離子鍍

離子鍍在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發物質部分電離，並在氣體離子或被蒸發物質離子的轟擊下，將蒸發物質或其反應物沉積在基片上的方法。其中包括磁控濺射離子鍍、反應離子鍍、空心陰極放電離子鍍（空心陰極蒸鍍法）、多弧離子鍍（陰極電弧離子鍍）等。

在航空及航宇工業中，各種飛機、導彈、衞星、飛船的零部件經常在複雜而有害的條件下工作。以飛機為例，機翼、機身的蒙皮以及起落架等外表零部件，均受着大氣、水份、灰塵以及燃料燃燒生成物中所含的化學活性氣體的直接腐蝕。水上飛機的外表部分，特別是機體和浮筒，經常受到海水、湖水或河水的侵蝕；航空發動機的燃燒室、渦輪零件及氣缸活塞零件，也經常受到高温和含酸及其他活性物質的燃氣氣流的氧化。還有諸如航空軸承、微型輸電裝置、精密齒輪、電位計等一類儀表元件，也經常受到不同程度的摩擦磨損。要使上述各種零部件能夠適應耐温、防蝕、耐磨等苛刻要求，單純從零件的結構或材料上想辦法，往往是不夠的。怎麼辦呢？當前使用最廣的辦法之一就是採用表面鍍膜的方法來保護零部件的基體，使其滿足上述要求。這正如人們根據不同環境條件穿上不同的衣衫一樣，根據需要給零件鍍上一層耐熱、防腐或耐磨的鍍層。

現代航空工業中使用的鍍膜辦法種類很多，比如電鍍、噴鍍、化學鍍、擴散度以及軋壓、包鍍等。其中不少鍍膜工藝已為人們掌握，並在生產中發揮了顯著作用。

但是，已有的鍍膜工藝跟不上產品日新月異的發展，從而促使人們探索新的鍍膜技術。“離子鍍”就是近十幾年來發展起來的一種最新的真空鍍膜技術。

真空離子鍍技術研究始於20世紀70年代末，1981年在國家計委立項。近幾年國內外高度重視環境保護、清潔生產，歐盟環保指令及我國政府相應制定了類似ROHS的法規，所以真空離子鍍技術在工業中應用受到社會廣泛重視。我單位先後召開七次鑑定會及申請五項專利。從立項時間、研發深度、鍍膜性能分析及工業生產推廣等方面做了大量工作。

七次鑑定會。離子鍍滲鋁研究(1982年)；仿金氮化鈦(TiN)離子裝飾鍍研究(1982年)；磁控濺射離子鍍鋁的研究(1983年)；離子鍍鉻新技術研究(1983年)；CLD-850型多用磁控濺射離子鍍膜機研製(1984年)；磁控濺射離子鍍新工藝研究(1985年)；離子鍍代替電鍍技術研究及專用設備研製(1986)。

五項專利。《高能級磁控濺射離子鍍技術》；《等離子體型弧源一磁控濺射鍍膜機》；《黃銅件真空離子鍍替代電鍍方法》；《用雙向離子鍍磁控濺射代替電鍍設備的爐體》；《鋼鐵、鋅基合金真空離子鍍鉻工藝代替現行電鍍鉻工藝》 ^[1]  。

離子鍍是真空鍍膜工藝的一項新發展。普通真空鍍膜（亦稱真空蒸鍍）時，工件夾固在真空罩內，當高温蒸發源通電加熱後，促使待鍍材料——蒸發料熔化蒸發。由於温升，蒸發料粒子獲得一定動能，則沿着視線方向徐徐上升，最後附着於工件表面上堆積成膜。用這種工藝形成的鍍層，與零件表面既無牢固的化學結合，有無擴散連接，附着性能很差，有時就像桌面上落的灰塵一樣，用手一摸也會擦掉。然而，離子鍍工藝則有所不同，雖然也是在真空罩內進行的，但這時鍍膜過程是以電荷傳遞的形式來實現的。也就是説，蒸發料的粒子作為帶正電荷的高能離子在高壓陰極（即工件）的吸引下，以很高的速度注入到工件表面。相當於一個從槍管中射出的高速彈頭，可以穿入基體很深，在工件上形成一種附着牢固的擴散鍍層。

離子鍍的作用過程如下:蒸發源接陽極，工件接陰極，當通以三至五千伏高壓直流電以後，蒸發源與工件之間產生弧光放電。由於真空罩內充有惰性氬氣，在放電電場作用下部分氬氣被電離，從而在陰極工件周圍形成一等離子暗區。帶正電荷的氬離子受陰極負高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，致使工件表層粒子和髒物被轟濺拋出，從而使工件待鍍表面得到了充分的離子轟擊清洗。隨後，接通蒸發源交流電源，蒸發料粒子熔化蒸發，進入輝光放電區並被電離。帶正電荷的蒸發料離子，在陰極吸引下，隨同氬離子一同衝向工件，當拋鍍於工件表面上的蒸發料離子超過濺失離子的數量時，則逐漸堆積形成一層牢固粘附於工件表面的鍍層。這就是離子鍍的簡單作用過程。

普通真空鍍膜時，蒸發料粒子大約只以一個電子伏特的能量向工件表面蒸鍍，在工件表面與鍍層之間，形成的界面擴散深度通常僅為幾百個埃（10000埃=1微米=0.0001釐米）。也就是説比一根頭髮絲的百分之一還要小。兩者間可以説幾乎沒有連接的過渡層，好似截然分開。而離子鍍時，蒸發料粒子電離後具有三千到五千電子伏特的動能。如果説普通真空鍍膜的粒子相當於一個氣喘吁吁的長跑運動員，那麼離子鍍的粒子則好似乘坐了高速火箭的乘客，當其高速轟擊工件時，不但沉積速度快，而且能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴散層，離子鍍的界面擴散深度可達四至五微米，也就是説比普通真空鍍膜的擴散深度要深幾十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特別牢。對離子鍍後的試件作拉伸試驗表明，一直拉到快要斷裂時，鍍層仍隨基體金屬一起塑性延伸，無起皮或剝落現象發生。可見附着得多麼牢固啊！

離子鍍時，蒸發料粒子是以帶電離子的形式在電場中沿着電力線方向運動，因而凡是有電場存在的部位，均能獲得良好鍍層，這比普通真空鍍膜只能在直射方向上獲得鍍層優越得多。因此，這種方法非常適合於鍍復零件上的內孔、凹槽和窄縫。等其他方法難鍍的部位。用普通真空鍍膜只能鍍直射表面，蒸發料粒子尤如攀登雲梯一樣，只能順梯而上；而離子鍍則能均勻地繞鍍到零件的背面和內孔中，帶電離子則好比坐上了直升飛機，能夠沿着規定的航線飛抵其活動半徑範圍內的任何地方。

離子鍍的鍍層組織緻密、無針孔、無氣泡、厚度均勻。甚至稜面和凹槽都可均勻鍍復，不致形成金屬瘤。像螺紋一類的零件也能鍍復，由於這種工藝方法還能修補工件表面的微小裂紋和麻點等缺陷，故可有效地改善被鍍零件的表面質量和物理機械性能。疲勞試驗表明，如果處理得當，工件疲勞壽命可比鍍前高百分之二、三十。

現有鍍膜工藝，多數均要求事先對工件進行嚴格清洗，既複雜又費事。然而，離子鍍工藝自身就有一種離子轟擊清洗作用，並且這一作用還一直延續於整個鍍膜過程。清洗效果極好，能使鍍層直接貼近基體，有效地增強了附着力，簡化了大量的鍍前清洗工作。

離子鍍由於是利用高能離子轟擊工件表面，使大量的電能在工件表面轉換成熱能，從而促進了表層組織的擴散作用和化學反應。然而，整個工件，特別是工件心部並未受到高温的影響。因此這種鍍膜工藝的應用範圍較廣，受到的侷限性則較小。通常，各種金屬、合金以及某些合成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點材料等均可鍍復。即可在金屬工件上鍍非金屬或金屬，也可在非金屬上鍍金屬或非金屬，甚至可鍍塑料、橡膠、石英、陶瓷等。

在現代飛機、航空發動機或航空儀表中，特別是在航宇器，如宇宙飛船、人造衞星中，有不少旋轉零件都要求有良好的潤滑，但往往由於封存過久、環境温度過高或太空揮發等原因，普通油脂潤滑劑已不再適用，從而提出以固體潤滑劑代替。試驗表明，用離子鍍來製作固體潤滑膜，比現有其他方法為優。不但附着力強，鍍層又薄又勻，不影響零件的尺寸精度和公差配合。經濟性也好，少許潤滑材料即可鍍很大面積。潤滑膜的質量也較好，摩擦係數小，使用壽命也長。例如有一個人造衞星上的精密軸承，未鍍前工作壽命僅為幾分鐘，根本無法使用；但是經離子鍍固體潤滑膜後，則可在飛行中可靠地工作數千小時之久。離子鍍不僅能夠鍍許多種常温固體潤滑材料，而且還能鍍復各種高温固體潤滑材料，有的甚至可以在攝氏八百度以上的高温下發揮良好的潤滑作用。可鍍的固體潤滑材料有銀、金、銅、鉛、鉛錫合金、氟化物等。

航空零件，特別是許多發動機零件往往需要在高温下工作。例如渦輪葉片及導向葉片工作温度通常在攝氏一千度左右，有的甚至達攝氏一千四百度。神話小説《西遊記》裏孫悟空被太上老君放在爐內燒煉時，恐怕也達不到這麼高的温度吧。現代航空發動機零件在這樣高的温度下工作，僅僅依賴零件基體材料本身的性能是很難滿足要求的。那麼，發動機零件怎樣才能不怕高温燒蝕呢？目前除在零件結構上採取措施（如採用空心冷卻葉片、發散冷卻葉片等）以外，大都需用耐熱鍍層進行保護。離子鍍對於沉積耐熱膜有相當多的優點，能鍍各種高熔點材料，如氧化鋁、氧化硅、氧化鈹、鉿合金等。合金鍍層的成份也比較容易控制，適合於鍍成分較複雜的耐熱合金，如鐵鉻鋁釔，鈷鉻鋁釔或鎳鉻鋁釔合金等。

目前渦輪葉片是試圖採用離子鍍耐熱鍍層的主要對象。據悉，有一種葉片用此法鍍復一種鎳鉻鋁釔合金後，其高温工作壽命比鍍鋁提高了三倍。適於採用離子鍍耐熱鍍層的發動機零件還有渦輪盤、氣缸活塞零件等。有些零件經過這種先進工藝處理後，可在高温下工作上千小時。

金屬零件是要鏽蝕的，但如果零件上鍍有一層防蝕鍍層，就能防止零件生鏽。由於離子鍍所獲得的鍍層緻密度高，針孔少，耐腐蝕性能好，並能沉積許多其他工藝至今不能沉積的優良防腐蝕鍍層。因此，離子鍍目前在鍍防腐蝕材料方面應用最廣。如水上飛機的壁板及其他外表零件，可用此法鍍復防止鹽霧和海水腐蝕的防蝕鍍層；與鋁合金零件相配合的其他材料零件也可用此法鍍鋁，以防止電位差腐蝕。此外，隨着飛機飛行速度和高度的提高以及宇宙探索的進展，鈦合金的應用越來越多，如果仍像鋁合金零件那樣採用鍍鎘防腐蝕，使用中就有鎘脆的危險；但如若鍍以三氧化二鋁，則能完全滿足要求。不過電鍍等工藝是無法鍍這種材料的。離子鍍卻能大顯神通。到目前為止，適合於用離子鍍的防蝕材料除氧化鋁以外，還有鉻、鈦、鉭、不鏽鋼等。所鍍的航空零件有螺釘、螺帽、鉚釘、銷釘、導管、接頭、陀螺轉子、精密齒輪、金屬密封環等。

總之，離子鍍在航空工業及其他部門的應用潛力是很大的，除以上幾種以外，還有許多，比如鍍導電膜、硬化膜、裝飾膜以及用於精密焊接、精微密封、表面修補等。

離子鍍工藝是近十多年才發展起來的一項新技術，具有一定獨特優點，有可能解決若干過去難於克服的生產關鍵，因此有較大的應用潛力。但是，由於出現的時間還不長，尚有許多有待解決的技術關鍵，諸如鍍層厚度控制、工件非鍍表面的屏蔽等都有待進一步實驗。其次是設備容量小，大型零件難鍍，投資大。我們相信，隨着對這種技術的進一步研究，離子鍍將會得到逐步完善和發展，也會在航空工業部門中得到充分的應用和推廣。