离子注渗复合表面改性技术研究进展

综合国内外研究现状,目前针对离子注渗复合表面改性技术已开展了大量的研究工作,然而还缺少对其进行系统介绍的研究报道。首先,对离子渗技术(离子渗氮、离子渗碳和离子渗硫)、离子注入技术(氮离子注入、碳离子注入和金属离子注入)和离子注渗复合技术的原理进行了介绍。其次,对上述表面改性技术的研究进展进行了综述和总结。最后,针对目前离子注渗复合技术的不足之处,从改善硬件设备、强化作用机理、系统研究复合处理工艺和促进其工业化应用等方面进行解决,提出要充分利用注渗和镀膜技术复合的优势来实现材料结构功能一体化,推动多相复合强化技术的研究与开发,为工业化应用奠定理论基础。

等离子体浸没离子注入(PIII)过程中初始离子阵鞘层尺度内各物理量的时空演化

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种较新的、廉价的、非视线的技术。靶体被浸没在等离子体中,等离子体中的离子在靶体负脉冲偏压的作用下注入靶体而实现材料的表面改性。为了描述等离子体浸没离子注入过程,我们引用了一维粒子模型(PIC)对其进行了数值模拟,该模型通过求解空间电势的Poisson方程,电子的Bolzmann分布以及离子在网格中受力运动的Newton运动方程来完成。本文重点研究了一个初始离子阵鞘层内电势、离子浓度、离子注入靶体的速度和动能以及离子流密度的时空演化规律。

离子注入加工番茄种子M1代和M2代生物学效应

利用 6种不同剂量的低能氮离子 (N+ )注入加工番茄 87- 5种子 ,出苗率有所降低 ,但M1代平均单株座果数增加 ,早熟 2 0d(天 )。M 2代仍表现出早熟、抗病和较强的生长势。根据两年的试验结果 ,从加工番茄的早熟性、抗病性、丰产性和品质因素等方面综合分析 ,采用 6× 10 16ions/cm2 (6 0次脉冲 )的N+ 注入加工番茄 87- 5种子 ,可获得显著的当代生物效应和第二代生物效应。

高速钢基体离子注氮对c-BN薄膜制备的影响研究

采用射频磁控溅射法在离子注氮的高速钢基体上沉积制备c-BN薄膜,主要研究离子注氮层对c-BN薄膜相结构和内应力的影响;采用各种现代分析方法对沉积的薄膜进行了表征分析,包括傅立叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)等分析方法;试验结果表明:高速钢基体上离子注氮有利于立方氮化硼含量的提高和薄膜内应力的降低,同时注氮处理的高速钢基体上沉积的薄膜表面形貌平整,结晶性较好。并采用X射线衍射分析(XRD)对高速钢基体的离子注氮层进行了相结构分析,探索研究了离子注氮层对c-BN薄膜生长的影响。

TC4合金表面全方位离子注入Ag的耐摩擦磨损和抗腐蚀性能

为改善TC4合金表面的耐磨性能和抗腐蚀性能,用等离子体浸没离子注入(PIII)技术在合金表面注入不同剂量的金属银。采用XRD、XPS、AES等方法分析改性层的元素浓度分布和化学组成,研究Ag离子注入后试样表面的耐摩擦磨损性能、抗腐蚀性能、纳米硬度和弹性模量。结果表明,表面改性层中主要存在Ag相,同时含有少量的TiAg;处理后注入剂量为1×1017ions/cm2试样的纳米硬度和弹性模量分别提高62.5%和54.5%;磨损面积减小57.6%;摩擦系数由基体合金的0.78下降到0.2。在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电位升高,腐蚀电流密度明显减小,耐蚀性得到了显著改善。

Hank's人工模拟体液中离子注氮对4种植入金属材料腐蚀行为的影响

采用电化学测试技术研究了离子注氮对SUS316L不锈钢,Co-Cr合金,工业纯钛和Ti-6Al-4V植入合金在Hanks人工模拟体液中腐蚀行为的影响。腐蚀电位和极化曲线的测量结果表明,注氮使4种植入金属材料的腐蚀电位正移,钝化电位区间扩大,耐蚀性明显提高。注氮的工业纯钛和Ti-6Al-4V合金的耐蚀性最佳,其钝化区拓宽为4V以上。通过AES分析发现,离子注氮后钛及其合金表面形成的氮化钛膜层及弥散的氮化钛析出相的化学效应,使基体电化学性能得到提高。注氮的Co-Cr合金的耐蚀性略优于SUS316L不锈钢。Co-Cr合金表面形成的钴氮化合物相对基体起到保护作用,降低了腐蚀速率。SUS316L不锈钢表面形成铁和铬氮化合物膜,有效地阻止了Cr3+的水解,且氮离子注入促进Fe3O4的产生,提高了耐腐蚀性能。

贫铀表面碳氧离子注/渗及其抗蚀性能研究

利用离子注 /渗方法 ,将CO2 气体离解后 ,在不同能量、束流、温度下注入贫铀表面 ,利用SEM、XPS和XRD等技术分析了改性层厚度、表面元素化学态以及表面改性层的相结构。用室温贮存实验和电化学方法对注入样品的腐蚀性能进行了考核。结果表明 ,在高能量、小束流下离子注入得到的改性层薄 ;在低能量、大束流下离子注入得到的改性层厚 ,注入样品表面是以大量UO2 和少量石墨碳的形式存在。碳离子注入能量存在一极限值 ,当能量较小时 ,可导致碳无法注入样品内部。腐蚀实验考核表明 ,贫铀表面注入C、O离子后 ,在表面形成单一的UO2 氧化膜 。

表面氧化及离子注氮对NiTi形状记忆合金耐腐蚀性能的影响

采用电化学测试的方法,研究了表面氧化以及表面氧化 离子注氮两种表面改性方式对NiTi形状记忆合金在人体生理模拟液(Hank′s溶液)中腐蚀行为的影响。腐蚀电位和极化曲线的测量结果表明表面氧化 离子注氮的方法使NiTi合金材料的腐蚀电位正移,维钝电流密度下降,钝化电位区间扩大,合金表面耐蚀性明显提高。尤其是NiTi合金在进行氮离子注入后,测得击穿电位显著上升,增强了表面膜的抗局部腐蚀能力,因而表面氧化 离子注氮的改性方法可使材料的耐蚀性达到最佳。通过XPS的分析发现,离子注氮后合金表面形成氮化钛相以及富含羟基的化学效应,使NiTi基体的电化学性能得到提高。

1Cr18Ni9等离子体注渗氮层的组织及性能分析

研究了等离子体注渗氮的温度和注渗电压对1Cr18Ni9奥氏体不锈钢注渗层组织结构、纳米硬度及腐蚀性能的影响规律。结果表明:注渗后表层晶粒细化,表层新相主要有非晶,γN相,氮化物相((Fe,Cr,Ni)2N1-x和(Fe,Cr)2N1-x)及α相。注入电压10kV,450℃可生成非晶,390～420℃生成氮化物相,330～360℃无新相生成。注渗层纳米硬度值升高1.3～4.9倍,并与注渗温度保持单调关系。表层有非晶或γN相生成的试样表现出优越的耐腐蚀性能,没有新相生成的试样耐蚀性变差。

Cluster探测到磁尾等离子体注入的特征

利用Cluster卫星2001～2004年磁尾运行期间RAPID仪器的数据，确定了115例磁尾等离子体注人事件，借助时序叠加法统计研究磁尾等离子体注人现象的特征．注人事件主要分布于磁地方时夜晚20时至凌晨04时．与同步轨道区观测到的粒子注人事件类似，可以将磁尾粒子注人事件分成五类：（1）只有离子注人；（2）离子先于电子注人；（3）离子和电子同时注人；（4）电子先于离子注人；（5）只有电子注人．磁尾粒子注人时，质子（能量范围0～40keY）的温度和数密度同时显著增加，沿地球径向的传播速度也明显增大．统计分析磁尾注人期间同时观测到的晨昏对流电场，发现电场可分为两类：（A）注入后电场突然增大，电场强度为正；（B）注人后电场突然增大，电场强度为负．利用磁层磁场（T89c）和电场（Volland—Stem）模型模拟粒子注人后赤道面的电漂移速度矢量，模拟结果与统计结果基本一致，表明晨昏对流电场引起的电漂移是驱动磁尾（-18RE〈R〈-10RE）等离子体沿地球径向注人的机制之一．

氮离子束注入燕麦种子对M_1-M_2代幼苗生理生化指标的影响

采用能量为25keV的不同剂量(4×1016N+/cm2、6×1016N+/cm2、8×1016N+/cm2、12×1016N+/cm2)N+束注入燕麦种胚,研究了N+离子束注入后,燕麦M1代和M2代种子的发芽率,幼苗体内过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性,叶绿素含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖及可溶性蛋白含量的影响。实验结果表明:以12×1016N+/cm2剂量处理燕麦较合适,能提高燕麦M1和M2代种子的发芽率,幼苗POD、CAT活性和可溶性蛋白含量,有利于幼苗生长。

等离子喷注Cr粉制备Al-Cr合金的组织研究

采用等离子喷注技术将不同粒径的Cr粉喷注到铝液中制备Al-Cr合金,并对试样显微组织进行分析。结果表明：等离子喷注技术能将Cr粉充分注入铝液,且经等离子弧活化的Cr粉能更好地与铝液反应;粒径为45～50μm的Cr粉注入可制得组织细小、分布均匀的Al-Cr合金,经650℃热处理8 h能大幅提高合金的组织均匀性,且细化和球化了晶粒。

纯铁离子注氮后的激光热处理

研究了工业纯铁离子注N后的连续CO_2激光热处理效应。用AES、TEM、SEM和X射线衍射等测试技术,研究了注N试样在激光热处理前后N原子的深度分布和组织结构,提出了注N纯铁在激光作用下N原子的热扩散模型。

表面纳米化对Dievar模具钢高能离子注渗WC层性能的影响

通过超声表面滚压处理制备出具有梯度纳米结构表层的Dievar模具钢试样。在滚压试样和未滚压试样表面进行高能离子注渗(High energy ion implantation,HEII)工艺优化试验,制备出高能离子注渗碳化钨层,并从微观组织结构、成分、硬度和高温摩擦磨损性能等方面研究表面纳米化对于高能离子注渗碳化钨性能的影响。结果表明:与HEII试样相比,USRP+HEII试样的梯度纳米结构表层明显增强了高能离子注渗碳化钨的效果。相对于HEII试样,USRP+HEII试样的表面组织更加致密均匀,其注渗层深度提高了约27%;USRP+HEII试样的表面硬度为944.9 HV,分别较原始母材硬度和HEII试样表面硬度提高了约373%和27%;USRP+HEII试样的平均摩擦因数和体积磨损量在不同温度条件下低于HEII试样,说明USRP+HEII试样具有更加优良的抗高温磨损性能。

N等离子体基注渗方法研究

等离子体基注渗技术在材料表面改性中具有极为重要的应用,本文报道了一种实现恒温条件的N等离子体基注渗的工艺方法,利用该方法可以根据工艺研究需要,实现注渗剂量、注渗能量(加速电压)和注渗温度单一参数调节,为等离子体体基注渗工艺的优化提供了一种切实可行的研究方法。利用本文提出的工艺方法,对纯铁进行了各种温度下的N离子注渗。结果表明,处理过程中,可依据工艺设计,单参数大范围改变注渗电压或注渗恒温温度,温度波动很小,离子注入层厚度得到明显提高。

高能离子注渗碳化钨切分轮

为提高切分轧制中切分轮的综合性能,采用了高能离子注渗技术,在合金结构钢表层内形成0 3～0 5mm的碳化钨富集层,其平均使用寿命比高速钢切分轮提高3 23倍,经济效益显著。

类金刚石薄膜的离子注氮研究

以 ２５～３５ ｋＶ的高能离子柬将离子化的双原子分子Ｎ２＋注入非晶态碳膜，硬度可提高 １０ＧＰａ量级。分 析研究表明：离子注氮并没有改变碳膜的非晶态结构，但所有拉曼结构参数发生变化，且碳、氮结合能峰位发生 化学位移；显然注入的氮和碳形成化学键，并可能形成新相。结论：类金刚石薄膜离子注氮可合成氮化的类金刚 石，改变化学结构，提高机械性能．

Cr4Mo4V钢等离子体基碳氮离子升温注渗层微观结构

本文采用XRD、SEM、TEM和HRTEM等方法表征了Cr4Mo4V钢升温碳氮离子注渗层的微观结构,结果表明升温注渗处理层中生成了铁的碳化物和氮化铬析出相,析出相弥散分布于晶内和晶界。马氏体发生细化,原始板条马氏体边界消失,形成了微晶、微孪晶和细小片层等结构。HRTEM在马氏体中观察到非晶区和层错等亚结构。

低碳结构钢表面离子注渗强化机理的研究

研究了离子注渗W和渗碳处理对低碳结构钢显微组织、表面性能的影响。结果表明,离子注渗后低碳结构钢的表面硬度显著提高。本文采用X射线衍射分析、扫描电镜和透射电镜等方法,对其显微结构进行研究,通过对其产生的弥散相进行分析,确定该弥散相为WC,从而引起材料表面强化。

离子注氮前后9Cr18Mo钢微动磨损行为的研究

本文对9Cr18Mo钢离子注氮前后的微动磨损性能进行了对比研究.同时利用扫描电镜、俄歇电子能谱、微区X射线衍射等手段对两种试样表面的形貌、成分、结构进行了分析,进而对微动磨损的机理进行探讨.