真空镀膜技术离子镀

日期：2024-05-14 23:13

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摘要：现代航空工业中使用的镀膜办法种类很多，比如电镀、喷镀、化学镀、扩散度以及轧压、包镀等。其中不少镀膜工艺已为人们掌握，并在生产中发挥了显著作用。但是，已有的镀膜工艺跟不上产品日新月异的发展，从而促使人们探索新的镀膜技术。“离子镀”就是近十几年来发展起来的一种zui新的真空镀膜技术。

现代航空工业中使用的镀膜办法种类很多，比如电镀、喷镀、化学镀、扩散度以及轧压、包镀等。其中不少镀膜工艺已为人们掌握，并在生产中发挥了显著作用。但是，已有的镀膜工艺跟不上产品日新月异的发展，从而促使人们探索新的镀膜技术。“离子镀”就是近十几年来发展起来的一种zui新的真空镀膜技术。

1. 真空镀膜技术离子镀简介

*新真空镀膜技术离子镀即在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。

2.重要性

在航空及航宇工业中，各种飞机、导弹、卫星、飞船的零部件经常在复杂而有害的条件下工作。以飞机为例，机翼、机身的蒙皮以及起落架等外表零部件，均受着大气、水份、灰尘以及燃料燃烧生成物中所含的化学活性气体的直接腐蚀。水上飞机的外表部分，特别是机体和浮筒，经常受到海水、湖水或河水的侵蚀；航空发动机的燃烧室、涡轮零件及气缸活塞零件，也经常受到高温和含酸及其他活性物质的燃气气流的氧化。还有诸如航空轴承、微型输电装置、精密齿轮、电位计等一类仪表元件，也经常受到不同程度的摩擦磨损。要使上述各种零部件能够适应耐温、防蚀、耐磨等苛刻要求，单纯从零件的结构或材料上想办法，往往是不够的。怎么办呢？当前使用*广的办法之一就是采用表面镀膜的方法来保护零部件的基体，使其满足上述要求。这正如人们根据不同环境条件穿上不同的衣衫一样，根据需要给零件镀上一层耐热、防腐或耐磨的镀层。

3.发展

现代航空工业中使用的镀膜办法种类很多，比如电镀、喷镀、化学镀、扩散度以及轧压、包镀等。其中不少镀膜工艺已为人们掌握，并在生产中发挥了显著作用。但是，已有的镀膜工艺跟不上产品日新月异的发展，从而促使人们探索新的镀膜技术。“离子镀”就是近十几年来发展起来的一种*新真空镀膜技术。

4.原理过程

离子镀技术是真空镀膜工艺的一项新发展。普通真空镀膜（亦称真空蒸镀）时，工件夹固在真空罩内，当高温蒸发源通电加热后，促使待镀材料——蒸发料熔化蒸发。由于温升，蒸发料粒子获得一定动能，则沿着视线方向徐徐上升，*后附着于工件表面上堆积成膜。用这种工艺形成的镀层，与零件表面既无牢固的化学结合，有无扩散连接，附着性能很差，有时就像桌面上落的灰尘一样，用手一摸也会擦掉。然而，离子镀工艺则有所不同，虽然也是在真空罩内进行的，但这时镀膜过程是以电荷传递的形式来实现的。也就是说，蒸发料的粒子作为带正电荷的高能离子在高压阴极（即工件）的吸引下，以很高的速度注入到工件表面。相当于一个从枪管中射出的高速弹头，可以穿入靶体很深，在工件上形成一种附着牢固的扩散镀层。　　离子镀的作用过程如下:蒸发源接阳极，工件接阴极，当通以三至五千伏高压直流电以后，蒸发源与工件之间产生辉光放电。由于真空罩内充有惰性氩气，在放电电场作用下部分氩气被电离，从而在阴极工件周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和脏物被轰溅抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗。随后，接通蒸发源交流电源，蒸发料粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离。带正电荷的蒸发料离子，在阴极吸引下，随同氩离子一同冲向工件，当抛镀于工件表面上的蒸发料离子超过溅失离子的数量时，则逐渐堆积形成一层牢固粘附于工件表面的镀层。这就是离子镀的简单作用过程。

5.真空镀膜技术离子镀特点

镀层附着性能好

普通真空镀膜时，蒸发料粒子大约只以一个电子伏特的能量向工件表面蒸镀，在工件表面与镀层之间，形成的界面扩散深度通常仅为几百个埃（10000埃=1微米=0.0001厘米）。也就是说比一根头发丝的百分之一还要小。两者间可以说几乎没有连接的过渡层，好似截然分开。而离子镀时，蒸发料粒子电离后具有三千到五千电子伏特的动能。如果说普通真空镀膜的粒子相当于一个气喘吁吁的长跑运动员，那么离子镀的粒子则好似乘坐了高速火箭的乘客，当其高速轰击工件时，不但沉积速度快，而且能够穿透工件表面，形成一种注入基体很深的扩散层，离子镀的界面扩散深度可达四至五微米，也就是说比普通真空镀膜的扩散深度要深几十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特别牢。对离子镀后的试件作拉伸试验表明，一直拉到快要断裂时，镀层仍随基体金属一起塑性延伸，无起皮或剥落现象发生。可见附着得多么牢固啊！绕镀能力强，离子镀时，蒸发料粒子是以带电离子的形式在电场中沿着电力线方向运动，因而凡是有电场存在的部位，均能获得良好镀层，这比普通真空镀膜只能在直射方向上获得镀层优越得多。因此，这种方法非常适合于镀复零件上的内孔、凹槽和窄缝。等其他方法难镀的部位。用普通真空镀膜只能镀直射表面，蒸发料粒子尤如攀登云梯一样，只能顺梯而上；而离子镀则能均匀地绕镀到零件的背面和内孔中，带电离子则好比坐上了直升飞机，能够沿着规定的航线飞抵其活动半径范围内的任何地方。镀层质量好　　离子镀的镀层组织致密、无针孔、无气泡、厚度均匀。甚至棱面和凹槽都可均匀镀复，不致形成金属瘤。象螺纹一类的零件也能镀复，由于这种工艺方法还能修补工件表面的微小裂纹和麻点等缺陷，故可有效地改善被镀零件的表面质量和物理机械性能。疲劳试验表明，如果处理得当，工件疲劳寿命可比镀前高百分之二、三十。

清洗过程简化

现有镀膜工艺，多数均要求事先对工件进行严格清洗，既复杂又费事。然而，离子镀工艺自身就有一种离子轰击清洗作用，并且这一作用还一直延续于整个镀膜过程。清洗效果极好，能使镀层直接贴近基体，有效地增强了附着力，简化了大量的镀前清洗工作。

可镀材料广泛

离子镀由于是利用高能离子轰击工件表面，使大量的电能在工件表面转换成热能，从而促进了表层组织的扩散作用和化学反应。然而，整个工件，特别是工件心部并未受到高温的影响。因此这种镀膜工艺的应用范围较广，受到的局限性则较小。通常，各种金属、合金以及某些合成材料、绝缘材料、热敏材料和高熔点材料等均可镀复。即可在金属工件上镀非金属或金属，也可在非金属上镀金属或非金属，甚至可镀塑料、橡胶、石英、陶瓷等。

6.真空镀膜技术离子镀在航空航宇上的应用

润滑不用油

在现代飞机、航空发动机或航空仪表中，特别是在航宇器，如宇宙飞船、人造卫星中，有不少旋转零件都要求有良好的润滑，但往往由于封存过久、环境温度过高或太空挥发等原因，普通油脂润滑剂已不再适用，从而提出以固体润滑剂代替。试验表明，用离子镀来制作固体润滑膜，比现有其他方法为优。不但附着力强，镀层又薄又匀，不影响零件的尺寸精度和公差配合。经济性也好，少许润滑材料即可镀很大面积。润滑膜的质量也较好，摩擦系数小，使用寿命也长。例如有一个人造卫星上的精密轴承，未镀前工作寿命仅为几分钟，根本无法使用；但是经离子镀固体润滑膜后，则可在飞行中可靠地工作数千小时之久。离子镀不仅能够镀许多种常温固体润滑材料，而且还能镀复各种高温固体润滑材料，有的甚至可以在摄氏八百度以上的高温下发挥良好的润滑作用。可镀的固体润滑材料有银、金、铜、铅、铅锡合金、氟化物等。

真金不怕火炼

航空零件，特别是许多发动机零件往往需要在高温下工作。例如涡轮叶片及导向叶片工作温度通常在摄氏一千度左右，有的甚至达摄氏一千四百度。神话小说《西游记》里孙悟空被太上老君放在炉内烧炼时，恐怕也达不到这么高的温度吧。现代航空发动机零件在这样高的温度下工作，仅仅依赖零件基体材料本身的性能是很难满足要求的。那么，发动机零件怎样才能不怕高温烧蚀呢？目前除在零件结构上采取措施（如采用空心冷却叶片、发散冷却叶片等）以外，大都需用耐热镀层进行保护。离子镀对于沉积耐热膜有相当多的优点，能镀各种高熔点材料，如氧化铝、氧化硅、氧化铍、铪合金等。合金镀层的成份也比较容易控制，适合于镀成分较复杂的耐热合金，如铁铬铝钇，钴铬铝钇或镍铬铝钇合金等。

目前涡轮叶片是试图采用离子镀耐热镀层的主要对象。据悉，有一种叶片用此法镀复一种镍铬铝钇合金后，其高温工作寿命比镀铝提高了三倍。适于采用离子镀耐热镀层的发动机零件还有气缸活塞零件等。有些零件经过这种先进工艺处理后，可在高温下工作上千小时。

金属不生锈

金属零件是要锈蚀的，但如果零件上镀有一层防蚀镀层，就能防止零件生锈。由于离子镀所获得的镀层致密度高，针孔少，耐腐蚀性能好，并能沉积许多其他工艺至今不能沉积的优良防腐蚀镀层。因此，离子镀目前在镀防腐蚀材料方面应用*广。如水上飞机的壁板及其他外表零件，可用此法镀复防止盐雾和海水腐蚀的防蚀镀层；与铝合金零件相配合的其他材料零件也可用此法镀铝，以防止电位差腐蚀。此外，随着飞机飞行速度和高度的提高以及宇宙探索的进展，钛合金的应用越来越多，如果仍象铝合金零件那样采用镀镉防腐蚀，使用中就有镉脆的危险；但如若镀以三氧化二铝，则能完全满足要求。不过电镀等工艺是无法镀这种材料的。离子镀却能大显神通。到目前为止，适合于用离子镀的防蚀材料除氧化铝以外，还有铬、钛、钽、不锈钢等。所镀的航空零件有螺钉、螺帽、铆钉、销钉、导管、接头、陀螺转子、精密齿轮、金属密封环等。

总之，离子镀在航空工业及其他部门的应用潜力是很大的，除以上几种以外，还有许多，比如镀导电膜、硬化膜、装饰膜以及用于精密焊接、精微密封、表面修补等。　　离子镀工艺是近十多年才发展起来的一项新技术，具有一定独特优点，有可能解决若干过去难于克服的生产关键，因此有较大的应用潜力。但是，由于出现的时间还不长，尚有许多有待解决的技术关键，诸如镀层厚度控制、工件非镀表面的屏蔽等都有待进一步实验。其次是设备容量小，大型零件难镀，投资大。我们相信，随着对这种技术的进一步研究，真空镀膜技术离子镀将会得到逐步完善和发展，也会在航空工业部门中得到充分的应用和推广。

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