管筒內(nèi)壁自激射頻放電等離子體浸沒離子注入方法研究.pdf

1、為了提高管筒狀零部件的性能和使用壽命，人們常采用表面改性技術(shù)。離子注入做為一種有效的表面改性手段一直受到人們的重視，但對于細(xì)管筒內(nèi)表面的處理均勻性無能為力。本文以管筒內(nèi)部等離子體產(chǎn)生與內(nèi)壁離子注入為目標(biāo)，提出了管筒內(nèi)壁自激射頻放電離子注入技術(shù)。利用管筒自身激勵等離子體，隨后在管筒上施加高壓脈沖，實(shí)現(xiàn)管筒內(nèi)壁離子注入的方法。本文從電源系統(tǒng)研制、射頻激勵管內(nèi)等離子體均勻性、管筒內(nèi)等離子體注入鞘層動力學(xué)、管筒內(nèi)壁自激射頻輝光放電PIII實(shí)驗(yàn)和

2、改性層均勻性等方面展開研究，以其揭示自激射頻放電用于管筒工件內(nèi)表面改性的等離子體激勵特性、物理過程以及注入動力學(xué)，從而為實(shí)際的管筒內(nèi)表面離子注入技術(shù)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　高壓與射頻同時連接到管筒上是本文研究硬件設(shè)計的重中之重，為此本文研制了高壓與射頻耦合電源系統(tǒng)，解決的核心問題是高壓電路系統(tǒng)中不允許串入射頻，擊穿器件和傷人；同時射頻電路中也不能串入高壓，引起器件擊穿、失效。通過調(diào)節(jié)高壓和射頻脈沖的時序關(guān)系，可以獲得高壓自輝光放

3、電離子注入和PIII過程。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單射頻脈沖/高壓注入和多射頻脈沖/高壓注入多種輸出模式。
　　管筒自源等離子體激勵（沒有耦合高壓脈沖，僅連續(xù)或脈沖射頻輸入）放電規(guī)律的研究表明：管筒內(nèi)部能夠獲得高密度且相對均勻（軸向±75mm范圍內(nèi)不均勻度低于15﹪）的等離子體。提高射頻功率，可以增加等離子體密度，但其分布均勻性下降；改變工作氣壓，等離子體密度的變化不明顯，分布均勻性略有提高；管筒兩端采用擋板后，管內(nèi)等離子體密度急劇下降，且

4、分布均勻性也會大大降低；管徑的增加會提高其均勻性，但管長變化對其均勻性影響較小。等離子體離子密度在管內(nèi)徑向分布為中心地電極處密度高，而管壁處密度低。高頻RF脈沖模式下的管內(nèi)等離子體I-V特性與連續(xù)RF模式相似，而頻率較低時，管內(nèi)密度值較低，且呈現(xiàn)出與所加RF脈沖同步的周期性變化。
　　針對具有一定非均勻度的等離子體，利用二維等離子體粒子模型系統(tǒng)研究了管筒內(nèi)表面離子注入的動力學(xué)行為，主要研究了非均勻等離子體對等離子體鞘層在管筒內(nèi)的時

5、空演化過程，以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)對注入劑量均勻性的影響規(guī)律和物理機(jī)制。離子的運(yùn)動軌跡表明管口處的離子大部分集中注入到管筒內(nèi)表面的端部，管內(nèi)離子運(yùn)動軌跡基本為垂直管壁注入。通過對非均勻等離子體鞘層電位和鞘層內(nèi)等離子體密度時空演化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)：注入劑量的分布均呈中間均勻，管口上部出現(xiàn)峰值，而在管口端部最低的趨勢。增加管筒直徑或增加等離子體密度以及降低注入電壓均有利于提高劑量均勻性。而管筒長度的增加對劑量分布沒有影響。
　　采用高壓/射頻直接

6、耦合工作模式，對不銹鋼管筒內(nèi)表面成功實(shí)現(xiàn)了氮離子注入。注氮處理后試樣的XPS譜顯示試樣中含有氮元素，表明在不銹鋼管筒內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)了氮離子注入。管筒軸向位置氮元素的含量和深度分布表明軸向位置僅管口兩端附近氮含量高，其余位置的含量相差不大，且不同位置氮注入深度基本相同，綜合起來氮注入的軸向均勻性較好。注氮處理有效提高了管筒中心點(diǎn)的耐摩擦磨損性能和耐腐蝕性能。獲得的管筒試樣耐摩擦磨損和耐腐蝕性能的軸向均勻性也較好。成功實(shí)現(xiàn)了Ф30mm×200m