[發明專利]電感耦合等離子體管筒內表面離子注入改性裝置及方法

有效

• 申請號: 200910071869.4
• 申請日: 2009-04-23
• 公開（公告）號: CN101525738A
• 公開（公告）日: 2009-09-09
• 發明（設計）人: 田修波;汪志健;楊士勤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 劉同恩

技術領域

本發明涉及一種表面等離子注入改性裝置及處理方法。

背景技術

等離子體浸沒離子注入技術是一項適合于對形狀復雜的工件進行離子注入表面處理的技術。在該技術中，工件被浸泡在等離子體中，工件上施加負高壓脈沖，在負高壓脈沖期間，工件周圍形成離子鞘層，離子在鞘層內電場的作用下向工件表面加速運動，最終注入工件表面獲得離子注入效應。

雖然等離子體浸沒離子注入技術適用于對形狀復雜的工件進行離子注入處理，但是使用等離子體浸沒離子注入技術處理管筒工件的內表面存在著兩個十分嚴重的問題，其一是離子注入能量問題，其二是等離子體源和均勻性問題。中國專利號為96201360.9，公開日為1998年4月15日的實用新型專利公開了一種等離子體源材料內表面離子注入裝置，該專利提出了在管筒內同軸放置地電極來鉗制注入電壓以提高注入能量，該專利中等離子體是通過管口從管外擴散進去的，所以該方法并沒有解決管筒內等離子體很快耗盡的問題。為了解決這個問題，中國專利號為01115523.X，公開日為2002年12月4日的發明專利公開了一種管狀工件內表面改性的方法、中國專利號為03105058.1，公開日為2004年9月8日的發明專利公開了一種管狀工件內表面改性的方法及其專用裝置和中國專利號為200310113092.6，公開日為2005年7月6日的發明專利公開了一種等離子體源離子注入內表面改性的裝置，上述三個專利的核心是：將射頻電極和柵網地電極同軸地插入管筒內，通過在射頻電極和柵網(或絲狀)地電極之間施加射頻功率來產生電容耦合等離子體，通過在管筒上施加脈沖負高壓和柵網(或絲狀)地電極之間來建立用以加速離子的徑向電場，離子通過擴散進入柵網(或絲狀)地電極和管筒內壁之間的區域，然后在電場的作用下向管筒內壁加速運動，最后注入到管筒內壁，該專利既解決了內部等離子體的獲得問題，又能鉗制電位提高注入能量，但該方法也存在不足之處：由于存在柵網，管筒內壁存在著陰影效應，注入時的氣壓很高，在10-30Pa之間，一方面會減小離子的自由程從而造成注入能量損失，另一方面也會誘導高壓放電和打火損傷材料的表面，更主要的不足之處在于該方法采用的是電容耦合射頻放電，屬于二極放電(徑向)，電子在兩個電極間做徑向震蕩，電極間距離很大時電子運動過程中才能與中性氣體發生足夠的碰撞，由于受二極放電的帕邢(Paschen)定律限制，中心射頻電極和網狀(或絲狀)地電極間距就不能太小，否則射頻放電困難。要想放電成功，只能采用較大的放電距離來滿足，另外網狀(或絲狀)地電極和被處理管之間也需要空間，這就使得處理的管筒直徑自然不能太小。

發明內容

本發明的目的是為解決現有管筒內表面離子注入處理時因采用電容耦合等離子體使得放電間距大而難以對細管內表面進行處理的問題，提供一種電感耦合等離子體管筒內表面離子注入改性裝置及方法。

本發明的裝置包括至少一個螺線管、至少一個管筒、第一絕緣密封接頭、真空室、射頻電源、脈沖負高壓電源、泵組系統、匹配箱、第二絕緣密封接頭、第三絕緣密封接頭、第一絕緣支架、高壓電纜、第一電纜和第二電纜，射頻電源的輸出端與匹配箱輸入端連接，第一絕緣密封接頭、第二絕緣密封接頭和第三絕緣密封接頭分別設置在真空室的側壁上，第一絕緣支架設置在真空室內的底面上，至少一個管筒設置在第一絕緣支架上，真空室與泵組系統連接，高壓電纜的一端穿過第三絕緣密封接頭與真空室內的至少一個管筒連接，高壓電纜的另一端與真空室外的脈沖負高壓電源連接，至少一個螺線管設置在管筒內且與管筒同軸設置，螺線管的一端通過第一電纜與真空室外面的匹配箱連接，且第一電纜穿過第一絕緣密封接頭，螺線管的另一端通過第二電纜與射頻電源的地極連接，且第二電纜穿過第二絕緣密封接頭，螺線管的數量與管筒的數量相同。

本發明的方法是通過以下步驟實現：一、利用泵組系統將真空室內的氣壓抽至本底真空度5～10^-3Pa；二、向真空室內充入氣體，使真空室內的氣壓達到工作氣壓0.1～15Pa；三、開啟射頻電源，設置在管筒內的螺線管放電，在螺線管內外產生軸向均勻的電感耦合等離子體，等離子體將充滿管筒的內部空間，并且沿管筒軸向均勻分布；四、開啟脈沖負高壓電源，脈沖負高壓通過高壓電纜施加到管筒上，在管筒內表面和螺線管之間形成徑向電場，徑向電場使得管筒內表面和螺線管之間的離子被加速向管筒內壁飛去，即對管筒的內壁進行離子注入，注入0.5～5小時；五、關閉脈沖負高壓電源和射頻電源，關閉泵組系統，真空室內停止真空，即完成電感耦合等離子體管筒內表面離子注入。