Giáo trình Công nghệ xử lý bề mặt - Chương 6: Xử lý bề mặt bằng chùm tia năng lượng cao

xlbm b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, Hµ néi 1-2005

Ch−¬ng 6

1

Xö lý bÒ mÆt b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao

6.1. Kh¸i niÖm chung

Xö lý bÒ mÆt b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao ®−îc chia thµnh hai nhãm :

- Xö lý nhiÖt bÒ mÆt - kh«ng lµm thay ®æi thµnh phÇn ho¸ häc.

- Xö lý t¹o líp phñ : cÊy ion, khuÕch t¸n hîp kim ho¸ bÒ mÆt,.. - Cã lµm thay ®æi

thµnh phÇn líp bÒ mÆt.

§Ò cËp c¶ hai nhãm trªn bao gåm : C«ng nghÖ, c¸c chuyÓn biÕn xÈy ra, lÜnh vùc ¸p

dông : chèng ¨n mßn, mµi mßn.

6.2. Xö lý nhiÖt bÒ mÆt

6.2.1.§Æc ®iÓm

. MËt ®é n¨ng l−îng cao, th−êng trªn 10⁷w/m²( cã thÓ lªn 10¹¹®Õn 10¹²w/m²)

. Cã thÓ xö lý côc bé hoÆc quÐt trªn c¶ bÒ mÆt

. Tèc ®é xö lý cao, d¶i biÕn ®æi réng, cã thÓ ¸p dông cho mäi qu¸ tr×nh xö lý nhiÖt :

T«i, ñ...

Ng−êi ta chiÕu chïm tia laser hoÆc chïm tia n¨ng l−îng cao kh¸c lªn bÒ mÆt lµm

nung nãng nhanh bÒ mÆt vËt liÖu ®Õn nhiÖt ®é xö lý, ngay sau ®ã líp bÒ mÆt ®−îc lµm

nguéi. nhê truyÒn nhiÖt vµo phÝa bªn trong. Líp bÒ mÆt ®−îc nung nãng cã thÓ dµy máng

kh¸c nhau trong kho¶ng 10^-3mm ®Õn mét vµi mm tuú theo môc ®Ých. VÝ dô, líp chèng ¨n

mßn cã thÓ máng nh−ng líp chèng mµi mßn cÇn dÇy h¬n. ChiÒu dµy líp xö lý cã thÓ ®iÒu

chØnh theo thêi gian l−u cña chïm tia trªn mÆt mÉu vµ ®−êng kÝnh cña chïm tia (d). S¬ ®å

thiÕt bÞ xö lý b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 6.1. ThiÕt bÞ bao gåm

ba bé phËn chÝnh lµ :

Nguån tia n¨ng l−îng cao : èng laser hoÆc thiÕt bÞ sö dông

HÖ thèng l¨ng kÝnh gåm : mét l¨ng kÝnh ph¶n x¹ toµn phÇn , mét l¨ng kÝnh héi tô, ®Ó

héi tô chïm tia n¨ng l−îng cao vµo vïng bÒ mÆt cÇn xö lý

Buång xö lý : lµ buång kÝn ®Ó cã thÓ t¹o m«i tr−êng, bao gåm mét cöa dÉn khÝ vµo

vµ mét cöa dÉn khÝ ra. PhÝa cã chïm tia n¨ng l−îng cao chiÕu tíi ®−îc l¾p mét tÊm kÝnh

truyÒn qua. Chi tiÕt xö lý ®−îc l¾p trªn bµn di ®éng : quay vµ tÞnh tiÕn theo hai ph−¬ng ®Ó

cã thÓ xö lý toµn bé bÒ mÆt chi tiÕt.

HÖ thèng l¨ng kÝnh vµ bµn di ®éng cã thÓ di chuyÓn theo ph−¬ng th¼ng ®øng ®Ó

thay ®æi kho¶ng c¸ch chiÕu L vµ do ®ã thay ®æi ®−êng kÝnh d cña chïm tia. Ng−êi ta chÕ

t¹o c¸c lo¹i thuû tinh chuyªn dïng cho laser vµ c¸c tia n¨ng l−îng cao. MÆt kh¸c, ®Ó gi¶m

tæn thÊt, ng−êi ta cè g¾ng rót ng¾n ®−êng ®i cña chïm tia. Trong c¸c m¸y chuyªn dïng,

c«ng suÊt cña m¸y vµ mËt ®é chïm tia ®· ®−îc thiÕt kÕ riªng cho ®èi t−îng xö lý cô thÓ,

do ®ã cã thÓ kh«ng cÇn ®Çy ®ñ hÖ thèng l¨ng kÝnh ®Ó gi¶m tæn thÊt.

6.2.2. C¬ së chung

§Ó minh ho¹, chóng ta lÊy tr−êng hîp xö lý thÐp lµm vÝ dô (c¸c vËt liÖu kh¸c cã thÓ

®−îc suy ra t−¬ng tù tõ c¸c ph©n tÝch nµy).

NhiÖt ®é nung t«i ®èi víi thÐp tr−íc cïng tÝch ph¶i trªn A_C3®Ó chuyÓn biÕn austenit

x¶y ra hoµn toµn. Khi nung t«i th«ng th−êng, nhiÖt ®é nung kh«ng ®−îc cao qu¸ ®Ó thÐp

kh«ng bÞ tæ chøc h¹t th«. Khi xö lý b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, v× tèc ®é nung vµ lµm

nguéi qu¸ lín, nªn kh«ng sî thÐp bÞ tæ chøc h¹t th«, tr¸i l¹i kh«ng nung qu¸ cao lµm bay

h¬i vµ biÕn ®æi thµnh phÇn bÒ mÆt thÐp. Ta cã : A_C3< Ts < T_f. Trong ®ã : A_C3lµ nhiÖt ®é

øng víi giíi h¹n hoµ tan hoµn toµn ferit vµo austenit khi nung cña thÐp tr−íc cïng tÝch

xlbm b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, Hµ néi 1-2005

2

kh¶o s¸t, Ts lµ nhiÖt ®é xö lý, T_flµ nhiÖt ®é ch¶y cña thÐp. BiÕt nhiÖt dung riªng cña thÐp

C = 3 J/cm³.®é.

ThÊu kÝnh ph¶n x¹

LASER

ThÊu kÝnh héi tô

Buång xö lý

L

Chi tiÕt xö lý

KhÝ vµo

KhÝ ra

Bµn di ®éng

H×nh 6.1. S¬ ®å xö lý b»ng laser

100

(1)

ñ Fe

(5)

Bay h¬i

(4)

Ch¶y

Ni&Fe

50

(1')

ñ Ni

3

0

0,5

t,s →

Ch¶y Fe&Ni

kh«ng ®ång ®Òu

H×nh 6.2. C¸c vïng khi phñ Ni lªn thÐp vµ xö lý b»ng laser, Q = 7.10⁷w/m²

NÕu coi ph¶i nung thÐp lªn 1000 ^oC ( tÝnh trßn cho dÔ theo dâi) vËy ta cÇn kho¶ng 3

KJ/(cm³bÒ mÆt) ®Ó ®¹t nhiÖt ®é trªn Ac₃. ¸p dông c«ng thøc truyÒn nhiÖt, tÝnh gÇn ®óng

cho v¸ch th¼ng víi thêi gian quÐt (t) lµ thêi gian truyÒn nhiÖt gi÷a chïm tia vµ bÒ mÆt,

chiÒu s©u líp xö lý (e) ®−îc coi lµ líp bÒ mÆt cã nhiÖt ®é tõ Ac₃®Õn Ts, ta cã quan hÖ

sau:

xlbm b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, Hµ néi 1-2005

T_S− A_C3

3

e ≈ 2

αt

(6.1)

T_S

trong ®ã : α lµ hÖ sè truyÒn nhiÖt cña tia laser vµ bÒ mÆt thÐp, α ~ 5,4mm²/s,

t lµ thêi gian quÐt (thêi gian chïm laser chiÕu lªn bÒ mÆt chi tiÕt t¹i mçi ®iÓm).

Gi¶ thiÕt r»ng, thÐp nghiªn cøu cã Ac₃=900 ^oC , Ts =1300 ^oC ta cã :

^{e[mm] = 1,4}t ^{hoÆc t ≈ 0,7e}²

(6.2)

BiÕt mËt ®é n¨ng l−îng Q cña laser, ta còng x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é xö lý Ts theo

c«ng thøc :

α

λ

Ts = A.

Q. (t)^0,5

(6.3)

Trong ®ã : λ lµ hÖ sè dÉn nhiÖt cña thÐp, A lµ hÖ sè ph©n bè nhiÖt , A = 1 ®Õn 2.

α

λ

= 60 mm². S^1/2.J ^-1(®èi víi thÐp),

Q lµ mËt ®é n¨ng l−îng hÊp phô ®o b»ng [W/m²] hoÆc [W/mm²].

NÕu coi A=1 tõ (6.3) ta suy ra :

1

Q = T_S

60(t)^0,5

1

22

Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta cã :

Q = 1300

≈

[

W / mm²

]

60(t)^0,5(t)^0,5

vµ thay t ≈ 0,7. e²ta ®−îc Q ≈ 26/ e [w/mm²]. Khi cÇn líp xö lý máng th× mËt ®é n¨ng

l−îng Q cÇn cao, thêi gian quÐt ph¶i nhá. Ng−îc l¹i, thêi gian quÐt cµng lín th× líp xö lý

cµng dÇy do ®ã mµ Q . t = const ®Ó Ts = const Ph−¬ng tr×nh (6.3) lµ nghiÖm cña ph−¬ng

tr×nh truyÒn nhiÖt mét chiÒu, chØ ®óng khi coi truyÒn nhiÖt chØ xÈy ra theo ph−¬ng ph¸p

tuyÕn víi bÒ mÆt xö lý , cã nghÜa lµ khi d rÊt lín h¬n e, trong ®ã d lµ ®−êng kÝnh chïm tia,

®ång thêi vËn tèc quÐt V rÊt cao. Tõ ®ã cã ®iÒu kiÖn sau :

Vd

4α

α

Vd

≥ 3,5 hay

≤ 0,07

NÕu c¸c ®iÒu kiÖn trªn kh«ng tho¶ m·n th× cÇn ¸p dông m« h×nh truyÒn nhiÖt 2 hoÆc

3 chiÒu. Trong tr−êng hîp ¸p dông m« h×nh truyÒn nhiÖt 3 chiÒu ta cã c«ng thøc :

Q

Vd

Ts =0,848 ------- . (----------)^-0,497

2λd 4α

(6.3')

VÒ mÆt vËt liÖu, cÇn quan t©m ®Õn qu¸ tr×nh khuÕch t¸n, hoµ tan vµ ®ång ®Òu cacbit.

NÕu gäi e lµ chiÒu dÇy cña líp xö lý, t lµ thêi gian quÐt tÝnh b»ng gi©y, Q mËt ®é n¨ng

l−îng hÊp phô Q [w/m²] , [w/mm²], δ lµ kho¶ng c¸ch khuÕch t¸n do b»ng [mm] , Vc vµ Vr

lÇn l−ît lµ vËn tèc nung nãng vµ lµm nguéi líp xö lý [®é/s]. NÕu ta lÊy e= 0,1mm, t= 5.10^-3s

vµ Q = 3,1. 10²w/mm²th× δ = 1,4 µm vµ tèc ®é lµm nguéi kho¶ng 1,3.10⁵®é/s .

B¶ng 6.1

e[mm]

0,001

0,01

0,1

t[s]

Q[w/m²]

3,1.10¹⁰

3,1.10⁹

3,1.10⁸

3,1.10⁷

Q[w/mm²]

3,1.10⁴

3,1.10³

3,1.10²

3,1.10¹

δ[mm]

1,4.10^-5

1,4.10^-4

1,4.10^-3

1,4.10^-2

Vr≈Vc[®é/s]

1,3.10⁹

5.10^-7

5.10^-5

5.10^-3

5.10^-1

1,3.10⁷

1,3.10⁵

1

1,3.10³

Víi c¸c tèc nguéi m« t¶ trong b¶ng 6.1, chóng ta cã thÓ nhËn ®−îc c¸c tæ chøc

ngoµi c©n b»ng, tuú theo b¶n chÊt cña hîp kim vµ nÕu ®−îc xö lý lµm nãng ch¶y líp bÒ

mÆt, ta cã thÓ nhËn ®−îc c¸c tæ chøc gi¶ æn ®Þnh, c¸c tæ chøc vi tinh thÓ, v« ®Þnh h×nh.

xlbm b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, Hµ néi 1-2005

4

6.3. Xö lý hîp kim ho¸ bÒ mÆt

§Ó xö lý hîp kim ho¸ bÒ mÆt th× nhiÖt ®é líp bÒ mÆt ph¶i cao h¬n nhiÖt ®é chÈy vµ

thÊp h¬n nhiÖt dé bay h¬i cña vËt liÖu. Khi nãng chÈy, ngoµi l−îng nhiÖt cung cÊp ®Ó nung

nãng kim lo¹i, cßn ph¶i kÓ ®Õn Èn nhiÖt nãng chÈy (th−êng ®−îc coi b»ng 40% l−îng nhiÖt

cung cÊp ®Ó n©ng nhiÖt ®é cña kim lo¹i ®Õn nhiÖt ®é ch¶y) . Tõ tæng l−îng nhiÖt cÇn thiÕt

®Ó lµm nãng ch¶y phÇn kim lo¹i n»m d−íi chïm tia laser víi ®é s©u e, ta cã thÓ chän ®−îc

mËt ®é n¨ng l−îng cña chïm tia vµ tèc ®é quÐt cÇn thiÕt. TÝnh ®Õn hÖ sè hÊp phô nhiÖt,

cã gi¸ trÞ kho¶ng tö 50 ®Õn 80%, ta ph¶i chän thiÕt bÞ laser vµ hÖ thèng l¨ng kÝnh ®Ó cã

mËt ®é n¨ng l−îng cÇn thiÕt t−¬ng thÝch víi tèc ®é quÐt cña chïm tia.

¦u ®iÓm chÝnh cña xö lý lµm nãng chÈy líp bÒ mÆt lµ t¹o líp hîp kim ho¸ bÒ mÆt

nh»m b¶o vÖ chèng ¨n mßn vµ mµi mßn hîp kim. Ng−êi ta cã thÓ phñ s¬ bé nguyªn tè

cÇn hîp kim ho¸ lªn bÒ mÆt b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p : ng−ng tô kim lo¹i bay h¬i, ®iÖn ph©n,

s¬n phñ ,.. sau ®ã ®em xö lý b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao ®Ó hîp kim ho¸ bÒ mÆt . Ng−êi

ta còng cã thÓ phun trùc tiÕp nguyªn tè hîp kim lªn bÒ mÆt trong qu¸ tr×nh xö lý nãng

chÈy. Ph−¬ng ph¸p nµy tuy rÊt tiÖn lîi nh−ng kÕt qu¶ th−êng kh«ng æn ®Þnh. Ngoµi viÖc t¹o

líp hîp kim ho¸ bÒ mÆt, xö lý lµm nãng ch¶y bÒ mÆt cßn cã t¸c dông t¨ng ®é xÝt chÆt, t¹o

c¸c pha vµ tæ chøc mong muèn, t¨ng liªn kÕt gi÷a líp phñ vµ nÒn.

Qu¸ tr×nh xö lý b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao cã thÓ thùc hiÖn trong kh«ng khÝ,

trong m«i tr−êng b¶o vÖ còng nh− trong m«i tr−êng khÝ ho¹t tÝnh, tuú theo m«i tr−êng sö

dông mµ ta cã thÓ nhËn ®−îc c¸c líp hîp kim, líp «xyt hoÆc nitrua,..

¶nh h−ëng cña líp nãng chÈy ®Õn sù h×nh thµnh líp xö lý ®−îc ®Æc tr−ng b»ng ®¹i

l−îng kh«ng thø nguyªn S (Surface Tension Number)

σ '.Q.d

S = -----------

V.λ.µ

Trong ®ã σ ^'lµ ®¹o hµm cña søc c¨ng bÒ mÆt theo nhiÖt ®é,

dσ

σ ^'= ------

dT

d

®−êng kÝnh chïm

Q lµ mËt ®é n¨ng l−îng hÊp thô, ---- = ------------------------ = Thêi gian l−u cña

VËn tèc quÐt

V

'

chïm tia trªn bÒ mÆt. S t¨ng khi t¨ng σ vµ gi¶m hÖ sè dÉn nhiÖt λ vµ ®é sÖt cña vËt liÖu

láng µ.

Ngµy nay, ng−êi ta ®· hîp kim ho¸ bÒ mÆt b»ng c¸c nguyªn tè : Al, B, Cr, Ni, Si.

KÕt qu¶ cho thÊy, líp bÒ mÆt ®ång ®Òu, chÊt l−îng tèt khi S > 10.000. Sù ph©n bè c¸c

vïng theo thêi gian l−u (h×nh 6.2.), khi mËt ®é n¨ng l−îng hÊp phô kh«ng ®æi (Q=7.10⁷

W/m²) . Ta nhËn thÊy lµ : vïng (4) thÝch hîp ®Ó nhËn ®−îc líp hîp kim Ni - Fe ®ång ®Òu.

ChØ khi ®· nhËn ®−îc hîp kim láng ®ång ®Òu th× míi cã kh¶ n¨ng thu ®−îc líp kÕt tinh ®a

tinh thÓ ®ång ®Òu. Tr−êng hîp lµ gang , sau khi xö lý lµm nãng ch¶y líp bÒ mÆt ngoµi

cïng, ®−îc lµm nguéi nhanh (tèc ®é nguéi 10²®Õn 10³®é/s) gang sÏ kÕt tinh theo hÖ

thèng gi¶ æn ®Þnh - gang tr¾ng (h×nh 6.3.). Líp tiÕp gi¸p phÝa trong, kh«ng ®−îc nãng ch¶y,

chØ cã t¸c dông xö lý nhiÖt (t¹o ra tæ chøc mactenxit). Bªn trong n÷a lµ vïng kh«ng ®−îc

xö lý víi tæ chøc peclit + ferit ban ®Çu.

§Ó xö lý t¹o líp hîp kim ho¸ bÒ mÆt ta cÇn cã thiÕt bÞ ®Ó t¹o ®−îc mËt ®é n¨ng

l−îng hÊp phô tõ 10⁶®Õn 10⁸w/m², thêi gian l−u cña laser trªn bÒ mÆt vµo kho¶ng 10^-2

®Õn mét vµi gi©y, tæn thÊt nhiÖt th−êng kh«ng qu¸ 50%. §Ó gi¶m tæn thÊt nhiÖt, còng nh−

khi xö lý nhiÖt bÒ mÆt, ng−êi ta th−êng phñ thªm mét líp hÊp phô nhiÖt. C¸c líp hÊp phô

nhiÖt th−êng dïng lµ graphit, Mn₃(PO₄)₂, Zn,... NÕu kh«ng sî cacbon lµm xÊu tÝnh chÊt cña

xlbm b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, Hµ néi 1-2005

5

líp phñ th× s¬n phñ mét líp graphit tr−íc khi xö lý b»ng laser sÏ cã tû lÖ hÊp phô nhiÖt η

cao. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é, tèc ®é quÐt ®Õn hÖ sè hÊp phô n¨ng l−îng η ®−îc tr×nh bµy

trªn h×nh 6.4. Ta thÊy, khi cã c¸c líp hÊp phô graphit, phèt ph¸t Mn, S¬n,.. th× tû lÖ nhiÖt

hÊp phô lªn tíi 60 ®Õn 80% (b). Líp nãng ch¶y hÊp phô tèt khi ®−îc ®Ó trÇn ( kh«ng cã líp

hÊp phô), hÖ sè hÊp phô nhiÖt η lªn tíi 80-90% (a). Khi xö lý nhiÖt, vËt liÖu ë tr¹ng th¸i

r¾n, cã líp hÊp phô th× hÊp phô nhiÖt tèt h¬n. Khi xö lý t¹o líp nãng ch¶y bÒ mÆt, tuy ë

tr¹ng th¸i nãng ch¶y bÒ mÆt ®Ó trÇn hÊp phô nhiÖt tèt, song tr−íc khi nãng ch¶y, l−îng

nhiÖt mÊt ®i do ph¶n x¹ rÊt lín (trªn 80%), c¸c tia ph¶n x¹ cã thÓ lµm háng thiÕt bÞ, háng

s¬n quÐt t−êng vµ ¶nh h−ëng ®Õn an toµn lao ®éng cña c«ng nh©n.

6.4. C¸c thiÕt bÞ Laser

Theo m«i tr−êng khuÕch ®¹i tia laser ta cã c¸c lo¹i :

- Laser khÝ : CO₂, He-Ne, Ar⁺. Ng−êi ta sö dông chñ yÕu laser CO₂víi b−íc sãng

10,6 µm cho c¸c c«ng nghÖ xö lý bÒ mÆt.

- Laser mµu (m«i tr−êng khuÕch ®¹i láng)

- C¸c laser r¾n chñ yÕu dïng lo¹i YAG (Grenat d' Alumin et d'Ytrium ) cã Nd, b−íc

sãng 1,06 µm c¶ hai lo¹i ®Òu cã thÓ lµ c¸c sãng liªn tôc hoÆc lµ d¹ng xung.

Laser CO₂c«ng nghiÖp cã c«ng suÊt 2 ®Õn 3 KW, c¸c lo¹i kh¸c cßn ®ang thö

nghiÖm .Trong tr−êng hîp xö lý b»ng chïm electron hÖ sè hÊp phô n¨ng l−îng cã thÓ ®¹t

tõ 80 ®Õn 100% . C«ng suÊt 30KW cã khi tíi 100KW.

Khi sö dông c¸c thiÕt bÞ laser cã c«ng suÊt lín th× rÊt khã lµm ®ång ®Òu líp xö lý v×

thêi gian l−u qu¸ ng¾n, nhiÖt ®é bÒ mÆt qu¸ cao lµm b¾n toÐ, bay h¬i vËt liÖu. Ph¹m vi mËt

®é n¨ng l−îng vµ lÜnh vùc ¸p dông ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 6.5. Ta thÊy, mËt ®é n¨ng

l−îng cao Q=10⁸-10¹²w/cm²th× thêi gian l−u rÊt ng¾n 10^-8®Õn 10^-6th−êng ®−îc ¸p dông

®Ó xö lý t¹o líp siªu tinh thÓ, v« ®Þnh h×nh. MËt ®é n¨ng l−îng thÊp , thêi gian l−u dµi dïng

®Ó t«i bÒ mÆt .Vïng trung gian ®−îc sö dông khi hîp kim ho¸ bÒ mÆt, hµn, khoan, c¾t vËt

liÖu :

Q, w/cm²

10⁶-10⁸

10⁴- 10⁶

10^-4-10^-6

t, s

C«ng dông

10^-6- 10^-4dïng cho khoan vµ c¾t

10^-2

hîp kim ho¸ bÒ mÆt hoÆc hµn

xö lý lµm nhá h¹t tinh thÓ

10²- 0,5 - vµi chôc gi©y, dïng cho t«i (thÐp)

6.5. CÊy ion

Kh¸c víi c¸c líp phñ ion t¹o b»ng c«ng nghÖ cÊy ion trong PVD, cÊy ion ë ®©y sö

dông ®iÖn ¸p rÊt cao (hµng 100 kV) ®Ó cÊy c¸c ion l¹ vµo m¹ng tinh thÓ cña vËt liÖu nÒn.

Do ®Æc ®iÓm h×nh thµnh, líp xö lý khi cÊy ion chØ cì 1000-2000 A (cÊy ion trong PVD t¹o

líp phñ hµng mm cho nªn cßn gäi lµ líp phñ ion). C¸c ion l¹ lµm x« lÖch m¹ng tinh thÓ

cña vËt liÖu nÒn vµ hÇu nh− kh«ng lµm thay ®æi thµnh phÇn ho¸ häc, hoÆc líp xö lý qu¸

máng nªn ng−êi ta ®· bá qua l−îng vËt chÊt cña nã.

6.5.1. C¸c c¬ së chung

Nguyªn lý lµm viÖc cña thiÕt bÞ cÊy ion ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 6.6. Ng−êi ta ®−a khÝ

hµng 100 kV, c¸c cation ®−îc chuyÓn ®Õn cat«t d−íi gia tèc. Chïm cation ph¶i ®i qua mét

mµn ch¾n (2) ®Ó tËp trung vµo vïng xö lý. Sau khi qua mµn ch¾n, c¸c cation ®−îc cÊy lªn

bÒ mÆt chi tiÕt.

§Æc ®iÓm

xlbm b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, Hµ néi 1-2005

6

Cã thÓ cÊy ®−îc tÊt c¶ c¸c lo¹i ion cña c¸c nguyªn tè : N, Cr, Mo, Ti, B, C,...

CÊy lªn c¸c vËt liÖu : ThÐp, hîp kim Ti, hîp kim Al, ceramic, riªng polymer c¸c nhµ

nghiªn cøu cßn ®ang xem xÐt, liÖu khi xö lý, ngay c¶ ë nhiÖt ®é th−êng, chïm ion cã ph¸

KhÝ vµo

Ion ho¸

H×nh 6.6. S¬ då thiÕt bÞ cÊy ion th¼ng ®øng

Mµn ch¾n

Chi tiÕt

ViÖc lùa chän cÆp : ion cÊy vµ vËt liÖu chi tiÕt ph¶i c¨n cø vµo b¶n chÊt vËt liÖu,

môc ®Ých xö lý ®Ó khi c¸c ion ®−îc cÊy lªn bÒ mÆt vËt liÖu, sù x« lÖch m¹ng tinh thÓ lµm

c¶i thiÖn c¸c tÝnh chÊt cña nã phï hîp víi yªu cÇu ®Ò ra.

khÝ mét lo¹i nguyªn (vÝ dô N₂). Th«ng th−êng, ®Ó c¶i thiÖn c¸c tÝnh chÊt cña líp xö lý, ng−êi

ta ph¶i sö dông c¸c lo¹i khÝ nhiÒu lo¹i ngyªn tö, vÝ dô NH₃. Tr−êng hîp sö dông khÝ ®a

nguyªn tö ng−êi ta ph¶i sö dông thiÕt bÞ cÊy ion n»m ngang (h×nh 6.7.). HÖ thèng ion ho¸

kh¸c ®−îc do ®ã thiÕt bÞ ph¶i ®−îc ®Æt n»m ngang.

V_arc

KhÝ vµo

Mµn ch¾n e

1

3

2

Chi tiÕt

4

Buång ion ho¸

Cöa gia tèc

H×nh 6.7. S¬ då thiÕt bÞ cÊy ion n»m ngang

tr−êng. Sau khi bÞ ion ho¸, c¸c cation ®−îc gia tèc trong ®iÖn tr−êng 20 - 100 kV (2) d−íi

¸p suÊt khÝ ≈ 5.10^-5torr vµ ®−îc dÉn qua thiÕt bÞ läc tõ tÝnh (3). Trong thiÕt bÞ läc, c¸c ion

mµn ch¾n quang häc ®Èy ra ngoµi.

T¸c dông cña c¸c ion trªn bÒ mÆt

C¸c ion xen vµo m¹ng tinh thÓ cña chi tiÕt cã t¸c dông :

Thay ®æi tæ chøc, t¨ng mËt ®é lÖch, t¹o ra c¸c pha míi, lµm biÕn cøng bÒ mÆt

T¹o øng suÊt nÐn d− trªn bÒ mÆt lµm t¨ng giíi h¹n mái.

xlbm b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, Hµ néi 1-2005

7

Hîp kim ho¸ bÒ mÆt : t¨ng tÝnh chÞu ¨n mßn hoÆc mµi mßn hoÆc c¶ hai.

C¸c th«ng sè c¬ b¶n

B¶n chÊt cña vËt liÖu chi tiÕt, cña ion cÊy lªn

MËt ®é ion cÊy [ion/cm²]

nhá.

C,%

Q1

20

Q2

Q1>Q2>Q3>Q4>Q5

Q↑

Q3

Q4

10

Q5

0

2000

X, Å →

1000

MËt ®é dßng ®iÖn [µA/cm²] quyÕt ®Þnh thêi gian l−u t, gièng nh− khi xö lý b»ng chïm

tia n¨ng l−îng cao, thêi gian l−u t lµ thêi gian mµ chïm ion cÊy lªn bÒ mÆt t¹i mçi ®iÓm.

Th«ng th−êng ng−êi ta thùc hiÖn c«ng nghÖ cÊy ion ë nhiÖt ®é th−êng, tuy nhiªn khi t¨ng

mËt ®é dßng ®iÖn I vµ thêi gian l−u t th× nhiÖt ®é bÒ mÆt T cã thÓ t¨ng lªn. VÝ dô, khi cÊy N

lªn thÐp ngoµi hiÖu qu¶ t¨ng nhiÖt ®é do chïm ion cÊy lªn bÒ mÆt, ng−êi ta cßn t¨ng nhiÖt

®é bÒ mÆt lªn trªn 200 ^oC, nhê ®ã mµ t¹o ra cacbo-nitrit cã tÝnh chÞu mµi mßn cao.

Nhê cÊy ion thÝch hîp ta cã thÓ t¹o ®−îc líp bÒ mÆt v« ®Þnh h×nh : vÝ dô khi cÊy B

hoÆc P lªn bÒ mÆt Fe, Co hoÆc Ni , hoÆc ngay c¶ lªn bÒ mÆt chi tiÕt b»ng thÐp kh«ng rØ.

Tuy nhiªn do h¹n chÕ cña thiÕt bÞ còng nh− ®iÒu kiÖn ho¸ lý kh«ng cho phÐp, nªn kh«ng

ph¶i lóc nµo còng cÊy ®−îc c¸c ion víi nång ®é mong muèn. VÝ dô, rÊt khã cÊy víi mËt ®é

lín c¸c nguyªn tè cã nhiÖt ®é ch¶y cao, bÒn ¨n mßn. Ng−îc l¹i, rÊt dÔ nhËn ®−îc líp cÊy

ion mËt ®é cao c¸c nguyªn tè nh− N ch¼ng h¹n. Do c¸c khã kh¨n trªn, ng−êi ta ®· ®Ò ra

mét kü thuËt cÊy ion míi lµ : dïng chïm ion b¾n ph¸ lªn bÒ mÆt chi tiÕt ®· ®−îc phñ s¬ bé

c¸c nguyªn tè ®Þnh cÊy lªn bÒ mÆt. Tuy r»ng c¬ chÕ kh«ng hoµn toµn gièng víi cÊy ion

nªu trªn, song nhê nã mµ lÜnh vùc ¸p dông cña kü thuËt cÊy ion ®−îc më ra réng h¬n. Ba

d¹ng c«ng nghÖ ®−îc ph¸t triÓn lµ :

CÊy ion nhê va ch¹m : ®éng n¨ng cña c¸c ion ®−îc truyÒn cho c¸c nguyªn tö trong

líp phñ s¬ bé lµm ion ho¸ vµ ®Èy nã vµo nÒn. Thùc chÊt lµ t¹o líp hîp kim nhê ®éng n¨ng

va ch¹m.

T¹o c¸c cascad : khi n¨ng l−îng vµ thêi gian l−u cña chïm ion trªn mÆt chi tiÕt (®·

®−îc phñ s¬ bé) ®ñ lín, sÏ h×nh thµnh c¸c vïng nhá liªn kÕt víi nhau. Trong mçi vïng lµ

hçn hîp cña c¸c ion ta gäi lµ cascad.

KhuÕch t¸n d−íi chïm tia : ng−êi ta sö dông chïm ion cña c¸c nguyªn tè nÆng víi

mËt ®é lín. NhiÖt ®é bÒ mÆt sÏ t¨ng lªn, ®ång thêi ng−êi ta còng nung nãng chi tiÕt b»ng

nguån n¨ng l−îng kh¸c. ë nhiÖt ®é cao vµ ho¹t tÝnh lín (do chïm ion b¾n ph¸ lªn) , qu¸

tr×nh khuÕch t¸n x¶y ra m¹nh

C¶ ba d¹ng c«ng nghÖ nµy ®Òu sö dông chïm ion cña c¸c nguyªn tè : Ar, Kr, Xe,

N,.. ®Òu cã ¸p dông c«ng nghiÖp rÊt hiÖu qu¶. Ng−êi ta kh«ng ngõng hoµn thiÖn c¸c th«ng

sè kü thuËt nh»m t¨ng chiÒu dµy líp xö lý.

¦u ®iÓm cña c«ng nghÖ

xlbm b»ng chïm tia n¨ng l−îng cao, Hµ néi 1-2005

8

T¹o líp qu¸ b·o hoµ bÒ mÆt cã cÊu tróc kh¸c víi hîp kim truyÒn thèng, nÕu ®−îc

nung nãng lªn nhiÖt ®é ®ñ cao, qu¸ tr×nh tiÕt pha vµ kÕt tinh l¹i sÏ ®−a hîp kim trë vÒ b×nh

th−êng.

Xö lý ë nhiÖt ®é thÊp

B¸m dÝnh lý t−ëng

lín h¬n chiÒu dµy líp xö lý) song ¸p dông cho c¬ khÝ cßn h¹n chÕ

ChØ lµm viÖc ®−îc ë nhiÖt ®é thÊp, ë nhiÖt ®é cao, sù khuÕch t¸n s¾p xÕp l¹i c¸c

nguyªn tö lµm mÊt t¸c dông cña líp xö lý.

ThiÕt bÞ qu¸ ®¾t tiÒn.