激光与等离子体组合技术在大气环境中实现钛表面氮化的研究

摘要

本文利用激光与等离子体组合技术在大气环境中对工业纯钛表面作用，得到了氮化钛。 为了更好地应用LPN方法，我们研究了实验所采用的小功率非平衡态氮等离子体枪的伏安特性，束流强度，进气方式，火焰形状，振荡频率，离子数密度等各种物理性能，并进一步改进等离子体枪，使其放电电极间的距离可以调节，这样就可以更加方便地选择激发电场，得到不同强度的等离子体流。 对实验采用的小功率非平衡态氮等离子体枪产生的等离子体的流形，应用可压缩的二维轴对称的Naver Stroke方程，通过有限体积法和出流修正对等离子体射流的速度场和温度场分布进行了计算机模拟。得到了与实验数据相符的结果，为实验研究提供了初步的理论依据。 利用等离子体与激光组合，在大气环境中以工业纯钛为基底进行了氮化处理，并利用XRD、SEM、显微硬度计等手段对处理前后的样品进行了测试。通过对测试结果分析表明，在大气环境下利用激光和等离子体组合方法制备了氮化钛，因而经过氮化后样品的表面硬度等物理性能得到了很大的增强。这种新的制备氮化钛的方法不仅可以降低单一激光氮化方法所需激光功率密度，而且能够更加有效的抑制样品氧化。论文中对激光功率密度、扫描速度以及氮等离子体流量等关键工艺参数对氮化效果的影响进行了分析和讨论。 采用了蒙特卡罗方法对LPN方法制备氮化钛膜层过程进行了计算机模拟。模拟建立在两体碰撞模型的基础上，又根据激光和等离子体组合方法的特殊性，引入了温度因子和能量项，对原程序进行改进。使用蒙特卡罗方法编写的程序对氮化过程进行了计算，获得了不同条件下氮元素在靶材——工业纯钛中的分布情况，并与实验数据进行比较，两者结果基本一致。

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第一章绪论

1.1钛与氮化钛

1.1.1钛

1.1.2氮化钛

1.2钛材表面氮化技术

1.2.1气体渗氮(Gas nitriding)

1.2.2等离子体辅助化学气相沉淀(PACVD)

1.2.3离子渗氮(Plasma nitriding)

1.2.4氮高能注入(Nitrogen implantation)

1.2.5等离子体离子注入(Plasma immersion ion implantation)

1.2.6激光表面氮化(Laser nitriding)

1.3本实验的目的

第二章小功率氮等离子体枪的物理设计与性能

2.1等离子体枪的设计与性能研究

2.1.1等离子体枪的设计

2.1.2等离子体炬的性质

2.2小功率氮等离子体枪中非平衡态电场的计算及等离子体流形的模拟

2.2.1小功率氮等离子体枪内部非平衡态电场的计算

2.2.2等离子体流形的模拟

2.3本章小结

第三章等离子体与激光组合处理工业纯钛制备氮化钛的实验研究

3.1 LPN方法表面氮化的基本原理

3.1.1氮化过程

3.1.2激光与氮等离子体炬的匹配

3.1.3激光与材料相互作用的物理过程

3.2实验装置

3.2.1主要实验设备及用途

3.2.2样品制备

3.2.3实验过程

3.2.4样品检测

3.3 LPN方法对钛表面氮化效果的影响因素

3.3.1激光功率密度对氮化效果的影响

3.3.2扫描速度对氮化效果的影响

3.3.3氮等离子体流量对氮化效果的影响

3.4用LPN方法氮化后材料表面硬度的研究

3.5等离子体与激光组合处理工业纯钛制备氮化钛过程的计算机模拟

3.6本章小结

第四章结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间参加的科研工作