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真空鍍膜技術(shù)離子鍍

日期：2024-12-06 15:16
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摘要：現(xiàn)代航空工業(yè)中使用的鍍膜辦法種類很多，比如電鍍、噴鍍、化學(xué)鍍、擴(kuò)散度以及軋壓、包鍍等。其中不少鍍膜工藝已為人們掌握，并在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著作用。但是，已有的鍍膜工藝跟不上產(chǎn)品日新月異的發(fā)展，從而促使人們探索新的鍍膜技術(shù)。“離子鍍”就是近十幾年來發(fā)展起來的一種zui新的真空鍍膜技術(shù)。

現(xiàn)代航空工業(yè)中使用的鍍膜辦法種類很多，比如電鍍、噴鍍、化學(xué)鍍、擴(kuò)散度以及軋壓、包鍍等。其中不少鍍膜工藝已為人們掌握，并在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著作用。但是，已有的鍍膜工藝跟不上產(chǎn)品日新月異的發(fā)展，從而促使人們探索新的鍍膜技術(shù)。“離子鍍”就是近十幾年來發(fā)展起來的一種zui新的真空鍍膜技術(shù)。


1. 真空鍍膜技術(shù)離子鍍簡介

*新真空鍍膜技術(shù)離子鍍即在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分電離，并在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子的轟擊下，將蒸發(fā)物質(zhì)或其反應(yīng)物沉積在基片上的方法。其中包括磁控濺射離子鍍、反應(yīng)離子鍍、空心陰極放電離子鍍（空心陰極蒸鍍法）、多弧離子鍍（陰極電弧離子鍍）等。
 
2.重要性

在航空及航宇工業(yè)中，各種飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛船的零部件經(jīng)常在復(fù)雜而有害的條件下工作。以飛機(jī)為例，機(jī)翼、機(jī)身的蒙皮以及起落架等外表零部件，均受著大氣、水份、灰塵以及燃料燃燒生成物中所含的化學(xué)活性氣體的直接腐蝕。水上飛機(jī)的外表部分，特別是機(jī)體和浮筒，經(jīng)常受到海水、湖水或河水的侵蝕；航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪零件及氣缸活塞零件，也經(jīng)常受到高溫和含酸及其他活性物質(zhì)的燃?xì)鈿饬鞯难趸＿€有諸如航空軸承、微型輸電裝置、精密齒輪、電位計(jì)等一類儀表元件，也經(jīng)常受到不同程度的摩擦磨損。要使上述各種零部件能夠適應(yīng)耐溫、防蝕、耐磨等苛刻要求，單純從零件的結(jié)構(gòu)或材料上想辦法，往往是不夠的。怎么辦呢？當(dāng)前使用*廣的辦法之一就是采用表面鍍膜的方法來保護(hù)零部件的基體，使其滿足上述要求。這正如人們根據(jù)不同環(huán)境條件穿上不同的衣衫一樣，根據(jù)需要給零件鍍上一層耐熱、防腐或耐磨的鍍層。

3.發(fā)展

現(xiàn)代航空工業(yè)中使用的鍍膜辦法種類很多，比如電鍍、噴鍍、化學(xué)鍍、擴(kuò)散度以及軋壓、包鍍等。其中不少鍍膜工藝已為人們掌握，并在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著作用。但是，已有的鍍膜工藝跟不上產(chǎn)品日新月異的發(fā)展，從而促使人們探索新的鍍膜技術(shù)。“離子鍍”就是近十幾年來發(fā)展起來的一種*新真空鍍膜技術(shù)。

4.原理過程

離子鍍技術(shù)是真空鍍膜工藝的一項(xiàng)新發(fā)展。普通真空鍍膜（亦稱真空蒸鍍）時(shí)，工件夾固在真空罩內(nèi)，當(dāng)高溫蒸發(fā)源通電加熱后，促使待鍍材料——蒸發(fā)料熔化蒸發(fā)。由于溫升，蒸發(fā)料粒子獲得一定動(dòng)能，則沿著視線方向徐徐上升，*后附著于工件表面上堆積成膜。用這種工藝形成的鍍層，與零件表面既無牢固的化學(xué)結(jié)合，有無擴(kuò)散連接，附著性能很差，有時(shí)就像桌面上落的灰塵一樣，用手一摸也會(huì)擦掉。然而，離子鍍工藝則有所不同，雖然也是在真空罩內(nèi)進(jìn)行的，但這時(shí)鍍膜過程是以電荷傳遞的形式來實(shí)現(xiàn)的。也就是說，蒸發(fā)料的粒子作為帶正電荷的高能離子在高壓陰極（即工件）的吸引下，以很高的速度注入到工件表面。相當(dāng)于一個(gè)從槍管中射出的高速彈頭，可以穿入靶體很深，在工件上形成一種附著牢固的擴(kuò)散鍍層。 　　離子鍍的作用過程如下:蒸發(fā)源接陽極，工件接陰極，當(dāng)通以三至五千伏高壓直流電以后，蒸發(fā)源與工件之間產(chǎn)生輝光放電。由于真空罩內(nèi)充有惰性氬氣，在放電電場(chǎng)作用下部分氬氣被電離，從而在陰極工件周圍形成一等離子暗區(qū)。帶正電荷的氬離子受陰極負(fù)高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，致使工件表層粒子和臟物被轟濺拋出，從而使工件待鍍表面得到了充分的離子轟擊清洗。隨后，接通蒸發(fā)源交流電源，蒸發(fā)料粒子熔化蒸發(fā)，進(jìn)入輝光放電區(qū)并被電離。帶正電荷的蒸發(fā)料離子，在陰極吸引下，隨同氬離子一同沖向工件，當(dāng)拋鍍于工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數(shù)量時(shí)，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。這就是離子鍍的簡單作用過程。

5.真空鍍膜技術(shù)離子鍍特點(diǎn)

鍍層附著性能好

普通真空鍍膜時(shí)，蒸發(fā)料粒子大約只以一個(gè)電子伏特的能量向工件表面蒸鍍，在工件表面與鍍層之間，形成的界面擴(kuò)散深度通常僅為幾百個(gè)埃（10000埃=1微米=0.0001厘米）。也就是說比一根頭發(fā)絲的百分之一還要小。兩者間可以說幾乎沒有連接的過渡層，好似截然分開。而離子鍍時(shí)，蒸發(fā)料粒子電離后具有三千到五千電子伏特的動(dòng)能。如果說普通真空鍍膜的粒子相當(dāng)于一個(gè)氣喘吁吁的長跑運(yùn)動(dòng)員，那么離子鍍的粒子則好似乘坐了高速火箭的乘客，當(dāng)其高速轟擊工件時(shí)，不但沉積速度快，而且能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴(kuò)散層，離子鍍的界面擴(kuò)散深度可達(dá)四至五微米，也就是說比普通真空鍍膜的擴(kuò)散深度要深幾十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特別牢。對(duì)離子鍍后的試件作拉伸試驗(yàn)表明，一直拉到快要斷裂時(shí)，鍍層仍隨基體金屬一起塑性延伸，無起皮或剝落現(xiàn)象發(fā)生。可見附著得多么牢固啊！ 繞鍍能力強(qiáng)，離子鍍時(shí)，蒸發(fā)料粒子是以帶電離子的形式在電場(chǎng)中沿著電力線方向運(yùn)動(dòng)，因而凡是有電場(chǎng)存在的部位，均能獲得良好鍍層，這比普通真空鍍膜只能在直射方向上獲得鍍層優(yōu)越得多。因此，這種方法非常適合于鍍復(fù)零件上的內(nèi)孔、凹槽和窄縫。等其他方法難鍍的部位。用普通真空鍍膜只能鍍直射表面，蒸發(fā)料粒子尤如攀登云梯一樣，只能順梯而上；而離子鍍則能均勻地繞鍍到零件的背面和內(nèi)孔中，帶電離子則好比坐上了直升飛機(jī)，能夠沿著規(guī)定的航線飛抵其活動(dòng)半徑范圍內(nèi)的任何地方。 鍍層質(zhì)量好 　　離子鍍的鍍層組織致密、無針孔、無氣泡、厚度均勻。甚至棱面和凹槽都可均勻鍍復(fù)，不致形成金屬瘤。象螺紋一類的零件也能鍍復(fù)，由于這種工藝方法還能修補(bǔ)工件表面的微小裂紋和麻點(diǎn)等缺陷，故可有效地改善被鍍零件的表面質(zhì)量和物理機(jī)械性能。疲勞試驗(yàn)表明，如果處理得當(dāng)，工件疲勞壽命可比鍍前高百分之二、三十。

 清洗過程簡化 

現(xiàn)有鍍膜工藝，多數(shù)均要求事先對(duì)工件進(jìn)行嚴(yán)格清洗，既復(fù)雜又費(fèi)事。然而，離子鍍工藝自身就有一種離子轟擊清洗作用，并且這一作用還一直延續(xù)于整個(gè)鍍膜過程。清洗效果極好，能使鍍層直接貼近基體，有效地增強(qiáng)了附著力，簡化了大量的鍍前清洗工作。 

可鍍材料廣泛 

離子鍍由于是利用高能離子轟擊工件表面，使大量的電能在工件表面轉(zhuǎn)換成熱能，從而促進(jìn)了表層組織的擴(kuò)散作用和化學(xué)反應(yīng)。然而，整個(gè)工件，特別是工件心部并未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應(yīng)用范圍較廣，受到的局限性則較小。通常，各種金屬、合金以及某些合成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點(diǎn)材料等均可鍍復(fù)。即可在金屬工件上鍍非金屬或金屬，也可在非金屬上鍍金屬或非金屬，甚至可鍍塑料、橡膠、石英、陶瓷等。

6.真空鍍膜技術(shù)離子鍍?cè)诤娇蘸接钌系膽?yīng)用

潤滑不用油

在現(xiàn)代飛機(jī)、 航空發(fā)動(dòng)機(jī)或 航空儀表中，特別是在航宇器，如 宇宙飛船、 人造衛(wèi)星中，有不少旋轉(zhuǎn)零件都要求有良好的潤滑，但往往由于封存過久、環(huán)境溫度過高或太空揮發(fā)等原因，普通油脂潤滑劑已不再適用，從而提出以 固體潤滑劑代替。試驗(yàn)表明，用離子鍍來制作固體潤滑膜，比現(xiàn)有其他方法為優(yōu)。不但附著力強(qiáng)，鍍層又薄又勻，不影響零件的尺寸精度和 公差配合。經(jīng)濟(jì)性也好，少許 潤滑材料即可鍍很大面積。潤滑膜的質(zhì)量也較好， 摩擦系數(shù)小，使用壽命也長。例如有一個(gè)人造衛(wèi)星上的 精密軸承，未鍍前工作壽命僅為幾分鐘，根本無法使用；但是經(jīng)離子鍍固體潤滑膜后，則可在飛行中可靠地工作數(shù)千小時(shí)之久。離子鍍不僅能夠鍍?cè)S多種常溫 固體潤滑材料，而且還能鍍復(fù)各種高溫固體潤滑材料，有的甚至可以在攝氏八百度以上的高溫下發(fā)揮良好的潤滑作用。可鍍的固體潤滑材料有銀、金、銅、鉛、 鉛錫合金、 氟化物等。

真金不怕火煉

航空零件，特別是許多發(fā)動(dòng)機(jī)零件往往需要在高溫下工作。例如渦輪葉片及導(dǎo)向葉片工作溫度通常在攝氏一千度左右，有的甚至達(dá)攝氏一千四百度。 神話小說 《西游記》里 孫悟空被 太上老君放在爐內(nèi)燒煉時(shí)，恐怕也達(dá)不到這么高的溫度吧。現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件在這樣高的溫度下工作，僅僅依賴零件基體材料本身的性能是很難滿足要求的。那么，發(fā)動(dòng)機(jī)零件怎樣才能不怕高溫 燒蝕呢？目前除在零件結(jié)構(gòu)上采取措施（如采用空心冷卻葉片、發(fā)散冷卻葉片等）以外，大都需用耐熱鍍層進(jìn)行保護(hù)。離子鍍對(duì)于沉積耐熱膜有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，能鍍各種高熔點(diǎn)材料，如 氧化鋁、 氧化硅、 氧化鈹、 鉿合金等。 合金鍍層的成份也比較容易控制，適合于鍍成分較復(fù)雜的 耐熱合金，如鐵鉻鋁釔，鈷鉻鋁釔或鎳鉻鋁釔合金等。

目前渦輪葉片是試圖采用離子鍍耐熱鍍層的主要對(duì)象。據(jù)悉，有一種葉片用此法鍍復(fù)一種鎳鉻鋁釔合金后，其高溫工作壽命比鍍鋁提高了三倍。適于采用離子鍍耐熱鍍層的發(fā)動(dòng)機(jī)零件還有氣缸活塞零件等。有些零件經(jīng)過這種先進(jìn)工藝處理后，可在高溫下工作上千小時(shí)。

金屬不生銹

金屬零件是要銹蝕的，但如果零件上鍍有一層防蝕鍍層，就能防止零件生銹。由于離子鍍所獲得的鍍層致密度高，針孔少，耐腐蝕性能好，并能沉積許多其他工藝至今不能沉積的優(yōu)良防腐蝕鍍層。因此，離子鍍目前在鍍防腐蝕材料方面應(yīng)用*廣。如 水上飛機(jī)的壁板及其他外表零件，可用此法鍍復(fù)防止鹽霧和海水腐蝕的防蝕鍍層；與鋁合金零件相配合的其他材料零件也可用此法鍍鋁，以防止 電位差腐蝕。此外，隨著飛機(jī)飛行速度和高度的提高以及 宇宙探索的進(jìn)展，鈦合金的應(yīng)用越來越多，如果仍象鋁合金零件那樣采用鍍鎘防腐蝕，使用中就有鎘脆的危險(xiǎn)；但如若鍍以 三氧化二鋁，則能完全滿足要求。不過電鍍等工藝是無法鍍這種材料的。離子鍍卻能大顯神通。到目前為止，適合于用離子鍍的防蝕材料除氧化鋁以外，還有鉻、鈦、鉭、不銹鋼等。所鍍的航空零件有螺釘、螺帽、鉚釘、 銷釘、導(dǎo)管、接頭、陀螺轉(zhuǎn)子、精密齒輪、金屬密封環(huán)等。

總之，離子鍍?cè)诤娇展I(yè)及其他部門的應(yīng)用潛力是很大的，除以上幾種以外，還有許多，比如鍍 導(dǎo)電膜、硬化膜、 裝飾膜以及用于 精密焊接、精微密封、表面修補(bǔ)等。 　　離子鍍工藝是近十多年才發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，具有一定獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，有可能解決若干過去難于克服的生產(chǎn)關(guān)鍵，因此有較大的應(yīng)用潛力。但是，由于出現(xiàn)的時(shí)間還不長，尚有許多有待解決的技術(shù)關(guān)鍵，諸如鍍層厚度控制、工件非鍍表面的屏蔽等都有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。其次是設(shè)備容量小，大型零件難鍍，投資大。我們相信，隨著對(duì)這種技術(shù)的進(jìn)一步研究，真空鍍膜技術(shù)離子鍍將會(huì)得到逐步完善和發(fā)展，也會(huì)在航空 工業(yè)部門中得到充分的應(yīng)用和推廣。

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