一種等離子體處理金屬表面的實驗裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種等離子體處理金屬表面的實驗裝置及方法，屬于金屬表面處理領 域。
【背景技術】
[0002] 利用氣體放電產(chǎn)生等離子體對金屬表面進行改性是一種新型的處理手段，相比于 傳統(tǒng)的電鍍，涂覆，拋光等在不影響使用情況下具有污染小，均勻性好等特點。因此產(chǎn)生諸 如等離子體輔助化學氣相沉積（PACVD)，等離子體滲氮、滲碳，離子注入等方法，并在特殊零 件加工，航天航空，醫(yī)學上都有較好的應用價值，但由于其產(chǎn)生條件較為苛刻，難以在大規(guī) 模場合得到應用。隨著對等離子體技術的研宄進一步深入，在此基礎上，研宄發(fā)現(xiàn)一種新型 的放電形式，能夠在常壓下無需介質阻擋產(chǎn)生類似輝光的放電形態(tài)，定義為彌散放電。俄 羅斯的Tomsk研宄所率先開始研宄，發(fā)現(xiàn)此種放電形式能夠在材料表面發(fā)生一系列復雜的 物理、化學反應，且在納秒脈沖電源下傳輸?shù)讲牧媳韺拥墓β氏禂?shù)可以達到每立方厘米數(shù) 百兆瓦。最后，由彌散放電產(chǎn)生的等離子體除了包含普通氣體放電存在的等離子體外還能 夠產(chǎn)生各種光學輻射（包括紫外線UV、真空紫外線VUV、X射線等），不僅能夠彌補此前等離 子體應用的苛刻條件，還具有良好的處理效果。因此利用彌散放電對金屬表面處理具有重 要意義。
[0003] 現(xiàn)有的幾種用于金屬表面的處理方法，如PACVD法在反應時可能產(chǎn)生來自反應 室壁的污染且限定在低氣壓下進行，對氣體充入環(huán)節(jié)與腔體的氣密性要求較高，操作起來 較為復雜。等離子體滲碳、滲氮等應用于輝光放電，只能在低氣壓下實現(xiàn)，此外需要額外的 溫控設備用來促進離子反應速率。裝置操作困難，能量利用率較低。同樣，離子注入雖操 作簡單，但其主要是利用離子源對材料表面轟擊，易對材料表面產(chǎn)生損傷，處理不均勻，對 其表面光潔度也有一定影響，并不能夠大范圍應用。針對以上情況，本發(fā)明提出一種新型 的處理手段彌散放電不需要預電離與誘導設施，利用高壓納秒脈沖電源，通過小曲率半徑 電極就能夠發(fā)生多通道交疊的彌散模式，彌散放電發(fā)生時，能夠在其表面形成類似輝光放 電處理模式，并能夠得出較好的處理結果。俄羅斯的Tarasenko等利用脈寬~2ns，上升 沿~0. 5ns的脈沖電源對AlBe材料表面進行了彌散放電處理，結果表明彌散放電可有效 清除AlBe表面碳元素，清除深度能夠達到約400nm。此外，經(jīng)彌散放電處理的AlBe表層有 氧化膜生成，膜厚約l〇〇nm。當改變氣體氛圍為0) 2時，還發(fā)現(xiàn)其表層硬度相對于初始提高 約 2 倍（Shulepov M A, Akhmadeev Y K, Tarasenko V F, et al. Modification of surface layers of copper under the action of the volumetric discharge initiated by an avalanche electron beam in nitrogen and C02at atmospheric pressure[J]. Russian Physics Journal, 2011，53(12) : 1290-1294) D Baksht 等對彌散放電的機理進行了分析， 并在此基礎上對銅表面進行了處理，實驗時也發(fā)現(xiàn)了上述效果（Baksht E H，Burachenko A G,Kostyrya I D，et al.Runaway-electron-preionized diffuse discharge at atmospheric pressure and its application[J]. Journal of Physics D:Applied Physics，2009, 42(18) : 185201.)。因此，利用彌散放電對金屬表面處理不僅能夠清楚金屬 表面的碳化物，形成保護層，還可以提高金屬表層的硬度，增強金屬表面的耐磨性與抗壓 性。

【發(fā)明內容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有的金屬表面處理方法的不足，進一步發(fā)揮等離子體處理金屬表面的 優(yōu)勢，本發(fā)明的目的是提供一種等離子體處理金屬表面的實驗裝置及方法，本發(fā)明基于彌 散放電形式設計一種實驗腔結構，在原有大氣壓彌散放電基礎上，可通過調節(jié)實驗腔腔內 氣壓與氣體成分配比達到不同的改性效果，具有結構簡單，操作方便，降低成本，無污染等 優(yōu)點。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下方案實現(xiàn)的：
[0006] 一種等離子體處理金屬表面的實驗裝置，包括：
[0007] 實驗腔，其為空心圓軸狀結構；所述實驗腔兩端分別通過通過法蘭盤A和法蘭盤B 密封，所述法蘭盤A設有進氣口，所述法蘭盤B設有出氣口；其中，
[0008] 所述實驗腔的進氣口經(jīng)過閥門控制器分別連接氣體流量控制器的輸出端和抽氣 泵，所述氣體流量控制器的輸入端連接氣瓶；
[0009] 所述實驗腔的出氣口連接集氣瓶；
[0010] 所述實驗腔頂部經(jīng)過銅電極A連接高壓納秒脈沖電源陽極，所述實驗腔底部經(jīng)過 銅電極B接入地電極；
[0011] 所述高壓納秒脈沖電源陰極接入地電極；
[0012] 脈沖觸發(fā)器，用以控制所述高壓納秒脈沖電源的觸發(fā)。
[0013] 進一步的，所述高壓納秒脈沖電源陽極通過高壓探頭接入示波器，用于測量電路 的電壓值；
[0014] 所述地電極通過電流線圈接入所述示波器，用于測量電路的電流值。
[0015] 進一步的，所述實驗腔上設有氣壓表，用以檢測實驗腔內氣壓。
[0016] 進一步的，所述實驗腔腔體為不銹鋼材料制成，厚度為18-22mm，內徑為 38〇-420mm ；
[0017] 所述實驗腔頂部均勻分布9個螺紋通孔，所述螺紋通孔直徑為8-12mm，所述螺紋 通孔通過空心螺母旋入銅電極A;
[0018] 所述實驗腔底部設有四個底部通孔，其中三個底部通孔用于安裝所述實驗腔內部 的支架A，所述支架A頂部設置有托盤，用于放置金屬材料；另外一個底部通孔用于金屬材 料通過銅電極B連接地電極；
[0019] 所述實驗腔底部外側設有支架B。
[0020] 進一步的，所述銅電極A直徑為5-7_，長度為280-320_，所述銅電極A與絕緣空 心螺母連接處設置外螺紋；
[0021] 相鄰三根銅電極A通過銅墊片結合，引出三組銅電極A合并后接入所述高壓納秒 脈沖電源的陽極；
[0022] 進一步的，所述支架A、支架B、絕緣空心螺母和托盤均由絕緣材料制成。
[0023] 進一步的，所述法蘭盤A、法蘭盤B中心由有機玻璃制成，所述進氣口和出氣口直 徑分別為3_5mm。
[0024] -種使用所述的實驗裝置處理金屬表面的方法，包括：
[0025] 步驟1，將金屬材料放入實驗腔內，調節(jié)氣壓與氣體成分，打開所述高壓納秒脈沖 電源并調節(jié)電壓至彌散放電電壓；
[0026] 步驟2,設置所述脈沖觸發(fā)器的觸發(fā)頻率和觸發(fā)時間，所述脈沖觸發(fā)器控制所述高 壓納秒脈沖電源的觸發(fā)，產(chǎn)生彌散放電等離子體；
[0027] 步驟3,調節(jié)所述高壓納秒脈沖電源電壓至零位置，通過脈沖觸發(fā)器釋放儲存電 能，關閉高壓納秒脈沖電源，打開出氣口，拆卸法蘭盤A或法蘭盤B，取出處理后的金屬材 料。
[0028] 進一步的，步驟2中，由所述示波器監(jiān)測電路的電壓值和電流值。
[0029] 采用本發(fā)明所述實驗裝置和實驗方法進行金屬表面處理，具有如下優(yōu)點：
[0030] (1)將不同大氣壓下與不同氣體成分下的金屬處理結合，滿足了不同條件下處理 的需要，減少了實驗成本，縮短了試驗時間，提高了實驗效率；
[0031] (2)本發(fā)明所述實驗裝置結構簡單，操作容易，對比以往的等離子體處理形式，效 果明顯，無需調節(jié)氣壓等級，適應各種條件下的金屬表面處理。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明所述實驗裝置的結構示意圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明所述實驗裝置的實驗腔結構示意圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明所述實驗裝置的實驗腔剖視圖；
[0035] 圖4a是本發(fā)明實施例1中未處理的純銅金屬材料的SEM圖；
[0036] 圖4b是本發(fā)明實施例1中處理后的純銅金屬材料的SEM圖；
[0037] 圖5是本發(fā)明實施例1中處理后的純銅金屬材料的EDS能譜圖；
[0038] 圖6是本發(fā)明實施例1中純銅金屬材料硬度檢測圖；
[0039] 圖7是本發(fā)明實施例1中純銅金屬材料的粘附性測試圖。
[0040] 其中，1-脈沖觸發(fā)器，2-高壓納秒脈沖電源，3-示波器，4-高壓探頭，5-集氣瓶， 6_電流線圈，7-實驗腔，8-抽氣泵，9-閥門控制器，10-氣瓶，11-氣體流量控制器，12-進氣 口，13-墊片，14-銅電極A，15-絕緣空心螺母，16-出氣口，17-支架B，18-氣壓表，19-法蘭 盤A，20-銅電極B，21-托盤，22-金屬材料，23-等離子體。
【具體實施方式】
[0041] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結合實施例對本發(fā)明 作進一步詳細說明。但所舉實例不作為對本發(fā)明的限定。
[0042] 一種等離子體處理金屬表面的實驗裝置，包括：
[0043] 實驗腔7,其為空心圓軸狀結構；所述實驗腔7兩端分別通過法蘭盤A19和法蘭盤 B密封，所述法蘭盤A19設有進氣口 12,所述法蘭盤B設有出氣口 16,所述法蘭盤A19和法 蘭盤B中心由有機玻璃制成，所述進氣口 12和出氣口 16直徑分別為3-5_。其中，
[0044] 所述實驗腔7的進氣口 12經(jīng)過閥門控制器9分別連接氣體流量控制器11的輸出 端和抽氣泵8,所述氣體流量控制器11的輸入端連接氣瓶10 ;
[0045] 所述實驗腔7的出氣口 16連接集氣瓶5;
[0046] 所述實驗腔7上設有氣壓表18,用以檢測實驗腔7內氣壓。
[0047] 所述實驗腔7頂部經(jīng)過銅電極A14連接高壓納秒脈沖電源2陽極，所述實驗腔7 底部經(jīng)過銅電極B20接入地電極；
[0048] 所述高壓納秒脈沖電源2陰極接入地電極；
[0049] 脈沖觸發(fā)器1，用以控制所述高壓納秒脈沖電源2的觸發(fā)。
[0050] 所述高壓納秒脈沖電源2陽極通過高壓探頭4接入示波器3,用于測量電路的電壓 值；
[0051] 所述地電極通過電流線圈6接入所述示波器3,用于測量電路的電流值。
[0052] 所述實驗腔7腔體為不銹鋼材料制成，厚度為18-22mm，內徑為380-420mm;
[0053] 所述實驗腔7頂部均勻分布9個螺紋通孔，所述螺紋通孔直徑為8-12mm，所述螺紋 通孔通過絕緣空心螺母15旋入銅電極A14,實驗時銅電極A14同時產(chǎn)生放電；所述絕緣空 心螺母15使得銅電極A與實驗腔互相獨立，起到絕緣的作用。
[0054] 其中，所述銅電極A14直徑為5-7_，長度為280-320_，所述銅電極A14與絕緣空 心螺母15連接處設置外螺紋，便于與絕緣空心螺母的連接，同時通