CN1038262C - 脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法，该方法使用常规的受控核聚变产生等离子体装置，样品放在真空室内对着等离子体枪口处，在真空室内真空度达10-1-10-3帕，等离子枪电极上施加1.5-100kv电压，充电后一部分能量释放快速脉冲进气阀动作，工作气体通过等离子体枪被击穿形成等离子体束，经被加热和加速并携带电极材料和等离子体束流作用在被处理材料表面，该方法实现气固共掺入被处理材料表面，改变材料性能。
Description
本发明属于等离子体的应用领域，特别是脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法。
目前世界上用于材料表面改性的处理方法有：
A.将激光束或电子束的能量瞬间作用于材料表面，使材料表面急剧升温，作用结束后，借助材料基体的自淬火，使表面急剧冷却，冷速可达10-3～10-8K/S。这种快速淬火效应使材料表面得到改性。
B.利用离子束的特性，可以进行离子注入和离子辅助镀膜。制出在正常相平衡范围以外的材料，并产生表面改性。
与已有技术有关的文献：
1.《激光束、离子束和电子束的表面改性和表面合金化》
(Snface Modification and Alloying by Laser，Ion，and
Electron Beams，edited by J.M Poate，G.Foti，D.C.
Jacobson，Plenum Press，New York，1983)
2.《表面改性技术—工程师指南》(范玉殿等译)
(Surface Modification technologies，an engineer′s guide，
edited by T.S.Sudarshan Marcel Dekker，Lne，1989)
上述的各种用于材料表面改性的处理方法存在着以下缺点：
A.文献[2]中的等离子体处理仅指是在等离子体的氛围中对材料表面进行的处理，该等离子体一般由辉光放电获得，能量低，等离子体的密度：108-1010cm-3，温度＜1ev。
B.激光束和电子束只是能量的载体，作用于材料表面仅具有高速淬火的效果。此外，激光的效率低，而且激光作用到材料表面时，反射率大，吸收率低，能量的利用率低；损耗大，而电子束需在高真空下产生，且束斑小；与等离子体相比，离子束的束流很低，为使离子束到达待处理物件上所需全部面积，要求复杂的操作。因此三者的成本都较高。
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，将用于受控核聚变研究的高能量密度等离子体束技术引入材料表面改性领域，从而提供了一种用于材料表面改性的脉冲高能量密度等离子体处理方法，由于此时的等离子体束既是能量的载体，又是物质的载体，因此脉冲高能量密度等离子体束用于材料表面改性，除了具有激光束和电子束的快速加热快速冷却的热效应外，还可兼有等离子体气相沉积和表面元素掺入的效应，使用不同的等离子体源及电极材料和工作气体，即可以有个别的效应，也可有复合效应。
该目的并可提高能量利用率，降低材料表面改性的成本，达到一机多用。
本发明的目的是这样实现的：
本发明将用于受控核聚变研究中的高能量密度等离子体束技术引入材料表面改性领域。
本发明用的材料表面处理的脉冲高能量密度等离子体的装置由等离子体源，储能及充放电控制部分，快速脉冲进气阀，真空部分和样品夹持架五大部分组成的通用设备。等离子源(即等离子体枪)用于产生脉冲高能量等离子体。本发明采用的等离子体源有两种，即a.同轴等离子体枪，b.平板等离子体枪；储能及充放电控制部分用于控制储存能量及已到达予定值的储能器件冲放电；快速脉冲进气阀为使工作气体进入等离子体枪体的控制阀；真空部分用于对工作***抽真空；样品夹持架由步进电机控制用于夹持被处理的材料，它可使样品平移和转动。
本发明的脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法是使用常规的受控核聚变产生等离子体束的装置，把被处理的样品用夹持架夹住，放在真空室内对着等离子体枪口处，等离子体枪由两同轴电极或两平板电极做成，将真空室抽真空至10-1-10-3帕，然后在两电极上施加电压达1.5kv-100kv，充电后一部分能量释放使快速脉冲进气阀动作，工作气体快速通过等离子体枪被击穿，电流放电频率f＝0.01-1Hz，脉冲宽度τ＝10-104μs，形成等离子体束，并被加热和加速，成为携带电极材料的束流，以定向速度v＝10-1000km/s和密度n＝1013-1019cm-3，温度Te＝10ev-5kev的等离子体作用在被处理材料样品的表面。
所述的两同轴电极或平板电极材料是金属钛或石墨；所述的工作气体为氨气或氩气；所述的快速脉冲进气阀的电压Vpoff＝1.5kv-3kv；气库压力Pt＝0.02 MPa～2 MPa。
本发明有如下优点：
1.实现气固元素共掺，利用所要求掺入的固体材料作电极，在较大的枪电流下，通过等离子体的溅射，可实现气固元素共掺，进入材料表面。轰击后掺入的不同元素对材料表面性能有不同的影响。
2.既有激光束及电子束高速淬火效应，又有离子束元素掺入效应和等离子体气相沉积效应。
3.比离子注入装置离子束流强高103～6倍。
4.材料经脉冲等离子体束轰击后，其机械性能加强。
下面结合具体实施方案进行详细说明。
图1(A)是原始样品与被处理后的样品材料表面硬度随放电电压的变化曲线。
图1(B)是原始样品与被处理后的样品材料表面硬度随轰击次数变化的曲线。
图2(A)是类金刚石膜的激光拉曼散射谱图。
图2(B)是钢基底上类金刚石及碳化钛混合膜的俄歇深度谱。
实施例1
选用内电极为钛电极，外电极为石墨电极做的同轴电极，选用CrMoNi冷激铸铁作为被处理的材料，材料尺寸为25×100mm，材料表面抛光，原始材料的显微硬度为HV50 746(参照ASTM标准)，将被处理的冷激铸铁经丙酮超声清洗后用夹持材料的夹持架夹住，放入真空室内，枪口对着材料，并与材料表面的距离是260mm，真空室抽真空到真空度为Pv＝10-3Pa，气库压力Pt＝0.1MPa，调整工作电路中的参数，通过充电将能量存储于储能器，快速脉冲进气阀的控制电压为Vpoff＝2.0kv，工作气体为氮气，部分储能器放电，控制快速脉冲进气阀，使进气阀打开，氮气由枪末端喷入同轴等离子体枪体内，并使枪体和被处理的材料处于氮气的氛围内，另一部分储能器电容为欠阻尼状态，通过枪体的内外电极放电，内外电极的工作枪压为Vgun＝20kv，在较大的枪电流下，电流脉冲宽度＝60μs，放电频率f＝0.01Hz，将进入枪体内的氮气击穿，形成等离子体并将等离子体加热加速，成为脉冲高能量密度等离子体，等离子体的密度n＝1019cm-3，温度为Te＝15ev，定向速度V＝1000km/s，等离子体在枪膛中运动的同时，使等离子体枪中内外电极材料钛溅射出来，实现气(等离子体)、固元素共掺，并携其一起运动，变速、变温且夹杂着电极材料的等离子体喷出枪口，作用和进入被处理的材料表面，轰击50次，在其表面的沉积一层平整光滑与基体结合良好的含金属钛的薄膜，实现了材料的改性。
处理方法如前所述，材料经脉冲轰击后，冷激铸铁材料表面的显微硬度都提高了35％-85％见附图1(B)。材料的改性表层中有氮化新相生成，而且经磨损试验可知，材料表面受处理后，比原始材料减摩耐磨。
实施例2
轰击次数20次
Vgun为35KV，其他工作条件、工作气体、被处理的材料等与实施例1相同。
处理方法如前所述，样品表面经处理后，其表面微硬度都得到了不同程度的提高。见附图1(A)。
实施例3
选用具有5KV同轴等离子体源的常规受控核聚变产生等离子体束的装置，它的内外电极都是石墨电极，选用(CH4+H2)气体作为工作气体，选用单晶硅作为处理材料，表面抛光，经丙酮清洗，将材料放入真空室，枪口与材料表面间的距离是140mm，处理条件如下：
Vgun＝2.5KV，Vpuff＝2.0KV，τ＝60us，f＝0.01HZ
Pt＝0.12MPa，Pv＝10-3Pa
处理方法如上所述，材料经150次轰击后，在其表面沉积了一平整光滑与基体结合良好的薄膜，由膜的激光Raman散射光谱可知，该薄膜是类金刚石膜或非晶碳氢膜(a-C：H膜)，见附图2(A)。
实施例4
选用具有50KV同轴等离子体源的常规受控核聚变产生等离子体束的装置，它的内电极为钛电极，外电极为石墨电极，选用氩气(Ar)作为工作气体，选用表面经抛光清洗的单晶硅片作为基体材料。调整工作电路中的电路参数，使电容器放电为欠阻尼状态，使内外电极的材料都得到溅射。枪口与材料表面间的距离为200mm，处理条件如下：
Vgun＝30KV，Vpuff＝2.0KV，τ＝120us，f＝0.01HZ
Pt＝0.1MPa，Pv＝10-3Pa
处理方法如上所述，材料经50次轰击后，在其表面沉积了一平整光滑与基体结合良好的，含金属钛的碳膜，见附图2(B)
实施例5
选用具有5KV平板枪作为等离子体源的常规受控核聚变产生等离子体束的装置，它的平板电极材料为金属钛，选用氩气(Ar)作为工作气体，选用表面经抛光清洗的单晶硅片作为基体材料。处理过程在大气中进行，在平板放电前，先控制电磁进气阀打开，由枪末端充入工作气体，使平板枪和改性样品处于工作气体的氛围当中，然后再触发平板枪放电，轰击样品。样品放在平板枪的出口端。处理条件如下：
Vgun＝3.0KV，Pt＝2kgf/cm，τ＝60us，f＝0.01HZ
轰击次数为：30次
处理后的样品表面沉积了一层均匀细密的金属钛膜。
Claims (3)
1.一种脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理方法，使用常规的受控核聚变产生等离子体束的装置，把被处理的样品用夹持架夹住，放在真空室内对着等离子体枪口处，等离子体枪由两同轴电极或两平板电极做成，将真空室抽真空至10-1-10-3帕，然后在两电极上施加电压达1.5kv-100kv，充电后一部分能量释放使快速脉冲进气阀动作，工作气体快速通过等离子体枪被击穿，电流放电频率f＝0.01-1 Hz脉冲宽度τ＝10-104μs，形成等离子体束，并被加热和加速，成为携带电极材料的束流，以定向速度v＝10-1000kv/s和密度n＝1013-1019cm-3，温度Te＝10ev-5kev的等离子体作用在被处理材料样品的表面。
2.按权利要求1所述的脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法，其特征在于工作气体为氮气或氩气。
3.按权利要求1所述的脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法，其特征在于所述的两同轴电极或平板电极材料是金属钛或石墨。
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