1 / 72

第 7 章 热处理设备之 —— 等离子体处理设备简介

第 7 章 热处理设备之 —— 等离子体处理设备简介. 山东科技大学材料学院. 主要内容. 1 、等离子体产生基本原理 2 、等离子体在材料中的应用及设备简介. 1 、等离子体产生基本原理. 1.1 等离子体基本概念 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系 非束缚性： 异类带电粒子之间相互 “ 自由 ” ，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性： 等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用： 等离子体中相互作用的电磁力是长程的。. 固体 冰. 液体

adolfo
Download Presentation

第 7 章 热处理设备之 —— 等离子体处理设备简介

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第7章 热处理设备之——等离子体处理设备简介 山东科技大学材料学院

  2. 主要内容 • 1、等离子体产生基本原理 • 2、等离子体在材料中的应用及设备简介

  3. 1、等离子体产生基本原理 • 1.1 等离子体基本概念 • 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系 • 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 • 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。 • 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。

  4. 固体 冰 液体 水 气体 水汽 等离子体 电离气体 温度 等离子体是物质第四态 00C 1000C 100000C

  5. 1.2 等离子体的分类 等离子体是物质存在的一种状态，分为固态S→ 液态L→气态G→等离子态P（气体电离率≥5%）。按照等离子体的温度可分为： 温度106～8K 温度室温～3×104K 热 冷 焊接、切割、喷涂、表面冶金中应用的是直流放电压缩电弧等离子体（ 热 等离子体）。显示屏、节能灯、真空镀膜等应用的是 冷 等离子体。 高温等离子体 低温等离子体

  6. 按产生原因： • 自然等离子体和实验室等离子体 • 按气体电离程度： • 完全电离、部分电离、弱电离 • 按等离子体的温度： • 高温等离子体（106-8K) • 低温等离子体(室温-3×105K)（冷等离子体和热等离子体） • 按粒子密度： • 致密等离子体（密度n>1015-1018cm-3),此时粒子碰撞其主要作用； • 稀薄等离子体（密度n<1012-1014cm-3 )，此时粒子碰撞几乎不起作用，如辉光放电。 • 人工等离子体按产生等离子体的方式划分： • 燃烧等离子体、电弧等离子体、高频等离子体、激波等离子体、激光等离子体、聚变等离子体等

  7. 1.3 等离子体的产生方式 人工等离子体（Plasma）的主要产生方式： 燃烧P、电弧P、高频P、激光P、聚变P等 工业中常用的气体放电法分为： 直流放电：高压击穿，高空载电压下直流放电 低频放电：1～100kHz 高（射频）放电：10～100MHz，常用13.56MHz 微波放电：＞1GHz，常用2.45GHz

  8. I 工业应用——气体放电等离子体 气体放电的典型伏安特性曲线 击穿电压 电晕放电 直流放电： 汤生放电→电晕放电→辉光放电→弧光放电 U 辉光放电 弧光放电

  9. 直流压缩电弧等离子体三种形式 (a).非转移弧 (b).联合弧 (c).转移弧 用于等离子喷涂、等离 用于等离子束表面淬 用于等离子冶金、等离子熔 子CVD、等离子清洗、 火、微束等离子弧焊 覆、等离子切割、等离子焊 等离子点火等。 等。可不灭弧调温。 接等。

  10. 2、等离子体在材料中的应用及设备简介 2.1 等离子体增强化学气相沉积 2.2 等离子体基离子注入 2.3 等离子切割、焊接 2.4 等离子表面淬火 2.5 等离子喷涂 2.6 等离子冶金 2.7 等离子束表面冶金

  11. 2.1 等离子体增强化学气相沉积(PCVD) • 化学气相沉积（CVD) • 可定义为在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。 缺陷：反应温度高，一般CVD反应温度为900-2000 ℃，中温反应温度也在500-800 ℃。 解决办法：为降低反应温度，可采用等离子体激活的方法。

  12. 等离子体增强化学气相沉积（PCVD) • PCVD法的工作原理和直流辉光离子氮化相似。 • 工件置于阴极上，利用辉光放电或外热源使工件升到一定温度后，与CVD法相似，通入适量的反应气，经过化学和等离子体反应生成沉积薄膜。 • 由于存在辉光放电过程，气体剧烈电离而受到活化，这和CVD法的气体单纯受热激活不同，所以反应温度可以大大下降。

  13. 等离子体增强化学气相沉积设备外观

  14. PCVD应用—气相沉积金刚石 金刚石的性质及用途： 金刚石具有许多优异的力学、声学、电学、热学和光学等性质。硬度在自然界中最高，弹性模量最高，比钢高5~7倍，是制作表面压力传感器的理想材料。 有很高的折射率和强的散光性（钻石）。 最吸引人的光学应用是制作高超音速飞行导弹和拦截器的头罩和红外焦平面列阵成像装置窗口。 天然金刚石储量稀少，价格昂贵！所以人工合成一直是材料学者追求的梦想。

  15. 用于切削刀具： • 用PCVD法在金属基片（一般为钼金属）上沉积一层金刚石厚膜（厚度>200μm），然后用激光切割成所需要的形状，焊接到刀具上制成金刚石厚膜刀具，现在也正在逐步取代传统的金刚石刀具。

  16. 用于热沉领域： • 热沉需求——高热导率。 • 要求：金刚石膜纯净，缺陷少，面积大，较高生长速率以降低成本。 • 由于PCVD自身优点，决定了它是工业上制备热沉金刚石的理想方法。

  17. 用于光学领域： • 金刚石的透射性和硬度允许它作为光学器件。包括作红外光学材料、涂层和射线平板印刷膜 。 • 首要要求——高纯度，低缺陷。 • 低温沉积是关键。

  18. 用于电子领域： • 金刚石禁带宽度5.45eV，是理想的高温半导体材料。 • 可通过适当掺杂得到理想性能。 • 器件——金刚石薄膜发光管、金刚石薄膜场效应管、金刚石薄膜热敏电阻 等。

  19. 2.2 等离子体基离子注入（PBII) • 离子注入：在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子注入固体材料，从而在所选择的区域形成一个具有特殊性质的表面注入层。 • 传统的离子注入技术缺陷：有 “视线”效应，效率低，仅适用于简单形状工件。

  20. 等离子体基离子注入： • 也叫等离子体源离子注入、等离子浸没离子注入等。 • 优势： • 克服了传统离子注入视线加工缺陷； • 可处理复杂形状工件； • 批量生产，效率高，设备成本低。

  21. PBII装置示意图

  22. 多功能等离子体基离子注入设备外观

  23. 工业应用举例： • 铝合金基体注氮处理，可形成AlN相，大大提高表面硬度和耐磨性； • 甲烷做工作气体改性Ti-6Al-4V和304不锈钢，提高表面摩擦和抗腐蚀性能； • 甲烷和乙炔做工作气体，对硅基片沉积类金刚石膜； • 半导体和微电子材料——硅片上注入氢或氧、掺杂硼等； • 45号钢油井抽油泵柱塞进行氮离子注入，提高表面硬度和耐腐蚀性； • 还可用于聚苯乙烯、聚丁乙烯等聚合物材料的表面改性以提高其性能。

  24. 2.3 等离子切割、焊接 等离子切割设备

  25. 等离子切割设备及切割原理示意图

  26. 等离子焊接设备

  27. 等离子焊接方法——压缩电弧 • 小孔法：可直接单面焊双面成型，且焊接质量好； • 微束等离子焊接：电流、功率小，特别适合于薄壁件的焊接； • 变极性等离子焊接：控制极性变换，可实现“阴极雾化”作用清理焊接区氧化物。 • 等离子—MIG焊接（等离子熔化极惰性气体保护焊）：荷兰菲利普公司发明，焊接效率高，可达TIG（钨极氩弧焊）焊接的5~6倍； • 等离子—TIG焊接：自动焊接方法，等离子焊枪在前打底，后面TIG焊枪进行填丝盖面焊接。比单枪等离子焊接提高生产效率30%~50%。 • 等离子弧双面焊接：两把焊枪串联构成焊接回路，一个为等离子焊枪，产生基本电弧，一个为TIG焊枪，产生辅助电弧。可获得超常规的熔深，消除多道焊接所产生的焊接角变形。 • 等离子粉末焊接：熔入法焊接，熔池平稳，焊缝成型好，可获得与TIG焊质量相近的优质焊缝。特别适合于特种材料焊接（核工业和废物处理行业中的管道）。 等离子—MIG焊接

  28. 等离子焊接原理图

  29. 等离子焊接样品

  30. 2.4 等离子表面淬火 等离子表面淬火设备示意图

  31. 等离子淬火汽缸套设备及淬火网纹外观

  32. 等离子表面淬火特点： • 可在所需要部位进行选择性表面处理，能量利用率高，能耗小； • 加热非常迅速，温度梯度大，不需外加淬火介质，从而实现自冷淬火，淬后硬度高； • 非接触式加热，没有机械应力作用，热应力也小，工件变形小； • 设备投资小，生产运行成本低； • 不足：控制参数多，实现稳定的淬火过程有一定难度。

  33. 2.5 等离子喷涂 等离子喷涂基本原理及设备示意图

  34. 等离子喷枪

  35. 等离子喷涂设备

  36. 等离子喷涂材料 • 各种金属、合金及药心丝材 • 金属及合金粉末 • MCrAlY粉末 • 金属氧化物粉末 • 碳化物粉末 • 特殊粉末

  37. 喷涂涂层断面结构示意图

  38. 等离子喷涂方法分类 • 电弧方式等离子喷涂 • 空气等离子喷涂（APS）：大气环境下，直流电源，惰性气体为工作气体； • 高能等离子喷涂（HPPS）：应用于陶瓷材料涂层。采用高电压提高功率，并采用更大气体流量提高射流流速； • 真空等离子喷涂或低压等离子喷涂（VPS/LPPS） • 惰性气体等离子喷涂（IPS）：常压惰性气体环境； • 可控气氛等离子喷涂（CAPS） • 反应等离子喷涂（RPS） • 遮蔽式等离子喷涂(SPS) • 水稳等离子喷涂（WSPS） • 感应方式等离子喷涂—射频等离子体发生器附加轴向高速粉末喷嘴或与直流等离子弧喷涂枪组合为一体的混合装置。

  39. 等离子喷涂应用 • 高温超导体制件：超导陶瓷涂层 • 微电子工业：金属板上喷涂绝缘陶瓷涂层 • 生物医学：喷涂具有生物相容性的功能陶瓷涂层 • 其它耐磨、耐腐蚀、耐氧化、导电等场合

  40. 在氧化铝薄板上喷涂氧化锆，用于半导体陶瓷器件的高温烧结支撑板在氧化铝薄板上喷涂氧化锆，用于半导体陶瓷器件的高温烧结支撑板 等离子喷涂应用举例

  41. 塔轮 汽缸套 叶片

  42. 滚轴 火箭燃烧筒热障涂层 球阀 发动机叶片 人工骨关节 热电偶保护套管

  43. 2.6 等离子冶金 等离子冶金示意图

  44. 等离子冶金独特优点： • 超高温和惰性气体保护气氛：适合于难熔金属和活泼金属及其合金熔炼； • 杂质气体含量低，可接近真空感应炉水平，而且可以造渣进行精炼； • 可灵活改变工作气体，满足不同冶炼工况。 等离子冶金炉

  45. 等离子冶金工艺： • 等离子熔凝（Plasma Consolidation） • 等离子弧重熔（Plasma Arc Remelting） • 等离子冷床炉熔炼（Plasma Cold hearth Melting) • 等离子冷坩埚铸造（Plasma Cold Crucible Casting)

  46. 粉末 直流电源 保护气 离子气 冷却水 阴极 等离子束流 涂层 基 材 2.7 等离子束表面冶金（熔覆） 等离子束表面冶金基本原理示意图

  47. 粉末 保护气 等离子束 基体 均压环槽 同步注入粉末等离子束示意图 高稳定柔性等离子发生器剖视图

  48. + 等离子电源 − 送粉系统 控制 系统 等离 子炬 X、Y、Z三轴联动机械系统 气源（氩气） 冷却系统 工 件 等离子束表面冶金设备构成示意图

  49. 直流压缩电弧等离子束的压缩作用： • 机械压缩—水冷喷嘴孔道 • 热收缩效应—水冷喷嘴在内壁形成冷气膜导致弧柱的收缩 • 自磁压缩效应—自生磁场对弧柱的压缩作用

More Related