凹模内腔等离子体离子注入数值仿真-(I)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视.本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究.考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响.结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加.脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°.当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的.从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降.     

科技动态

离子注入法就是使想要注入的元素离子化.再加速到一定能量,打入物质表面的方法,这种方法可以不受热力学的制约,使元素添加和混合,因此,表面上就能合成非平衡相和强制固溶相等特殊结构层,它作为一种新的表面处理法而引起了人们的注意. 日本科学技术厅金属材料技术研究所进行了离子注入法微观结构变化的基础研究.其成果之一是增加了改变金属间化合物TiA1表层性质的有用知识,简介如下: 金属间化合物TiA1重量轻,高温强度和耐氧化性优良,因此很有希望成为将来的轻型耐热材料,但它有加工性、常温时的延展性差等缺点,目前还未达到实用化,于是就试图用离子注入法在TiA1表面注入与钛、铝本身反应性大的氮元素,以改变表面性质,这样做的结果,TiA1金属间化合物的表层硬度,因N离子的注入而明显增大. 图l表示N离子注入层的微小硬度增加率与成     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真——(Ⅱ)工作气压的影响

模具表面改性对提高模具使用寿命和生产率有着十分重要的意义。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo colli-sion模型对不同气压下等离子体离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学进行研究。考察了气压变化对电势分布、离子运动状态及凹模型腔内表面离子注入剂量、能量和角度分布的影响。计算结果表明随着气压的上升,凹模周围的鞘层厚度变薄;随气压上升,凹模型腔底部和顶部端面离子注入剂量和平均注入能量下降,在型腔侧壁上,离子注入剂量和平均注入能量先上升后下降。注入到型腔侧壁和凹模顶部端面上的离子平均注入角度随气压上升而趋向于垂直入射,型腔底部平均注入角度随气压上升略有增大。研究结果表明通过引入一定的碰撞(变化气压)来改善剂量和能量的均匀性是可行的。     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真—(Ⅰ)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究。考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响。结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加。脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°。当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的。从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降。     

注铌法改善纯铁的抗腐蚀性研究

离子注入法能解决一些传统表面处理工艺所不能解决的问题,并在一些材料上得到了成功应用。为了研究其在核材料和昂贵材料上应用的可能性,利用离子注入表面化技术,在纯铁基体上进行了离子注入铌表面改性处理,并改性层元素的分布、化学态及耐腐蚀性能进行了分析和测试。实验结果表明,离子注入铌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,最后讨论了注铌改性层耐蚀性提高的原因。     

电感耦合等离子体离子注入内表面的数值仿真研究

本文采用Particle-in-cell模型对采用电感等离子体离子注入处理管内表面的动力学过程进行数值仿真研究,考察了电感线宽对管内电势分布、鞘层重叠、离子平均注入能量、剂量和角度等的影响。计算结果表明随着电感线宽的增加,电感线圈对等离子体鞘层扩展的钳制作用增强,管内的鞘层重叠系数下降,电感内的离子消耗速度下降。在鞘层内电场力的作用下,离子会发生聚集,离子聚集点的位置随着电感线宽的增加向外移动。研究结果还表明通过增加电感线宽可以进一步提高管内表面的离子平均注入能量。离子注入以接近垂直的角度注入到管内表面,虽然电感线圈会产生阴影效应,但管内表面的阴影可以通过管与电感线圈的相对运动来消除。     

Mo离子注入对纯铜表面纳米层稳定性的影响

采用表面机械研磨处理(SMAT)对纯铜进行表面改性,通过金属蒸汽真空弧离子注入技术在纳米表层注入Mo离子。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD)和扫描电镜(SEM)观察SMAT处理效果,表面存在纳米层和变形层,通过原子力显微镜(AFM)表征纳米层的晶粒尺寸。结果表明:晶粒尺寸得到了显著的抑制,表面纳米层的晶粒在退火后长大到163nm,而注入了Mo离子的只长大到72nm。此外,SMAT并离子注入后材料表面的硬度仅达到SMAT试样的3.5倍,是纯Cu基体硬度的7倍左右。Mo离子的分散和由SMAT及离子注入引入晶体缺陷的反应促使了这些优化现象的产生。     

多能碳离子注入纯铁研究

利用离子注入表面优化技术,在不同温度下,采用多能量叠加方式将碳离子注入纯铁表面;利用XRD和AES等技术分析了表面改性层的相结构以及元素的分布;利用电化学极化法测试了注入样品的抗腐蚀性能.结果表明,573 K时注入的碳离子比373 K时注入的碳离子深;纯铁表面改性层有Fe2C、Fe3C新相生成;离子注入碳提高了纯铁表面抗电化学腐蚀的能力.     

注铌法改善铀及铀铌合金抗蚀性的研究

利用离子注入表面优化技术,在贫铀及铀铌合金基体上进行了离子注入铌表面改性处理,并主性层元素的分布、化学急及耐腐蚀性能进行了分析和测试。实验结果表明,离子洲主铌可不同程度地提高贫铀及Ｕ－Ｎｂ（１）全合的抗电化学腐蚀、水汽腐蚀及热氧化腐蚀能力。最后讨论了注铌改性腐蚀性提高的原因。     

离子束在工业材料中的应用

近年来,利用离子束作为改变材料表面性能的有效方法,引起了人们极大兴趣。按照离子能量的大小,离子束处理可分成两大类:(1)用于离子注入的高能离子束(10～500keV),能穿透几百个原子层进入材料,并改变材料表面的力学和化学性能;(2)用于离子束溅射,离子镀和等离子体离子沉积的     

M2高速钢的影响表面复合强化的研究

对比了分别经可控渗氮、离子注入形成TiN及可控渗氮 +离子注入Ti2 +后 ,M2高速钢零件(精冲模 )的寿命实验 .结果表明 ,采用可控渗氮 +离子注入Ti2 +的复合处理工艺 ,可使零件的使用寿命获得明显提高 .断口分析、表面硬度测试、金相分析、XRD和AES分析表明 ,寿命的提高是由于 :①用Jonsson经验公式测得的该TiN注入层的真实硬度为HV3 0 0 0 ,TiN的超高硬度是寿命提高的根本原因 .②该复合工艺可使M2高速钢表面TiN注入层获得较厚较硬的氮化过度层 ,增强了膜基间的结合力 ,从而提高了零件的抗磨损和抗冲击性能 .③渗氮层增加了钛离子的注入深度 ,获得了更宽的TiN改性层 ,用JT -PRII所得到的模拟计算结果与此吻合得很好 .     

Ta和Ag离子双注入Ti6Al4V合金抗Hank's溶液腐蚀性能研究

采用Ta和Ag离子双注入对医用Ti6Al4V合金进行表面改性,以Ta离子1.5×1017 ions/cm2先注入,Ag离子1×1017 ions/cm2后注入合金样品表面.采用动电位极化曲线研究Ta+Ag离子双注入前后Ti6Al4V合金抗Hank’s溶液腐蚀性能,利用小角掠射X射线衍射技术研究离子双注入前后Ti6Al4V合金表面物相组成,以X射线光电子能谱技术分析离子双注入样品表面、离子注入合金腐蚀样品表面元素存在的化合态.结果表明,Ta+Ag离子双注入改善了Ti6Al4V合金抗Hank’s溶液腐蚀性能,离子双注入合金的腐蚀电流密度与对照样相比降低了94.6％.离子双注入Ti6Al4V合金表面生成的耐蚀合金层、少量单质Ta和Ag、合金表面的氧化物腐蚀阻挡层有利于合金抗Hank’s溶液腐蚀性能的改善.     

不同等离子源形成的DLC涂层对NiTi合金腐蚀行为的影响

采用等离子浸没离子注入和沉积(PIIID)法分别以C2H2和石墨为等离子源在NiTi合金表面形成DLC涂层来提高该合金的耐腐蚀性.利用Raman光谱和扫描电镜分析膜层结构.利用电化学测试和原子吸收光谱测试涂层前后基体的耐腐蚀性和Ni离子析出.结果表明:采用等离子浸没离子注入和沉积法以乙炔和石墨为等离子源在NiTi合金表面形成均匀致密、结合力良好的DLC涂层.两种涂层都明显地提高了NiTi合金的耐腐蚀性能和有效地抑制了Ni离子的溶出.     

氩离子注入单晶硅表面的微观结构和微观力学性能研究

通过离子注入技术对单晶硅表面进行氩离子注入处理，利用纳米压痕仪及其附件研究了单晶硅表面在离子注入前、后的微观力学性能和变形机理，并用透射电子显微镜研究了改性层的微观结构．研究结果表明：一定剂量的氩离子注入使单晶硅表面的断裂韧性得到改善，提高了其在纳米划痕过程中的失效负荷．原因是氩离子的注入使单晶硅表面形成了硅的微晶态与非晶态共存的混合态结构的改性层，改善了单晶硅的微观力学性能．     

Al 及 Al 合金离子注入氮层组织结构及其耐磨性

选取能量为80keV、剂量范围为1×10~(16)-8.3×10~(17)N~+·cm~(-2)的氮离子对 L2,LD2,LF12,LY12,Al-4%Cu 等 Al 合金进行氮离子注入,并用 X 射线光电子能谱及透射电子显微镜分析了氮离子注入层的价态特征及组织结构特点。在此基础上进行了硬度及耐磨性试验。氮离子注入到 Al 及 Al 合金中在室温下能形成细小弥散的 AlN 析出相;氮离子注入加速了 Al-4%Cu 合金的时效析出过程。Al 及 Al 合金表层硬度及耐磨性随着氮离子注入剂量的增加而提高。     

注入能量对304不锈钢离子注N表面改性层组织与性能的影响

注入能量对离子注入影响明显,但目前探究注入能量对304不锈钢离子注N层影响报道较少。研究在N剂量相同的情况下,离子注N时不同注入能量(30~75 keV)对304不锈钢表面改性层的组织及性能的影响。采用离子注入软件SRIM2013模拟离子注入对304不锈钢的注N深度,并采用扫描电镜(SEM)、显微硬度仪、X射线衍射仪(XRD)、万能摩擦磨损试验机对表面改性组织、硬度、相结构、摩擦系数进行测试,并对微观机理进行了分析与讨论。研究表明:在相同剂量下(9.0×10~(17)cm~(-2)),在注入能量范围为30~60 keV时,表面生成了γN相。但随着注入能量达到75 keV,304不锈钢表面出现多孔形貌,且硬度、摩擦系数等力学性能下降。经注入能量60 keV注N后,所得注N试样的显微硬度约为基材的1.9倍,摩擦系数有所降低,从基材的0.62下降为注N后的0.32;注入能量60 keV是离子注入的最佳注入能量。     

25Cr3MoA钢高温离子注入和离子氮化复合表面处理研究

研究了25Cr3MoA钢离子氮化层经高温离子注入复合表面处理后的氮分布、组织和磨损性能。结果表明,与单一离子氮化处理或离子氮化和氮离子低温注入复合处理相比,复合处理时选择合适的高温注入温度,可获得耐磨性能更好的改性层。     

表面处理对Ti-6-22-22合金高温疲劳寿命的影响

采用喷丸和离子注入对Ti-6-22-22合金机械加工样品进行表面处理,研究表面处理对Ti-6-22-22合金室温和高温疲劳寿命的影响.结果表明,喷丸和离子注入对材料疲劳S-N曲线的影响与实验温度有关.喷丸和离子注入对Ti-6-22-22合金的室温疲劳强度影响较小,400℃时的疲劳强度明显提高.SEM断口分析显示,400℃长寿命疲劳后的表面处理样品裂纹在亚表面萌生.     

电火花放电处理Fe_(36)Co_(36)Si_(4.8)B_(19.2)Nb_4合金表面非晶化及其性能

通过在具有较大非晶形成能力的Fe_(36)Co_(36)Si_(4.8)B_(19.2)Nb_4晶态母合金表面进行电火花放电处理,实现了该合金表面的非晶化转变,制备了厚度约为约7μm非晶-晶体复合层。探讨了电火花放电处理工艺参数中脉冲宽度和脉冲间隔对合金表面非晶化以及其对表面层结构的影响,确定了最佳工艺参数。对处理后的合金进行了硬度和腐蚀行为的测试,发现在脉冲宽度为64μs、脉冲间隔为4μs时,合金表面硬度达到HV 1 680,比基体提高了近50%,且具有优良的耐腐蚀性能。研究结果为采用电火花放电处理工艺制备合金表面非晶层奠定了理论和实验基础。     

等离子体基低能离子注入技术的研究与发展

将低能离子注入技术引入等离子体基离子注入,一方面利用低能离子注入的低能优势,另一方面利用等离子体基离子注入的全方位优势,开发出等离子体基低能离子注入技术。等离子体基低能离子注入技术包括等离子体基低能氮、碳离子注入和等离子体源低能离子增强沉积两类工艺。低能离子的注入能量（０．４～３ ｋｅＶ）达到常规等离子体热化学扩散处理的电压范围,而工艺温度（２００～５００℃）则降至常规离子注入的上限温度范围。通过大量的工艺实验研究,实现了工艺过程的优化和控制,完成了对等离子体基低能离子注入改性铁基材料的金属学问题及物理、化学和力学性能的系统研究。证明了等离子体基低能离子注入技术满足铁基材料的表面改性要求。同时具有产业化发展潜力。