主题：【分享】金属材料及热处理知识（二十）

5.7.2 气相沉积技术
    气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积字材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）沉积两大类.
    1. 物理气相沉积
    物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法。使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀﹑溅射镀、离子镀等三种基本方法。
    真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。根据蒸镀材料熔点的不同，其加热方式有电阻加热、电子束加热、激光加热等多种。真空蒸镀的特点是设备、工艺及操作简单，但因汽化粒子动能低，镀体与基体结合力较弱，镀层较疏松，因而耐冲击、耐磨损性能不高。
    溅射镀是指在真空下通过辉光放电来电离氩气，产生的氩离子在电场作用下加速轰击阴极，被溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。其优点是气化粒子动能大、适用材料广泛（包括基体材料和镀膜材料）均镀能力好，但沉积速度慢、设备昂贵。
    离子镀是指在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到工件表面成膜的方法。其特点是镀层质量高、附着力强、均镀能力好、沉积速度快，但存在设备复杂、昂贵的特点。
    物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单省材料无污染；获得膜层膜附着力强膜层厚度均匀、致密、针空少等优点。已广泛应用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。

    2. 化学气相沉积(CVD)
    化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。例如，气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。
    化学气相沉积的特点是：沉积物种类多，可沉积金属、半导体元素、碳化物、氮化物、硼化物等，并能在较大范围内控制膜的组成及晶型；能均匀涂敷几何形状复杂的零件；沉积速度快，膜层致密，与基体结合牢固；易于实现大批量生产。
    由于化学气相沉积膜层具有良的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛应用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。

5.7.3 三束表面改性技术
    三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束（合称“三束”）等具有高能量密度的能源施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。三束对材料表面的改性是通过改变材料的成分和结构来实现的。由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、、非晶、亚稳成分固容体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。此外，束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。
    1. 激光束表面改性技术
    激光是由受激辐射引起的并通过谐振放大了的光。激光与一般光的不同之处是纯单色，具有相干性，因而具有强大的能量密度。由于激光能量密度高，可在短时间内将工件表面快速加热或熔化，而心部温度基本不变；当激光辐射停止后，由于散热速度快，又会产生“自激冷”。激光束表面改性技术主要应用于以下几方面：
    （1） 激光表面淬火
    又称激光相变硬化。激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高15%～20%）、耐磨、耐疲劳、变形极小，表面光亮，已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。
    （2） 激光表面合金化
    预先用镀膜或喷涂等技术把所需要的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜与基体材料表层融合在一起并迅速凝固，从而形成成分与结构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层。利用这种方法可以进行局部表面合金化，使普通金属零件的局部表面经处理后可获得高级合金的性能。该方法还具有层深层宽可精密控制、合金用量少、对基体影响小、可将高熔点合金涂敷到低熔点合金表面等优点，已成功用于改善发动机阀座和活塞环、涡轮叶片等零件的性能和寿命。
    激光束表面改性技术也可用于激光涂敷，以克服热喷涂层的气孔、夹杂和微裂纹缺陷；还可用于气相沉积技术，以提高沉积层与基体的结合力。

    2. 电子束表面改性技术
    电子束表面改性技术是以在电场中高速移动的电子作为载能体。除所使用的热源不同外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。凡激光束可进行的热处理，电子束也都可以进行。
    与激光束表面改性技术相比，电子束表面改性技术还具有以下特点：
    ① 由于电子束具有更高的能量密度，加热的尺寸范围和深度更大；
    ② 设备投资较低，操作较方便；
    ③ 因需要真空条件，故零件的尺寸受到限制。

    3. 离子注入表面改性技术
    离子注入是指在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物力、化学和机械性能发生变化的方法。
    离子注入的特点是：可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；注入温度可控，不氧化、不变形；注入层厚度可控，注入元素分布均匀；注入层与基体结合牢固，无明显界面；可同时注入多种元素，也可获得两层或两层以上性能不同的复合层。
    通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。
    其他表面处理技术还包括热渗镀技术（如热渗镀锌、热渗镀铝等）、特种电镀技术（如电刷镀、低温镀铁等）、化学镀技术（如化学镀镍、磷化处理等）、堆焊技术、化学转化膜技术、金属表面彩色技术以及涂装技术等。
    上述表面处理新技术有的已不属于热处理范畴。这些新技术在提高材料表面性能发挥材料性能潜力方面起着不可代替的作用，在各工业和技术领域中有着广泛的应用前景。

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