[发明专利]脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法

说明书

本发明属于等离子体的应用领域，特别是脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法。

目前世界上用于材料表面改性的处理方法有：

A.将激光束或电子束的能量瞬间作用于材料表面，使材料表面急剧升温，作用结束后，借助材料基体的自淬火，使表面急剧冷却，冷速可达10^-3～10^-8K/S。这种快速淬火效应使材料表面得到改性。

B.利用离子束的特性，可以进行离子注入和离子辅助镀膜。制出在正常相平衡范围以外的材料，并产生表面改性。

与已有技术有关的文献：

1.《激光束、离子束和电子束的表面改性和表面合金化》

(Snface Modification and Alloying by Laser，Ion，and

Electron Beams，edited by J.M Poate，G.Foti，D.C.

Jacobson，Plenum Press，New York，1983)

2.《表面改性技术—工程师指南》(范玉殿等译)

(Surface Modification technologies，an engineer′s guide，

edited by T.S.Sudarshan Marcel Dekker，Lne，1989)

上述的各种用于材料表面改性的处理方法存在着以下缺点：

A.文献[2]中的等离子体处理仅指是在等离子体的氛围中对材料表面进行的处理，该等离子体一般由辉光放电获得，能量低，等离子体的密度：10⁸-10¹⁰cm^-3，温度＜1ev。

B.激光束和电子束只是能量的载体，作用于材料表面仅具有高速淬火的效果。此外，激光的效率低，而且激光作用到材料表面时，反射率大，吸收率低，能量的利用率低；损耗大，而电子束需在高真空下产生，且束斑小；与等离子体相比，离子束的束流很低，为使离子束到达待处理物件上所需全部面积，要求复杂的操作。因此三者的成本都较高。

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，将用于受控核聚变研究的高能量密度等离子体束技术引入材料表面改性领域，从而提供了一种用于材料表面改性的脉冲高能量密度等离子体处理方法，由于此时的等离子体束既是能量的载体，又是物质的载体，因此脉冲高能量密度等离子体束用于材料表面改性，除了具有激光束和电子束的快速加热快速冷却的热效应外，还可兼有等离子体气相沉积和表面元素掺入的效应，使用不同的等离子体源及电极材料和工作气体，即可以有个别的效应，也可有复合效应。

该目的并可提高能量利用率，降低材料表面改性的成本，达到一机多用。

本发明的目的是这样实现的：

本发明将用于受控核聚变研究中的高能量密度等离子体束技术引入材料表面改性领域。

本发明用的材料表面处理的脉冲高能量密度等离子体的装置由等离子体源，储能及充放电控制部分，快速脉冲进气阀，真空部分和样品夹持架五大部分组成的通用设备。等离子源(即等离子体枪)用于产生脉冲高能量等离子体。本发明采用的等离子体源有两种，即a.同轴等离子体枪，b.平板等离子体枪；储能及充放电控制部分用于控制储存能量及已到达予定值的储能器件冲放电；快速脉冲进气阀为使工作气体进入等离子体枪体的控制阀；真空部分用于对工作系统抽真空；样品夹持架由步进电机控制用于夹持被处理的材料，它可使样品平移和转动。

本发明的脉冲高能量密度等离子体用于材料表面处理的方法是使用常规的受控核聚变产生等离子体束的装置，把被处理的样品用夹持架夹住，放在真空室内对着等离子体枪口处，等离子体枪由两同轴电极或两平板电极做成，将真空室抽真空至10^-1-10^-3帕，然后在两电极上施加电压达1.5kv-100kv，充电后一部分能量释放使快速脉冲进气阀动作，工作气体快速通过等离子体枪被击穿，电流放电频率f＝0.01-1Hz，脉冲宽度τ＝10-10⁴μs，形成等离子体束，并被加热和加速，成为携带电极材料的束流，以定向速度v＝10-1000km/s和密度n＝10¹³-10¹⁹cm^-3，温度Te＝10ev-5kev的等离子体作用在被处理材料样品的表面。