管筒內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。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，但對于細管筒內表面的處理均勻性無能為力。本文以管筒內部等離子體產生與內壁離子注入為目標，提出了管筒內壁自激射頻放電離子注入技術。利用管筒自身激勵等離子體，隨后在管筒上施加高壓脈沖，實現管筒內壁離子注入的方法。本文從電源系統研制、射頻激勵管內等離子體均勻性、管筒內等離子體注入鞘層動力學、管筒內壁自激射頻輝光放電PIII實驗和

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表面改性的等離子體激勵特性、物理過程以及注入動力學，從而為實際的管筒內表面離子注入技術提供理論和實驗依據。
　　高壓與射頻同時連接到管筒上是本文研究硬件設計的重中之重，為此本文研制了高壓與射頻耦合電源系統，解決的核心問題是高壓電路系統中不允許串入射頻，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。通過調節高壓和射頻脈沖的時序關系，可以獲得高壓自輝光放

3、電離子注入和PIII過程。該系統可以實現單射頻脈沖/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，僅連續或脈沖射頻輸入）放電規律的研究表明：管筒內部能夠獲得高密度且相對均勻（軸向±75mm范圍內不均勻度低于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脈沖模式下的管內等離子體I-V特性與連續RF模式相似，而頻率較低時，管內密度值較低，且呈現出與所加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研究了管筒內表面離子注入的動力學行為，主要研究了非均勻等離子體對等離子體鞘層在管筒內的時

5、空演化過程，以及實驗參數對注入劑量均勻性的影響規律和物理機制。離子的運動軌跡表明管口處的離子大部分集中注入到管筒內表面的端部，管內離子運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等離子體密度時空演化規律的研究發現：注入劑量的分布均呈中間均勻，管口上部出現峰值，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，對不銹鋼管筒內表面成功實現了氮離子注入。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表面實現了氮離子注入。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。成功實現了Ф30mm×200m