管筒内壁自激射频放电等离子体浸没离子注入方法研究

论文摘要

为了提高管筒状零部件的性能和使用寿命,人们常采用表面改性技术。离子注入做为一种有效的表面改性手段一直受到人们的重视,但对于细管筒内表面的处理均匀性无能为力。本文以管筒内部等离子体产生与内壁离子注入为目标,提出了管筒内壁自激射频放电离子注入技术。利用管筒自身激励等离子体,随后在管筒上施加高压脉冲,实现管筒内壁离子注入的方法。本文从电源系统研制、射频激励管内等离子体均匀性、管筒内等离子体注入鞘层动力学、管筒内壁自激射频辉光放电PIII实验和改性层均匀性等方面展开研究,以其揭示自激射频放电用于管筒工件内表面改性的等离子体激励特性、物理过程以及注入动力学,从而为实际的管筒内表面离子注入技术提供理论和实验依据。高压与射频同时连接到管筒上是本文研究硬件设计的重中之重,为此本文研制了高压与射频耦合电源系统,解决的核心问题是高压电路系统中不允许串入射频,击穿器件和伤人;同时射频电路中也不能串入高压,引起器件击穿、失效。通过调节高压和射频脉冲的时序关系,可以获得高压自辉光放电离子注入和PIII过程。该系统可以实现单射频脉冲/高压注入和多射频脉冲/高压注入多种输出模式。管筒自源等离子体激励（没有耦合高压脉冲,仅连续或脉冲射频输入）放电规律的研究表明:管筒内部能够获得高密度且相对均匀（轴向±75mm范围内不均匀度低于15﹪）的等离子体。提高射频功率,可以增加等离子体密度,但其分布均匀性下降;改变工作气压,等离子体密度的变化不明显,分布均匀性略有提高;管筒两端采用挡板后,管内等离子体密度急剧下降,且分布均匀性也会大大降低;管径的增加会提高其均匀性,但管长变化对其均匀性影响较小。等离子体离子密度在管内径向分布为中心地电极处密度高,而管壁处密度低。高频RF脉冲模式下的管内等离子体I-V特性与连续RF模式相似,而频率较低时,管内密度值较低,且呈现出与所加RF脉冲同步的周期性变化。针对具有一定非均匀度的等离子体,利用二维等离子体粒子模型系统研究了管筒内表面离子注入的动力学行为,主要研究了非均匀等离子体对等离子体鞘层在管筒内的时空演化过程,以及实验参数对注入剂量均匀性的影响规律和物理机制。离子的运动轨迹表明管口处的离子大部分集中注入到管筒内表面的端部,管内离子运动轨迹基本为垂直管壁注入。通过对非均匀等离子体鞘层电位和鞘层内等离子体密度时空演化规律的研究发现:注入剂量的分布均呈中间均匀,管口上部出现峰值,而在管口端部最低的趋势。增加管筒直径或增加等离子体密度以及降低注入电压均有利于提高剂量均匀性。而管筒长度的增加对剂量分布没有影响。采用高压/射频直接耦合工作模式,对不锈钢管筒内表面成功实现了氮离子注入。注氮处理后试样的XPS谱显示试样中含有氮元素,表明在不锈钢管筒内表面实现了氮离子注入。管筒轴向位置氮元素的含量和深度分布表明轴向位置仅管口两端附近氮含量高,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,综合起来氮注入的轴向均匀性较好。注氮处理有效提高了管筒中心点的耐摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。获得的管筒试样耐摩擦磨损和耐腐蚀性能的轴向均匀性也较好。成功实现了Ф30mm×200mm管筒内壁注入处理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 管筒件内表面处理技术的研究现状
• 1.2.1 电镀
• 1.2.2 激光强化处理
• 1.2.3 物理气相沉积法
• 1.2.4 等离子体浸没离子注入
• 1.2.5 其它
• 1.3 PIII在管筒内表面处理中的研究现状
• 1.3.1 PIII内表面处理的电压效率
• 1.3.2 提高内表面离子注入均匀性方法研究
• 1.3.3 内表面等离子体浸没离子注入过程的数值模拟
• 1.4 管筒内壁自激射频放电PIII新方法的提出
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 实验设备及原理
• 2.3 等离子体密度测量
• 2.3.1 等离子体密度测量原理
• 2.3.2 等离子体密度测量实验参数
• 2.4 管筒内壁自激射频放电PIII工艺实验
• 2.4.1 实验样品制备
• 2.4.2 实验工艺参数
• 2.5 分析方法
• 2.5.1 X射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.5.2 扫描电镜（SEM）分析
• 2.5.3 光学显微镜分析
• 2.5.4 摩擦磨损测试
• 2.5.5 腐蚀测试
• 第3章 高压脉冲/射频耦合复合电源系统的研制
• 3.1 串联模式高压脉冲电源研制
• 3.1.1 高压脉冲电源的输出指标
• 3.1.2 高压脉冲电源主电路的研制
• 3.1.3 高压脉冲电源驱动电路的研制
• 3.1.4 高压脉冲电源的调试
• 3.2 真空电子管模式高压脉冲电源研制
• 3.2.1 高压脉冲电源的输出指标
• 3.2.2 高压脉冲电源主电路的研制
• 3.2.3 高压脉冲电源的调试
• 3.3 高压脉冲/射频耦合复合电源系统的研制
• 3.3.1 射频/高压脉冲电源系统的输出指标
• 3.3.2 射频/高压脉冲电源系统主电路的研制
• 3.3.3 射频/高压脉冲电源系统的调试
• 3.4 自激射频放电PIII新方法对不锈钢表面改性研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 管筒内壁自激射频放电等离子体特性研究
• 4.1 管外辅助等离子体源模式
• 4.2 管件自身等离子体源模式
• 4.2.1 细管射频放电的管口效应
• 4.2.2 射频放电条件下管筒内部等离子体分布特性
• 4.2.3 脉冲射频放电对管筒内等离子体分布特性的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 管筒内表面离子注入PIC数值模拟
• 5.1 管筒内表面离子注入PIC模型的建立
• 5.2 管筒内表面离子注入的动力学特征
• 5.2.1 离子运动过程
• 5.2.2 管筒内部电势时空演变
• 5.2.3 管筒内部等离子体密度时空演变
• 5.2.4 离子注入能量
• 5.2.5 离子注入角度
• 5.3 实验参数对离子注入剂量均匀性的影响
• 5.3.1 管筒直径对注入剂量均匀性的影响
• 5.3.2 管筒长度对注入剂量均匀性的影响
• 5.3.3 等离子体密度对注入剂量均匀性的影响
• 5.3.4 电压幅值对注入剂量均匀性的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 管筒内壁自激射频放电等离子体注入及其性能表征
• 6.1 氮离子注入对表面性能的影响及其性能表征
• 6.1.1 管筒内中心点表面成分及相关元素的浓度分布
• 6.1.2 管筒内中心点摩擦学性能分析
• 6.1.3 管筒内中心点电化学腐蚀性能分析
• 6.2 碳的加入对表面性能的影响及其性能表征
• 6.2.1 管筒内中心点摩擦学性能分析
• 6.2.2 管筒内中心点电化学腐蚀性能分析
• 6.3 管筒内表面氮等离子体注入均匀性分析
• 6.3.1 管筒内不同位置表面成分分析
• 6.3.2 管筒内不同位置摩擦学性能分析
• 6.3.3 管筒内不同位置电化学腐蚀性能分析
• 6.3.4 管筒内不同位置颜色差异分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历