温度对氮离子等离子体源离子注入N-PSIITi6Al4V表面改性影响

132真空科学与技术学报CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY 第41卷第2期2021年2月表面预处理对钛合金表面低温等离子体氮化的影响李金龙 滕 越 张开策 郭媛媛 吕 哲 王亚男 周艳文* * 李春福*(辽宁科技大学材料与冶金学院表面工程研究所应用技术学院 鞍山 H4051)收稿日期:2020-04-28基金项目：国家自然科学基金项目(51972155 .51702145)；辽宁省科技厅项目(SKI.MEA-USTL-201709)；辽宁科技大学产业技术研究院重大应用项目(601012431-10)* 联系人:E-mail : zhouyanwen 1966@ 163. com ； 151****0300® 163. coniSurface Modification of TC4Ti-Alloy by Acid/PIasma Etching and by Low Temperature Plasma NitridingLI Jinlong,TENG Yue ,ZHANG Kaice ,GUO Yuanyuan ,LV Zhe ,WANG Yanan,ZHOU Yanwen ,LI Chunfu(Surface Engineering Institute , School oj' Materials and Metallurgy , School (才 Applied Technology ,University of Science and Technology Liaoning , Anshan 114051 , China )Abstract The surfaces of TC4 Ti-alloy ,an advanced functional material in high-tech industries , were modifiedby acid/plasma etching and by hot-filament enhanced low-temperature plasma nitriding. The influence of the acid/plasma etching on the microstructures , in t erfacial adhesion and tribological properties of nitrided TC4 Ti-alloy was investigated with X-ray diffraction , scanning electron microscope , energy dispersive spectroscopy and conventionalmechanical probes. The results show that the acid/plasma etching had a major impact. Specifically , the acid/plasma etching significantly improved the surface cleanliness , removed the oxide/passivation layer, increased the surfaceroughness and thickness of nitrided layer , activated the surface reaction , promoted the formation of N-containing sol ­id solution and enhanced the in t erfacial adhesion. Most importa n tly , the 10 jxm nitrided layer, on the TC4 alloy pre- etched by acid/plasma , exhibited a micro-hardness of 691 HV and a wear-rate 84% lower than that of TC4 Ti-alloy.Keywords Titanium alloy , lx )w temperature plasma nitriding , Pickling and plasma cleaning,Tribology , Hard-ness摘要 为提高TC4钛合金表面摩擦学性能，探究酸洗及等离子体预处理对TC4钛合金表面低温等离子体氮化进程的影 响,首先采用热丝增强等离子体氮化系统分别对表面酸洗及未酸洗TC4钛合金在氧气气氛下进行等离子体预处理，然后对 各种表面预处理的TC4钛合金实施低温(500^)等离子体氮化 采用扫描电子显微镜、能谱仪及X 射线衍射仪分别分析了试 样的截面形貌、氮势分布和物相组成;采用显微硬度计、摩擦磨损仪和轮廓仪测试氮化后TC4钛合金表面的显微硬度、磨痕曲线和摩擦系数，并计算了磨损量。

离子注入技术在材料改性中的应用离子注入技术是一种利用高速离子束对材料表面进行改性的加工工艺。

它通过将离子束注入材料表面，改变其化学、物理、电学性质，从而提高材料的性能。

离子注入技术可以用于改性半导体材料、金属材料、陶瓷材料、高分子材料等各种类型的材料，是一种非常高效的材料改性工艺。

1.离子注入技术原理离子注入技术的原理是利用高速离子束撞击材料表面，使其表面产生离子束注入区域。

依据离子注入的深度和离子注入的种类，可以改变材料的化学成分、晶体结构、微观形貌等多个方面。

离子注入的深度主要由离子能量、离子种类和材料类型等因素决定。

离子能量越高，得到的注入深度就越深。

离子种类不同，在注入深度和注入量等方面也会不同。

不同种类的材料对离子注入的反应也不同，其注入深度和注入量会对材料的性质产生影响。

因此，在进行离子注入的时候，需要权衡不同因素，选择合适的参数进行加工。

2.离子注入技术应用离子注入技术的应用非常广泛，可以在多个领域进行应用。

1）半导体材料改性：离子注入技术可以用来改性半导体材料，通过注入不同种类的离子，可以形成不同的掺杂层结构，从而改变半导体材料的电学性能。

例如，通过注入硼离子可以改变硅晶片的导电性能，使其成为 p 型半导体材料，提高其电子流速度；通过注入磷离子可以制备出 n 型半导体材料等，从而实现半导体材料的性能调控。

2）金属材料改性：离子注入技术也可以应用在金属材料改性上，例如，使用氮离子注入来增加钛材料的硬度、耐磨性和耐蚀性；使用碳离子注入来提高铝材料的疲劳强度、耐磨性和耐蚀性等。

3）陶瓷材料改性：离子注入技术可以用来改性陶瓷材料，通过注入不同种类的离子和控制注入深度，可以改变陶瓷材料的物理和化学性质，例如，使用氮离子注入来改善氮化硅陶瓷材料的力学性能和抗氧化性能等。

4）高分子材料改性：离子注入技术可以用来改性高分子材料，例如，使用氮离子注入来改善聚四氟乙烯的表面润湿性和降低表面摩擦系数；使用氧离子注入来产生羟基和羧基等官能团，从而提高高分子材料的光学路径和化学反应能力。

氮离子注入表面改性PBO薄膜及其性能涂先兵;徐雨强;林家豪;季已捷;庄启昕【摘要】利用70 keV能量的氮离子对聚苯并二噁唑(PBO)薄膜进行常温下离子注入表面改性,注入剂量(每平方厘米注入的氮离子数)从1×1015 N+/cm2到5×1016 N+/cm2.采用红外(FT-IR)、拉曼(Raman)、光电子能谱(XPS)及原子力显微镜(AFM)对其表面结构、组成及形貌进行了表征.研究了氮离子注入剂量对PBO 薄膜表面结构与性能的影响.结果表明:注入氮离子后,薄膜表面发生化学键的断裂和交联,近表面区域发生碳化.随氮离子注入剂量的增加,表面粗糙度增加,表面接触角从93°降低到60°,表面润湿性提高了35％,电导率提高到5.7×10-9 S/cm,比纯PBO 薄膜增加了3个数量级.【期刊名称】《功能高分子学报》【年(卷),期】2016(029)002【总页数】7页(P220-226)【关键词】聚苯并二噁唑;离子注入;接触角;电导率【作者】涂先兵;徐雨强;林家豪;季已捷;庄启昕【作者单位】华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】O63目前，聚合物的表面改性方法主要有等离子体处理、偶联剂处理、化学试剂处理等。

等离子体处理时间短、效率高，对材料损伤较小，不足之处在于处理效果会随时间延长而减弱；偶联剂处理可引入极性基团与材料表面反应，增加表面反应活性，但不利于高温条件下应用；化学试剂处理能够增加表面自由能，提高表面润湿性，同时容易引入杂质影响主体结构。

摘要:等离子浸没离子注入技术是一种新型的离子注入技术，有着自己独特的优点，目前已成为热点研究领域，其主要应用于对材料表面处理以提高其磨损性能。

本文简要阐述了等离子体浸没离子注入技术，并就其在表面改性领域中的广泛应用进行了分析与探究。

关键词:等离子体浸没与注入应用技术1等离子体浸没离子注入技术等离子体俗称物质存在的第四态，是指在一定强度的电场作用下，气体中的原子受到激发，内部带点粒子发生加速运动相互碰撞后进行能量传递，最后电离放电而形成的一种物质。

等离子体在常规条件下是不可能产生的，必须在特殊条件下才能形成。

而等离子体注入，就是等离子体的一种应用领域，也是目前运用比较多的一种表面改性处理技术，是通过向基体注入外来离子而改变基体材料表面组成成分以及结构，达到改变基体材料各种性能的目的。

等离子体浸没离子注入英文简称为PIII，其设备由等离子体源、脉冲电源、真空室以及真空泵四大部门组成。

将样品置入实验真空室内，并安装在特定需要的位置，当真空抽至所需要求时，将工作气体通入真空室内，通过射频耦合等多种方式将通入的气体电离成等离子体。

由于等离子体在真空室内处于弥漫状态，因此可以达到样品完全浸没气体的目的。

向样品表面施加负脉冲偏压，等离子体在负偏压的电场作用下，电子向真空室壁运动，正离子向样品表面停留，便形成了一层厚度较厚的正离子鞘层。

此时，正离子在电场作用下获得能力，垂直入射到样品表面，达到了样品表面注入离子的目的。

与传统的离子注入技术相比，PIII有着独特的优点。

在实验过程中不需要旋转样品，因为在真空室内形成的等离子是属于弥漫型，能达到360°浸没与注入的效果；可以加工形状复杂的样品；所加偏压高，足以满足正离子注入样品表面，与原有粒子发生结合形成新的金相组织结构，既能保持样品材料原有性能、表面光洁度和尺寸，又能以改变这种材料表面的物理，化学及机械性能。

2等离子体浸没离子注入技术的应用1987年，rad教授在美国提出了PIII技术，运用至今，已有多年历史，并是当前表面改性的热点，以其设备简单、效率高、成本低的特点广泛应用于各种领域。

离子注入技术在材料表面改性中的应用及研究进展作者：任洪涛来源：《科学导报·学术》2020年第24期摘要：离子注入技术是在固体中引入掺杂剂离子的一种材料改性方法，它能有效改善材料的表面性能。

本文分析了离子注入技术在材料表面改性中的应用及发展趋势。

关键词：离子注入;表面改性;发展趋势离子注入技术是通过加高电压将工件（金属、合金、陶瓷等）放入离子注入机的真空靶室中，将所需元素的离子注入工件表面的过程。

离子注入后，在材料表层增加注入元素及辐照损伤，以使材料的物理化学性能发生显著变化。

一、离子注入技术的应用1、离子注入金属材料。

带MEVVA（金属蒸汽真空弧）源的金属离子注入机的出现，克服了金属熔点高，难以气化及难获得强金属离子束流的缺陷，它不仅能提供Ti、V、Ni等多种离子束，还能通过采用化合物与合金弧光放电阴极材料产生各种高能量复合离子束，使金属离子注入深度超过离子射程所能达到的深度。

因此，高能金属离子注入材料表面后将通过替位原子固溶强化、位错强化、替位原子与间隙原子对强化、细晶强化、辐射相变强化、结构差异强化、溅射强化和自润滑机理提高材料的表面耐磨性。

有学者使用MEVVA离子源注入机把102 keV的Co、Ti离子在不同剂量下分别注入H13钢表面的研究表明，金属离子注入能使钢表面硬度提高15%～50%。

基底抗磨特性明显改善。

在较高注入剂量下，钢表面摩擦系数下降65%，磨损率降低50%。

韧性与弹性提高，使其具有良好的自修复能力。

同时，把Ti、Mo、Co和V离子在相同参数下分别注入钻头表面，发现几种金属离子注入均使钻头表面硬度显著提高，红硬性与钻削效率更好。

其中，V离子注入效果最明显，在较低注入量下就可明显延长钻头使用寿命，提高生产效率。

此外，在Zr+、V+注入Al，其表层形成DO23-A13Zr、L12-A12Zr、A110V和Al3V等化合物，使Al表面硬度和彈性模量明显提高，抗磨性变好。

Sb在Al中溶解度小于0.1at%，在很低注入剂量时就能吸出A1Sb第二相，提高材料的耐磨性与抗氧化性。

第21卷第2期装备环境工程2024年2月EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING·73·不同离子注入工艺对45CrMoVE结构钢性能影响研究李奎*，彭文雅，李钢，赵宇，王影（中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002）摘要：目的通过分析不同元素离子注入对结构钢耐腐蚀能力及力学性能的影响，筛选出最佳注入元素，以改善45CrMoVE结构钢的表面组成，提高其耐腐蚀性能。

方法基于前期研究工艺，开展Mo、Co、Ta、Ti 等离子注入技术研究。

将注入离子后的结构钢试样放入NaCl溶液中，分析不同元素离子注入对结构钢腐蚀电位的影响，结合盐雾腐蚀试验，研究不同离子注入对结构钢耐腐蚀性能的影响，同时结合X射线衍射技术和力学性能测试，对结构钢试样表面层的物相进行分析，研究离子注入对结构钢力学性能的影响。

结果氯化钠溶液在注入Mo离子后的自然腐蚀电位最高、最正，当基体材料中注入的Mo剂量为3×1017 atoms/cm2时，腐蚀电位接近0.5 V，腐蚀电流最小。

注入Mo离子后，试片的耐盐雾腐蚀性能最好。

Mo离子与结构钢中的C原子相结合，在结构钢表面层形成较多的MoC和Mo2C等碳化物，提高了结构钢的耐腐蚀性能。

离子注入层厚度尺寸小，注入离子后基本不改变基体材料的表面形貌和宏观力学性能。

结论离子注入能够有效改善结构钢的耐腐蚀性能，对于45CrMoVE结构钢试样，当注入3×1017 atoms/cm2剂量的Mo离子、注入能量为130 keV时，离子注入对45CrMoVE结构钢耐腐蚀能力的改善效果最佳。

关键词：45CrMoVE结构钢；离子注入；腐蚀电位；耐腐蚀性；界面组织；力学性能中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：1672-9242(2024)02-0073-08DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2024.02.010Effects of Different Implantation Processes on Properties of45CrMoVE Structural SteelLI Kui, PENG Wenya, LI Gang, ZHAO Yu, WANG Ying(AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute, Hunan Zhuzhou 412002, China)ABSTRACT: The work aims to select the best injected elements by analyzing the effect of different ion implantation on the corrosion resistance and mechanical properties of the structural steel to improve the surface composition and corrosion resis-tance of 45CrMoVE structural steel. Based on the previous research process, the study of Mo, Co, Ta and Ti ion implantation technology was carried out. The structural steel samples with ion implantation were put into NaCl solution to analyze the effect of ion implantation of different elements on the corrosion potential of structural steel. Combined with the salt spray corrosion test, the effect of different ion implantation on the corrosion resistance of structural steel was studied. The phase of the surface收稿日期：2023-08-31；修订日期：2023-12-13Received：2023-08-31；Revised：2023-12-13引文格式：李奎, 彭文雅, 李钢, 等. 不同离子注入工艺对45CrMoVE结构钢性能影响研究[J]. 装备环境工程, 2024, 21(2): 73-80.LI Kui, PENG Wenya, LI Gang, et al.Effects of Different Implantation Processes on Properties of 45CrMoVE Structural Steel[J]. Equipment Environmental Engineering, 2024, 21(2): 73-80.*通信作者（Corresponding author）·74·装备环境工程 2024年2月layer of structural steel samples was analyzed by X-ray diffraction technique as well. Mechanical properties of structural steel after ion implantation were investigated by mechanical properties test. After Mo ions were injected into NaCl solution, the natu-ral corrosion potential and pitting potential were the highest and most positive. When the structural steel was injected with Mo ions for 3×1017 atoms/cm2, the corrosion potential was close to 0.5 V and the corrosion current was the minimum. After implan-tation of Mo ions, the test piece had the best salt spray corrosion resistance. Mo ion combined with C atom in structural steel to form more carbides such as MoC and Mo2C on the surface layer of structural steel, which improved the corrosion resistance of structural steel. Due to the small thickness of the ion implantation layer, the surface morphology and macroscopic mechanical properties of the structural steel were basically unchanged after ion implantation. Ion implantation can effectively improve the corrosion resistance of 45CrMoVE structural steel. While Mo ions are injected with 3×1017 atoms/cm2 and the implantation en-ergy is 130 keV, the corrosion resistance of 45CrMoVE structural steel is the best.KEY WORDS: 45CrMoVE structural steel; ion implantation; corrosion potential; corrosion resistance; interfacial microstruc-ture; mechanical property针对航空发动机复杂的服役环境，零件材料面临着环境腐蚀问题，尤其在高湿、高盐的海洋环境下，材料的腐蚀问题尤其明显[1-3]。

34 集成电路应用 第 36 卷 第 7 期（总第 310 期）2019 年 7 月Process and Fabrication工艺与制造1 引言随着半导体技术的发展，对集成度的要求也越来越高，BCD （Bipolar CMOS DMOS ）工艺的发展随之越来越快，BCD 工艺是将 Bipolar （双极结型晶体管）、CMOS （互补 MOS 晶体管）、DMOS （双扩散 MOS 晶体管）集成在单芯片上的工艺技术。

通常 BCD 工艺是基于 CMOS 工艺开发的，在传统的 CMOS 工艺上结合外延技术及相应的纵向隔离，增加 1～2 步注入即可实现多种耐压的 DMOS 及常用的双极结型晶体管。

其中双极结型晶体管由两个 PN 结构成。

一个 PN 结称为发射结，发射区的形成在 BCD 工艺中一般是通过 CMOS 的源漏离子注入工艺来实现的。

另一个称为集电结，两个结之间的薄层半导体材料称为基区。

NPN 晶体管在应用时，发射结处于正向偏置，集电极处于反向偏置，电子从发射区注入基区，注入的电子扩散迁移到集电极形成集电极电流[1]，极少量的少数载流子在基区复合而形成基极电流。

集电极电流与基极电流之比称为共发射极电流放大系数，也称共发射极电流增益。

双极晶体管共射极电流增益是表征双极晶体管放大器性能的一个重要的参数，发射极注入效率是决定双极结型晶体管电流增益的重要因素,影响发射效率的因素很多这方面的文章也很多，比如发射极浓度，发射极的版图等。

本文研究了 NPN 晶体管发射极形成过程中离子注入温度与发射极注入效率的关系。

2 实验方法NPN 晶体管结构简图如图 1，其中发射极是通过 BCD 工艺的源漏的砷（As ）离子注入实现的，具体工艺工程如下。

（1）光刻：先在硅晶圆上进行光刻涂胶，露光，形成发射区的窗口。

（2）砷（As ）离子注入，注入剂量大于1E15（离子注入机台：昆腾、GSD200）。

基金项目：上海市经济和信息化委员会软件和集成电路产业发展专项基金（1500223）。