种类电阻加热源、电子束加热源、高频感应加热源、电阻加热源、电子束加热源、高频感应加热源、激光加热源激光加热源材料工艺基础（材料表面技术）18() 阴极溅射沉积阴极溅射沉积 磁控溅射磁控溅射 对置溅射对置溅射 离子束溅射离子束溅射材料工艺基础（材料表面技术）19阴极溅射沉积分类阴极溅射沉积分类材料工艺基础（材料表面技术）20o 应用普遍，应用普遍，1974年工业化应用年

12、工业化应用o 原理原理： 离子轰击靶面产生的二次电子被电场加速飞向阳极。离子轰击靶面产生的二次电子被电场加速飞向阳极。附件磁场延长电子飞向阳极的行程，使电子增加碰附件磁场延长电子飞向阳极的行程，使电子增加碰撞电离几率，增加等离子体密度，提高溅射速率。撞电离几率，增加等离子体密度，提高溅射速率。 矩形平面靶和柱状靶矩形平面靶和柱状靶 矩形平面靶：广泛应用矩形平面靶：广泛应用磁控溅射沉积磁控溅射沉积材料工艺基础（材料表面技术）21溅射沉积的特点溅射沉积的特点o 结合力较高；结合力较高；o 容易得到高熔点物质的薄膜；容易得到高熔点物质的薄膜；o 可以在较大面积上得到均一的薄膜；可以在较大面积上得到均

13、一的薄膜；o 可以控制膜的组成，制备合金膜；可以控制膜的组成，制备合金膜；o 可以长时间地连续运转；可以长时间地连续运转；o 良好的再现性良好的再现性阴极溅射几乎可以制造一切物质的薄膜阴极溅射几乎可以制造一切物质的薄膜材料工艺基础（材料表面技术）22() 离子镀离子镀镀膜与离子镀膜与离子轰击改性同轰击改性同时进行时进行材料工艺基础（材料表面技术）23多弧离子镀多弧离子镀o 蒸发源多，膜厚分布均匀蒸发源多，膜厚分布均匀o 有效利用真空室有效利用真空室o 靶材辐射热被水冷却，可靶材辐射热被水冷却，可使工件保持低温使工件保持低温o 等离子体密度高，表面可等离子体密度高，表面可被离子轰击洁净，而且可被

14、离子轰击洁净，而且可增大偏压，结合力好增大偏压，结合力好材料工艺基础（材料表面技术）24离子镀典型应用离子镀典型应用o 防腐蚀镀层防腐蚀镀层o 耐磨镀层耐磨镀层o 在触头上离子镀钌、铑等在触头上离子镀钌、铑等o 在涡轮叶片上镀高温耐腐蚀合金在涡轮叶片上镀高温耐腐蚀合金o 塑料基体上镀金属塑料基体上镀金属o 声学方面的应用声学方面的应用o 碳素纤维的应用碳素纤维的应用粘着力强粘着力强均镀能力好均镀能力好被镀基体材料合镀被镀基体材料合镀层材料可广泛搭配层材料可广泛搭配无污染无污染材料工艺基础（材料表面技术）25作业：作业：1）简述阴极简述阴极溅射沉积的原理和特点，举例其应用。溅射沉积的原理和特点，

15、举例其应用。 单号单号 材料工艺基础（材料表面技术）264.2.2 化学气相沉积化学气相沉积利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面（通常为热表面）上发生气相化学反应，从而在基材（通常为热表面）上发生气相化学反应，从而在基材表面上形成镀膜的技术。表面上形成镀膜的技术。CVD法法p 可沉积各种单晶、多晶或非晶态无机薄膜可沉积各种单晶、多晶或非晶态无机薄膜p 设备简单、操作方便、工艺上重现性好设备简单、操作方便、工艺上重现性好p 适于批量生产、成本低廉适于批量生产、成本低廉材料工艺基础（材料表面技术）27几种几种PVD法与法与CVD法的特性比较法的特

16、性比较项 目PVD法CVD法真空蒸镀阴极溅射离子镀镀金属镀金属可以可以可以可以可以可以可以可以镀合金镀合金可以，但困难可以，但困难可以可以可以，但困难可以，但困难可以可以镀高熔点化合物镀高熔点化合物可以，但困难可以，但困难可以可以可以，但困难可以，但困难可以可以沉积粒子能量沉积粒子能量/eV0.11110301000沉积速度沉积速度/(m/min)0.1750.0120.150较快较快沉积膜的密度沉积膜的密度较低较低高高高高高高孔隙度孔隙度中中小小小小极小极小基体与镀层的连接基体与镀层的连接没有合金相没有合金相没有合金相没有合金相有合金相有合金相有合金相有合金相粘结力粘结力差差好好最好最好最好最好均镀能力均镀能力不好不好好好好好好好镀覆机制镀覆机制真空蒸发真空蒸发辉光放电、溅射辉光放电、溅射辉光放电辉光放电气相化学反应气相化学反应材料工艺基础（材料表面技术）28CVD反应基本类型反应基本类型o 热分解反应热分解反应o 还原反应还原反应o 氧化反应氧化反应o 水解反应水解反应o 氮化反应氮化反应424140023( )( )2( )() ( )( )4( )( )( )2( )oCSiH