一种微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，包括真空室（７）和低能离子注入电源（１０），属于材料表面工程技术领域。其特殊之处在于：由微波源（１）、微波同轴波导内导体（２）和外导体（３）、微波同轴波导短路活塞（５）和外加磁场线圈（９）构成线性ＥＣＲ微波等离子体源，利用微波缝隙辐射天线（４）的激发和电离作用，在外加磁场激励下，沿被处理金属管件（１１）中心轴线形成周向和轴向均匀分布的高密度ＥＣＲ微波等离子体，结合低能离子注入电源（１０）施加的低脉冲负偏压和同轴设置的辅助外热源（８），在金属圆管内表面完成等离子体基低能离子注入。其优点是：成本低；能实现小管径、大长径比金属圆管内表面的等离子体基低能离子注入。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，尤其 是采用线性电子回旋共振(ECR)微波等离子体源进行低能氮、碳、硼等非金属离子注入小 管径金属圆管内表面的改性技术，属于材料表面工程领域。
技术介绍
金属圆管件，特别是内径10 30mm的小管径、大长径比圆管件的磨损、腐蚀和疲 劳失效，已成为在石油化工、机械动力、海洋船舶等工程领域应用的一个瓶颈问题。例如，油 田的采油机械、输油管线，化工的阀门、管道，以及动力传动的配合部件等等，亟待进行内表 面的耐磨抗蚀抗疲劳改性处理。目前工业上主要采用电镀等化学湿方法进行这类零部件表 面处理，但形成的镀层致密度有限，且与管件基底结合不牢；同时工业废液对环境造成的污 染也限制了这些方法的应用。因此，各种更加绿色环保的新技术开始尝试用于替代传统的 金属圆管件内表面处理技术。 1992年Matson等在Journal of Vacuum Science and Technology A发表论文， 报道了一种三极溅射等离子体沉积薄膜技术。在内径25mrn，长213mm的AISI4340钢管内 表面，高速沉积了厚35 130mm的体心立方结构金属钽涂层。置于钢管中心轴线上的直径 9. 65mm柱状钽阴极靶，及钢管一端的钽丝辅助热阴极，与被处理的钢管阳极间放电形成等 离子体，利用钽丝热阴极的辅助作用，有效地提高棒状钽阴极溅射效率，在AISI4340钢管 内表面溅射沉积钽涂层。由于辅助热阴极仅可在管件端部安置，造成钢管内部等离子体分 布的不均匀，导致管件内部涂层的不均匀溅射，特别是更小内径的管件，沉积涂层的不均匀 性更加严重。 Hytry等在第十届等离子体化学国际研讨会上，报告了利用电子回旋共振 (FlectronCyclotron Resonance-ECR)微波等离子体，对矩形金属波导管进行内表面涂层 沉积，并于1993年，在Journal of Vacuum Science and Technology A正式发表了相关研 究结果。微波经石英窗耦合到72 34咖2金属波导管内，通过移动外加环形磁场，在波导管 内产生ECR微波等离子体，在长2m的波导管内表面等离子体增强化学气相沉积非晶体碳涂 层。由于微波沿波导管传输的截止波长限制，可用于等离子体增强化学气相沉积涂层的金 属波导尺寸固定，无法用于小尺寸金属管件的内表面改性处理，而且在波导管内形成的ECR 区域较小，导致微波等离子体不均匀，造成内表面涂层得均匀性差、沉积效率低。 1995年，Ensinger在Review of Scientific Instruments上，矛艮告了采用常规离 子源的离子束溅射沉积技术，通过中心轴线上移动的具有倾斜角的溅射靶，在围绕中心轴 线旋转的管件内表面沉积金属薄膜。采用能量2keV氩离子束溅射金属银靶，在内径6mm、 长60mm的低合金钢管件内表面沉积银薄膜，采用能量50keV釙离子束溅射金属釙耙，在 内径10mm、长120mm的金属钽管件内表面沉积钋薄膜。为了克服离子束线溅射均匀性差、 溅射速率低的缺点，2000年，Ensinger等采用等离子体湮没离子注入(Plasma Immersion Ionlmplantation-PIII)技术进行溅射沉积，替代已有的离子束线溅射，分别在内径15mm、长150mm的不锈钢和金属钽管件内表面，溅射沉积金属和化合物薄膜。由于小尺寸管件内 部空间的限制，溅射靶的溅射作用依然有限，同时反溅射作用难以抑制，内表面上薄膜的溅 射沉积速率较低，工艺效率差。等离子体湮没离子注入技术的采用，虽然将金属薄膜拓展到 化合物薄膜，并且薄膜与基底的结合性能有所改善，但仍然不能克服溅射效率低下的缺点。 1996年，杨思泽等报道了采用等离子体源离子注入(Plasma Sourcelonlmplantation-PSII)技术，进行离子注入金属管件内表面的研究论文，相关 改进技术已申请了中国专利技术专利(ZL01115523. X， ZL03105058. 1， ZL200310113092. 6， ZL200380110083.X)。所采用的等离子体源离子注入技术，最初由Conrad于1987年 专利技术(US4764394),随后，Tendys等1988年在Applied Physics Letters上发表 论 文《Plasmaimmersion ion implantation using plasmas generated by radio frequencytechnologies》，报道了等离子体湮没离子注入(PIII)技术。两种技术后被统称 为等离子体基离子注入(Plasma-Based Ion Implantation-PBII)技术。等离子体基离子 注入技术是将被处理工件直接浸没在等离子体中，工件与高能离子注入电源直接相连，对 工件施加连续的高脉冲负偏压，在每一个负高压脉冲作用下，工件周围形成离子鞘层，离子 则通过鞘层电场位降被加速，从各个方向同时垂直轰击工件表面，实现全方位的离子注入。 该技术消除了常规离子束线注入的"视线加工"限制，不需要工件运动系统或离子束扫描系 统，使异形工件的表面改性得以实现。因此，等离子体基离子注入技术为实现类似于金属管 件内表面等异形工件的表面改性从原理上提供了可能。杨思泽等最初通过在金属管件的中 心轴线上引入同轴接地电极，金属管件施加高脉冲负偏压，在管件内部中心电极与内壁间 建立起周向和轴向均匀的电场，有效提高了离子注入的改性效果。但是，由于管件中的等 离子体主要依靠管件两端口向内部扩散输运，管件内部的等离子体密度沿轴向分布不均匀 性，管件内表面改性效果很差，进一步尝试利用外加磁场约束等离子体，增加管件内部的等 离子体密度和均匀性，仍然不能满足均匀改性的要求。 2001年，杨思泽等又提出了一种长金属管件内表面均匀的等离子体源离子注入方 法枸廿'銮康壤胱犹逶蠢胱幼(4)耄^rid Enhanced PSII)方法。在保持金属管件轴线上 原已引入同轴电极的同时，中心电极与管件内壁间增加一接地的同轴栅网电极，中心电极 与栅极间通过射频放电产生等离子体，在金属管件施加的高脉冲负偏压作用下，透过栅极 扩散到栅极与管件内壁间的等离子体中的离子，从各个方向注入到管件内表面。为了克服 栅网阴影效应造成的离子注入不均匀的问题，通过栅网电极相对移动和在管件外部或中心 电极内部施加磁场，改善等离子体的均匀性，增加中心电极的溅射率，有效的提高射频等离 子体密度。尽管栅极增强等离子体源离子注入技术，在金属管件内部设置了等离子体周向 和轴向均匀分布的直流或射频等离子体源，提高管件内部的等离子体密度和均匀性，改善 了长金属管件内表面的改性效果，然而，基于等离子体基离子注入技术的金属管件内表面 改性方法，仍然存在着以下三个主要缺点(一)为了保证足够的离子注入改性层深度，提 高改性层的质量，必须采用高于10kV高脉冲负偏压，由于与工件直接相连的脉冲负高压， 造成离子鞘层变化范围很大，为了达到均匀的注入效果，等离子体源与工件间必须保持足 够距离，从而导致处理内径10 50mm的金属管件内表面仍然受限；(二 )等离子体基离本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，它主要包括：被处理金属管件（１１）与其内部同轴设置的陶瓷隔离套管（６）和两侧端部法兰（１２）构成的真空室（７），与被处理金属管件（１１）直接相连的低能离子注入电源（１０），它还包括：在真空室（７）外，置于被处理金属管件（１１）中心轴线上的线性电子回旋共振微波等离子体源，被处理金属管件（１１）外部同轴设置的辅助加热源（８），其特征在于： （ａ）所述线性电子回旋共振微波等离子体源，在被处理金属管件（１１）中心轴线上形成具有一维尺度的高密度ＥＣＲ微波等离子体，从而取代了低密度的直流或射频等离子体源，结合低能离子注入电源（１０）施加的低脉冲负偏压和同轴设置的辅助外热源（８），在金属圆管内表面完成等离子体基低能离子注入，实现内径１０～５０ｍｍ、长２００～５００ｍｍ金属圆管的内表面改性处理； （ｂ）所述线性电子回旋共振微波等离子体源是由微波源（１）、微波同轴波导内导体（２）、微波同轴波导外导体（３）、微波同轴波导短路活塞（５）和外加磁场线圈（９）构成，通过微波缝隙辐射天线（４）辐射微波能量，激发和电离真空室（７）内的工作气体，在外加磁场线圈（９）产生的磁场强度满足ＥＣＲ的条件下，沿被处理金属管件（１１）中心轴线形成周向和轴向均匀分布的高密度ＥＣＲ微波等离子体； （ｃ）在所述被处理金属管件（１１）外部，同轴设置的辅助加热源（８）将被处理金属管件（１１）周向和轴向均匀加热，在低能离子轰击和辅助加热共同作用下，被处理金属管件（１１）的温度均匀升至工艺温度，保证管件内表面低能离子注入伴随同步扩散的传质过程。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：雷明凯，欧伊翔，吴志立，高峰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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