离子束辅助镀膜（IAC）技术-佳工网




离子束辅助镀膜（IAC）技术
《先进制造工艺*优质清洁表面工程新技术》

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1．技术内容及技术关键离子束辅助镀膜的原理见图1。在真空室中将离子源产生的离子引出，并在电场中加速，形成几十电子伏到几十千电子伏能量的离子束。在离子束溅射沉积、离子束直接沉积或电子束蒸发沉积薄膜的同时，用上述离子束进行轰击（也可先镀膜后轰击）。利用沉积原子和轰击离子之间一系列的物理化学作用，可在常温下合成各种优质薄膜。其关键技术是离子源、靶室和工艺参数的控制。离子源是产生所需离子的关键部件，它的种类与质量决定着制备膜层的性能和质量。离子源的种类不下二、三十种，用于离子束材料表面改性的也有十多种。目前在这方面用得较多或较好的有：①考夫曼（Kaufman）源，它能产生气体元素的大面积离子束，适合用于离子束溅射镀膜、对膜层进行离子束轰击以及对工件进行离子束表面清洗。②金属蒸气真空电弧放电（MEVVA）离子源，这是近十年来发展起来的新型离子源。它能产生强流金属离子大面积束，适合用于离子束直接镀膜以及金属离子注入。③弗里曼（Freeman）源和伯纳斯（Bernas）源，它们能产生气体和固体元素的离子束，具有狭长形离子发射缝，适用于带粒子分析器的离子注入机及离子束镀膜设备。④微波离子源，该种离子源没有发射电子的灯丝，它依靠微波能量产生离子，因此寿命长，能连续工作100h以上，它既能产生大面积结束，又能产生仄长条束；既能产生气体离子，又能产生固体离子，是一种很有发展前途的离子源。（图片）（图片）（图片）图1 离子束辅助镀膜装置 a）离子束溅射沉积 b）离子束直接沉积 c）电子束沉积靶室是装载工件，进行离子束表面处理的部件，它的容积大小、靶的工件夹具机构及其运动方式，随工件种类的不同，差异很大。目前世界上最大的靶室在英国哈威尔（Harwell）研究中心。其直径和深度均为2.5m，可装载1.5t的大型零件。由于离子束对工件是直射注入，因此为了使非平面零件能均匀注入，零件的夹具必须转动。大零件的夹具还需作X、Y二维移动。为了对零件的孔或斜面进行注入，应采用斜靶。如果零件呈球状，机构的运动方式将更为复杂。通常靶的运动方式可参见图2。精确控制工艺参数，保证工件表面的沉积原子数与轰击原子数达到一定的比例，对膜层的性能和质量至关重要。其技术关键是要精确控制离子束的能量和束流的稳定性。而束流大小与离子源的放电功率及供气量有关。通常是用质量流量计控制供气量，并通过控制原子源的电源，稳定放电功率，特别是稳定放电电流。只有这样，才能获得高质量的膜层。（图片） 2．技术特性及使用范围由于IAC技术增强膜层与基体的结合力，不是依靠提高基体的温度，而是依靠离子轰击膜层的能量，因此它能在基体接近室温的条件下，获得致密的、结合力很强的、应力极小的高质量膜层。也就是说，IAC技术兼有离子注入和一般镀膜技术（CVD和PVD）的优点，克服了二者的缺点。它们的优缺点比较可见表1。（图片） IAC技术由于具有以上的特点，使得它可在温度不允许很高的基体上，制备出结合力很强的具有各种特殊的膜层，如ZrN、ZrC、BN、TiO2和类金刚石碳膜等。国外已有人将它用于柴油机自动加工用的切削刀具、飞机燃料系统的零件和燃气轮机叶片上。国内亦有单位正在将它用于提高汽轮机叶片抗水蚀的性能。目前这一新技术的工业应用正在开发之中，予期会有很好的应用前景。 6/23/2004


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