双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法技术

本申请涉及工业生产技术领域，特别涉及一种双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法，其中，包括：设备本体；空心阴极装置，用于根据直流辉光放电效应在所述空心阴极装置内部产生第一等离子体；至少一个射频放电线圈，用于在线圈通以频率大于预设频率的高频交流电时，通过电感耦合等离子体方式在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体，并与所述第一等离子体耦合得到第三等离子体，利用所述第三等离子体在所述设备本体内进行渗氮生成渗氮层，以实现离子扩渗。由此，解决了相关技术中等离子激发设备由于等离子体密度不足，无法有效制备渗层厚度大且整体变形小的渗氮层，无法有效提高扩散速率等问题。高扩散速率等问题。高扩散速率等问题。

【技术实现步骤摘要】
双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法


[0001]本申请涉及工业生产
，特别涉及一种双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法。

技术介绍

[0002]离子渗氮是一种环保、高效的金属表面强化方式，是金属表面改性的常用方式之一，可以大幅提高金属表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性而被广泛运用在工业生产中，将将氮原子渗入工件表面，可以改变工件表层化学成分和组织。
[0003]相关技术中，扩渗设备多利用辉光放电，将高电压加载在两电极上，激发电极间气体形成等离子体，但是等离子体密度不够，若想获得较厚的渗氮层，需延长热处理时间，能耗高，且易导致工件大变形。

技术实现思路

[0004]本申请提供一种双等离子激发源的离子扩渗设备及其设计方法，以解决相关技术中等离子激发设备由于等离子体密度不足，无法有效制备渗层厚度大且整体变形小的渗氮层，无法有效提高扩散速率等问题。
[0005]本申请第一方面实施例提供一种双等离子激发源的离子扩渗设备，包括：设备本体；空心阴极装置，用于根据直流辉光放电效应在所述空心阴极装置内部产生第一等离子体；至少一个射频放电线圈，用于在线圈通以频率大于预设频率的高频交流电时，通过电感耦合等离子体方式在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体，并与所述第一等离子体耦合得到第三等离子体，利用所述第三等离子体在所述设备本体内进行渗氮生成渗氮层，以实现离子扩渗。
[0006]可选地，所述射频放电线圈包括：金属线圈，所述金属线圈与射频电源相连，用于根据所述射频电源通入的高频交流电在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体；隔离层，所述隔离层包裹在金属线圈的表面，用于隔离金属线圈外部的等离子体。
[0007]可选地，所述金属线圈为空心结构，还包括：冷却管，所述冷却管设置于所述金属线圈内，且所述冷却管内通入冷却液，用于对所述金属线圈进行冷却降温。
[0008]可选地，所述空心阴极装置包括：阴极金属，所述阴极金属与直流电源的负极相连，其中，所述直流电源的正极连接有阳极金属；空心阴极筒，所述空心阴极筒设置于所述阴极金属上；绝缘支撑板和设置于所述绝缘支撑板上的工件，用于与所述空心阴极筒发生直流辉光放电效应产生第一等离子体。
[0009]可选地，还包括：出气孔和进气孔，所述出气孔和所述进气孔设置于所述设备本体的不同位置处。
[0010]可选地，每个射频放电线圈均设置于所述空心阴极装置内的预设位置处。
[0011]可选地，所述设备本体为离子扩渗炉。
[0012]本申请第二方面实施例提供一种双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法，包
括以下步骤：确定离子扩渗设备的目标域方程和目标边界条件；将所述目标域方程和所述目标边界条件定义在预设二维轴对称模型上，对所述二维轴对称模型划分网格，定义等离子体激发过程的瞬态时间范围，求解瞬态时间范围内的离子渗氮、等离子体形成和动态稳定过程，得到求解结果；将所述求解结果绕所述二维轴对称模型的对称轴旋转，得到伪三维模拟结果，基于所述伪三维模拟结果优化离子扩渗设备的构型和参数，得到最优设备构型和最优设计参数，并基于所述最优设备构型、最优设计参数和实际设备条件生成所述离子扩渗设备的设计方案。
[0013]可选地，在将所述目标域方程和所述目标边界条件定义在预设二维轴对称模型上之前，包括：根据所述离子扩渗设备的设计目标建立所述离子扩渗设备的等比例物理模型，并利用预设简化策略所述等比例物理模型简化为所述预设二维轴对称模型。
[0014]可选地，所述基于所述伪三维模拟结果优化离子扩渗设备的构型和参数，得到最优设备构型和最优设计参数，包括：获取所述离子扩渗设备的优化目标，其中，所述优化目标为所述等离子体分布密集程度满足预设密集条件且距离样品台的实际距离满足合理距离条件；根据所述优化目标调整至少一个设备构型参数，并调整射频电源的输入功率和直流电源的输入电压，直到满足所述优化目标，得到所述最优设备构型和所述最优设计参数。
[0015]可选地，所述设备构型参数包括射频电源所连接铜制线圈的直径、环绕圈数、线圈环绕周长、线圈在炉内的空间位置。
[0016]本申请第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法。
[0017]由此，本申请至少具有如下有益效果：
[0018](1)本申请实施例在渗氮炉内加装铜制线圈，通以高频交流电，利用电感耦合等离子体的方式在线圈附近激发等离子体，在渗氮炉内增加第二种等离子体激发源，并与原有的利用空心阴极效应的直流辉光放电产生的等离子体进行有效耦合，以获得稳定的、高密度的、可控的等离子体，从而提升渗氮效率，获得更厚的渗氮层。
[0019](2)本申请实施例提出的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法，通过模拟软件设定合适的域方程和边界条件，实现了针对离子渗氮的关键步骤
‑
等离子体形成过程和动态稳定分布结果的二维模拟，并基于模型对实验关键参数进行了多次优化，得到离子扩渗设备的最优设计方案，相比于实验测定法，模拟法进行参数优化具有成本低、效率高、结果更准确的优点。
[0020]本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0021]本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0022]图1为本申请实施例的双等离子激发源的离子扩渗设备图；
[0023]图2为本申请实施例的双等离子激发源的离子扩渗设备的设计方法流程图；
[0024]图3为本申请实施例在双等离子体激发源作用下的磁场分布图；
[0025]图4为本申请实施例在双等离子体激发源作用下的电子密度分布图；
[0026]图5为本申请实施例在只有空心阴极的辉光放电时的渗氮炉内电子密度分布图；
[0027]图6为本申请实施例在温度、气压、直流辉光电源电压、射频电源功率下的模拟结果图；
[0028]图7为本申请实施例的三次构型优化结构图。
[0029]附图标记说明：
[0030]1‑
离子扩渗炉，2
‑
阳极金属，3
‑
空心阴极筒，4
‑
玻璃，5
‑
金属线圈，6
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冷却管，7
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出气孔，8
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进气孔，9
‑
阴极金属，10
‑
绝缘支撑板，11
‑
工件，12
‑
直流电源，13
‑
射频电源。
具体实施方式
[0031]下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双等离子激发源的离子扩渗设备，其特征在于，包括：设备本体；空心阴极装置，用于根据直流辉光放电效应在所述空心阴极装置内部产生第一等离子体；至少一个射频放电线圈，用于在线圈通以频率大于预设频率的高频交流电时，通过电感耦合等离子体方式在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体，并与所述第一等离子体耦合得到第三等离子体，利用所述第三等离子体在所述设备本体内进行渗氮生成渗氮层，以实现离子扩渗。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述射频放电线圈包括：金属线圈，所述金属线圈与射频电源相连，用于根据所述射频电源通入的高频交流电在所述空心阴极装置内部产生第二等离子体；隔离层，所述隔离层包裹在金属线圈的表面，用于隔离金属线圈外部的等离子体。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述金属线圈为空心结构，还包括：冷却管，所述冷却管设置于所述金属线圈内，且所述冷却管内通入冷却液，用于对所述金属线圈进行冷却降温。4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述空心阴极装置包括：阴极金属，所述阴极金属与直流电源的负极相连，其中，所述直流电源的正极连接有阳极金属；空心阴极筒，所述空心阴极筒设置于所述阴极金属上；绝缘支撑板和设置于所述绝缘支撑板上的工件，用于与所述空心阴极筒发生直流辉光放电效应产生第一等离子体。5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：出气孔和进气孔，所述出气孔和所述进气孔设置于所述设备本体的不同位置处。6.根据权利要求1
‑
5任意一项所述的设备，其特征在于，每个射频放电线圈均设置于所述空心阴极装置内的预设位置处。7.根据权利要求1
‑
5任意一项所述的设备，其特征在于，所述设备本体为离子扩渗炉。8.一种如权利要求1
‑
7任意一项所述的双等离子激发源的离...

【专利技术属性】
技术研发人员：何永勇，张哲浩，雒建斌，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：