[00962596]冷等离子体金属表面处理和陶瓷涂层技术

项目背景：金属材料具有优异的加工特性和韧性，但耐磨、耐蚀、耐热和抗高温氧化特性都比较差，对金属表面进行渗氮渗碳等处理以及在金属表面涂敷一层陶瓷层可以强化金属表面，或将陶瓷的耐磨、耐蚀、耐热和抗高温氧化特性与金属材料的强韧性和良好的工艺性有机的结合起来，可以大幅度的提高工件的使用寿命。由于零件的失效多发生在表面或先从表面开始的，因此提高材料表面性能对延长零件的使用寿命和发挥材料的潜力起着很重要的作用。发达国家每年仅因腐蚀所造成的损失相当于国民生产总值的3％-5％，中国每年因腐蚀所造成的损失达2000亿元。在美国金属表面处理和陶瓷涂层的应用年增长率高达15％-30％，尤其是在航空、航天、发动机、汽车和化学工业领域。金属表面陶瓷层涂敷在航空航天、机械电子、钢铁冶金、能源、交通、石油、化工、食品、轻纺、广播电视、兵器等各个领域里都有不同程度的应用，并在高新技术领域里发挥重要的作用。现在金属材料表面处理以及陶瓷涂层技术有化学电镀，物理气相法PVD，化学气相法CVD，堆焊、氧乙炔火焰喷涂、高能束涂覆法、自蔓延燃烧合成热等离子体喷涂等方法。相对来说，热等离子体喷涂是国内外最常用的金属表面陶瓷涂层技术，但存在着涂层的组织呈粗大的片层状、空隙度高，裂纹多，且涂层与基体问为机械结合容易剥落，抗冲击性能差、不适合重载、冲击和高应力工作条件等严重问题。等离子体喷涂层的激光重熔可以缓解一些，但也不能从根本上解决，而且还增加了一次繁琐的工艺。尤其是对于形状复杂的工件，如曲轴、连杆和发动机叶片将是十分困难。所以这种方法可以应用在一些特殊工件的处理上，但不适应于大面积、形状复杂、连续可控批量作业、重复稳定性的工业化生产。为了解决这些问题，课题组提出了金属表面低温等离子体金属表面处理以及陶瓷涂层方法。技术特点和技术优势：等离子体是指部分或全部离子化的气体，它们有电子、离子、还包括激发分子、自由基和光子等高能活性成分，且自由电子和离子所带的正负电荷总和完全抵消。低温等离子体的离子温度(或气体温度)在室温附近，但电子的质量远小于离子的质量，因此电子温度可以在几万到几十万度之间，远高于离子温度。这种状态十分有利于进行金属表面的改性处理和陶瓷层涂覆。其优点在于：1．低温等离子体是通过在低气压气体中放电产生的一种非热力学平衡的等离子体。其电子温度(1-10eV)比气体温度和离子温度约高1-2个数量级。高达10<'4>K的电子温度使电子有足够的能量通过碰撞使气体分子激发、分解和电离，从而大大提高反应活性，能在较低的温度下获得质量优良的渗氮渗碳层以及陶瓷层；2．低温等离子体是在真空背景下的低气压气体中放电产生的，气体较单纯且容易进行精确地控制，可以实现对于表层成分的控制，易于形成很高纯度的陶瓷层，也适合制备多组分、高熔点的化合物，如Si<,3>N<,4>、SiC、Ti(N，C)等的形成；3．具备对陶瓷层生长速度以及异质材料连续生长的控制能力，实现过程的连续性和可重复性生长。与传统方法相比，课题组从事的低温等离子体法具有如下优点：工艺简单、操作方便、易于控制、对环境无污染等优点。它对金属表面的作用深度仅数十到数百纳米，而且没有高温的作用，不会影响基体材料的性质；能够处理各种形状的表面，工业化生产、质量可靠性、稳定性以及重现性好。可消除喷涂层的层状结构、孔隙和氧化物夹杂，形成均匀致密的陶瓷涂层；陶瓷层的均匀性好、与基体结合牢固、热障碍性强、抗冲击行强、不易剥落，且成分可以连续变化，可以形成梯度陶瓷涂层。基本工艺：1．等离子体渗氮处理：等离子体法与传统的氮化法不同，可以不形成化合物层的前提下实现表面改性。通过精确控制气体的流量、压力、等离子体的功率可以控制等离子体中的活性粒子从而达到有效地控制氮化过程。通过对活性粒子的浓度控制可以抑止化合物层的生成而进行氮化处理。其特点为：(1)可以减少模具和工具上形成的边缘部分的毛刺、热裂纹，也可以减少尺寸的变化和应力的形成；(2)等离子体氮化处理后其光泽可以维持不变，粗糙度的变化也是很小；(3)可以根据材质和所需要的形状来设定最佳氮化条件，也可以改变等离子体分布状态很简单进行局部氮化；(4)等离子体法可以与PVD等复杂的方法相结合，先用等离子体法进行氮化处理，然后再用PVD法进行硬质陶瓷层包覆处理，是耐久性进一步提高。2．等离子体渗碳处理：现在产业界，节能、节省资源、电子化的技术革新不断发展，对于工业产品的质量也是要求越来越高，所以高质量高性能的金属器件热处理技术的需求也越来越迫切。现在的等离子体渗碳法是一个在无环境污染的状态下可以进行高效率、高精度渗碳，并能获得稳定性能的渗碳方法，利用这种方法可以获得传统方法不能获得的高浓度渗碳，以及对一些难以渗碳的材料进行渗碳，所以这种方法将得到越来越广泛应用。通过渗碳可以降低废钢材的熔点，所以废钢材的渗碳处理可以有利于回收再使用，对于节省能源来说极为重要。现在的渗碳处理几乎都是气体渗碳法，但是时间比较长。所以短时间快速渗碳的等离子体处理方法受到高度重视。这种方法式在氩气和甲烷的混合气体中在稀薄的压力下形成等离子体，对金属产品进行渗碳处理。其特点为：(1)没有晶界氧化、样品表面清洁、具有好的光泽性；(2)等离子体渗碳均匀性好，没有气体法和真空法中出现的各种缺陷；(3)渗碳速度快、可以在低温下短时间完成，可以节省时间和能源，而且可以避免晶粒长大和减小应力；(4)可以高浓度渗碳，也可以很方便地对一些难以渗碳的金属(如不锈钢、烧结产品、Ti材，Ti合金)进行渗碳；(5)很容易进行局部渗碳；(6)无公害、节能。3．等离子体法制备陶瓷涂层或薄膜：等离子体发的另外一个显著特点是可以通过等离子体辅助的气相反应可以在金属或其它物质表面制备具有各种特殊性能的薄膜从而达到各种特殊效果，如：Si<,3>N<,4>：耐磨、耐热、耐腐蚀；TiN：耐磨、装饰、红外反射膜；AIN：绝缘导热膜、透明保护膜、SAW器件、PL膜；CrN：耐磨膜；Cu<,3>N：光磁记录膜；Al<,2>O<,3>：绝缘绝热膜、透明保护膜；ZnO：荧光膜、透明电极、光催化膜、SAW过滤器；TiO<,2>：光学膜、光催化膜、湿式太阳电池、超亲水膜；CuO：光吸收、黑体表面；SiC：高耐热性、高耐蚀性、高耐氧化性、高耐磨性、高耐磨性；类金刚石膜：耐磨、导热膜。项目所处阶段：该课题组一直从事等离子体法合成金属和陶瓷材料研究，并利用冷等离子体法进行金属表面改性和陶瓷层涂覆研究，也与国外同行保持着密切地联系，有很好的基础。承担过10多项国家自然科学基金项目、科技部重大项目基金和其他部位基金的项目以及多家公司合作项目，积累了丰富的经验。投资预算：项目的设备投资预算根据规模和方式有所不同，大体上在20-100万元之间。合作方式：技术转让或联合开发和生产。