大面积等离子体源离子运动行为及均匀性控制研究

摘要

等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术能够在复杂形状零件表面获得一层与基体结合强度高、均匀和致密的表面改性层,从而大幅度提高材料表面的抗摩擦磨损、耐腐蚀和接触疲劳寿命等性能,在表面强化处理方面具有广泛的应用前景。然而,PIII&D技术要走向工业化应用必须解决大型零件和批量处理以及零件内表面处理这些难题,而大面积均匀等离子体的形成正是解决这些难题的关键。本文提出了一种基于脉冲辉光放电的大面积气体等离子体产生技术和一种基于多个金属等离子体的优化叠加的大面积金属等离子体产生技术。构建了直射叠加和绕射叠加大面积金属等离子产生系统,通过等离子体粒子模拟法研究了外部磁场对金属等离子粒子运动行为的影响,并从理论上验证了大面积金属等离子体产生系统的可行性。根据金属等离子体直射叠加和绕射叠加均匀性的实验研究结果,研制了一套大面积PIII&D处理装置。
　　为了解决零件内表面的大面积气体离子注入与沉积,提出了一种基于脉冲辉光放电的大面积气体等离子体产生技术。在低压脉冲辉光放电模式下,随着沉积脉冲频率、沉积脉冲偏压幅值的增加,经PIII&D工艺制备的DLC膜层的抗摩擦磨损性能逐渐提高。在高压脉冲辉光放电模式下,随着高能碳离子的注入,经PIII&D工艺制备的DLC膜层与基体的结合强度以及抗摩擦磨损性能要优于单层DLC膜层。
　　为了验证大面积金属等离子体直射和绕射叠加产生系统的可行性,采用等离子体粒子模拟方法定性地分析了外部磁场对金属等离子体中带电粒子运动行为的影响。模拟结果显示,在大面积金属等离子体产生系统中通过外部磁场去控制金属等离子体粒子运动行为的设计方案是可行的。随着磁场强度的增大,其对金属等离子体的约束不断增强,但若要完全约束金属等离子体则需要非常大的磁场强度,而金属等离子体的密度均匀性又与约束的程度成反比。金属等离子体中的电子在外部磁场作用下,改变原来的运动方而向沿磁力线运动,进而由于离子与电子的电荷分离产生的静电力导致离子的运动轨迹也发生改变,从而实现大面积金属等离子体的输出。
　　直射叠加大面积金属等离子体产生系统的粒子模拟结果显示,粒子束流大小与阴极真空弧源间距的合理配合是获得大面积均匀金属等离子体的关键。当粒子束流为20A,阴极真空弧源距离为400mm时,可获得均匀性良好的大面积金属等离子体输出。通过离子电流密度测量结果发现,当叶片电流小于700A时,金属等离子体无法穿过百叶窗过滤器实现大颗粒的过滤,且改变叶片安装角度、叶片间距、叶片宽度等参数对金属等离子体离子电流密度分布的影响非常小。
　　通过绕射叠加大面积金属等离子体产生系统的粒子模拟发现,通过较小的外部磁场强度便可以实现对金属等离子体中电子的约束,突破了传统磁过滤阴极真空弧源需较大磁场进行约束的局限性。产生的金属等离子体在Y方向随着传输距离的增加,密度呈现一定的衰减,但衰减幅度逐渐减小,在X方向的密度均匀性良好。弧源间距对绕射叠加大面积金属等离子体的输出有着重要的影响,弧源间距与螺线圈直径的差值应小于100mm。螺线圈载流大小对离子电流密度分布的影响有限,但有无磁场电流对金属等离子体的密度分布均匀性影响较大。金属等离子体在阴极真空弧源中心线方向的沉积均匀性可达80％以上。
　　最后,通过对直射与绕射叠加金属等离子体粒子运动及均匀性控制的模拟和实验结果对比分析,成功研制了一套大面积PIII&D处理装置,金属等离子体输出直径大于500mm,沉积厚度不均匀性小于15%,将金属等离子体的输出直径从目前国内最高水平的Ф200mm左右提高到Ф500mm左右。脉冲阴极真空弧源引弧容易,燃弧稳定,可在不破坏真空环境条件下实现长时间的稳定工作,满足大尺寸零部件的强化处理或小尺寸零部件的批量处理的要求。本文研究对于推进PIII&D技术的工业化进程,以及提高精密零部件的寿命和可靠性都具有非常重要的意义。