[00955535]双层辉光障碍放电及反应渗镀低温形成氮化钛梯度耐磨材料

该研究项目提出了一种新的合成表面氮化钛涂层的工艺方法。其基本原理是：在真空容器中，设置两个阴极，将固体金属钛材料作为涂层材料供给阴极（也可称为源极），被渗镀工件放置于另一阴极上，利用脉冲直流等离子障碍辉光放电的阴极溅射现象，把源极中的金属钛元素以原子、离子等形式溅射出来，这些活性离子团，迁移并吸附于工件表面，工件在脉冲直流低能离子轰击下，温度控制在500～900℃之间。吸附于工件表面的活性离子团，一部分扩散进入工件内部，形成含钛扩散层，一部分沉积与工件表面形成钛沉积层。通入一定比例的反应性气体，如氮气或氨气。氮原子或离子将通过工件表面渗入含钛扩散层，表面的氮原子与钛沉积层形成氮化钛层，扩散进入工件内部的氮原子形成氮化钛析出物扩散层。该工艺方法还包括将渗钛过程和反应合成氮化钛过程合并，一次形成氮化钛反应扩散层，但是前期的初步试验探索，渗镀层较薄。该研究工艺方法的技术要点在于：用脉冲辉光障碍放电等离子体，实施大面积起辉放电，物理手段固体溅射金属钛，提供钛金属元素，没有任何污染，且方便、可靠、可控；采用脉冲直流障碍辉光放电作为加热工件的手段，活化工件表面，达到了低温形成扩散层的效果，加强了沉积和渗入效率及表面结合强度；用障碍辉光放电、结合空心阴极效应、尖端放电等技术强化脉冲直流放电等离子体，提高了离化率，增加源极溅射量，提高了生产效率；该研究项目的方法与PVD、CVD主要不同之处在于：与CVD方法差别：提供欲合成薄膜的金属元素采用固体金属脉冲直流阴极溅射的物理方法，而不是有较大腐蚀性的卤化物气体；工件表面处于脉冲直流等离子轰击状况下；可实现较低渗镀温度； 与PVD不同：用障碍辉光放电、空心阴极效应、尖端放电等强化等离子体，提高离化率，增加源极溅射量；在500～900℃之间，可形成具有扩散层＋涂层的氮化钛强化层，增加薄膜的结合强度；该项目具有处理面积大（最大面积可达3M<'2>），表面质量好（Ra值可小于0.2μｍ）；解决工件小孔渗镀问题等优点。该项目的工业应用前景：工业上使用的主要的合金元素，尤其是强碳化物合金元素，在世界上的存储量按现有的开发速度仅够使用40～60年，加上潜在的存储量最多使用100年。该项以较少的合金元素，大幅度的提高表面性能，符合节约资源的战略方针；全世界每年因为磨损腐蚀而造成的损失占国民生产总值的5～7％，因此提高材料表面性能一直是材料研究工作者的重点。该项目在材料表面形成较耐磨和耐腐蚀的高性能化合物层，符合当今研究的发展方向；中国能源消耗大，单位产值能耗大大高于其它发达国家。十届四中全会温总理提出“十一五”期间的降低单位能耗4％，将是中国今后五年奋斗的目标。该项目采用先进的脉冲直流障碍辉光放电等离子技术，并结合空心阴极效应和尖端放电手段，提高涂层生产效率，节约能源，紧扣‘十一五’计划要求，适应当今可持续发展的要求。当今工具技术向着高速切削发展，模具向着进一步提高寿命发展，耐磨材料和耐蚀材料的使用条件等均向人类提出挑战，航空航天部门提出‘为减轻一克重量而奋斗’的口号，所有这些使得涂层技术的开发已经成为材料发展的一个重要方向。该研究是围绕着提高材料表面耐磨、耐蚀和抗高温氧化而进行的前瞻性研究。PVD、CVD是涂层技术的核心和重点，已经在各个领域起到了重要的作用。该研究项目是在这两种技术的基础上，提出的又一种涂层方法。扩散层＋沉积层的组织结构所形成的氮化钛涂层，使得膜基结合强度大大提高；阴极溅射的物理方法可提供连续、可靠、稳定、可控、大面积、无污染、活性强的金属原子；脉冲放电可实现小孔渗镀过程。该技术是综合前两种技术的优点，并进行补充和提高的一种新技术。