一种超声辅助离子注入的装置及加工方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声辅助离子注入的装置及其加工方法，该装置包括离子源（1）和注入真空腔体（6），在两者之间依次设有加速真空腔体（2）、磁分析系统（3）、插板阀（4），加速真空腔体（2）使离子束获得高速运动、磁分析系统（3）获得注入离子束、插板阀（4）用于控制注入离子束进入注入真空腔体（6）内；在注入真空腔体（6）内设置有正对离子注入方向的金属试样（5），且在金属试样（5）的背侧设有能够对金属试样（5）进行超声软化处理的超声波发生器（7）。加工时，先对金属试样进行超声软化处理，离子注入时、保持超声软化处理。本发明专利技术能够将金属试样的离子注入平均深度提高10nm

【技术实现步骤摘要】
一种超声辅助离子注入的装置及加工方法


[0001]本专利技术涉及金属材料表面改性
，具体地说是一种超声辅助离子注入的装置及加工方法。

技术介绍

[0002]众所周知，金属材料的轻量化技术依旧将“合适的材料用在合适的地方”，提高材料利用率、用最少的材料保证应该满足的性能放在首要地位。新材料的应用层出不穷，结构多材料的应用解决轻量化问题有着不可取代的绝对优势。从高强钢到第三代高强钢、铝合金、泡沫材料、工程塑料、复合材料等轻质高强材料的认知与探索性应用，使得轻质材料被各行各业广泛应用。
[0003]随着科学技术的飞速发展，工业设备承受的交变应力越来越高，疲劳破坏问题日益突出。现代工业中的许多关键性动力设备，如发动机的涡轮转子、叶片，核压力容器和核燃烧器件等都严重地遭到疲劳的袭击。据统计，在现代工业的各个领域，大约有80%以上的结构强度破坏都是由于疲劳造成的，如轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、汽轮机叶片和焊接结构等很多机械零部件和结构件的主要破坏形式都是疲劳，提高轻质合金的疲劳性能是一项具有重大实际意义的任务。
[0004]改善抗疲劳性能的技术方法，对于促进航空航天、城市轨道交通和核工业等行业的发展尤为重要。近年来，离子注入工艺已成为研究核工业和航空航天等材料表面改性的重要技术。离子注入相较于其他表面改性技术的显著优势在于精准调节材料表层组成成分、在不破坏表层结构的同时，能够有效延长零件的疲劳寿命。
[0005]但离子注入影响层深度较浅，晶粒粗糙，导致成品质量不过关，因此近几年有关于离子注入工艺改善的方法层出不穷，但普遍集中在研究离子注入的注入剂量、束流密度的参数设置的优化上。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种超声辅助离子注入的装置及加工方法，能够利用超声波的温热效应和吸收效应，使得材料内部结构产生变化，从而增加离子注入的影响深度，进一步细化晶粒。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案解决的：一种超声辅助离子注入的装置，包括离子源和注入真空腔体，其特征在于：所述的离子源和注入真空腔体之间依次设有加速真空腔体、磁分析系统、插板阀，上述加速真空腔体用于使离子源射出的离子束获得高速运动、磁分析系统用于对获得高速运动的离子束进行加速和筛选获得注入离子束、插板阀通过调节其自身的开闭状态实现对注入离子束进入注入真空腔体的控制；在注入真空腔体内设置有正对离子注入方向的金属试样，且在金属试样的背侧设有能够对金属试样进行超声软化处理的超声波发生器。
[0008]上述加速真空腔体可选配复合分子泵抽真空；上述注入真空腔体可选配机械泵抽
真空。
[0009]上述超声辅助离子注入的装置采用超声装备与离子注入协同进行工艺强化，能够将金属试样的离子注入平均深度提高10nm
‑
10μm、残余应力提高三倍左右、振动疲劳寿命提高25%以上、晶粒尺寸细化程度提高20%以上。
[0010]所述的离子源包括金属离子源和气体离子源；离子源的离子注入电压为1KeV
‑
1MeV、注入剂量范围为10
15
‑
10
17
ions/cm2。
[0011]所述加速真空腔体的工作真空为6
×
10
‑4～1.7
×
10
‑3Pa、空载极限真空度为8
×
10
‑5Pa。
[0012]所述磁分析系统中的分析磁体分为正负两极，气体离子或金属离子经过磁分析系统时，利用离子同性相吸、异性相斥的原理，将离子中的正离子和负离子分离开来，形成正离子束作为注入离子束。
[0013]所述的磁分析系统能够筛选不同价态的离子，且磁分析系统的磁分析精度为0.5%。
[0014]所述的注入真空腔体能够使得通过插板阀的注入离子束注入到金属试样中，即注入离子束经过插板阀的放行后，进入注入真空腔体中对超声处理的金属试样进行离子注入，离子注入过程能够避免受到外界空气干扰；所述注入真空腔体的工作真空为6
×
10
‑4～1.7
×
10
‑3Pa、空载极限真空度为8
×
10
‑5Pa。
[0015]所述的注入离子束的束流密度为0.05～2mA/cm3。
[0016]所述超声波发生器的振幅为5～10um、预应力为25～50N，超声波发生器发出的高频振动作用在金属试样上，能够软化金属试样的表面硬度，进一步增大离子注入深度。
[0017]一种超声辅助离子注入的装置的加工方法，其特征在于：该加工方法的步骤为：A、对金属试样表面进行打磨和抛光，在工业酒精或无水乙醇溶液中进行超声波清洗，超声波清洗后吹干并置于真空箱中保存备用；B、将处理后的金属试样放入注入真空腔体内的工作靶上，采用抽真空系统对加速真空腔体和注入真空腔体抽真空；C、待真空计显示加速真空腔体和注入真空腔体的真空度达到指定范围6
×
10
‑4～1.7
×
10
‑3Pa时，设置离子注入参数；D、启动离子源，逐渐增加输入电压直至达到设定的离子注入电压；E、启动磁分析系统、输入注入离子的质量数，并调整输入的电流达到最大值且保持稳定；F、启动超声波发生器，使其产生的超声波对金属试样进行软化处理；G、调整注入真空腔体内的工作靶，使得注入离子束能够正对金属试样的待注入区域；H、插板阀打开，使得离子源射出的离子依次经过加速真空腔体、磁分析系统处理后形成注入离子束经打开的插板阀进入注入真空腔体并注入金属试样内；I、切断电源组件，插板阀闭合、关闭离子源和超声波发生器，然后取下超声辅助离子注入强化处理后的金属试样。
[0018]在该加工方法中，超声波发生器先对金属试样进行超声软化处理，在对金属试样进行离子注入的过程中、保持对金属试样进行超声软化处理。
[0019]在该加工方法中，超声波发生器先对金属试样进行超声软化处理的时间范围为30～180min，然后进行超声辅助离子注入的时间与注入剂量相关联。
[0020]所述步骤（A）中的超声波清洗持续时间为20～40min。
[0021]所述步骤（D）中的离子源为氩气源。
[0022]本专利技术相比现有技术有如下优点：本专利技术的装置在注入真空腔体内设置能够对金属试样进行超声软化处理的超声发生器，通过先对金属试样进行超声软化处理，然后在对金属试样进行离子注入的同时、超声发生器保持对金属试样进行超声软化处理，从而使得超声软化处理的材料能够提高离子注入的影响层深度，控制零件材料表面的残余应力在一定范围，增加零件材料表层的机械性能，提高零件材料表面的抗疲劳强度和断裂韧性，使得离子注入后的材料无须经过退火处理，从而降低离子注入的工艺成本。
附图说明
[0023]附图1为本专利技术的超声辅助离子注入的装置的结构示意图。
[0024]其中：1—离子源；2—加速真空腔体；3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声辅助离子注入的装置，包括离子源（1）和注入真空腔体（6），其特征在于：所述的离子源（1）和注入真空腔体（6）之间依次设有加速真空腔体（2）、磁分析系统（3）、插板阀（4），上述加速真空腔体（2）用于使离子源（1）射出的离子束获得高速运动、磁分析系统（3）用于对获得高速运动的离子束进行加速和筛选获得注入离子束、插板阀（4）通过调节其自身的开闭状态实现对注入离子束进入注入真空腔体（6）的控制；在注入真空腔体（6）内设置有正对离子注入方向的金属试样（5），且在金属试样（5）的背侧设有能够对金属试样（5）进行超声软化处理的超声波发生器（7）。2.根据权利要求1所述的超声辅助离子注入的装置，其特征在于：所述的离子源（1）包括金属离子源和气体离子源；离子源（1）的离子注入电压为1KeV
‑
1MeV、注入剂量范围为10
15
‑
10
17
ions/cm2。3.根据权利要求1所述的超声辅助离子注入的装置，其特征在于：所述加速真空腔体（2）的工作真空为6
×
10
‑4～1.7
×
10
‑3Pa、空载极限真空度为8
×
10
‑5Pa。4.根据权利要求1所述的超声辅助离子注入的装置，其特征在于：所述磁分析系统（3）中的分析磁体分为正负两极，气体离子或金属离子经过磁分析系统（3）时，利用离子同性相吸、异性相斥的原理，将离子中的正离子和负离子分离开来，形成正离子束作为注入离子束。5.根据权利要求1所述的超声辅助离子注入的装置，其特征在于：所述的磁分析系统（3）能够筛选不同价态的离子，且磁分析系统（3）的磁分析精度为0.5%。6.根据权利要求1所述的超声辅助离子注入的装置，其特征在于：所述的注入真空腔体（6）能够使得注入离子束注入到金属试样（5）中、并避免离子注入过程受到外界空气干扰；所述注入真空腔体（6）的工作真空为6
×
10
‑4～1.7
×
10
‑3Pa、空载极限真空度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶有俊，刘麟，王一宁，李京，董灵健，赵青，赵玉杰，张镇，曹志祥，
申请(专利权)人：江苏特检科技有限公司，
类型：发明
国别省市：