CN1060225C - 一种多束动态混合注入方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
用于表面改性领域的一种多束动态混合注入方法及其装置，特征是用载能离子、电子、原子和等离子体等多种束线，各束线在高真空下采用大束斑、单独调控、同时注入沉积，对工件实施表面清洗、基底强化、建立膜—基动态混合注入过渡层和化学配比动态混合表面层的活化状态化学配比的动态混合注入工艺方法。实施中，确保各条束线按给定角度，同时会聚于工件表面。优点，成膜快、结合力强、质量高，用于表面陶瓷化、合金化、多功能梯度膜和集层膜。
Description
本发明涉及混合离子注入，特别是涉及一种多束动态混合注入方法及其装置。
目前，离子注入与物理气相沉积相结合的表面技术，即离子束辅助涂层、离子束增强沉积和离子束混合注入等技术，虽然可明显地使膜——基结合力和成膜质量得到改善，但也存在不少难以解决的问题：其一，不便实现多元素表面合金化和陶瓷化；其二，由于沉积束能量和电离度低，造成化学活性差、晶体生长不好；其三，沉积束与注入束线的真空匹配和化学配比得不到解决。发明人在一篇申请号为92100416·8发明名称为弧源——多离子束材料表面改性技术的专利文献中发现权利要求3提到离子束注入源(9)、离子束溅射源(6)、弧源(2)可以同时工作……，但在说明书中给出弧源工作的真空度为2．5～4．0×10—1Pa。在这种条件下，弧源虽能工作，但离子束注入源却无法工作。因为离子束源要想正常工作必须满足真空度为6×10—3～10—7Pa的条件下才行。
针对上述发明存在的问题，发明人提出了一种多束动态混合注入方法及其装置，其主要目的就是解决沉积束线与注入束线的真空匹配、解决在化学配比状态下的动态混合注入等技术难题，以便于形成多元素金属间化合物、多元素表面陶瓷化、多元素表面金属化、合金化、多功能梯度和集层膜。
对已有技术的分析表明，在表面涂层和改性技术中，迅速而有效地强化基底形成过渡层和表面化合物层，一直是首要问题，其关键取决于所提供的能量、高真空、化学的活性以及多元素在各层中合理的化学配比问题。
本发明的基本构思是采用多条不同种类、不同能量的载能束线，采用各条束线均可单独调控，采用提高真空度、提高化学活性、提高能量和电离度，采用大面积强束流和快速沉积实现高真空下多束线多元素的注入——沉积化学配比态快速动态混合工艺方法，以解决高结合力、高质量、多元素表面陶瓷化、合金化、集层化和多功能梯度膜的实际问题。
根据本发明构思，本实施方案中，在高真空条件下，采取了以高真空电弧金属等离子体束提高电离度、化学活性和沉积速率；以大面积强流离子束解决多元素的相互作用和化学配比问题；以高能离子束强化基底和膜——基过渡的化学结合问题；以低能大束流解决大面积高效多元素合金化和陶瓷化等问题；以强流大面积多束和大面积扫描多维工作靶的配合，解决高效高质量表面改性和涂层的实用化问题。
为了清楚起见，本发明对所出现的几个关键词首先加以说明：①“真空匹配”，是指在给定的10—3～10—7Pa高真空度条件下，于给定电压、电流的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线与给定能量和束流的高能离子束线，在工件上各元素粒子束的相互匹配、相互作用，从而实现在高真空状态下的沉积——注入混合，即沉积束与注入动态混合离子束线在同一真空度条件下工作。②“化学配比”，是指根据工件表面层性质的要求，而启动的各种粒子束线，通过单独调控同时相互作用于工件表面，从而实现工件表面层形成所需要化合物的各元素的配比。③“动态混合”，是指在实现本发明工艺过程中，在高真空下同时控制离子束流强度与控制高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线的沉积率，按化学配比在工件表面上同时相互作用，从而使在工艺过程中完成高真空化学配比下的动态混合注入。④“活化状态下的动态混合注入”和“高真空化学配比的动态混合注入”，是指在实施本发明工艺过程中，载能离子束、电子束与高电离度的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线和原子或分子束线在工件表面的相互作用，都具有很高的化学活性，所以，在10—3～10—7Pa的高真空度条件下所进行的是活化状态的动态混合注入和高真空化学配比的动态混合注入。
本发明的一种多束动态混合注入方法，其方案与众不同之处在于，它是采用多条高、中、低能量气体元素的离子束线，多条高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线，一至多种固体元素的原子或分子沉积束线，等离子体阴极活化电子束线，各种粒子束线是通过单独调控，同时相互作用于工件表层以及采用束班为300～600cm2矩形大面积离子束线和射频离子束与高电离度的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线和原子或分子束线在工件表面相互作用，在高真空度下进行活化状态的动态混合和高真空化学配比的动态混合注入，实现沉积——注入混合——高真空的相互匹配和工件表面层的化学配比，其工艺方法是由工件表面清洗工艺方法、工件基底强化工艺方法、建立膜——基动态混合注入过渡层工艺方法、建立化学配比动态混合表面层工艺方法所组成，其各步骤均在真空室内真空度为10—3～10—7Pa的高真空条件下进行：
第一步，清洗工件表面
首先将予清洗的工件放在转动靶[11]或平动靶[12]上，然后，对真空室[1]抽真空达10—3～10—7Pa，再向离子束线源通入气体(一般为Ar、N2)工作真空度为10—2～10—4Pa，同时启动转动靶或平动靶或根据工件的特点同时启动转动靶与平动靶，最后，启动高能矩形大面积离子束线，采用能量为1～10KeV，束流为40～100mA的离子束，对工件表面进行清洗，时间为100～600s，以工作真空度复原为准。
第二步，强化工件基底
工件清洗完毕后，为提高基底的强度，应将基底注入强化层，其办法是调整高能矩形大面积离子束线，采用能量为30～100KeV，束流为10～60mA，时间为100～1000s。在强化基底的实施中，能量一般可分三段进行，即先采用100KeV，再采用60KeV，然后采用30KeV，从时间上这三段的比例可按5∶3∶2分配。
第三步，建立膜——基动态混合注入过渡层
这一步应采用高能矩形大面积离子束线，同时启动活化电子束线、低能溅射离子束线和高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线，以建立膜——基动态混合注入过渡层。过渡层的深度是根据工件表面层膜的厚度和表面层膜与工件基体的物性差异大小而定，厚膜或表层与基体物性差异大则过渡层深度大。所启动的束线的多少，则应视其注入沉积混合元素的多少而定，注入沉积混合元素多则启动的束线就多，其参数是：高能矩形大面积离子束线能量为30～100KeV，束流为30～80mA，时间为200～600s，活化电子束能量为1～20KeV，束流为30～80mA，低能溅射离子束线能量为1～5KeV，束流为40～200mA．平均沉积率为0．5～_／S，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线其电压为15～80V，电流为30～80A，平均沉积率为10～50_／S发射角小于30°，时间为200～600s，过渡层厚度大时，时间应长些。
第四步，建立化学配比动态混合表面层
这一步是依据工件表面层的性能要求。按其化学配比而在其表面层所注入沉积不同性质和不同量的元素。因此。要同时启动多条离子束线、多条高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线和多条低能溅射离子束线相互配合，以建立要求的化学配比动态混合注入表面层。其参数一般应采用低能大束流办法进行，离子束能量为1～30KeV，束流为100～600mA，低能溅射离子束能量为1～5KeV，束流为40～600mA，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线电压为15～80V，电流为30～80A，平均沉积率为10～50_／S活化电子束能量为1～20KeV，束流为20～600mA，这一步的时间均为100～1000s。表面层膜的厚度要求大时，则时间应长些。
第五步，停机取样及性能测试
整个工序完成后．关闭各束线，待工件恢复正常温度后，打开真空室、取出工件，抽检，进行硬度和金相检测及其他物理、化学性能检查，当合格后待出厂。
本发明方法的进一步的特征在于，采用电子束线与离子束线以其相当剂量的配合，清除对绝缘物体表面改性时所产生静电库伦的排斥效应；为完成本发明的工艺，离子束源所通入可电离的气体有N2、O2、C、Ar、Xe、H4C、H2C、CO、BF等，为建立过渡层和强化表面层用合金元素、高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源所采用的固体材料为单质、合金、粉末冶金、金属间化合物、晶体、非晶体等导电固体物质原子或分子沉积束线源采用的靶材为金属、非金属、化合物、聚合物等固体材料，电子束线源采用等离子体阴极电子发射源或热阴极电子发射源。
本发明的多束动态混合注入方法及其装置所完成的多束动态混合注入方法，是在载能离子束、原子束、电子束和等离子体束等多束与固体表面同时相互作用。通过动力学、热力学、电磁学、化学和冶金学等过程发生各种异相反应而达到表面改性目的的，而其最重要的过程是对多种元素形成C、N、O化合物的过程。
各种化合物的形成过程，主要取决于设备对多种元素的提供能力和参与化合反应的化学活性潜力，各种物质在离化电离等离子体态、离子束和激发亚稳的原子束或分子束态以及电子束状态都有极大的化学活性。因为它们之中存在各种能量的活性基团，离子和电子的电磁相互作用以及热化学活性潜力，增强价电子转移能力，大幅度的提高固体表面异相反应速度和降低反应温度，而且，其异相反应和热效应只发生在固体的表面。因此，离子束、电子束和高真空电弧金属等离子体喷射沉积束的多束动态混合注入沉积过程，可以在常温或者以比较低的温度下(工作靶水冷时，工件表面温度只有80～150℃，而采用液氮冷却时则可达到0℃以下)实现各种异相反应，得到高密度、高结合力、超硬、耐磨、耐热、防腐的多元素化合物层。
本发明方法是通过一种多束动态混合注入装置所提供的高、中、低能离子束线源的某种隋性气体和反应气体，经过放电、电离和静电场引出加速后射到靶(即工件)上，再从固体溅射靶产生原子或分子束线而沉积到工件表面上，与此同时，启动活化电子束线源和高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源发射固体离子，通过上述单独调控的多种粒子束线同时相互作用于靶面，从而在高真空室内，实现沉积束与注入束的真空匹配，达到化学配比状态下的动态混合注入。在电子束线与离子束线剂量相当的条件下，消除绝缘体表面改性时所产生静电库伦的排斥效应，从而增强了活性能力，加快了注入沉积速率，形成高结合力高质量的多元化合物膜层。
上述工艺方法是通过本发明的一种多束动态混合注入装置，采用电压为15～80V，电流为30～80A的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线与能量为1～100KeV，束流为20～600mA高能离子束线，在真空度为10—3～10—7Pa的真空室内，实现高真空状态下的沉积——注入混合——高真空的相互匹配方法；采用控制强流离子束线的束流强度(一般为100～600mA)与控制高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线的沉积率(一般为10～50_／S)，它们在工作表面上相互作用，实现高真空(10—3～10—7Pa)化学配比状态下的动态混合注入方法，其化学配比是按照3．6μm／h=10_／S的沉积率，估算满足化学配比所需的束流密度来实现的。现以TiN为例加以说明，TiN分子沉积流密度(nm)为：
nm=10—8·η·ρ·NA／M<Mol／cm2S>
其中，η——平均沉积率<_／S>
ρ——膜密度<g／cm3>
NA=6．022×1023Mole—阿佛加德罗数
M——膜的Mole质量<g>
Mol——分子数
cm——厘米
S——秒
对于TiN：ρ=5．4g／cm3(固体)，M=62g·η=10_／S，代入上式得到TiN沉积流密度为：
nTiN=5．288×1015mol／cm2S
N离子束中，一般N2 +占60％，N1 +占40％，所以对10_／S的TiN沉积率需要N离子束流密度为：
jN+
=nTiN／1．6=3．3×1015lon／cm2S
=5．28×10—4C／cm2S=528μA／cm2
因此，通过控制离子束线的束流强度为528μA／cm2，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线的沉积率为10_／S，就可以在高真空(10—3～10—7Pa)条件下，在工件表面上得到预期化学配比的TiN膜层。根据如此相似的计算，得出Si3N4、SiO2、Al2O3等所需的束流密度，其数据列入表1；采用束斑为300～600cm2的大面积。在能量为1～20KeV，束流为30～100mA的离子束和活化电子束与高电离度(大于70％)的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线和原子束在靶表面相互作用。以增强价电子转移能力，从而实现活化状态下的动态混合；在电子束线与离子束线以相当剂量的配合，可消除绝缘物体表面改性时所产生静电库伦的排斥效应；真空室在真空度为1O—3～1O—7Pa的条件下，实现本发明的工艺方法。
应该进一步说明的是，上述工艺各种参数的上、下限除另有要求外通常是根据材料的抗回火性能确定的，对于回火温度低的材料均应选择下限，回火温度高的材料则选择上限，一般取平均值为宜，如果需要增强表面活化和需要中和离子束，消除表面库伦效应时，要加电子束技术，其办法是：加与离子束流强度等量的电子束。
该项发明采用多束动态混合注入——沉积，它之所以能在高真空下实现真空匹配，减少污染，主要是采用高真空电弧金属等离子体喷射沉积束与强流离子束动态混合解决了化学配比和真空匹配，从而提高了化学活性，使成膜速度快、质量好，克服了一般涂镀的膜——基界面效应、择优生长柱状晶和较高内应力等缺点，得到20～30μm的高结合力超硬耐蚀膜层。主要用于金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、半导体和生物等工程及功能材料的表面改性和表面涂层，前景十分广阔。
本发明方法还以下面的优点先进于已有技术：①有较厚的物质物性的均匀连续梯度过渡层，一般可达0．5～5μm，最厚可达10μm，②表面改性层与基体间有较强的结合力，划痕临界载荷可达104gf以上，使超过30μm厚的膜不开裂，不脱落，③显著地提高沉积速率，一般为10～30_／S最高可达50_／S以上，总时间缩短2～3倍，④不仅可形成单层膜，多层膜，多种元素复合膜，还可形成“内膜”，如内层绝缘膜等。⑤降低工作表面温度，一般可在80～150℃，液氮冷却可达0℃以下，保证了材料在表面改性时。基体形状和性能保持不变。⑥耐蚀能力提高2×104倍以上。
现与已有技术申请号为92100416·8，发明名称为“弧源——多离子束材料表面改性技术”的技术参数及使用效果进行比较结果列入表2及表3。
表1是TiN、Si3N4、Al2O3、SiO2所需束流密度。
表2是本发明方法与已有技术性能参数的比较。
表3是本发明的动态混合TiN层的试验结果与已有技术的性能比较。
为了实现本发明的一种多束动态混合注入方法，特设计出一种多束动态混合注入装置。
该装置是由束线系统、真空机械系统、测量供电控制系统、水、气路辅助系统所组成。其主要特征是：所采用的各种束线能量及束流分别为：
高能矩形大面积离子束线源束线能量为1～100KeV，束流为20～600mA，中能射频离子、电子束线源束线能量为1～20KeV，束流为20～600mA，低能溅射离子束线源束线能量为0．5～10KeV，束流为20～600mA，发射分子、原子束沉积率为0．5～15_／S，能量为0．1～5eV，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源电压为15～80V。电流为30～80A，沉积率为5～50_／S，另外，它还包括：其一，在真空室上方设有注入、混合用的能量为1～100KeV，速流为20～600mA，并与水冷绝缘平动靶台垂直的高能矩形大面积离子束线源，经过高真空插板阀与真空室相连。高能矩形大面积离子束线源是由放电室和离子束引出系统所组成。为了减少等离子体的壁损失、增加等离子体的密度和均匀性、放电室采用矩形、内设有多个热电子发射器，放电室壁采用横向跑道形线会切磁约束位形场并采取潘宁放电方式，产生和全方位的约束等离子体。为了达到离子束引出系统在30～100KV情况下都能与等离子体发射能力良好匹配引出强流离子束，其离子束引出系统为第一间隙在4～16mm之间连续可调的矩形大面积多孔栅三电极加减速引出系统。其二，在真空室侧面设有活化、混合、注入用的一至多个能量为1～20KeV，束流为20～600mA的中能射频离子、电子束线源，它包括等离子体发生器和引出系统。中能射频离子、电子束线源是一种无阴极电感耦合的射频放电并采用多孔栅双电极引出系统的离子、电子束线源，其中，引出系统加1～20KV正高压电源场引出离子束，加1～20KV负高压电源场引出电子束。中能射频离子、电子束线源的纵轴与高能矩形大面积离子束线源的纵轴成25～35°角并经过过渡管道与真空室相连。等离子体发生器采用射频放电产生等离子体、采取纵向直线形线会切磁约束位形场约束等离子体。其三，在真空室侧面设有与高能矩形大面积离子束线源的纵轴成30～90°角，弧压为15～80V，弧流为30～80A，沉积率为5～50_／S，等离子体发射角小于30°的一至多个电控气动触发的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源，再经过过渡管道与真空室相连。高真空电弧阴极靶可做成各种元素的复合靶或单质元素靶，另外又附加一个辅助阳极。其四，在真空室侧面，设有纵轴与水冷平面发射靶成15～35°角，能量为0．5～10KeV，束流为20～600mA的低能溅射离子束线源经过过渡管道与真空室相连。它是一种线会切磁约束位形场筒式源。以低能强流离子束溅射水冷平面发射靶产生原子或分子束，其沉积率为0．5～15_／S，能量为0．1～5ev。其五，为了提高注入、沉积、活化和动态混合效率，在真空室内水平轴线之下设有面积为2．5×1m，扫描范围2．5×1m，承重1000kg，沿着X、Y两个方向扫描的水冷绝缘平动靶台。其六，在真空室内，水冷绝缘平动靶台上设有测量强束流、大束斑的矩形大法拉第筒(400×300mm)用来直接测量离子束，电子束的总束流强度。另外，在水冷绝缘平动靶台上还设有测量束流分布的多功能探测器(接收孔φ8mm的小法拉第筒)。其七，在真空室内，水冷绝缘平动靶台上设有可以公转、自转、倾斜(公转角α、自转角φ、倾斜角β)的转动靶台，公转5～10转／分，自转10～60转／分，倾斜角0～90°，为了保证靶台工作的平稳，采用了体积小、重量轻和传动比大的新型谐波齿轮减速器，使靶台的传动装置结构紧凑、运动平稳。其八，为了保证高、中能离子束线，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线，原子(分子)沉积束线同时会聚于水冷绝缘平动靶或者转动靶或者水冷绝缘平动靶与转动靶的工作表面上，它们之间相对位置关系是：高能矩形大面积离子束线源的纵轴垂直于水冷绝缘平动靶台，中能射频离子、电子束线源的纵轴与高能矩形大面积离子束线源的纵轴成25～35°角，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源的纵轴与高能矩形大面积离子束线源的纵轴成30～90°角，低能溅射离子束线源的纵轴与水冷平面发射靶成15～35°角。
附图说明：[1]为碳钢或不锈钢制成的φ2×5m的圆柱形横卧式真空室，[2]为等离子体发生器，采取射频放电方法产生等离子体并采用纵向直线形线会切磁约束位形场约束等离子体。[3]为中能射频离子、电子束线源，它是一种无阴极电感耦合的射频放电并采用多孔栅双电极引出系统的离子、电子束线源，引出系统加正高压可出离子束，加负高压引出电子束，其纵轴与高能矩形大面积离子束线源[4]的纵轴成25～35°角，并经过过渡管道与真空室[1]相连。[4]为高能矩形大面积离子束线源，它是由矩形放电室[5]和离子束引出系统[7]所组成并经过高真空插板阀与真空室[1]相连。矩形放电室[5]壁采用横向跑道形线会切磁约束位形场，并采取潘宁放电方式产生和全方位的约束等离子体。离子束引出系统[7]为第一间隙在4～16mm之间连续可调的矩形大面积多孔栅三电极加减速引出系统。[8]为高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源，它与高能矩形大面积离子束线源[4]的纵轴成30～90°角，并经过渡管道与真空室[1]相连。[9]为水冷平面发射靶用来发射原子、分子束线。[10]为低能溅射离子束线源，其纵轴与水冷平面发射靶[9]成15～35°角，并经过过渡管道与真空室[1]相连，低能溅射离子束线源[10]打在水冷平面发射靶[9]发射分子、原子束线。[11]为转动靶，自身可以公转、自转，倾斜角为0～90°，[12]为水冷绝缘平动靶，上面设有测量强束流，大束斑的矩形大法拉第筒，还设有测量束流分布的小法拉第筒的水冷绝缘平动靶[12]与高能矩形大面积离子束线源[4]的纵轴垂直。
下面通过实施例，进一步说明本发明方法的细节。
实施例1
航天陀螺仪气浮轴承，材料为Ti6Al4V，要求有耐磨、防腐的表面，为此，让其在表面形成TiN层，其膜厚要求为＞6μm。
根据这个要求，在Ti6Al4V材料的气浮轴承表面上采用多束动态混合注入方法，强化其工件的表面，在一种多束动态混合注入装置中进行，其步骤如下：
第一步，清洗工件表面
将已予先经过清洁的气浮轴承和试样，放在平动靶台上(如果是球形件则应放在转动靶台上)，关闭真空室，抽真空达10—3～10—7Pa，向高能矩形大面积离子束线源通入气体(一般为Ar或N2)。使工作真空度达到2×10—3Pa，在这种情况下，启动矩形大面积离子束线源，所采用的能量为5KeV，束流为40mA，清洗5分钟，结束。
第二步，强化工件基底
在继续保持工作真空度为2×10—3Pa的条件下，平动靶继续工作，调整高能矩形大面积离子束线源，其能量为80KeV，束流为30mA，(其离子一般仍为N+)，注入剂量为3．6×1017lon／cm2，注入时间为600S(如果是球形件，则时间应为平样的3．5倍)。
第三步，建立膜——基动态混合注入过渡层
本步骤采用同步动态混合注入的方法，其工作真空度为5×10—3Pa。同时启动高能矩形大面积离子束线，活化电子束线、低能溅射离子束线和高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线，其参数分别是：高能矩形大面积离子束线能量为80KeV，束流为50mA的N+离子束，采用的阴极靶为Ti高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线沉积，其参数电压为25V，电流为45A，平均沉积率14_／S，发射角为30°。
上述各束线混合注入的时间为1800S。形成膜——基高结合力Ti2N+Ti与Ti6Al4V基体的混合过渡层。
第四步，建立化学配比动态混合表面耐蚀耐磨的表面层。
根据表面层形成TiN和层厚的要求，所启动的各条束线采用低能量大束流的办法，其各技术参数如下：沉积用的是Ti高真空电弧金属等离体喷射沉积束线其电压为25V，电流为50A。沉积率近似17_／S，阴极发射源到工件表面38cm，动态混合用N+离子束能量为3KeV，束流为150mA，近似528μA／cm2，所采用的工作真空度为5×1O—3pa，时间为10000S。
第五步，抽检
用螺旋测微仪测其膜厚为20μm，机械性能为显微硬度Hk≥2400kgf／mm2，划痕临界载荷Lc=10000gf，摩擦系数μ=O．08，腐蚀电流下降2×104倍。过渡层＞5μm。
实施例2
某工厂用WC—CO硬质合金(YG8)车刀，采用本发明多束动态混合注入方法。在工件表面沉积TiN+TiC强化层处理。在一种多束动态混合注入装置中进行。
首先将WC—CO车刀采用超声波洗净吹干，装入真空室靶上，在高能矩形大面积离子束束斑之内，距高真空电弧等金属等离子体喷射沉积束线源30cm处，靶材为Ti。
真空室的真空度达到1×10—3Pa后，向高能矩形大面积离子源送工作气体N2，到真空稳定到3×10—3Pa后，启动该离束线源，然后，按如下步骤进行处理：
1．表面离子清洗
离子束能量为5KeV，束流为50mA，时间为300S。
2．基底表面强化处理
离子束线能量为80KeV，束流为15mA，时间为800S。
3．建立膜——基过渡层
启动高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源，其电压为25V，电流为45A，同步离子束能量为80KeV，束流为25mA，靶偏压为—150V。电流为2．5A，时间为400S。
4．建立动态混合表面超硬层，真空室内二次送气到6×10—3Pa，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源．其电压为25V，电流55A(～20_／S)，动态混合离子束能量为10KeV，束流150mA(～528mA／cm2s)，靶偏压为—80V，电流为2A，经500S的时间后，停机、取样、性能测试如下：Hk≥2200kg／mm2，Lc＞7200gf，平均提高寿合4倍以上。
实施例3
电视机、电子枪精密冲模，进行表面动态混合TiN强化处理，工艺采用注入和混合注入相结合(具体步骤同实施例1，略)。各步参数为：清洗用离子束能5KeV，束流15mA，时间600S。注入时离子束能量为70KeV，束流为12mA，时间为1500S。过渡层建立离子束能量为70KeV，束流为20mA，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线，其电压为23V，电流为45A，时间为200S。动态混合注入采用离子束能量10KeV，束流80mA，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线其电压23V，电流45A，经600S的时间后停机。测其性能为：Hk＝1800kg／mm2，Lc＞7200gf，寿命提高7倍以上，节约，费用60万元人民币。
表1 TiN、Si3N4、Al2O3、SiO2所需束流密度
| 化合物 | p<g/cm3> | M<g> | η<_/S> | nm<mol/cm2·s> | <log/cm2·s> | <mA/cm2> |
| TiNSi3N4Al2O3SiO2 | 5.443.194.0752.80 | 621409060 | 10101010 | 5.28×10151.37×10152.726×10152.81×1015 | 3.3×10153.43×10155.11×10153.51×1015 | 528549818562 |
表2 本发明方法与已有技术性能参数的比较
表2续页
| 高真空电弧金属等离子体喷射沉积束电压电流数量发射角真空度平均沉积率 | 15～80V30～80A4个＜30°10-3～10-2Pa10～40_/S | |
| 真空室 | (ψ2×5m | |
| 多维工作靶平动靶靶台承重扫描冷却绝缘位置转动靶位置倾角公转自转 | 1×2.5m20.2～1Tx:2.5my:1m水冷耐压3000V真空室轴线下200mm平面靶台上0～45°连续连续 | 水冷 |
表3 本发明的动态混合TiN层的试验结果与
已有技术的性能比较
Claims (3)
1．一种多束动态混合注入方法，采用多条高、中、低能量气体元素的离子束线，多条高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线，一至多种固体元素的原子或分子沉积束线，等离子体阴极电子束线，各种粒子束线是通过单独调控，同时相互作用于工件表面层以及采用束斑为300～600cm2矩形大面积离子束、射频离子束、高电离度的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束、原子或分子束在工件表面的相互作用，在高真空下进行活化状态的动态混合和高真空化学配比的动态混合注入，该方法包括以下步骤：工件表面清洗、工件基底强化、建立膜——基动态混合注入过渡层、建立化学配比动态混合表面层，其各步骤均在真空室内真空度为10—3～10—7Pa的高真空条件下进行：
第一步，清洗工件表面
启动高能矩形大面积离子束线源，采用能量为1～10KeV，束流为40～100mA的离子束，对工件表面进行清洗，时间为100～600S，以真空度复原为准，
第二步，强化工件基底
清洗完毕后，调控高能矩形大面积离子束线能量为30～100KeV，束流为10～60mA，时间为100～1000S，在强化基底的过程中，能量分三段进行，即先采用100KeV，再采用60KeV，然后采用30KeV，从时间上这三段的比例可按5∶3∶2分配，
第三步，建立膜——基动态混合注入过渡层
采用高能矩形大面积离子束线、活化电子束线、低能溅射离子束线和高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线，启动束线的多少则应视其注入沉积混合元素的多少而定，其参数为，高能矩形大面积离子束线能量为30～100KeV，束流为30～80mA，时间为200～600S，活化电子束能量为1～20KeV，束流为30～80mA，低能溅射离子束线能量为1～5KeV，束流为40～200mA，平均沉积率为0．5～5．O_／S高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线电压为15～80V，电流为30～80A，平均沉积率为10～50_／S发射角小于30°，时间为200～600S，过渡层厚度较大时，时间应长些，
第四步，建立化学配比动态混合表面层
同时启动多条离子束线、多条高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线和多条低能溅射离子束线相互配合，其参数采用低能量大束流，离子束能量为1～30KeV，束流为100～600mA，低能溅射离子束能量为1～5KeV，束流为40～600mA，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线电压为15～80V，电流为30～80A，平均沉积率为10～50_／S活化电子束能量为1～20KeV，束流为20～600mA，时间均为100～1000S，
关闭各束线，待工件恢复正常温度后，打开真空室、取出工件。
2．根据权利要求1所述的一种多束动态混合注入方法，其特征在于：离子束线源通人可电离的气体有N2、O2、C、Ar、Xe、H4C、H2C、CO、BF，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源所采用的固体材料为单质、合金、粉末冶金、金属间化合物、晶体、非晶体导电固体物质，原子或分子沉积束线源采用的靶材为金属、非金属、化合物、聚合物固体材料，电子束线源采用等离子体阴极电子发射源或热阴极电子发射源。
3．一种多束动态混合注入装置，由束线系统、真空机械系统、测量供电控制系统、水、气路辅助系统所组成，其特征在于：
(a)在真空室[1]上方，设有注入混合用的能量为1～100KeV，束流为20～60mA，并与水冷绝缘平动靶[12]垂直的高能矩形大面积离子束线源[4]，由放电室[5]和离子束线引出系统[7]所组成，再经过高真空插板阀与真空室[1]相连，放电室[5]为矩形，内设有多个热电子发射器[6]，放电室[5]壁采用横向跑道形线会切磁约束位形场且采取潘宁放电方式，离子束线引出系统[7]为第一间隙在4～16mm之间连续可调整的矩形大面积多孔栅三电极加减速引出系统，
(b)在真空室[1]侧面，设有活化、混合、注入用的一到多个能量为1～20KeV，束流为20～600mA的中能射频离子、电子束线源[3]，它包括等离子体发生器[2]和引出系统，中能射频离子、电子束线源[3]是一种元阴极电感耦合的射频放电并采用多孔栅双电极引出系统的离子、电子束线源，其中引出系统加1～20KV正高压电源场引出离子束，加1～20KV负高压电源场引出电子束，中能射频离子、电子束线源[3]的纵轴与高能矩形大面积离子束线源[4]的纵轴成25～35°角，并经过过渡管道与真空室[1]相连，等离子体发生器[2]采用射频放电产生等离子体，采取纵向直线形线会切磁约束位形场来约束等离子体，
(c)在真空室[1]侧面，设有与高能矩形大面积离子束线源[4]纵轴成30～90°角，弧压为15～80V，弧流为30～80A，沉积率为5～50_／S，等离子体发射角小于30°的一至多个高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源[8]，经过过渡管道与真空室[1]相连，(d)在真空室[1]侧面，设有发射分子，原子束沉积率为O．5～15_／S能量为0．1～5eV的水冷平面发射靶[9]的水平面与能量为O．5～10KeV，束流为20～600mA的低能溅射离子束线源[10]的纵轴成15～35°夹角，并经过渡管道与真空室[1]相连，
(e)在真空室[1]内水平轴线之下，设有沿着X、Y两个方向扫描的水冷绝缘平动靶台[12]，
(f)在真空室[1]内，水冷绝缘平动靶台[12]上设有测量强束流，大束斑的矩形大法拉第筒，还设有测量束流分布的多功能探测器，
(g)在真空室[1]内，水冷绝缘平动靶台[12]上设有可以公转、自转，倾斜角为0～90°的转动靶台[11]，
其中，高能矩形大面积离子束线源[4]的纵轴垂直于冰冷绝缘平动靶台[12]，中能射频离子、电子束线源[3]的纵轴与高能矩形大面积离子束源[4]的纵轴成25～35°角，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源[8]的纵轴与高能矩形大面积离子束线源[4]的纵轴成30～90°角，低能溅射离子束线源[10]的纵轴与水冷平面发射靶[9]的水平面成15～35°角。
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1994
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Patent Citations (4)
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