大面積等離子體源離子運動行為及均勻性控制研究.pdf

1、等離子體浸沒離子注入與沉積(PIII&D)技術能夠在復雜形狀零件表面獲得一層與基體結(jié)合強度高、均勻和致密的表面改性層,從而大幅度提高材料表面的抗摩擦磨損、耐腐蝕和接觸疲勞壽命等性能,在表面強化處理方面具有廣泛的應用前景。然而,PIII&D技術要走向工業(yè)化應用必須解決大型零件和批量處理以及零件內(nèi)表面處理這些難題,而大面積均勻等離子體的形成正是解決這些難題的關鍵。本文提出了一種基于脈沖輝光放電的大面積氣體等離子體產(chǎn)生技術和一種基于多個金屬等

2、離子體的優(yōu)化疊加的大面積金屬等離子體產(chǎn)生技術。構(gòu)建了直射疊加和繞射疊加大面積金屬等離子產(chǎn)生系統(tǒng),通過等離子體粒子模擬法研究了外部磁場對金屬等離子粒子運動行為的影響,并從理論上驗證了大面積金屬等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)的可行性。根據(jù)金屬等離子體直射疊加和繞射疊加均勻性的實驗研究結(jié)果,研制了一套大面積PIII&D處理裝置。
　　為了解決零件內(nèi)表面的大面積氣體離子注入與沉積,提出了一種基于脈沖輝光放電的大面積氣體等離子體產(chǎn)生技術。在低壓脈沖輝光放

3、電模式下,隨著沉積脈沖頻率、沉積脈沖偏壓幅值的增加,經(jīng)PIII&D工藝制備的DLC膜層的抗摩擦磨損性能逐漸提高。在高壓脈沖輝光放電模式下,隨著高能碳離子的注入,經(jīng)PIII&D工藝制備的DLC膜層與基體的結(jié)合強度以及抗摩擦磨損性能要優(yōu)于單層DLC膜層。
　　為了驗證大面積金屬等離子體直射和繞射疊加產(chǎn)生系統(tǒng)的可行性,采用等離子體粒子模擬方法定性地分析了外部磁場對金屬等離子體中帶電粒子運動行為的影響。模擬結(jié)果顯示,在大面積金屬等離子體產(chǎn)

4、生系統(tǒng)中通過外部磁場去控制金屬等離子體粒子運動行為的設計方案是可行的。隨著磁場強度的增大,其對金屬等離子體的約束不斷增強,但若要完全約束金屬等離子體則需要非常大的磁場強度,而金屬等離子體的密度均勻性又與約束的程度成反比。金屬等離子體中的電子在外部磁場作用下,改變原來的運動方而向沿磁力線運動,進而由于離子與電子的電荷分離產(chǎn)生的靜電力導致離子的運動軌跡也發(fā)生改變,從而實現(xiàn)大面積金屬等離子體的輸出。
　　直射疊加大面積金屬等離子體產(chǎn)生系

5、統(tǒng)的粒子模擬結(jié)果顯示,粒子束流大小與陰極真空弧源間距的合理配合是獲得大面積均勻金屬等離子體的關鍵。當粒子束流為20A,陰極真空弧源距離為400mm時,可獲得均勻性良好的大面積金屬等離子體輸出。通過離子電流密度測量結(jié)果發(fā)現(xiàn),當葉片電流小于700A時,金屬等離子體無法穿過百葉窗過濾器實現(xiàn)大顆粒的過濾,且改變?nèi)~片安裝角度、葉片間距、葉片寬度等參數(shù)對金屬等離子體離子電流密度分布的影響非常小。
　　通過繞射疊加大面積金屬等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)的粒

6、子模擬發(fā)現(xiàn),通過較小的外部磁場強度便可以實現(xiàn)對金屬等離子體中電子的約束,突破了傳統(tǒng)磁過濾陰極真空弧源需較大磁場進行約束的局限性。產(chǎn)生的金屬等離子體在Y方向隨著傳輸距離的增加,密度呈現(xiàn)一定的衰減,但衰減幅度逐漸減小,在X方向的密度均勻性良好?；≡撮g距對繞射疊加大面積金屬等離子體的輸出有著重要的影響,弧源間距與螺線圈直徑的差值應小于100mm。螺線圈載流大小對離子電流密度分布的影響有限,但有無磁場電流對金屬等離子體的密度分布均勻性影響較大。

7、金屬等離子體在陰極真空弧源中心線方向的沉積均勻性可達80％以上。
　　最后,通過對直射與繞射疊加金屬等離子體粒子運動及均勻性控制的模擬和實驗結(jié)果對比分析,成功研制了一套大面積PIII&D處理裝置,金屬等離子體輸出直徑大于500mm,沉積厚度不均勻性小于15%,將金屬等離子體的輸出直徑從目前國內(nèi)最高水平的Ф200mm左右提高到Ф500mm左右。脈沖陰極真空弧源引弧容易,燃弧穩(wěn)定,可在不破壞真空環(huán)境條件下實現(xiàn)長時間的穩(wěn)定工作,滿足大尺