材料的等离子体基离子注入表面改性

简要总结了哈工大近10年来在材料的等离子体基离子注入表面改性方面的工作,包括铝合金、钛合金、轴承钢的等离子体基离子注入,等离子体基离子注入混合,以及等离子体基离子注入的工业应用等。     

等离子体基高温离子注入研究进展

综述了等离子体基高温离子注入的发展及应用情况,介绍了由于高温注入中辐照增强扩散和热扩散的共同作用,注入层成分、组织结构、力学性能和抗腐蚀性能随温度提高发生的变化.并对今后的发展趋势作了预测.     

Al合金等离子体基离子注入形成AlN／DLC层结构研究

用X射线光电子能谱（XPS）和小掠射角X射线衍射（GAXRD）研究了铝合金LY12等离子体基离子注入N＋原位注入C形成AlN/DLC（类金刚石碳膜）改性层的成分分布及相结构,用激光Raman光谱分析了表面单一碳层的结构,对过渡层元素进行了Gaussian-Lorentzion峰位拟合分析。结果表明,N浓度在注入层呈Gauss分布,C浓度沿注入方向逐渐减小。C的注入使N分布有所拓宽。C在表面还能形成一层单一稳定的400nm的DLC膜。过度层主要由Al4C3,Al2O3,AlN,β-C3N4等组成。改性层总厚度达800nm。     

纯银等离子体基离子注入Al层的成分及相分析

采用金属等离子体基离子注入的方法,在Ag基体上注入了Al.用X射线光电子能谱仪(XPS)对注入层的Al浓度-深度分布和化学态进行了分析.用X射线衍射法(XRD)对注入层和非平衡磁控溅射的Al沉积层相组成进行了测定和比较,选用小掠射角(3°)XRD对注入层的相组成进行了测定.结果表明,注入层中Al浓度沿深度方向逐渐降低,表面有Ag原子存在;近表面处形成了Ag-Al固溶体并且出现了少量的μ-Ag3Al相;较深处有氧化铝的形成,出现Ag-Al固溶体、μ-Ag3Al相和氧化铝三相共存;更深处,Al含量很快下降,Ag-Al固溶体消失,出现μ-Ag3Al相和氧化铝共存.μ-Ag3Al相为β-Mn复杂立方结构,可以在很宽的Al含量范围内形成,而Al沉积层中未出现Ag3Al相.     

等离子体基离子注入氮对铝合金耐磨性的影响

利用等离子体基离子注入技术对硬铝ＬＹ１２和锻铝ＬＤ１０两种材料通过改变注入脉宽、频率、时间和电压等参数进行氮离子注入,注入剂量范围为２×１０１７～１×１０１８Ｎ＋／ｃｍ２。利用低角Ｘ射线衍射法（ＧＩＸＲＤ）分析氮离子注入层的相结构。在此基础上进行了显微硬度和摩擦磨损试验。由于氮离子注入铝合金能形成硬质的ＡｌＮ析出相,合金表面硬度及耐磨性都得到改善,随着注入脉宽、频率、时间和电压的增加,铝合金表层硬度及耐磨性也相应提高。     

铝合金等离子体基离子注入氮／钛层的结构

用X射线光电子能谱（XPS）和小掠射角X射线衍射（GXRD）研究了铝合LY12等离子体基离子注入氮／钛改性层的结构。结果表明。氮在注入层呈高斯分布,而钛沿注入方向逐渐减少。钛的注入对已注入的氮的分布有重要影响。钛的等离子体密度直接影响钛在改性层中的成分、相结构。改性层主要由TiO2,Al2O3,Aln,TiAl3,TiN或Ti组成。     

铝合金表面氮和钛等离子体基离子注入改性层XPS研究

用XPS(X射线光电子能谱 )和GXRD(小掠射角X射线衍射 )研究了铝合金等离子体基离子注入氮再注入钛最后复合注入氮和钛改性层的成分分布及相结构 ,并用Gaussian Lorentzion峰位拟合方法分析了改性层中不同深度处各元素的化学态及其在相结构中的分布。结果表明 ,复合改性层的表层有较高浓度的氮和钛 ,次表层有较高浓度的钛及一定浓度的氮 ,铝 /钛界面有较宽的过渡区 ,基体中氮呈高斯分布。改性层主要由TiN ,TiO2 ,α Ti,TiAl3 ,Al2 O3 和AlN等组成 ,氮和氧还以固溶态的形式存在。最表层含有大量TiN及部分TiO2 ;次表层含有大量α Ti及许多TiN ;过渡层由TiO2 ,TiN ,TiAl3 ,Al2 O3 和AlN等组成 ;注氮层包括AlN ,Al2 O3 及α(Al)。各元素在相应相结构中的浓度分布与其成分深度分布基本相似。     

等离子体源氮离子注入层的组织与性能

采用等离子体源离子注入技术，对Ｃｒ１２ＭｏＶ钢进行了氮离子注入，用俄歇谱仪和透射电镜对注入层的成分和组织进行了分析了，分析结果表明，注入层的氮浓度分布具有类高斯分布特征；注放入层中的马氏体组织被细化并有非晶态组织形成。显微硬度和摩擦性能测试结果表明，注入层的显微硬度和摩擦性能得到了明显的提高和改善。     

钢的等离子体基低能离子注入的传质机制

等离子体基低能离子注入是一种钢的低温,低压表面改性方法,它包括等离子体源离子渗氮和等离子体源离子渗碳两种工艺。等离子体基低能离子注入的主要传质机制是低能离子注入－同步热扩散,即在脉冲负偏压作用下的离子首先完成不依赖于工艺温度的低能离子注入,然后已注入的原子在较低的工艺温度上发生足够的热扩散,等离子体热扩散吸收具有补充的传质作用,但由于工艺温度较低,这种作用很小,连续的热扩散过程有利于改善注入吸收条     

钛中间层对改性层结构及性能的影响

用XPS和GXRD研究了铝合金等离子体基离子注入氮后再注入钛最后复合注入氮和钛改性层的成分深度分布及相结构 ,用XTEM观察了改性层截面的组织结构 ,用AFM观察了改性层的表面形貌 ,在此基础上测量了改性层的纳米硬度 ,进行了球盘摩擦磨损试验。结果表明 ,钛中间层使复合改性层的厚度有效增加 ,主要由α Ti,TiN及TiO2 组成 ,且TiN及TiO2 弥散分布在α Ti基材中 ,使表面形貌有所改善 ,使表面硬度及耐磨性明显提高。     

Characteristics of Cu implantation into Si by PBII using UBMS cathode

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｍｅｔａｌ ｐｌａｓｍａｂａｓｅｄｉｏｎｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ(ＭｅＰＢＩＩ)ｉｓｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｏｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｇａｓｐｌａｓｍａｂａｓｅｄｉｏｎｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ (ＧａＰＢＩＩ)ｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓａｂｌｅｆｅａｔｕｒｅ,ｌａｒｇｅｒｃｏｌｌｉｓｉｏｎｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｍｕｌｔｉｖａｌｅｎｔｉｏｎｃｒｅａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｐｌａｓｍａ .Ｔｈｅｒｅａｒｅｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆ…     

Tribological behavior of different films on Ti-6Al-4V alloy prepared by plasma-based ion implantation

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｉ 6Ａｌ 4Ｖａｌｌｏｙｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｖｉａｔｉｏｎ ,ｓｐａｃｅａｎｄｍｅｄｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓｂｕｔｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｔｏｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔ[1,2 ] .Ｔｈｅｕｓｅｏｆａｎｅｗｃｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ,ｐｌａｓｍａ ｂａｓｅｄｉｏｎｉｍｐｌａｎｔａ ｔｉｏｎ (ＰＢＩＩ) ,ｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｙｆｏｒｍｉｎｇＴｉＮ ,ｃａｒｂｉｄ…     

Methane plasma-based ion implantation of metallic and galvanically oxidized tantalum

Tantalum and oxidized tantalum exhibit distinct differences when treated with plasma-based ion implantation of methane with − 20 kV. The implantation profiles of carbon are similar, but carbides are formed in the case of tantalum, as verified with X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectrometry in combination with depth profiling, whereas there is no detectable carbide in the tantalum oxide film. The distributions of the co-implanted hydrogen also vary in that the intensity in depth profiling with secondary ion mass spectrometry does steadily decrease in the oxidized Ta, while in the metallic Ta it shows a short indentation below the surface and then decreases only very slowly.     

Ti6Al4V合金等离子体基氧离子注入层的层状结构

采用等离子体基氧离子注入技术对Ti6Al4V合金进行表面改性。注入负脉冲电压分别为10、20、30、40、50kV，注入剂量为0．6×10^17ions／cm^2。用XPS分析了注氧层中元素的分布和化学态。结果显示，注入电压增加，氧的浓度深度分布增加。注入氧元素的浓度深度分布曲线不同于束线式注入氧元素的类高斯分布，表面氧浓度最大，随着深度的增加出现一个略倾斜的氧浓度平台，该平台的宽度随注入电压增加而增加。氧离子注入引起基体元素Ti、Al、V的浓深分布发生变化，近表面区域Ti的原子百分含量减少，Al的含量增高，而V未检测到。并且随着注入电压的增加，近表面区域富集Al的浓度明显增加，富Al贫V的区域也明显加大。注入样品的改性层具有相似的层状结构，由表及里依次为表面污染层、TiO2和Al2O3组成薄的外层、内层在改性层中占的比例最大，由TiO2、Ti2O3、TiO、Ti、Al、Al2O3．V和VO组成。     

Effect of target temperature on microstructure of aluminum surface layer modified by plasma based ion implantation

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＡｐａｒｔｆｒｏｍｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｉｏｎｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ,ｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｉｔｈａｃｏｍｐｌｅｘｇｅｏｍｅｔｒｙｃａｎｂｅｉｍｐｌａｎｔｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙａｔａｌｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓｂｙｔｈｅＰＢＩＩｍｅｔｈｏｄ ,ｓｏｔｈｅＰＢＩＩｍｅｔｈｏｄｏｗｎｓａｗｉｄｅｒｆｏｒｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[1].ＴｈｅＡｌＮ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓｍａｙｆｏｒｍｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｌａｙｅ…     

Synthesis of indium oxide nanorods on indium phosphide substrate using plasma immersion ion implantation

We report the preparation of indium oxide (In₂O₃) nanorods on indium phosphide (InP) substrate by plasma immersion ion implantation (PIII). The InP substrate was first treated with PIII of acetylene (C₂H₂) ions, then followed by coating the surface with a 40 nm thick gold film. After rapid thermal anneal (RTA) at 750 °C for 15 s, In₂O₃ nanorods were found on InP surface. The In₂O₃ nanorods with diameters of 50-200 nm were examined by Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) and cathodoluminescence (CL). Nanoparticles of gold were found at the tip of the nanorods, suggesting that a vapour-liquid-solid (VLS) mechanism was involved. However, the fact that other species such as nitrogen, argon or oxygen would not lead to the formation of In₂O₃ nanorods also suggests that the carbon liberated from C₂H₂ plays an important role as a catalyst. Carbon has previously been reported to be a reduction agent for the formation of group III sub-oxides. Such sub-oxides provide the vapour source for the growth of nano-materials through further oxidation.