專利名稱：等離子體輔助滲碳的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及滲碳的系統(tǒng)和方法。更具體地說，本發(fā)明涉及用等離子體催化劑激發(fā)、調節(jié)以及維持氣體中的等離子體的系統(tǒng)和方法，以及將等離子體用于滲碳過程。
背景技術：
滲碳是一種廣泛公知的表面硬化過程。該過程包括將碳擴散到低碳鋼合金中以形成高碳鋼表面。擴散的碳通常與鋼的合金反應來加強鋼表面的硬度。滲碳可導致一種具有高表面硬度和柔軟內核的部件。因此，滲碳可以在處理高磨損部件如齒輪和軸方面特別有用。加強的表面硬度可以提供對摩擦和碰撞磨損的適當?shù)挚苟鵁o需犧牲體材料的理想特性。
碳擴散進入鋼的深度可以通過部件的溫度和暴露于含碳環(huán)境的時間控制。最通常，把要滲碳的部件在包含碳的環(huán)境中在熔爐中加熱至理想的滲碳溫度。滲碳之后，要么慢慢冷卻以便后續(xù)的淬火硬化，要么直接放入各種氣態(tài)或液態(tài)淬火器中淬火。
雖然已知的滲碳方法可以獲得可接受的表面硬度水平，但這些方法包括了幾個缺點。例如，部件可以在一種空氣滲碳爐中被滲碳，然而，該部件的小或者薄的部分的加熱通?？煊谠摬考砻娴钠溆嗖糠?。結果是，這些部分會表現(xiàn)出比部件其他部分更高的硬度。此外，空氣滲碳爐通常慢且缺乏精確控制部件溫度的能力。
滲碳也可在真空爐中進行。在該系統(tǒng)中，部件可被放置于真空室中，然后該真空室被抽真空。該部件被加熱至一個理想的溫度并且一種滲碳氣體可被補充進該真空室中。雖然這種方法可產(chǎn)生具有均勻硬度值的表面，但是要建立并維持在滲碳過程中所需的真空環(huán)境仍然是費用昂貴且耗時的。
也可以通過將部件暴露于一種含碳的等離子體進行滲碳。雖然等離子滲碳方法可以提供比傳統(tǒng)熔爐滲碳方法潛在提高的加熱效率，但是這些等離子體滲碳方法包括了使用昂貴的真空裝置來提供所需的真空環(huán)境。另外，滲碳等離子體的產(chǎn)生通常需要在工件與陰極(例如，室)之間施加幾百伏的DC。
本發(fā)明解決了與已知的滲碳系統(tǒng)和/或方法相關的一個或多個問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個方面包括一種用于滲碳物體第一表面區(qū)域的等離子體輔助方法。該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下通過使氣體受到微波輻射來激發(fā)滲碳等離子體，其中等離子體包含碳，以及將物體第一表面區(qū)域暴露于該等離子體中一段足夠長的時間，以從等離子體中將至少一部分碳通過第一表面區(qū)域轉移到該物體。
本發(fā)明的第二個方面包括一種用于等離子體輔助滲碳物體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括等離子體催化劑，其中形成有腔的容器，并且其中在腔中存在等離子體催化劑的情況下通過使氣體受到電磁輻射(例如，微波輻射)來激發(fā)等離子體，以及連接到腔的電磁輻射源以將輻射引入腔。
本發(fā)明還提供了用于根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助滲碳過程的多種等離子體催化劑。


本發(fā)明的其它特征將通過下面結合附圖的詳細描述變得明顯，其中相同的標號表示相同的部件，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的滲碳等離子體系統(tǒng)的示意圖；圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的部分滲碳等離子體系統(tǒng)的實施例，該系統(tǒng)通過向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來激發(fā)、調節(jié)或維持腔中的等離子體；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長度方向具有濃度梯度；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長度按比率變化；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一個等離子體催化劑纖維，該纖維包括內層核芯和涂層；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的圖4所示的等離子體催化劑纖維沿圖4的線5-5的截面圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的另一個部分的實施例，該等離子體系統(tǒng)包括延伸通過激發(fā)口的伸長型等離子體催化劑；圖7表示根據(jù)本發(fā)明在圖6的系統(tǒng)中使用的伸長型等離子體催化劑的
具體實施例方式
本發(fā)明提供了用于等離子體輔助滲碳的方法和系統(tǒng)。使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可激發(fā)、調節(jié)和維持滲碳等離子體。
在此引入下列共同擁有并同時申請的美國專利申請的全部內容作為參考美國專利申請
No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0012)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0013)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0021)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等離子體系統(tǒng)的說明圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面的滲碳系統(tǒng)10。在該實施例中，在位于輻射腔(即輻射器(applicator))14內部的容器中形成腔12。在另一個實施例中(未示出)，容器12和輻射腔14是同一個，從而不需要兩個獨立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一個或多個輻射透射(例如，微波透射)隔板，以改善其熱絕緣性能使腔12無需顯著地屏蔽輻射。
在一個實施例中，腔12在由陶瓷制成的容器內形成。由于根據(jù)本發(fā)明的等離子體可以達到非常高的溫度，因此可以使用能工作于超過2000華氏度，例如約3000華氏度的陶瓷。陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的硅，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的堿金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，NewCastle的New Castle Refractories公司出售。然而本領域的普通技術人員可知，根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述不同的材料。
在一個成功的實驗中，等離子體形成在部分開口的腔中，該腔在第一磚狀物內并以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個與腔連通的孔一個用來觀察等離子體，并且至少一個用來供給形成等離子體的氣體。腔的尺寸和形狀取決于想要進行的等離子體過程。此外，腔至少應該設置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開主要處理區(qū)。
腔12可以通過管線20和控制閥22與一個或多個氣體源24(例如氬氣、氮氣、氫氣、氙氣、氪氣等氣體源)相連，由電源28提供能量。管線20可以是任何能夠運送氣體但又足夠狹窄以阻止相當數(shù)量微波輻射泄漏的管道。例如，管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來抽走在等離子體處理中產(chǎn)生的任何不需要的氣體。在一個實施例中，通過多部件容器中的一個或多個縫隙氣體可以流入和/或流出腔12。因此，本發(fā)明的氣口不需要特別的孔，也可以為其他形式，如許多小的分布式孔。
一個輻射泄漏探測器(未示出)安裝在源26和波導管30附近，并與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)相連，如果檢測到泄漏量超過預定安全值時，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規(guī)定的值，就自動關閉幅射電源(例如微波)。
由電源28提供能量的輻射源26通過一個或多個波導管30將輻射引入腔14。本領域的普通技術人員應該理解輻射源26可以直接連到腔14或腔12，從而取消波導管30。進入腔12的輻射可以用來激發(fā)腔內的等離子體。通過將附加的輻射例如微波輻射與催化劑相結合可以充分維持該等離子體并將其限制在腔內。
通過循環(huán)器32和調諧器34(例如，3通短線(3-stub)調諧器)提供輻射。調諧器34用來使作為改變激發(fā)或處理條件的函數(shù)的反射能減至最少，特別是在等離子體形成之前，因為微波能例如將被等離子體強烈吸收。
如下面更詳細的說明，如果腔14支持多模，尤其當這些模可持續(xù)或周期性地混合時，腔14內的輻射透射腔12的位置并不重要。例如，馬達36可以與?；旌掀?8相連，使時間平均的輻射能量分布在腔14內大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設置在鄰近腔12的腔14的一個壁上，使能用溫度傳感器42(例如光學高溫計)來觀察腔12內的處理。在一個實施例中，光學高溫計具有一個輸出電壓，其在某一個追蹤范圍內能隨溫度的變化而變化。
傳感器42能夠產(chǎn)生作為腔12中相關工件(未示出)的溫度或者任意其它可監(jiān)測的條件的函數(shù)的輸出信號，并將該信號供給控制器44。也可采用雙重溫度感應和加熱，以及自動冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用來控制電源28的運行，其具有一個與上述輻射源26相連的輸出端和另一個與控制氣流進入腔12的閥22相連的輸出端。
盡管可以使用任何小于約333GHz頻率的輻射，本發(fā)明采用由通訊和能源工業(yè)(CPI)提供的915MHz和2.45GHz微波源取得了同樣的成功。2.45GHz系統(tǒng)持續(xù)提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變微波能。3通短線調諧器使得阻抗與最大能量傳遞相匹配，并且采用了測量入射和反射能量的雙向連接器(圖1中未示出)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明可以使用任何小于大約333GHz頻率的輻射。例如，可采用諸如能量線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，盡管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助于等離子體激發(fā)。此外，根據(jù)本發(fā)明，任何無線電頻率或微波頻率可以使用包括大于約100kHz的頻率。在大多數(shù)情況下，用于這些相對高頻的氣體壓力不需要為了激發(fā)、調節(jié)或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠實現(xiàn)多種等離子體處理。
該裝置用采用LabVIEW6i軟件的計算機控制，它能提供實時溫度監(jiān)測和微波能量控制。通過利用移位寄存器產(chǎn)生適當數(shù)量數(shù)據(jù)點的平均值平滑處理來降低噪音。并且，為了提高速度和計算效率，在緩沖區(qū)陣列中儲存的數(shù)據(jù)點數(shù)目用移位寄存器和緩存區(qū)大小調整來限制。高溫計測量大約1cm2的敏感區(qū)域溫度，用于計算平均溫度。高溫計用于探測兩個波長的輻射強度，并利用普朗克定律擬合這些強度值以測定溫度。然而，應知道也存在并可使用符合本發(fā)明的用于監(jiān)測和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿，＿(Attorney DorketNo.1837.0033)中說明了根據(jù)本發(fā)明可以使用的控制軟件，在此引入其整個內容作為參考。
腔14具有幾個具有微波屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個用于插入高溫計的石英窗。盡管不是必須使用，還具有幾個與真空泵和氣體源相連的口。
系統(tǒng)10還包括一個帶有用自來水冷卻的外部熱交換器的可選封閉循環(huán)去離子水冷卻系統(tǒng)(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環(huán)器(用于保護磁電管)中的裝卸處，最后流過焊接在腔的外表面上的水通道冷卻輻射腔。
等離子體催化劑根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同的物質并且可以是惰性或者活性的。在氣體壓力低于、等于或大于大氣壓力的情況下，等離子體催化劑可以在其它物質中激發(fā)、調節(jié)和/或維持涂覆等離子體。
根據(jù)本發(fā)明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內氣體在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑包括通過使根據(jù)本發(fā)明的局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，例如通過施加電壓引起瞬間放電。
本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以是例如納米粒子或納米管。這里所使用的術語“納米粒子”包括最大物理尺寸小于約100nm的至少是半導電的任何粒子。并且，摻雜和不摻雜的、單層壁和多層壁的碳納米管由于它們異常的導電性和伸長形狀對本發(fā)明的激發(fā)等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長度并且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當?shù)入x子體激發(fā)或維持時，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預定方向)。
本發(fā)明的惰性等離子體也可以是例如粉末，而不必包括納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵粒子、薄片、薄板等。在粉末態(tài)時，催化劑可以至少暫時地懸浮于氣體中。如果需要的話，通過將粉末懸浮于氣體中，粉末就可以迅速分散到整個腔并且更容易被消耗。
在一個實施例中，粉末催化劑可以加載到滲碳腔內并至少暫時地懸浮于載氣中。載氣可以與形成等離子體的氣體相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，輻射源52可以對設置有等離子體腔60(在其中進行滲碳)的電磁輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個可選實施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意種方式分布在腔內，包括氣體流動穿過或越過該塊狀粉末。此外，可以通過移動、搬運、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布于腔內，將粉末加到氣體中用來激發(fā)、調節(jié)或維持涂覆等離子體。
在一個實驗中，通過在伸入腔的銅管中設置一堆碳纖維粉末來使等離子體在腔內激發(fā)。盡管有足夠的輻射被引入腔內，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發(fā)生等離子體激發(fā)。然而，一旦載氣開始流入銅管，促使粉末流出銅管并進入腔內，從而使粉末受到輻射，腔內等離子體幾乎瞬間激發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合物、導電硅橡膠彈性體、聚合物納米復合物、有機無機復合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內基本均勻的分布(例如懸浮于氣體中)，并且等離子體激發(fā)可以在腔內精確地控制。均勻激發(fā)在一些應用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時間短暫的應用中，例如以一個或多個爆發(fā)的形式。還需要有一定的時間來使粉末催化劑本身均勻分布在整個腔內，尤其在復雜的多腔的腔內。因而，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，粉末等離子體可以通過多個激發(fā)口引入腔內以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一個或多個微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個物理尺寸基本上大于另一個物理尺寸。例如，在至少兩個垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大于約1∶5或者甚至大于約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長度相比相對細的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個實驗中，成功使用了一段具有大約三萬股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內部纖維數(shù)量和束長對激發(fā)、調節(jié)或維持等離子體來說并不重要。例如，用大約1/4英寸長的一段石墨帶得到滿意的結果。根據(jù)本發(fā)明成功使用了一種碳纖維是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商標為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化硅纖維。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個或多個如基本為球形、環(huán)形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導電的材料。在一個實施例中，該材料具有強導電性。例如，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合體、導電硅橡膠彈性體、聚合納米復合物、有機無機復合物或其任意組合?？梢园ㄔ诘入x子體催化劑中的一些可能的無機材料包括碳、碳化硅、鉬、鉑、鉭、鎢和鋁，雖然相信也可以使用其它導電無機材料。
除了一種或多種導電材料以外，本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導電性)。如這里所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。例如在半導體和其他材料的摻雜過程中，可通過催化劑向等離子體加入一種或多種摻雜劑。參見，例如，共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿，＿(Attorney DorketNo.1837.0026)，在此引入其整個內容作為參考。催化劑可以包括摻雜劑本身或者，它可以包括分解后能產(chǎn)生摻雜劑的前體材料。因此，根據(jù)最終期望的等離子體復合物和使用等離子體處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或多種添加劑和一種或多種導電材料。
惰性等離子體催化劑中的導電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時間變化。例如，在激發(fā)期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導電成分來改善激發(fā)條件。另一方面，如果在維持等離子體時使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑。本領域普的通技術人員可知用于激發(fā)和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以是相同的。
預定的比率分布可以用于簡化許多等離子體處理。在許多常規(guī)的等離子體處理中，等離子體中的成分是根據(jù)需要來增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據(jù)預定計劃來添加成分。然而，根據(jù)本發(fā)明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動變化。這就是說，在任一特定時間等離子體的成分比率依賴于當前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內的不同位置的催化劑成分比率可以不同。并且，當前等離子體的成分比率依賴于當前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過等離子體腔內的氣體流速較慢時。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續(xù)或者不連續(xù)改變。例如在圖2中，成分比率可以平穩(wěn)改變形成沿催化劑100長度方向的比率梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度的一種或多種成分并向段110連續(xù)增大濃度的材料。
可選擇地，如圖3所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續(xù)變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應該知道催化劑120可以具有多于兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預定的形式改變。在一個實施例中，當?shù)入x子體被監(jiān)測并且已檢測到特殊的添加劑時，可以自動開始或結束進一步的處理。
改變被維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過在不同時間以不同速率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時，在腔內形成的等離子體會有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動化系統(tǒng)可包括用于在等離子體激發(fā)、調節(jié)和/或維持等離子體以前和/或期間機械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以被涂覆。在一個實施例中，催化劑可以包括沉積在基本導電材料表面的基本不導電涂層。或者，催化劑可包括沉積在基本不導電材料表面的基本導電涂層。例如圖4和5表示了包括內層145和涂層150的纖維140。在一個實施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括涂覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層涂層。如果涂層在接觸等離子體期間被消耗，該涂層可以從外涂層到最里面的涂層連續(xù)引入等離子體，從而形成限時釋放(time-release)機制。因此，涂覆等離子體催化劑可以包括任意數(shù)量的材料，只要部分催化劑至少是半導電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，為了通過催化劑基本上減少或防止輻射能泄漏，等離子體催化劑可以完全位于輻射腔內。這樣，等離子體催化劑不會電或磁連接于包括腔的容器、或腔外的任何導電物體。這可以防止在激發(fā)口的瞬間放電，并防止在激發(fā)期間和如果等離子體被維持可能在隨后電磁輻射泄漏出腔。在一個實施例中，催化劑可以位于伸入激發(fā)口的基本不導電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設置有等離子體腔165的輻射腔160。等離子體催化劑170可以延長并伸入激發(fā)口175。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的催化劑170可包括導電的末梢部分180(設置于腔160內)和不導電部分185(基本上設置于腔160外，但是可伸入腔)。該結構防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個實施例中，催化劑由多個導電片段190形成，所述多個導電片段190被多個不導電片段195隔開并與之機械相連。在這個實施例中，催化劑能延伸通過在腔中的一個點和腔外的另一個點之間的激發(fā)口，但是其電氣不連續(xù)的分布有效地防止了產(chǎn)生瞬間放電和能量泄漏。
作為對上述惰性等離子體催化劑的一種替換，根據(jù)本發(fā)明可使用活性等離子體催化劑。使用根據(jù)本發(fā)明的活性催化劑形成滲碳等離子體的方法包括，在活性等離子體催化劑存在的情況下，使腔中的氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射，該方法產(chǎn)生或包括至少一種電離粒子或電離輻射?？梢岳斫?，惰性和活性等離子體催化劑都可用于同一滲碳過程。
根據(jù)本發(fā)明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量來使氣態(tài)原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離輻射和/或粒子可以以聚焦或準直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示輻射源200將輻射引入腔205。等離子體腔210可以設置于腔205內并允許氣體流過口215和216。源220可以將電離輻射和/或粒子225引入腔210。源220可以用電離粒子可以穿過的金屬屏蔽來保護，但也屏蔽了對源220的輻射。如果需要，源220可以水冷。
根據(jù)本發(fā)明的電離輻射和/或粒子的實例可包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來自離子源的離子)或者不帶電荷并且可以是放射性裂變過程的產(chǎn)物。在一個實施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過電離粒子催化劑。因此，當放射性裂變源位于腔外時，該源可以引導裂變產(chǎn)物穿過容器來激發(fā)等離子體。為了基本防止裂變產(chǎn)物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變源可以位于輻射腔內。
在另一個實施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過程中發(fā)射。例如，電子可以通過激發(fā)電子源(如金屬)來引入腔內，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位于腔內、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領域的普通技術人員可知可用任意組合的電子源。產(chǎn)生電子的常用方法是加熱金屬，并且這些電子通過施加電場能進一步加速。
除電子以外，自由能質子也能用于催化等離子體。在一個實施例中，自由質子可通過電離氫產(chǎn)生，并且選擇性地由電場加速。
多模輻射腔輻射波導管、腔或室被設置成支持或便于至少一種電磁輻射模的傳播。如這里所使用，術語“?！北硎緷M足Maxwell方程和可應用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導管或腔內，該?？梢允莻鞑セ蛲姶艌龅母鞣N可能形式中的任何一種。每種模由其電場和/或磁場矢量的頻率和極化表征。模的電磁場形式依賴于頻率、折射率或介電常數(shù)以及波導管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場矢量垂直于傳播方向的模。類似地，橫磁(TM)模是磁場矢量垂直于傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場和磁場矢量均垂直于傳播方向的模。中空金屬波導管一般不支持輻射傳播的標準TEM模。盡管輻射似乎沿著波導管的長度方向傳播，它之所以這樣只是通過波導管的內壁以某一角度反射。因此，根據(jù)傳播模，輻射(例如微波輻射)沿著波導管軸線(通常指z軸)具有一些電場成分或者一些磁場成分。
在腔或者波導管中的實際場分布是其中模的疊加。每種模可以用一個或多個下標(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下標一般說明在x和y方向上含有多少在導管波長的“半波”。本領域的普通技術人員可知波導管波長與自由空間的波長不同，因為波導管內的輻射傳播是通過波導管的內壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標來定義沿著z軸在駐波形式中的半波數(shù)量。
對于給定的輻射頻率，波導管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統(tǒng)被稱為單模系統(tǒng)(如單模輻射器)。在矩形單模波導管中TE10模通常占主導。
隨著波導管(或波導管所連接的腔)的尺寸增加，波導管或輻射器有時能支持附加的高階模，形成多模系統(tǒng)。當能夠同時支持多個模時，系統(tǒng)往往表示為被高度模化(highly moded)。
一個簡單的單模系統(tǒng)具有包括至少一個最大和/或最小的場分布。最大的量級很大程度上依賴于施加于系統(tǒng)的輻射的量。因此，單模系統(tǒng)的場分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模腔可以同時支持幾個傳播模，在疊加時其形成混合場分布形式。在這種形式中，場在空間上變得模糊，并因此場分布通常不顯示出腔內最小和最大場值的相同強度類型。此外，如下的詳細說明，可以用一個?；旌掀鱽怼盎旌稀被颉爸匦路植肌蹦?如利用輻射反射器的機械運動)。這種重新分布有望提供腔內更均勻的時間平均場分布。
根據(jù)本發(fā)明的多模腔可以支持至少兩個模，并且可以支持多于兩個的多個模。每個模有最大電場矢量。雖然可以有兩個或多個模，但是只有一個模占主導并具有比其它模大的最大電場矢量量級。如這里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級之間的比率小于約1∶10，或者小于約1∶5，或者甚至小于約1∶2。本領域的普通技術人員可知比率越小，模之間的電場能量越分散，從而使腔內的電磁輻射能越分散。
處理腔內等離子體的分布非常依賴于所施加的輻射的分布。例如，在一個純單模系統(tǒng)中只可以有一個電場最大值的位置。因此，強等離子體只能在這一個位置產(chǎn)生。在許多應用中，這樣一個強局部化的等離子體會不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過熱和加熱不足)。
根據(jù)本發(fā)明無論使用單或多模腔，本領域的普通技術人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。例如，在特定的應用中，如在等離子體輔助熔爐中，腔可以全部密封。參見，例如，共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿，＿(Attorney Dorket No.1837.0020)，在此引入其整個內容作為參考。然而在其它應用中，可能需要將氣體流過腔，從而腔必須一定程度地打開。這樣，流動氣體的流量、類型和壓力可以隨時間而改變。這是令人滿意的，因為便于形成等離子體的如氬氣的特定氣體更容易激發(fā)，但在隨后的等離子體處理中不需要。
模混合在許多滲碳應用中，需要腔內包括基本均勻的等離子體。然而，由于微波輻射可以有較長波長(如幾十厘米)，很難獲得均勻分布。結果，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，多模腔內的輻射模在在一段時間內可以混合或重新分布。因為腔內的場分布必須滿足由腔的內表面設定的所有邊界條件，可以通過改變內表面的任一部分的位置來改變這些場分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，可移動的反射表面位于輻射滲碳腔內。反射表面的形狀和移動在移動期間將聯(lián)合改變腔的內表面。例如，一個“L”型金屬物體(即“模混合器”)在圍繞任意軸旋轉時將改變腔內的反射表面的位置或方向，從而改變其中的輻射分布。任何其它不對稱形狀的物體也可使用(在旋轉時)，但是對稱形狀的物體也能工作，只要相對移動(如旋轉、平移或兩者結合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個實施例中，模混合器可以是圍繞非圓柱體縱軸的軸旋轉的圓柱體。
多模滲碳腔中的每個模都具有至少一個最大電場矢量，但是每個矢量會周期性出現(xiàn)在腔內。通常，假設輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過移動?；旌掀魇顾c輻射相作用，就可能移動最大值的位置。例如，?；旌掀?8可用于優(yōu)化滲碳腔12內的場分布以便于優(yōu)化等離子體激發(fā)條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時間平均等離子體處理(如加熱和/或滲碳)，可以改變?；旌掀鞯奈恢脕硪苿幼畲笾档奈恢?。
因此，根據(jù)本發(fā)明，在等離子體激發(fā)期間可以使用?；旌稀＠?，當把導電纖維用作等離子體催化劑時，已經(jīng)知道纖維的方向能夠強烈影響最小等離子體激發(fā)條件。例如據(jù)報道說，當這樣的纖維取向于與電場成大于60°的角度時，催化劑很少能改善或放松這些條件。然而通過移動反射表面進入或接近滲碳腔，電場分布能顯著地改變。
通過例如安裝在輻射器腔內的旋轉波導管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實現(xiàn)模混合。為了在輻射腔內在不同方向上有效地發(fā)射輻射，該旋轉接頭可以機械地運動(如旋轉)。結果，在輻射器腔內可產(chǎn)生變化的場形式。
通過柔性波導管將輻射射入輻射腔，也能實現(xiàn)模混合。在一個實施例中，波導管可固定在腔內。在另一個實施例中，波導管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導管末端的位置可以以任何合適的方式連續(xù)或周期性移動(如彎曲)。這種移動也能引起模混合并有助于在時間平均基礎上更均勻的等離子體處理(如加熱)。可選擇地，這種移動可用于優(yōu)化激發(fā)的等離子體的位置或者其它的等離子體輔助處理。
如果柔性波導管是矩形的，波導管的開口末端的簡單扭曲將使輻射器腔內的輻射的電場和磁場矢量的方向旋轉。因而，波導管周期性的扭曲可引起模混合以及電場的旋轉，這可用于輔助激發(fā)、調節(jié)或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直于電場，電場矢量的重新定向能將無效方向變?yōu)楦行У姆较颉１绢I域的技術人員可知?；旌峡梢允沁B續(xù)的、周期性的或預編程的。
除了等離子體激發(fā)以外，在隨后的滲碳和其他等離子體處理期間模混合可用來減少或產(chǎn)生(如調整)腔內的“熱點”。當微波腔只支持少數(shù)模時(如少于5)，一個或多個局部電場最大值可產(chǎn)生“熱點”(如在腔12內)。在一個實施例中，這些熱點可設置成與一個或多個分開但同時的等離子體激發(fā)或滲碳處理相一致。因此，等離子體催化劑可放在一個或多個這些激發(fā)或隨后的滲碳(例如等離子體處理)位置上。
多位置激發(fā)可使用不同位置的多種等離子體催化劑來激發(fā)滲碳等離子體。在一個實施例中，可用多纖維在腔內的不同點處激發(fā)等離子體。這種多點激發(fā)在要求均勻等離子體激發(fā)時尤其有益。例如，當?shù)入x子體在高頻(即數(shù)十赫茲或更高)下調節(jié)，或在較大空間中激發(fā)，或兩者都有時，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態(tài)撞擊和再撞擊。可選地，當在多個點使用等離子體催化劑時，可以通過將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內的不同位置連續(xù)激發(fā)滲碳等離子體。這樣，如果需要，在腔內可以可控地形成滲碳等離子體激發(fā)梯度。
而且，在多模滲碳腔中，腔中多個位置的催化劑的隨機分布增加了如下可能性根據(jù)本發(fā)明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優(yōu)化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒有優(yōu)化取向(基本上沒有與電力線對準)，也改善了激發(fā)條件。
而且，由于催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認為具有每個粉末粒子具有位于腔內不同物理位置的效果，從而改善了滲碳腔內的激發(fā)均勻性。
雙腔等離子體激發(fā)/維持根據(jù)本發(fā)明的雙腔排列可用于激發(fā)和維持等離子體。在一個實施例中，系統(tǒng)至少包括第一激發(fā)腔和與第一激發(fā)腔流體連通的第二滲碳腔。為了激發(fā)等離子體，第一激發(fā)腔中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使第一腔中形成的等離子體激發(fā)第二滲碳腔中的滲碳等離子體，其可用附加的電磁輻射來維持。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一腔可以非常小并主要或只設置用于等離子體激發(fā)。這樣，只需很少的微波能來激發(fā)等離子體，使激發(fā)更容易，尤其在使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑時。
在一個實施例中，第一腔基本上是單模腔，第二滲碳腔是多模腔。當?shù)谝磺恢恢С謫文r腔內的電場分布會劇烈變化，形成一個或多個精確定位的電場最大值。該最大值一般是等離子體激發(fā)的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點。然而應該知道，當使用等離子體催化劑時，催化劑不需要設置在電場最大值之處，而且在大多數(shù)情況下，不需要取向于特定的方向。
滲碳過程根據(jù)本發(fā)明，提供一種滲碳物體的方法，以使來自碳源的碳原子擴散到該物體中，并提高該物體的平均碳濃度。碳可以均勻地擴散到物體的全部表面，或者可以擴散到物體的一個或多個表面區(qū)域。
在本發(fā)明的一個實施例中，如上所述，在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體(例如，來自氣體源24)受到輻射(如，微波輻射)，來激發(fā)等離子體。如圖1所示，等離子體激發(fā)可發(fā)生在腔12內，該腔12可形成于位于微波腔(如，輻射器)14內的容器里。例如，通過提供碳源給等離子體來將碳提供給被激發(fā)的等離子體。在一個實施例中，碳源可以是等離子體催化劑。也就是說，等離子體催化劑可包括通過與等離子體接觸而被等離子體消耗的碳。
此外，在本發(fā)明的一個特定實施例中有用的等離子體催化劑可包括選擇用于特定滲碳過程的根據(jù)預定比率分布的兩種或多種不同材料。例如，在一個實施例中，第一種材料非常適合促進等離子體激發(fā)，而第二種材料可作為等離子體的碳(如，已被等離子體消耗并結合到等離子體中的自由碳)的主要來源。這些材料可被包括在圖2-5，7，8及其任意組合中所示的那些結構中的等離子體催化劑中。
另外，滲碳等離子體中的碳可由不同于或除了等離子體催化劑的碳源提供。這樣的碳源可通過接觸等離子體而提供碳給等離子體。能提供給等離子體的碳源的例子包括含碳氣體、烴類氣體(如，甲烷或其它)、粉末碳、碳納米管、碳納米粒子、碳纖維、石墨、固體碳、汽化碳(如，通過包括，例如，激光消融方法從碳源分離的碳粒子)、木炭、焦炭、無定形碳、鑄鐵及其任意組合中的至少一種。這些碳源可在等離子體激發(fā)時存在于腔12中，或者在等離子體被激發(fā)之后，被提供給腔12來接觸等離子體。如果碳源是氣態(tài)的，那么氣源24可以設置成不僅提供等離子體源氣體，而且提供碳源氣體(如，氣源24可以設置成多個氣體容器和多個閥22)。
在滲碳過程期間，存在于等離子體中的碳擴散到物體中。例如，可將該物體的至少一個表面區(qū)域暴露于等離子體一段足夠長的時間，以從等離子體中將至少一部分等離子體的碳通過第一表面區(qū)域轉移到該物體。通過暴露于等離子體，熱從等離子體有效地轉移到要被滲碳的物體，以至于該物體的溫度可以每分鐘大約400℃的比率增長。滲碳可發(fā)生在一個寬的溫度范圍內。然而，更高的溫度可促進和/或加速擴散過程。在本發(fā)明的一個實施例中，滲碳過程的一部分可在大約600℃和大約1100℃之間的溫度內進行，或在大約850℃和大約975℃之間。可選擇地，全部過程都可在這些溫度之間進行。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，來自等離子體的碳可擴散到物體中，其擴散深度為大約0.003英寸到大約0.250英寸。結果，該物體在擴散區(qū)域的碳含量有所提高。更進一步地，可使用根據(jù)本發(fā)明的滲碳過程來提高包括多級別鋼的任何含鐵物體的碳含量。根據(jù)本發(fā)明也可滲碳不含鐵的材料。在一個實施例中，具有初始碳含量小于0.25％的鋼可以被有效地滲碳。
然而，滲碳等離子體也可在沒有使用等離子體催化劑的情況下被激發(fā)，在某些實施例中，等離子體催化劑被用于激發(fā)、調節(jié)和維持等離子體。例如，根據(jù)本發(fā)明的惰性或活性等離子體催化劑的存在能夠降低激發(fā)滲碳等離子體所需的輻射能量密度。這種降低允許以一種相對低輻射能量的控制的方式產(chǎn)生等離子體，該低輻射能量在當物體的敏感部分暴露于滲碳等離子體時是有用的。在一個控制的實施例中，使用低于大約10W/cm3的時間平均輻射能量(如微波能量)密度可激發(fā)等離子體。另外，使用低于大約5W/cm3的時間平均輻射能量密度也可激發(fā)滲碳等離子體。有利地是，這些相對低的能量密度無需真空裝置就可獲得。
因此，等離子體催化劑的使用可促進控制滲碳等離子體以及使用該等離子體的過程。特別地，由于等離子體可以是電磁輻射包括微波輻射的有效吸收者，因此任何用于激發(fā)滲碳等離子體的輻射都能被滲碳等離子體大部分并立即吸收。所以，引入滲碳腔內的輻射能量在產(chǎn)生滲碳等離子體的早期階段較少被反射。結果，等離子體催化劑的使用能提高對如下的控制暴露于滲碳等離子體的物體的熱率，該物體的溫度，和使用該等離子體的特殊過程(如，滲碳和其它過程)的比率，以及降低滲碳過程早期階段的強輻射反射的可能性。
等離子體催化劑的使用也可在一個較寬范圍的壓力下激發(fā)滲碳等離子體。例如，根據(jù)本發(fā)明的滲碳等離子體不僅可以在真空環(huán)境下產(chǎn)生，其中總壓力小于大氣壓力，而且等離子體催化劑的存在能幫助等離子體在大氣壓或高于大氣壓的壓力下產(chǎn)生。在一個實施例中，滲透等離子體能在具有初始壓力水平為至少大約760Torr的氣體環(huán)境下在腔中被激發(fā)。更進一步地，根據(jù)本發(fā)明的滲透過程可在具有至少大約760Torr壓力的環(huán)境中通過將物體暴露于等離子體來進行。
除了等離子體輔助滲碳物體的一個表面區(qū)域之外，也可對該物體的全部表面區(qū)域進行滲碳。另外，可選擇性地對該物體的一個或多個分離的表面區(qū)域進行滲碳。該物體的某些表面區(qū)域可被有效地掩蔽與滲碳等離子體隔開，以充分防止這些區(qū)域暴露于等離子體。在這些區(qū)域里，基本上沒有滲碳發(fā)生。
例如，腔12可以這種方式被設置以防止該物體的某些表面區(qū)域暴露于等離子體。如前所述，腔12內輻射模式的數(shù)量或級別可取決于該腔的尺寸和構造。腔12內要被滲碳的物體的存在也可能影響該腔內輻射模式的場分布。金屬物體上電磁輻射垂直入設的邊界條件要求表面電場是零，以及在距離該物體表面四分之一波長處出現(xiàn)第一極大值。因此，如果該金屬物體表面和該腔內壁之間的空隙小于輻射的大約四分之一波長，那么，在這些區(qū)域就有很少或沒有等離子體可被維持，從而符合此條件的該物體的表面區(qū)域可能經(jīng)歷很少或沒有滲碳。通過設置腔12的壁，或者通過任何其它合適的用于控制該物體表面與腔壁之間的距離的方法，并通過定位該物體于腔12內來提供這些“被掩蔽”的表面區(qū)域。
用于充分防止在該物體的特定表面區(qū)域滲碳的第二種方法可包括根據(jù)腔12定位該物體以使該物體的至少一部分位于腔內部且該物體的另一部分位于腔外部。位于腔內部的部分可被滲碳，并位于腔外部的部分基本上不被滲碳。
本領域的普通技術人員可以理解，根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助滲碳根本無需在腔內發(fā)生。更合適地，形成于腔內的滲碳等離子體可以通過開口，并在腔外被用于滲碳物體。
為了產(chǎn)生或維持腔12內充分均勻的時間平均輻射場分布，可提供模混合器38，如圖1所示。可選擇或另外地，當被暴露于等離子體時，該物體可相對于等離子體而移動。這樣的移動可使該物體的所有表面更均勻的暴露于等離子體，該等離子體能夠根據(jù)充分均勻的分布使碳擴散進入該物體的表面。更進一步地，這種移動也能幫助控制物體的加熱(如，使該物體的某些區(qū)域比其它區(qū)域加熱更快，或者充分均勻地加熱該部分的全部表面)。
在根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助滲碳過程中，可施加電勢偏壓。這種電勢偏壓可通過將滲碳等離子體中帶電的碳原子吸引到物體來促進該物體的加熱，這能促進等離子體均勻覆蓋在該物體上。更進一步地，電勢偏壓可將帶電碳原子加速到該物體，這也能提高碳擴散速度。施加到該物體的電勢偏壓可以是例如，AC偏壓，DC偏壓，或者脈沖DC偏壓。偏壓的大小可根據(jù)特定的應用來選擇。例如，電壓大小的范圍可從0.1伏特到100伏特，或者根據(jù)吸引離子物質所希望的速度，甚至為幾百伏特。更進一步地，偏壓可是正的也可是負的。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，提供了等離子體輔助滲碳物體的第一表面區(qū)域的方法，其使用等離子體加熱該物體和碳源，但該等離子體不必轉移碳。在該實施例中，該方法包括(1)在等離子體催化劑存在的情況下，通過使腔內的氣體受到頻率為大約333GHz的電磁輻射來激發(fā)等離子體，(2)將該物體的第一表面區(qū)域暴露于等離子體一段足夠長的時間以加熱該表面，(3)將碳源暴露于等離子體一段足夠長的時間以加熱該碳源，其中碳源是固體碳源，選自木炭、焦炭、碳纖維、石墨、無定形碳、鑄鐵及其任意組合，以及(4)從碳源將至少一部分碳通過第一表面區(qū)域轉移到該物體。因此，碳可以蒸氣的形式被轉移，而無需使用等離子體。
在前述的實施例中，為了簡化說明，各種特征被集合在單個實施例中。這種公開方法不意味著本發(fā)明權利要求書要求了比每個權利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是，如下列權利要求所述，創(chuàng)造性方面要比前述公開的單個實施例的全部特征少。因此，下列權利要求被加入到該具體實施方式
中，每個權利要求本身作為本發(fā)明的一個單獨的優(yōu)選實施例。
權利要求
1.一種等離子體輔助滲碳物體的第一表面區(qū)域的方法，該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射來激發(fā)等離子體，其中所述等離子體包括碳；以及將所述物體的第一表面區(qū)域暴露于所述等離子體一段足夠長的時間，以從所述等離子體中將至少一部分所述碳通過所述第一表面區(qū)域轉移到所述物體。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括惰性催化劑和活性催化劑中的至少一種。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包含碳，并且其中所述方法還包括通過允許所述等離子體消耗所述等離子體催化劑將碳加入所述等離子體。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中所述等離子體催化劑包括粉末碳、碳納米管、碳納米粒子、碳纖維、石墨、固體碳及其任意組合中的至少一種。
5.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括通過預定的比率分布確定總量的至少兩種不同材料。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括x射線、γ輻射、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合中的至少一種。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括電子和離子中的至少一種。
8.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合體、導電硅橡膠彈性體、聚合納米復合物、有機無機復合物及其任意組合中的至少一種。
9.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述激發(fā)步驟包括從具有至少大約760Torr的初始壓力水平的氣體環(huán)境中在所述腔內激發(fā)所述等離子體。
10.根據(jù)權利要求1的方法，其中在至少大約760Torr的壓力下進行所述暴露步驟。
11.根據(jù)權利要求1的方法，其中在低于大約10W/cm3的時間平均微波輻射能量密度下進行所述激發(fā)步驟。
12.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述暴露步驟包括當所述第一表面區(qū)域與所述等離子體接觸時，將所述碳擴散到所述第一表面區(qū)域以下進入所述物體。
13.根據(jù)權利要求12的方法，其中所述擴散步驟發(fā)生在多達大約0.003英寸和大約0.250英寸之間的深度。
14.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述物體具有第二表面區(qū)域，并且其中所述暴露步驟還包括基本上防止將所述第二表面區(qū)域暴露于所述等離子體。
15.根據(jù)權利要求14的方法，還包括將所述物體設置在腔內以通過所述微波輻射波長的小于大約25％的距離將所述第二表面區(qū)域與所述腔的內壁分開。
16.根據(jù)權利要求14的方法，還包括根據(jù)腔設置所述物體以將所述第一表面區(qū)域設置在所述腔內并將所述第二表面區(qū)域設置在所述腔外部。
17.根據(jù)權利要求1的方法，還包括?；旌纤鲭姶泡椛洹?br> 18.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述暴露步驟包括提供所述電磁輻射到腔；以及提供所述氣體到所述腔。
19.根據(jù)權利要求1的方法，還包括施加DC偏壓到所述物體。
20.根據(jù)權利要求19的方法，其中所述DC偏壓是脈沖DC偏壓。
21.根據(jù)權利要求1的方法，還包括通過提供含碳氣體到所述等離子體將所述碳引入所述等離子體。
22.根據(jù)權利要求1的方法，還包括從碳源將碳加入所述等離子體，其中所述碳源選自如下的固體源木炭、焦炭、碳纖維、石墨、無定形碳、鑄鐵及其任意組合。
23.根據(jù)權利要求1的方法，還包括通過提供汽化碳到所述等離子體將所述碳引入所述等離子體。
24.根據(jù)權利要求1的方法，其中所述物體包括鋼。
25.根據(jù)權利要求24的方法，其中所述鋼的初始碳含量小于大約0.45％。
26.根據(jù)權利要求1的方法，還包括通過所述等離子體將所述物體的至少一部分初始加熱到大約600℃和大約1100℃之間。
27.根據(jù)權利要求1的方法，還包括以每分鐘至少400℃的速率加熱所述物體的至少一部分直到該至少一部分的溫度達到至少大約600℃。
28.根據(jù)權利要求1的方法，還包括在所述暴露期間，相對于所述等離子體移動所述物體。
29.一種用于等離子體輔助滲碳物體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括等離子體催化劑；容器，在其中形成有腔，以及其中在所述腔內存在所述等離子體催化劑的情況下通過使氣體受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射來激發(fā)等離子體；以及電磁輻射源，連接到所述腔，用于將輻射引入所述腔。
30.根據(jù)權利要求29的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括惰性催化劑和活性催化劑中的至少一種。
31.根據(jù)權利要求29的系統(tǒng)，還包括在其中設置有所述容器的輻射器，其中所述輻射器包括基本上不透射輻射的材料。
32.根據(jù)權利要求31的系統(tǒng)，其中所述微波輻射在所述輻射器內具有能量分布，該系統(tǒng)還包括能相對于所述輻射器移動以改變所述能量分布的微波?；旌掀鳌?br> 33.根據(jù)權利要求31的系統(tǒng)，其中所述輻射器是多模微波輻射器。
34.根據(jù)權利要求29的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括粉末碳、碳納米管、碳納米粒子、碳纖維、石墨、固體碳、金屬、碳基合金、碳基復合物、導電聚合體、導電硅橡膠彈性體、聚合納米復合物、有機無機復合物及其任意組合中的至少一種。
35.根據(jù)權利要求34的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括至少一種碳纖維。
36.根據(jù)權利要求29的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括通過預定的比率分布確定總量的至少兩種不同材料。
37.根據(jù)權利要求29的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括x射線、γ輻射、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合中的至少一種。
38.根據(jù)權利要求29的系統(tǒng)，其中所述等離子催化劑包括電子和離子中的至少一種。
39.根據(jù)權利要求31的系統(tǒng)，還包括設置在所述輻射器中的碳源。
40.根據(jù)權利要求29的系統(tǒng)，其中所述容器包括能透射所述輻射的材料。
41.根據(jù)權利要求29的系統(tǒng)，其中所述輻射器和所述腔相同。
42.一種等離子體輔助滲碳物體第一表面區(qū)域的方法，該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使腔中的氣體受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射來激發(fā)等離子體；將所述物體的第一表面區(qū)域暴露于所述等離子體一段足夠長的時間以加熱所述表面；將碳源暴露于所述等離子體一段足夠長的時間以加熱所述碳源，其中所述碳源是選自如下的固體源木炭、焦炭、碳纖維、石墨、無定形碳、鑄鐵及其任意組合；以及從所述碳源將至少一部分所述碳通過所述第一表面區(qū)域轉移到所述物體。
43.根據(jù)權利要求42的方法，其中所述等離子體催化劑包括粉末碳、碳納米管、碳納米粒子、碳纖維、石墨、固體碳、金屬、碳基合金、碳基復合物、導電聚合體、導電硅橡膠彈性體、聚合納米復合物、有機無機復合物及其任意組合中的至少一種。
44.根據(jù)權利要求43的方法，其中所述等離子催化劑包括至少一種碳纖維。
45.根據(jù)權利要求42的方法，其中所述等離子體催化劑包括x射線、γ輻射、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合中的至少一種。
46.根據(jù)權利要求42的方法，其中所述等離子體催化劑包括電子和離子中的至少一種。
47.根據(jù)權利要求42的方法，其中所述轉移步驟無需包括所述等離子體。
48.根據(jù)權利要求47的方法，還包括將所述碳源設置在所述第一表面附近的位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種滲碳物體表面區(qū)域的系統(tǒng)和方法，其包括使氣體受到產(chǎn)生于輻射源(52)的電磁輻射，在等離子體催化劑(70)存在的情況下來激發(fā)含碳等離子體。該方法還包括將該物體的表面區(qū)域暴露于等離子體一段足夠長的時間以從等離子體將至少一部分碳通過第一表面區(qū)域轉移到該物體。
文檔編號F27D11/08GK1652866SQ03810268
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月7日 優(yōu)先權日2002年5月8日
發(fā)明者D·庫馬爾, S·庫馬爾, M·L·大多爾蒂 申請人:達納公司