CN109487204A

CN109487204A - 一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置及处理方法

Info

Publication number: CN109487204A
Application number: CN201811366768.5A
Authority: CN
Inventors: 孙卓; 刘素霞
Original assignee: Suzhou Shenlong Aviation Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Shenlong Aviation Technology Co Ltd
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2019-03-19

Abstract

本发明涉及材料的等离子体表面处理技术领域，具体的讲是一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置及处理方法，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，通过采用电感耦合式等离子体（ICP）与电容耦合式等离子体（CCP）的耦合的处理装置，在较低温度下（100‑480℃），在电源功率一定的情况下，通过施加磁场来增强等离子体密度，降低基体的自偏压，可提高表面处理速率，同时等离子体处理的表面均匀性和可控性较好。

Description

一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及材料的等离子体表面处理技术领域，具体的讲是一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置及处理方法。

背景技术

轻质合金主要包括铝、镁、钛合金等，因其轻质而广泛应用在航空、航天、汽车、高铁等领域，特别是在航空领域的各类飞行器制造中，为减轻机体重量，所用材料主要集中至轻质高强度的合金或复合材料领域，如铝合金、钛合金、碳纤维复合材料等。大量的飞机零部件是由轻质的铝合金材料制造的，一般作为机体骨架、飞机蒙皮等部件应用。铝合金材料相对较软且不耐磨损，若制造机械运动类零部件如齿轮、轴承、转轴等的使用寿命短、可靠性差、维护更换频繁。为使得轻质合金零部件表面变硬并具有耐磨损、耐腐蚀等特性，一般采用两类方法对其表面进行处理,一类是采用阳极氧化法，包括电化学氧化、微弧氧化等，对合金进行表面处理而形成一层氧化物陶瓷层，所形成的氧化物膜一般具有多孔性，不够致密，需要进一步填孔等处理使其致密才能应用；采用阳极氧化法工艺较复杂且易造成环境污染。另一类是在较高温度下进行氮化或氧化，使得表面变硬，但因处理的温度偏高（500-1000℃），又会使得合金材料的性能发生变化，同时处理的能耗较大，成本偏高，不易实用化。

故需要发展一种轻质合金材料表面处理的新技术，能在较低温度下可使得材料表面硬化并具有耐磨损、耐腐蚀等特性，可使得其制造的零部件的性能优、寿命长、可靠性佳，为此真空技术中的等离子体表面处理技术因其节能环保的特点,已成为材料表面改性的主要手段之一。

在真空环境下制备材料可保证材料的清洁和纯净，与低气压的等离子体技术相结合，可根据人们的设计和需要，通过工艺参数的调节，对材料的表面进行处理和改性。等离子体作为物质的第四态（其它为固、液、气三态）是由中性原子（或原子团）、离子和电子组成，在限定的体积内整体呈准中性状态。低温等离子体技术已广泛应用于薄膜材料的制备和刻蚀，在材料表面处理领域也得到了快速发展。

以金属的表面如氮化改性为例,传统的方法是通过含有氮成分的气体在高温下（500-1000℃）进行渗氮处理，氮原子通过表面扩散使金属表面氮化，从而使得金属表面变硬和耐磨损、耐腐蚀，但此工艺温度较高、处理效率低、能耗大，且对许多不耐高温的材料无法进行改性，无法满足航空等工业轻质高性能零部件的应用需求。

如对于铝合金材料，一般表面会形成一层致密的本征氧化层（<1微米），在等离子体氮化时会阻挡氮离子或原子的扩散，在表面会形成一层较薄的氮化铝层（1-2微米），不易满足实际应用需求；若采用辉光放电等离子体，在加电场后所产生的等离子体密度较低，一般等离子体处理的时间较长，氮化速率较低且氮化层较薄；通常采用加大电源功率而增强等离子体密度，从而使处理速率和氮化层厚度提高。但随输入电源功率的增加，加在被处理基体上的自偏压会增大，而使得等离子体的刻蚀效应增强，进而破坏了被处理基体的表面结构和光洁度，又使其表面性能变差，无法满足航空等工业轻质高性能零部件的应用需求。

为此设计一种既能产生高密度等离子体，同时可使基体的偏压（离子能量）可控的轻质材料的等离子体处理装置和方法是十分有必要的，且该装置和方法可在较低温度下对轻质合金材料表面进行快速氮化或氧化处理，处理后的表面较硬且耐磨损、耐腐蚀，硬化表面层的厚度可控，以满足如航空等工业对轻质高性能零部件的应用需求。

发明内容

本发明突破了现有技术的难题，设计了一种既能产生高密度等离子体，同时可使基体的偏压可控的轻质材料的等离子体处理装置和方法，保证了在较低温度下对轻质合金材料表面进行快速氮化或氧化处理，且处理后的表面较硬且耐磨损、耐腐蚀，硬化表面层的厚度可控，满足了如航空等工业对轻质高性能零部件的应用需求。

为了达到上述目的，本发明设计了一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，其特征在于：等离子体产生模块由电感耦合式等离子体源和射频电源组成，所述电感耦合式等离子体源是由石英窗口和射频线圈组成；等离子能量控制模块由电容耦合式等离子体源、直流脉冲电源、电磁线圈组成；石英窗口位于真空腔体上端，石英窗口上方设有射频线圈，射频线圈上方连接有射频电源，石英窗口旁边设有气体流量控制模块，所述气体流量控制模块固定在真空腔体的上端，所述气体流量控制模块主要由气体流量传感器和控制器组成，所述气体流量传感器的一端伸入真空腔体，气体流量传感器的另一端与控制器相连；所述真空腔体内部设有衬底及温度控制模块，衬底及温度控制模块的底面与电容耦合式等离子体源的一端相连，电容耦合式等离子体源的另一端穿过真空腔体的底面与直流脉冲电源相连，直流脉冲电源的旁边设有真空获得及控制组件，所述真空获得及控制组件采用真空管道与真空腔体连通；所述真空腔体的外侧套设有上、下一对电磁线圈。

所述真空获得及控制组件由真空泵、真空阀、真空管道、真空计组成，真空管道一的上端与真空腔体相连，真空管道一的侧端口与旁路真空管道的顶端相连，旁路真空管道的底端与真空阀的顶端口相连，真空阀的底端口分为两路，分别与低真空泵、高真空泵的一侧相连，真空管道一的下端与真空阀的上端口连接，真空阀的下端口和高真空泵的上端相连，真空计则与真空腔体相连，可显示真空度；通过各真空泵和真空阀的开启和控制可使真空腔体内的真空度达到所需要求。

所述真空腔体为不锈钢圆筒形腔体或者不锈钢方形腔体。

本发明还设计了一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置的处理方法，其特征在于：

步骤1：将被处理的轻质合金材料零部件放入真空腔体中，然后启动真空获得及控制组件进行抽真空，使真空度小于0.01Pa；

步骤2：利用气体流量控制模块在真空腔体内通入所需气体，气体纯度不低于99.9%，使气压保持在1~1000Pa范围内；

步骤3：根据零部件需求，利用等离子体产生模块控制等离子体密度，利用等离子能量控制模块控制等离子体中离子能量，对零部件进行表面清洗，之后进行表面处理。

所述轻质合金材料零部件指铝合金零部件、镁合金零部件、钛合金零部件中的至少一种。

所述气体流量控制模块在真空腔体内通入的所需气体包括氩气、氮气、氧气、氨气中的一种或几种。

在步骤2中通入小于5%vol的氢气，可加速等离子体的氮化或氧化速率。

步骤3中所述等离子体产生模块产生的等离子体加在零部件的功率密度为1~60W/cm²，等离子控制模块控制的等离子体加在零部件的功率密度为0~20W/cm²，偏压为20~2000V。

本发明与现有技术相比，提供一种双等离子体耦合装置可有效地控制等离子体处理时的条件，采用电感耦合式等离子体（ICP）与电容耦合式等离子体（CCP）的耦合的处理装置，在较低温度下（100-480℃），在电源功率一定的情况下，通过施加磁场来增强等离子体密度，降低基体的自偏压，可提高表面处理速率，同时等离子体处理的表面均匀性和可控性较好。

本发明的等离子体的表面处理和改性包括刻蚀、氮化或氧化等。特别是对于以轻质高强度的铝合金、钛合金材料为主的飞机零件，可使得零部件表面性能如硬度、耐磨性、耐腐蚀等显著改善，同时对于运动类零部件得表面可形成梯度的金属化合物薄膜复合层，可有效改善表面的耐磨性并降低摩擦系数，从而大幅提高零部件的性能和可靠性及使用寿命。

附图说明

图1为本发明中轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置的结构示意图。

图2为本发明中真空获得及控制组件的结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步描述。

参见图1，本发明设计了一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，其特征在于：等离子体产生模块由电感耦合式等离子体源和射频电源1组成，所述电感耦合式等离子体源是由石英窗口2和射频线圈3组成；等离子能量控制模块由电容耦合式等离子体源4、直流脉冲电源5、电磁线圈6组成；石英窗口2位于真空腔体7上端，石英窗口2上方设有射频线圈3，射频线圈3上方连接有射频电源1，射频电源1通过射频线圈3将感应的电磁场能量经石英窗口2耦合入真空腔体7内产生高密度的等离子体，由此所产生的等离子体密度较高而自偏压很小，石英窗口2旁边设有气体流量控制模块8，所述气体流量控制模块8固定在真空腔体7的上端，所述气体流量控制模块8主要由气体流量传感器和控制器组成，所述气体流量传感器的一端伸入真空腔体7，气体流量传感器的另一端与控制器相连，对进入真空腔体的气体种类和流量进行控制；所述真空腔体7内部设有衬底及温度控制模块9，衬底及温度控制模块9的底面与电容耦合式等离子体源4的一端相连，电容耦合式等离子体源4的另一端穿过真空腔体7的底面与直流脉冲电源5相连，由此直流脉冲电源5产生的直流脉冲电压在经过电容耦合式等离子体源4、衬底及温度控制模块9后到达零部件，通过此直流脉冲电压可调节等离子体中离子轰击和渗入离子的能量，直流脉冲电源5的旁边设有真空获得及控制组件10，所述真空获得及控制组件10采用真空管道与真空腔体7连通；所述真空腔体7的外侧套设有上、下一对电磁线圈6，电磁线圈施加直流电产生电磁场，通过控制直流电流大小可控制电磁场强度的大小，可使得真空腔体7内的等离子体密度和均匀性提高，并提高等离子体处理的速率，而电容耦合式等离子体源4中的电极引线与衬底及温度控制模块9可以对被处理的零部件进行偏压控制，用来调整等离子体中离子对工件材料表面轰击的能量，以达到工艺优化的目的。

本发明中真空获得及控制组件10由真空泵、真空阀、真空管道、真空计组成，主要对真空腔体的真空度、气压等进行控制。

参见图2，本发明中真空获得及控制组件10由真空泵、真空阀、真空管道、真空计组成，真空管道一的11上端与真空腔体7相连，真空管道一11的侧端口与旁路真空管道14的顶端相连，旁路真空管道14的底端与真空阀15的顶端口相连，真空阀15的底端口分为两路，分别与低真空泵17、高真空泵13的一侧相连，真空阀15与低真空泵17一同工作的时候，可以对真空腔体7进行抽低真空，当真空阀15与高真空泵13一起工作时，则可以对真空腔体17进行抽高真空；真空管道一11的下端与真空阀12的上端口连接，真空阀12的下端口和高真空泵13的上端相连，真空计18则与真空腔体7相连，可显示真空度；通过各真空泵和真空阀的开启和控制可使真空腔体内的真空度达到所需要求。

本发明中所述真空腔体7为不锈钢圆筒形腔体或者不锈钢方形腔体，对于小型零部件处理采用圆筒形腔体或者方形腔体均可，对于大型零部件处理则采用圆筒形腔体具有较好的性价比。

本发明还设计了一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置的处理方法，具体如下：

步骤1：将被处理的轻质合金材料零部件放入真空腔体7中，然后启动真空获得及控制组件10进行抽真空，使真空度小于0.01Pa；

步骤2：利用气体流量控制模块8在真空腔体7内通入所需气体，气体纯度不低于99.9%，使气压保持在1~1000Pa范围内；

步骤3：根据零部件需求，利用等离子体产生模块控制等离子体密度，利用等离子能量控制模块控制等离子体中离子能量，对零部件进行表面清洗，之后进行表面处理，在处理中零部件作为阴极接直流脉冲电源5的负极，真空腔体7作为阳极接直流脉冲电源5的正极。

本发明中轻质合金材料零部件指铝合金零部件、镁合金零部件、钛合金零部件中的至少一种，满足如航空等工业对轻质高性能零部件的应用需求。

本发明中气体流量控制模块8在真空腔体7内通入的所需气体包括氩气、氮气、氧气、氨气中的一种或几种，在真空腔体7内通入氮气，可在铝合金表面形成AlN层，厚度在1-30微米，在钛合金表面形成TiN层，厚度在1-50微米；在真空腔体7内通入氧气，可在铝合金表面形成Al2O3层，厚度在1-5微米，在钛合金表面形成TiO2层，厚度在1-20微米；在真空腔体7内通入氮气和氧气混合气体，可在铝合金表面形成AlNO层，厚度在1-20微米，在钛合金表面形成TiNO层，厚度在1-30微米；也可按顺序通入氮气和氧气混合气体，可在铝合金表面形成AlN/Al₂O₃复合层，或AlN/AlNO梯度层，厚度在1-20微米，在钛合金表面形成TiN/TiO₂复合层，或TiN/TiNO梯度层，厚度在1-30微米。

本发明的表面处理包括刻蚀、氮化、氧化等工艺，在具体实施中等离子体氮化和氧化处理的温度范围为100-480°C，刻蚀处理的气体为氩气；氧化处理所用的气体为氧气与氩气；氮化的气体为氮气或氨气与氩气。

本发明在具体实施中，在步骤2中通入小于5%vol的氢气，可加速等离子体的氮化或氧化速率。

本发明中步骤3中所述等离子体产生模块产生的等离子体加在零部件的功率密度为1~60W/cm²，等离子控制模块控制的等离子体加在零部件的功率密度为0~20W/cm²，偏压为20~2000V。

实施例1铝合金零部件的等离子体氮化氧化：

将真空腔体7的本底真空度抽至小于0.01Pa后，通入氩气，流量在10-500sccm，气压在1-200Pa范围，等离子体产生模块的ICP射频电源功率在100-5000W范围，等离子能量控制模块中CCP脉冲直流电源功率在50-2000W范围；等离子体清洗时间5-10min，然后将氮气或氨气通入真空腔体7，流量为50-1000sccm范围，气压在1-1000Pa范围，增加ICP射频功率100-5000W，温度控制在200-400°C，处理1-5h，可在铝合金表面形成AlN层；将氮气或氨气的流量减小为5-50sccm，通入氧气，氧气流量为10-100sccm，处理0.5-1h，可在铝合金表面AlN层上形成AlNO层。

实施例2铝合金等离子体氮化处理：

将铝合金零部件放入图1所示的真空腔体7内,本底真空度抽至小于0.01Pa后，通入100sccm纯度为99.995%的氩气，气压保持在10Pa。

等离子体产生模块运作，射频电源1功率为500W，通过射频线圈3将能量经石英窗口2辐射入真空腔体7内，感应产生氩的等离子体。

给真空腔体7外的电磁线圈6加电流，使得所产生的电磁场保持在200Gauss。

在零部件上通过直流脉冲电源5加脉冲直流电源功率600W，保持5min；然后将氮气通入真空腔体7内，氩气流量调为10sccm，氮气流量为200sccm，气压保持在30Pa，铝合金零部件温度控制在380°C，处理2小时后,自然冷却至室温取出。

由此在铝合金零部件表面会形成约20mm厚度的氮化铝层，具有优良的耐磨损、耐腐蚀且硬度高的特性。

实施例3铝合金零部件的等离子体氧化处理：

将铝合金零部件放入图1所示的真空腔体7内,本底真空度抽至小于0.01Pa后，通入100sccm纯度在99.995%氩气，气压保持在10Pa。

给真空腔体7外的电磁线圈6加电流，使得所产生的电磁场保持在150Gauss。

在零部件上通过直流脉冲电源5加脉冲直流电源功率500W，保持5min；然后将氧气通入真空腔体7内，氩气流量调为10sccm，氧气流量为50sccm，气压保持在50Pa，铝合金零部件温度控制在360°C，处理2小时后,自然冷却至室温取出。

由此在铝合金零部件表面会形成约10mm厚度的氧化铝层，具有优良的耐磨损、耐腐蚀且硬度高的特性。

实施例4铝合金等离子体氮氧化处理：

将铝合金零部件放入图1所示的真空腔体7内,本底真空度抽至小于0.01Pa后，通入100sccm纯度为99.995%氩气，气压保持在10Pa。

等离子体产生模块运作，射频电源1功率为1000W，通过射频线圈3将能量经石英窗口2辐射入真空腔体7内，感应产生氩的等离子体。

给真空腔体7外的电磁线圈6加电流，使得所产生的电磁场保持在200Gauss。在零部件上通过直流脉冲电源5加脉冲直流电源功率500W，保持3min；然后将氮气和氧气通入真空腔体7内，氩气流量调为20sccm，氮气流量为200sccm，氧气流量为50sccm，气压保持在30Pa，铝合金零部件温度控制在430°C，处理2小时后,自然冷却至室温取出。

由此在铝合金零部件表面会形成约20mm厚度的氮氧化铝层，具有优良的耐磨损、耐腐蚀且硬度高的特性。

实施例5铝合金等离子体氮化氧化层处理:

将铝合金零部件放入图1所示的真空腔体7内,本底真空度抽至小于0.01Pa后，通入50sccm纯度为99.995%的氩气，气压保持在10Pa。

给真空腔体7外的电磁线圈6加电流，使得所产生的电磁场保持在300Gauss。

在零部件上通过直流脉冲电源5加脉冲直流电源功率800W，保持3min；然后将氮气和氧气通入真空腔体7内，氩气流量调为10sccm，氮气流量为200sccm，气压保持在30Pa，铝合金零部件温度控制在450°C，处理2小时后；通入氧气，流量为50sccm，氮气流量减少至10sccm，处理1小时，自然冷却至室温取出。

由此在铝合金零部件表面会形成约25mm厚度的氮化铝/氧化铝复合层（AlON/AlN），具有优良的耐磨损、耐腐蚀且硬度高的特性。

Claims

1.一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，其特征在于：等离子体产生模块由电感耦合式等离子体源和射频电源（1）组成，所述电感耦合式等离子体源是由石英窗口（2）和射频线圈（3）组成；等离子能量控制模块由电容耦合式等离子体源（4）、直流脉冲电源（5）、电磁线圈（6）组成；石英窗口（2）位于真空腔体（7）上端，石英窗口（2）上方设有射频线圈（3），射频线圈（3）上方连接有射频电源（1），石英窗口（2）旁边设有气体流量控制模块（8），所述气体流量控制模块（8）固定在真空腔体（7）的上端，所述气体流量控制模块（8）主要由气体流量传感器和控制器组成，所述气体流量传感器的一端伸入真空腔体（7），气体流量传感器的另一端与控制器相连；所述真空腔体（7）内部设有衬底及温度控制模块（9），衬底及温度控制模块（9）的底面与电容耦合式等离子体源（4）的一端相连，电容耦合式等离子体源（4）的另一端穿过真空腔体（7）的底面与直流脉冲电源（5）相连，直流脉冲电源（5）的旁边设有真空获得及控制组件（10），所述真空获得及控制组件（10）采用真空管道与真空腔体（7）连通；所述真空腔体（7）的外侧套设有上、下一对电磁线圈（6）。

2.根据权利要求1所述的一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置，其特征在于：所述真空获得及控制组件（10）由真空泵、真空阀、真空管道、真空计组成，真空管道一的（11）上端与真空腔体（7）相连，真空管道一（11）的侧端口与旁路真空管道（14）的顶端相连，旁路真空管道（14）的底端与真空阀（15）的顶端口相连，真空阀（15）的底端口分为两路，分别与低真空泵（17）、高真空泵（13）的一侧相连，真空管道一（11）的下端与真空阀（12）的上端口连接，真空阀（12）的下端口和高真空泵（13）的上端相连，真空计（18）则与真空腔体（7）相连，可显示真空度；通过各真空泵和真空阀的开启和控制可使真空腔体内的真空度达到所需要求。

3.根据权利要求1所述的一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置，其特征在于：所述真空腔体（7）为不锈钢圆筒形腔体或者不锈钢方形腔体。

4.基于上述权利要求1~3任一所述的一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置的处理方法，其特征在于：

步骤1：将被处理的轻质合金材料零部件放入真空腔体（7）中，然后启动真空获得及控制组件（10）进行抽真空，使真空度小于0.01Pa；

步骤2：利用气体流量控制模块（8）在真空腔体（7）内通入所需气体，气体纯度不低于99.9%，使气压保持在1~1000Pa范围内；

5.根据权利要求4所述的一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置的处理方法，其特征在于：所述轻质合金材料零部件指铝合金零部件、镁合金零部件、钛合金零部件中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置的处理方法，其特征在于：所述气体流量控制模块（8）在真空腔体（7）内通入的所需气体包括氩气、氮气、氧气、氨气中的一种或几种。

7.据权利要求4所述的一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置的处理方法，其特征在于：在步骤2中通入小于5%vol的氢气，可加速等离子体的氮化或氧化速率。

8.根据权利要求4所述一种轻质合金材料耦合等离子体表面处理装置的处理方法，其特征在于：步骤3中所述等离子体产生模块产生的等离子体加在零部件的功率密度为1~60W/cm²，等离子控制模块控制的等离子体加在零部件的功率密度为0~20W/cm²，偏压为20~2000V。