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管筒件内表面处理一直是等离子体表面改性领域的难题,特别是内径较细及长径比较大的管件,等离子体难以进入管件内部,因而处理难度较大。针对这个问题,本文提出了一种新的有效的管件内表面处理的方法,空心阴极等离子体源内表面改性法。本文首先研究了空心阴极放电等离子体特性,并对平面工件进行了等离子体处理。同时,通过等离子体粒子模型研究了空心阴极管内注入等离子体动力学行为,在此基础上对管件内表面进行了DLC膜层沉积及等离子体注氮研究。基于空心阴极放电现象,本文研制了复合地电极空心阴极管内表面放电系统,该系统可以在Ф20×500mm规格的细长管内部产生稳定的等离子体,能够实现管件内表面薄膜沉积及氮离子注入。空心阴极放电等离子体特性研究结果表明:在自由状态空心阴极的放电结构下,阴极前端径向电流密度随径向距离的增加逐渐降低,RF功率的增加导致电流密度增加。在管件约束的空心阴极结构下,管内轴向等离子体密度随距阴极前端口距离的增加逐渐降低。随气体流量和气压的增加,等离子体密度先增大后减小。大直径及较短的管件会提高管内轴向等离子体密度的均匀性。采用小内径空心阴极时,管内相同位置等离子体密度最高。相对于管件悬浮的情况,管件接地后,等离子体密度明显提高。屏蔽地电极的加入增加了空心阴极的起辉难度。RF功率相同时,随着屏蔽地电极出口与空心阴极嘴距离的增加,管内相同位置等离子体密度升高;随着屏蔽地电极内径的增大,等离子体密度先增加后降低,且都高于无屏蔽地电极结构。利用空心阴极等离子体源,成功的在直径Ф20mm不锈钢圆片表面沉积了TiN及DLC膜层,并进行了氮离子注入。结果表明:随样品施加偏压的升高,TiN(111)晶向择优生长。薄膜表面呈现岛状结构,粗糙度较低,在样品表面范围内,TiN膜层厚度及晶粒尺寸较为均匀。所有制备的DLC薄膜都具有良好的耐磨性能。-50V偏压处理的DLC薄膜厚度最大,sp3键含量较多,硬度最高。注氮处理后,不锈钢样品的耐腐蚀性能得到了不同程度的提高。15kV注入的样品具有较高的硬度和良好的耐磨性能。针对空心阴极等离子体,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。中心辅助地电极的引入使管件内部建立了径向电场,提高了注入离子的径向速度,有利于取得良好的改性效果。采用较长尺寸的中心地电极及小内径的屏蔽地电极有利于注入离子径向速度的提高。管上施加电压的提高使注入离子的径向速度增加,但注入剂量变化不大。等离子体密度的提高使离子注入的径向速度减小,但注入剂量显著增加。采用复合地电极空心阴极等离子体源实现了内径Ф20mm-Ф40mm,长140mm管件内表面改性,包括DLC薄膜的制备及氮离子注入。定点处理的方式可以获得1-2μm厚的DLC膜层,最大沉积率为65.7nm/min。拉曼光谱显示所有的DLC膜都存在两个宽峰,即1590cm-1附近的G峰及1370cm-1附近的D峰。随着样品偏压及气压的升高,DLC薄膜的厚度都呈现先增大后减小的趋势。4kV及6kV定点处理的样品Id/Ig值较低,耐磨性能较好。而在气压变化的条件下,0.8Pa及1.0Pa处理的样品具有较好的耐磨性能。整管处理时,管件内径越小,处理的时间越长,膜层越厚,耐磨性能越好。XPS分析结果表明不锈钢样品表面形成了FeN及CrN等金属氮化物,且样品表面的氮浓度较高。随着RF功率、管件内径、电压以及频率的增加,注氮处理样品的耐磨性能增强。所有注氮样品的耐腐蚀性能均得到了提高。