【北大成果】金屬表面等離子體處理技術(shù)及應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2022-03-14　　　來(lái)源:北大科技成果

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P1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1. 項(xiàng)目的意義

現(xiàn)在金屬材料表面處理的技術(shù)有化學(xué)電鍍，物理氣相法PVD、化學(xué)氣相法CVD、堆焊、氧乙炔火焰噴涂、高能束涂覆法、自蔓延燃燒合成熱等離子體噴涂等方法。相對(duì)來(lái)說(shuō)，熱等離子體噴涂是目前國(guó)內(nèi)外最常用的金屬表面陶瓷涂層技術(shù)，但存在著涂層的組織呈粗大的片層狀、空隙度高，裂紋多，且涂層與基體間為機(jī)械結(jié)合容易剝落，抗沖擊性能差、不適合重載、沖擊和高應(yīng)力工作條件等嚴(yán)重問(wèn)題。等離子體噴涂層的激光重熔可以緩解一些，但也不能從根本上解決，而且還增加了一次繁瑣的工藝。尤其是對(duì)于形狀復(fù)雜的工件，如曲軸、連桿、管道內(nèi)層將是十分困難。所以這種方法可以應(yīng)用在一些特殊工件的處理上，但不適應(yīng)于大面積、形狀復(fù)雜、連續(xù)可控批量作業(yè)、重復(fù)穩(wěn)定性的工業(yè)化生產(chǎn)。

為了解決這些問(wèn)題，北京大學(xué)新能源與納米材料實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)了低溫等離子體金屬表面改性以及陶瓷涂層技術(shù)設(shè)備和工藝。如通過(guò)金屬表面的滲碳滲氮處理可以使?jié)B碳或滲氮介質(zhì)中分解出的活性碳原子或氮原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳高氮，心部仍保持原有成分，可以使?jié)B碳滲氮后的工件表面獲得很高的硬度層，提高其耐磨特性和耐蝕性，同時(shí)仍然保持心部韌性。這種技術(shù)被證明是非常有效的金屬表面改性處理的方法，在機(jī)械、電子、鋼鐵冶金、能源、交通、石油、化工、食品、輕紡、廣播電視等領(lǐng)域可望獲得重要的應(yīng)用。

2. 等離子體表面處理的原理

等離子體是指部分或全部離子化的氣體，它們有電子、離子、還包括激發(fā)分子、自由基和光子等高能活性成分，且自由電子和離子所帶的正負(fù)電荷總和完全抵消。等離子體是一種物質(zhì)的能量較高的聚集狀態(tài), 被稱為物質(zhì)第四態(tài)。低溫等離子體則是一種電離度超過(guò)0 .1 %的氣體, 是由離子、電子和中性粒子所組成的集合體，整體呈中性, 但含有相當(dāng)數(shù)量的電子和離子, 表現(xiàn)出相應(yīng)的電磁學(xué)等性能, 如等離子體中有帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散, 也有電場(chǎng)作用下的遷移。

低溫等離子體的離子溫度（或氣體溫度）在室溫附近，但電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子的質(zhì)量，因此電子溫度可以在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)度之間，遠(yuǎn)高于離子溫度。這種狀態(tài)十分有利于進(jìn)行金屬表面的改性處理和陶瓷層涂覆。如在0.5~10torr真空度下的低氣壓含氮、碳和氫氣氛下，以真空爐的爐壁作陽(yáng)極, 以被處理的工件作陰極, 在陰陽(yáng)極之間施加約500~l000V 直流電壓,兩極間的稀薄氣體被電離，從而產(chǎn)生輝光放電，通過(guò)輝光放電將氮和碳滲入金屬表層，如圖1所示。高能離子轟擊工件表面不僅引起陰極濺射, 而且使金屬表面形成0.05mm深的氮化物碳化物層，從而提高金屬材料的表面耐磨性和耐蝕性。

現(xiàn)在等離子體滲氮滲碳已成為一種成熟的工藝技術(shù), 已用于結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高速鋼、耐熱鋼的滲氮, 并由黑色金屬發(fā)展到有色金屬滲氮, 特別在鈦合金滲氮滲碳中取得良好效果。等離子體滲氮滲碳設(shè)備不但引入了計(jì)算機(jī)控制技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)優(yōu)化和自動(dòng)控制, 還研制發(fā)展了脈沖電源等離子體滲氮滲碳爐、雙層輝光等離子體滲氮滲碳爐等, 達(dá)到了節(jié)能、節(jié)材、高效的目的。

等離子體滲氮滲碳處理后形成的表層硬化層結(jié)構(gòu)示意圖

如果通入反應(yīng)性氣體，利用等離子體輔助化學(xué)氣相沉(PECVD)可以在金屬表面涂覆上不同性能的薄膜。如圖2所示，反應(yīng)物質(zhì)在真空環(huán)境中在通電線圈作用下發(fā)生電離，電離出的電子相互碰撞形成大量活性較高的離子，離子隨著氣體流動(dòng)在基底表面發(fā)生吸附、脫離和抽取等行為。吸附在基底表面的活性離子在相對(duì)較低的溫度下就可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積形成生長(zhǎng)核，隨著物質(zhì)不斷沉積，基底表面的物質(zhì)由核生長(zhǎng)成島嶼狀，最終連成片形成完整涂層覆蓋在基底表面，以往的CVD沉積涂層過(guò)程存在沉積溫度過(guò)高而基底無(wú)法適用，且涂層沉積緩慢。相比傳統(tǒng)的CVD技術(shù)，PECVD的優(yōu)勢(shì)有高效清潔、沉積溫度低、沉積速度快并能精準(zhǔn)調(diào)控涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

等離子體輔助化學(xué)氣相沉積原理圖

3. 等離子體表面處理的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的電鍍、噴涂、鹽浴及氣體反應(yīng)法相比，等離子體表面處理方法的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 表層形成速度快

(2) 氣體調(diào)節(jié)范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、可調(diào)控性強(qiáng)

(3) 適用材質(zhì)范圍寬

(4) 處理的工件質(zhì)量好

(5) 處理工件形狀尺寸的靈活性

(6) 熱效率高, 資源消耗少，節(jié)約能源和氣源

(7) 生產(chǎn)成本低

(8) 工作環(huán)境好、公害小

P2應(yīng)用范圍

國(guó)外等離子體金屬表面處理工藝在機(jī)械、石化、航空航天、軍工、汽車等行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛。已得到了普遍應(yīng)用。它可以處理各種鋼鐵、不銹鋼、鈦合金等金屬的大、中、小型工件, 并正在逐步取代有污染的電鍍、鹽浴和高溫氣相反應(yīng)工藝。下面是部分工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品。

(1) 機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)件

各種等離子體表面處理后的機(jī)械元件

(2) 各類工件生產(chǎn)的模具

各種等離子體表面處理后的模具

(3) 各類加工刃具

各種等離子體表面處理后的加工刃具

(4) 燃料電池金屬雙極板

各種等離子體表面處理后的燃料電池雙極板

P3項(xiàng)目階段

北京大學(xué)新能源與納米材料實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了滲碳滲氮、濺射、PECVD等多種等離離子金屬表面處理設(shè)備，包括等離子體電源、電氣控制系統(tǒng)、真空爐體、滲劑氣體配氣系統(tǒng)、真空產(chǎn)生和維持系統(tǒng)、真空測(cè)量及控制系統(tǒng)、測(cè)溫及控溫系統(tǒng)等部分組成。

通過(guò)改變等離子體氣氛，改變金屬材料成分，可以在金屬表面制備不同類型的陶瓷薄膜層，從而達(dá)到各種特殊效果，如：

Si3N4：耐磨、耐熱、耐腐蝕

TiN:耐磨、裝飾、紅外反射膜

AlN:絕緣導(dǎo)熱膜、透明保護(hù)膜、SAW器件、PL膜

CrN:耐磨膜

Cu3N:光磁記錄膜

Al2O3:絕緣絕熱膜、透明保護(hù)膜

ZnO:熒光膜、透明電極、光催化膜、SAW過(guò)濾器

TiO2:光學(xué)膜、光催化膜、濕式太陽(yáng)電池、超親水膜

CuO:光吸收、黑體表面

SiC：高耐熱性、高耐蝕性、高耐氧化性、高耐磨性、高耐磨性

類金剛石膜：耐磨、導(dǎo)熱膜

P4知識(shí)產(chǎn)權(quán)

已申請(qǐng)相關(guān)專利。

P5合作方式

技術(shù)入股、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)許可、共同開(kāi)發(fā)。

P6聯(lián)系方式

北京大學(xué)科技開(kāi)發(fā)部

電子信箱：kjkfb@pku.edu.cn

項(xiàng)目編號(hào)：CL-2022-02