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最新技术:离子束辅助镀膜(IAC)技术
2006年7月25日 9:5  
 

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。

 

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。

 

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。
 
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