[發明專利]一種金屬表面離子注入強化方法

在審

• 申請號: 201710089859.8
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106835053A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 萬浩;王權;董斌;司乃潮;黃禮鑫
• 申請（專利權）人: 江蘇大學;江蘇合力四通光電有限公司
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;G01N23/20;G01L5/00
• 代理公司: 杭州新源專利事務所(普通合伙)33234
• 代理人: 余冬

技術領域

本發明涉及一種金屬表面處理方法，特別是一種金屬表面離子注入強化方法。

背景技術

鋁及其合金工程結構和機械零件在航空航天、汽車、機械制造、船舶和化工等領域有著十分廣泛應用。在鋁及其合金構件的服役過程中，疲勞破壞是其普遍存在的問題之一。由于金屬材料的失效多開始于表面層，因而提高鋁及其合金的表面性能對于增加其疲勞壽命有著十分重要的作用。目前，通過不同的表面改性技術在金屬表面引入殘余壓應力，可以對萌生于金屬表面的裂紋起抑制作用，進而有效提高金屬的疲勞壽命。

離子注入技術可以將高能離子植入材料表面層，在不改變材料基體性能的基礎上，有選擇的改變一定厚度材料表面層的應力狀態；且離子注入改性層與基體之間無明顯界面，保證了離子注入改性層與基體間機械性能的連續過渡，避免了離子注入改性層與基體結合不牢而造成的表面層破壞。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種金屬表面離子注入強化方法。本發明能提高抗疲勞性能。

本發明的技術方案：一種金屬表面離子注入強化方法，其特征在于，按下述步驟進行：

①使用砂紙對金屬件的待離子注入面進行打磨；

②對金屬件超聲清洗，保證待離子注入表面的清潔；

③將金屬件置于離子注入真空系統靶盤中央位置并抽真空至工作狀態；

④根據需引入的壓應力層厚度，選取相應的注入離子和一組電壓、束流、劑量對金屬件表面進行高能離子注入處理；

⑤對離子注入處理前后的金屬件進行X射線衍射檢測，通過對比X射線衍射譜來確定離子注入面的應力狀態；

⑥若未引入壓應力，則根據X射線衍射檢測結果來調整離子注入的電壓和電流，繼續重復上述步驟①-⑤直至在制件表面層引入壓應力；

⑦若已引入壓應力，從而得到離子電壓、離子束流和離子種類，最后對金屬件進行批量離子注入處理來提高金屬的抗疲勞性能。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟①中金屬的離子注入處理面需達到普通鏡面效果，粗糙度要求為0.01-0.06 μm。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟②中超聲清洗方法是丙酮超聲清洗5分鐘，無水乙醇超聲清洗5分鐘，前后反復2-3次，吹干備用。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟③中離子注入真空系統的真空度需要10^-4Pa及以上。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟④中引入的壓應力層厚度滿足函數：，其中x是單個入射離子的射程，x₀是靶材中入射離子最大富集層距離表面的距離，Δx_p為入射離子射程的高斯函數標準偏差。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，入射離子能量與壓應力層厚度滿足微分方程：，其中S(E)單個入射離子停止運動需消耗的能量。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述束流大小應保證使金屬材料產生回火反應，可根據如下方程進行計算：，其中為靶體溫度，為環境溫度，I為束流，E為入射離子能量，A為離子注入面積。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，高能離子入射方向垂直于靶材表面來保證其最小的表面濺射量。

前述的金屬表面離子注入強化方法中，所述步驟⑤中X射線衍射檢測采用連續掃描法，掃描速度為7°/min，掃描范圍為15~90°，離子注入后X射線衍射譜相對于注入前X射線衍射譜向右移動判定為在離子注入面引入壓應力。

與現有技術相比，本發明通過利用高能離子對靶材表面進行離子注入處理，離子轟擊會造成靶材表面層的原子發生移位和重新排列，并在靶材表面離子注入層形成大量的間隙原子，這些間隙原子對其周圍晶體產生壓應力。在宏觀上，表現為離子注入合金表面的壓應力狀態。本發明采用X射線衍射技術檢測高能離子注入前后金屬件表面的應力狀態，通過對比離子注入前后鋁及其合金表面X射線衍射譜的移動方向來判斷鋁及其合金表面的應力狀態；最終提高抗疲勞性能。

附圖說明

圖1是本發明的真空離子注入系統示意圖；

圖2是離子注入引入應力原理圖；

圖3是離子注入前后1060鋁合金X射線衍射圖；

圖4是某一條件下（50 KeV、10μA/cm²、10¹⁵/cm²的He⁺）高能離子在1060鋁合金表面引入壓應力層厚度。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但并不作為對本發明限制的依據。