离子注入在金属表面改性中的应用

目前, 对离子注入在金属表面改性方面的研究主要集中在离子注入工艺和离子束与基体材料表面相互作用及表面合金化过程机理的研究。其中, 离子注入对象主要是金属固体, 如钢、硬质合金、钛合金、铬和铝等材料, 而应用最广泛的金属材料是钢铁材料和钛合金, 注入的离子主要有Ni、Ti、Cr、Ta、Cd、B、N、He等离子。在工业和技术的应用中, 根据对表面的不同要求, 用不同种类的离子注入不同的金属材料表面能够使表面性能得到不同程度的改善。因此, 研究离子注入技术如何提高金属材料表面性能具有十分重要的意义。

1 离子注入在金属表面改性中的应用

1.1 提高表面硬度和强度

强度和硬度是金属表面改性的重要研究参数。大量的实验和研究表明:离子注入可以不同程度地提高金属材料表面的强度和硬度。

当金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时, 可在金属中析出碳化物、氮化物、磷化物等弥散相和超硬相, 在近表面形成TiC/TiN, Fe2Ti, Fe2N, Fe2C等, 表面洛氏硬度得到提高。

谈政[1]等人在工业纯铁上进行Ti、N双元素注入, 实验结果表明随注入剂量的增加试样的显微硬度先增加, 剂量为6×10l7ions/cm2字时硬度值达到最大值, 而后随剂量增加显微硬度有所下降。另外, 在N离子注入过程中, 由于辐照诱发相变, 在表层析出大量的TiN、Ti2N等硬质相, 提高基体表面硬度。

苗伟[2]等人将Zr和V离子注入Al膜, 使Al表面的硬度和弹性模量得到了明显提高, 研究结果表明金属离子注入Al膜在表面层形成了金属间化合物DO23-Al3Zr, Li2-Al3Zr, Al10V和Al3V;N.Akbas[3]等人在AlSi D3工具钢中注入Zr离子, 平均离子能量为130keV, 剂量为3.6×1016、5×1016和1×1017ions/cm2, 近表面处的硬度提高近5倍。

1.2 提高材料表面的耐磨性和降低摩擦系数

一般情况下, 离子注入可通过两种不同的机制改善材料的耐磨性能[4]: (1) 注入可提高表面硬度的元素, 通过析出硬化相来提高材料表面的屈服强度。 (2) 注入可减小摩擦系数和使耐磨损性稳定的元素。高能离子与晶格原子发生级联碰撞后, 引起大量原子从原来的点阵位置上离开, 从而导致高度畸变, 有时呈非晶态结构, 因此使材料表面摩擦系数减小。试验发现, 在钢表面注入Sn+、Mo+后可使摩擦系数减少;而As+、In+与Pb+注入可使摩擦系数加大;而Kr+、Ar+、S+的注入则不引起变化;N2+与O2+的注入也使其摩擦系数降低。目前应用较多的用来改善材料表面耐磨性的注入元素有N+、Ti+、C+、P+、B+等, 注入剂量为1～5×1016ions/cm2。

杨建华[5]等人在H13模具钢中注入Ta和C离子。钽、碳离子双注入区域具有高的强度和低的摩擦系数, 从而提高了其耐磨性。杨建华等还利用Ti、Ni离子注入铝表面, 形成A13Ti、NiTi、A12O3等合金层, 磨损率明显降低, H13钢塑料模具注入N离子后, 耐磨性和耐腐蚀性提高。

张通和[6]等研究发现, Co和Ti离子注入有很好的润滑作用, 可使钢表面的摩擦系数下降65%, 并能提高HSS钢表面的韧性和弹性, 使其具有很好的自修复能力。

Sharkeev[7]等人将Mo离子注入到中碳钢中, 阻碍了断裂机制的形成, 提高了材料的抗磨损性能, 使磨合时间变短, 很快进入稳定磨损阶段;Purus hotham[8]等将Zr离子注入到CrN膜中, 使其摩擦系数减小, 改善了耐磨性能。

1.3 提高金属材料抗腐蚀性能

离子注入在材料表面形成的新合金相、非晶层等结构是提高材料耐腐蚀性能的重要原因。离子注入提高金属表面抗腐蚀性能主要有三种情况[9]: (1) 在表面形成稳态和亚稳态合金; (2) 非金属注入可在金属表面形成化合物, 其中一些化合物对改进金属的耐腐蚀性起到重要作用; (3) 注入金属材料表面的高能离子, 将与金属表面原子发生碰撞, 从而损伤原有晶格结构, 使金属表面形成非晶态、无晶界的表面层, 降低材料在电解质溶液中的钝化电势和临界电流密度, 影响阳极氧化过程, 从而降低材料被腐蚀的速度, 提高抗腐蚀能力。

张通和[10]等人在H13钢中注入C+Ti, 发现注入层表面己经形成了具有一定厚度钝化层, 这种钝化层既能抗酸性腐蚀, 又具有优良的抗碱性点蚀特性。测量结果表明, 在C注入量不变时, 增加Ti注入量可使抗腐蚀特性增强;而在Ti注量不变时, 增加C注入量可使抗点蚀特性增强。

刘伦等人对工业纯铁分别注入Ti离子和Mo离子后, 其抗腐蚀性能均有一定程度的提高;何恒等人对Cr4MoV和Cr12MoV试样注入Ta, 阳极氧化测试表明Ta离子注入能提高两种材料的耐蚀性能;罗文华等人在纯铁基体上进行了离子注入Nb表面改性处理, 结果表明, 离子注入Nb可不同程度地提高纯铁的抗电化学腐蚀, 水汽腐蚀及热氧化腐蚀能力;Cheng, Y.[14]等人将Ta注入到形状记忆合金TiNi中, Ta形成了化合物增强膜和合金的钝化膜, 改善了其耐蚀性。

1.4 提高金属表面抗氧化能力

通过注入不同的离子可不同程度地提高金属材料表面的抗高温氧化能力, 如表1所示。离子注入降低氧化速率的原因主要有以下四种: (1) 离子注入将改变氧化层中空间电荷的分布; (2) 离子注入后将产生具有缓慢的离子扩散速度的结晶相; (3) 离子注入能减小氧化物中短路一扩散路径的密度; (4) 离子注入可阻止氧化物破裂。例如, 用Ar+离子 (2～3×1020ions/cm2, 300、400keV) 注入沉积在Si膜的纯铁上, 可使铁在600℃的氧化速率常数减小250倍, 提高抗氧化性能100倍。这可能是在铁表面形成了Si02沉积物, 极大地减小了铁离子通过这些氧化物的系数, 从而提高了抗氧化性。2.5离子注入提高抗疲劳性能

疲劳性能是一种对表面状态敏感的性能。在航空系统中, 许多零部件对抗疲劳特性的要求是十分严格的, 而离子注入技术在这方面具有独特的优势。通过离子注入可改善材料的表面状态、滑移特性和各向异性, 同时由于固溶强化、析出相弥散强化和残余压应力的形成, 增强了其抗疲劳特性。

韩海军等对GH4169合金注入Ti+C离子研究发现, 注入足够量的Ti+C离子会增强位错的应力场, 引起表层硬化, 阻止位错运动, 同时在表层形成TiC相微观弥散结构, 有利于蠕变/疲劳性能的提高;经Ti+C离子注入后GH4169合金的表层处于残余压应力状态, 这对提高抗蠕变/疲劳性能极为有利;试验证明:Ti+C离子注入的试样性能比未注入离子的蠕变/疲劳寿命提高近50%。

2 展望

到目前为止, 虽然离子注入技术在实用性方面仍处于发展阶段, 技术还不十分成熟, 成本也比较高, 但人们对离子注入技术在金属表面改性方面的应用已进行了大量的研究工作, 取得了很多成果, 随着离子注入技术的不断发展, 可以预期在不久的将来会带来巨大的经济效益和社会效益。另外, 对于离子注入技术的研究和探索, 可以促进表面工程学的发展, 使人们更多的关注材料表面的研究, 而不是仅仅局限于研制新材料, 从而进一步节约贵重金属材料。

摘要：离子注入是一种重要的金属材料表面改性技术, 随着离子注入技术产业化和实用化的推进, 预期在不久的将来, 离子注入工艺将带来巨大的经济效益和社会效益。因此, 研究离子注入技术对金属材料表面性能的影响具有重要的意义。本文介绍了离子注入技术在提高和改善金属材料表面性能方面的应用。

关键词：离子注入,表面性能

参考文献

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[2] 苗伟, 陶琨.锆、钒离子注入铝形成金属间化合物[J].真空科学与技术, 2001, 21 (4) :269～272, 280.

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