CN100537835C - 磁控溅射-激光加热复合渗镀工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了磁控溅射-激光加热复合渗镀工艺及设备，利用磁控溅射和激光加热装置在导电工件表面形成包括金属元素和非金属元素在内的扩散层、沉积层或扩散层+沉积层的单一或复合渗镀层。本发明的优点在于：利用磁控溅射靶，可以提供充足的欲渗合金元素；利用激光加热，可以在很短时间将被渗材料加热至高温使渗入速度大大提高；渗金属的真空度，比一般的合金化方法提高至少1个数量级，可大大提高被渗工件的表面质量；渗镀可以连续进行，可实现大面积大批量生产。
Description
技术领域：
本发明涉及等离子表面冶金，具体是一种能在导电材料表面形成合金层的磁控溅射-激光加热复合渗镀工艺及设备。
背景技术：
目前，利用气体放电进行等离子表面改性的各种设备和工艺方法主要有：双层辉光离子渗金属设备与技术、多弧离子渗镀设备与技术、磁控溅射离子镀设备与技术、直流二极溅射、直流三极或四极溅射镀设备与技术等。而以上的设备与工艺方法中，除双层辉光离子渗金属设备与技术外，其余设备和工艺技术均是在材料表面形成沉积镀层，没有扩散层。因此膜基结合强度较差，极易产生剥落。双层辉光离子渗金属设备与技术，采用二极型的辉光放电溅射提供欲渗合金元素，由于离化率较低，单位时间提供欲渗合金元素的数量有限，使表面渗金属过程受到影响。此外，双层辉光离子渗金属时，被渗工件的加热，靠离子轰击，加热速度慢，时间长，晶粒长大严重。欲渗合金原子的扩散，主要以晶内扩散为主，扩散速度很低。
发明内容：
本发明的目的是要提供一种利用磁控溅射和激光加热，在导电材料表面形成包括金属元素和非金属元素在内的扩散层、沉积层或扩散层+沉积层的单一或复合渗镀层的工艺。
本发明的另一目的是提供实现该复合渗镀工艺的设备。
本发明磁控溅射-激光加热复合渗镀工艺按顺度依次包括下列步骤：
1.将被渗工件置于真空容器内的纵向往复行走机构和横向往复机构上，被渗工件、往复行走机构、真空容器均为阳极，所渗及的被渗工件材料，是导电材料；
2.将磁控溅射靶置于被渗工件的上方，提供欲溅射合金元素的源极材料，是导电或不导电材料；
3.抽真空达极限真空度3×10-3Pa以上；
4.充入气体介质到工作真空度，气体介质为氨气或甲烷或氩气；
5.给磁控溅射靶加入高压直流电源或高压脉冲电源或射频电源，电压的可调范围0～2000V，磁控溅射电源中的射频电源，其频率范围为13.56MHz或27.12MHz；
6.激光扫描加热被渗工件表面，所涉及的激光加热装置，可以是Nd:YAG激光器或CO2激光器，输出激光功率范围为100～10000W，激光波长：10.6μm，光束直径：φ1mm～30mm，激光加热渗扩工艺完成后，即可在导电材料表面形成包括金属元素和非金属元素在内的扩散层、沉积层或扩散层+沉积层的单一或复合渗镀层。
工作时，磁控溅射靶提供充足大量的活性金属离子、原子或粒子团，这些活性物质吸附或沉积在被渗工件表面。激光加热装置，周期式的提供高功率高密度热能，可在零点几秒钟至几秒之内，反复的将被渗工件局部加热至相变点以上的高温，吸附并沉积于被渗工件表面的活性物质快速扩散进入工件内部，形成渗层或沉积层。如此时工作介质含有氨气、甲烷等反应性气体，则会使工件表面形成氮气、渗碳或碳-氮共渗层。
用于实现本发明工艺的设备包括：
真空容器、真空容器内的往复行走机构和往复行走机构上的被渗工件，抽气系统、供气系统、磁控溅射靶、磁控溅射电源、激光加热装置。
本发明的优点在于：
①利用磁控溅射靶，提供充足的欲渗合金元素。在短时间内，提供大量活性的离子化合金元素，充分满足基体材料表面沉积和渗入的需要。
②利用激光加热装置，提供高功率高密度热能，在零点几秒钟至几秒之内将被渗材料反复加热至高温，实施快速渗入过程；
③处于快速加热、短时高温条件下的被渗工件材料，具备了快速扩散的能量条件，渗入速度大大提高，扩散层和沉积层的膜基结合力增强。
④渗金属时的工作真空度，将比一般的合金化方法提高至少1个数量级，大大提高了被渗工件的表面质量。
⑤可以连续运行，可实现大面积大批量生产。
附图说明：
图1是本发明磁控溅射-激光加热复合渗镀设备框图。
附图中的标号为：磁控溅射靶1，磁控溅射电源2，被渗工件3，真空容器4，激光加热装置5，纵向往复行走机构6，横向往复行走机构7，抽真空系统8，供气系统9等组成。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
将尺寸为100mm×100mm×5mm，材质为20钢的被渗工件3，放置在纵向往复行走机构6和横向往复行走机构7的托架上，选择尺寸为φ100mm×5mm(直径×高)的磁控溅射靶1，布置在被渗工件的上方，磁控溅射靶材为金属纯Mo，抽真空达极限真空度3×10-3Pa以上，充入气体介质氩气到工作真空度10Pa，先给磁控溅射靶1加入高压直流电压—500V，离子溅射靶材20分钟，停止溅射，开启横向往复机构7，同时激光加热装置5，扫描加热被渗工件3表面，横向往复速度100mm/min，待横向扫描一个形程结束，开动纵向往复行走机构6，前进1mm。进行下一形程的扫描。激光加热渗扩工艺执行完成后，取出试样。可以获得20μm的Mo扩散层和1μm的Mo沉积层。
Claims (7)
1.磁控溅射-激光加热复合渗镀工艺，其特征是：该方法按顺度依次包括下列步骤：
(a)将被渗工件置于真空容器内的纵向往复行走机构和横向往复行走机构上；
(b)将磁控溅射靶置于被渗工件的上方；
(c)抽真空达极限真空度3×10-3Pa；
(d)充入气体介质到工作真空度；
(e)给磁控溅射靶加入磁控溅射电源；
(f)激光扫描加热被渗工件表面，在被渗工件表面形成包括金属元素和非金属元素在内的扩散层和沉积层的复合渗镀层。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：被渗工件、纵向往复行走机构和横向往复行走机构及真空容器同属阳极。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：所述的被渗工件材料，是导电材料。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：所述的磁控溅射电源是：高压直流电源、高压脉冲电源或射频电源，电压的可调范围0～2000V。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：所涉及磁控溅射电源中的射频电源，其频率范围为13.56MHz或27.12MHz。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：所述的激光加热装置是Nd：YAG激光器或CO2激光器，输出激光功率范围为100～10000W，激光波长：10.6μm，光束直径：φ1mm～30mm。
7.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：充入的气体介质为氨气或甲烷或氩气。
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