一种等离子体处理金属表面的实验装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种等离子体处理金属表面的实验装置及方法，属于金属表面处理领 域。
【背景技术】
[0002] 利用气体放电产生等离子体对金属表面进行改性是一种新型的处理手段，相比于 传统的电镀，涂覆，抛光等在不影响使用情况下具有污染小，均匀性好等特点。因此产生诸 如等离子体辅助化学气相沉积（PACVD)，等离子体渗氮、渗碳，离子注入等方法，并在特殊零 件加工，航天航空，医学上都有较好的应用价值，但由于其产生条件较为苛刻，难以在大规 模场合得到应用。随着对等离子体技术的研宄进一步深入，在此基础上，研宄发现一种新型 的放电形式，能够在常压下无需介质阻挡产生类似辉光的放电形态，定义为弥散放电。俄 罗斯的Tomsk研宄所率先开始研宄，发现此种放电形式能够在材料表面发生一系列复杂的 物理、化学反应，且在纳秒脉冲电源下传输到材料表层的功率系数可以达到每立方厘米数 百兆瓦。最后，由弥散放电产生的等离子体除了包含普通气体放电存在的等离子体外还能 够产生各种光学辐射（包括紫外线UV、真空紫外线VUV、X射线等），不仅能够弥补此前等离 子体应用的苛刻条件，还具有良好的处理效果。因此利用弥散放电对金属表面处理具有重 要意义。
[0003] 现有的几种用于金属表面的处理方法，如PACVD法在反应时可能产生来自反应 室壁的污染且限定在低气压下进行，对气体充入环节与腔体的气密性要求较高，操作起来 较为复杂。等离子体渗碳、渗氮等应用于辉光放电，只能在低气压下实现，此外需要额外的 温控设备用来促进离子反应速率。装置操作困难，能量利用率较低。同样，离子注入虽操 作简单，但其主要是利用离子源对材料表面轰击，易对材料表面产生损伤，处理不均匀，对 其表面光洁度也有一定影响，并不能够大范围应用。针对以上情况，本发明提出一种新型 的处理手段弥散放电不需要预电离与诱导设施，利用高压纳秒脉冲电源，通过小曲率半径 电极就能够发生多通道交叠的弥散模式，弥散放电发生时，能够在其表面形成类似辉光放 电处理模式，并能够得出较好的处理结果。俄罗斯的Tarasenko等利用脉宽~2ns，上升 沿~0. 5ns的脉冲电源对AlBe材料表面进行了弥散放电处理，结果表明弥散放电可有效 清除AlBe表面碳元素，清除深度能够达到约400nm。此外，经弥散放电处理的AlBe表层有 氧化膜生成，膜厚约l〇〇nm。当改变气体氛围为0) 2时，还发现其表层硬度相对于初始提高 约 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 等对弥散放电的机理进行了分析， 并在此基础上对铜表面进行了处理，实验时也发现了上述效果（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，利用弥散放电对金属表面处理不仅能够清楚金属 表面的碳化物，形成保护层，还可以提高金属表层的硬度，增强金属表面的耐磨性与抗压 性。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有的金属表面处理方法的不足，进一步发挥等离子体处理金属表面的 优势，本发明的目的是提供一种等离子体处理金属表面的实验装置及方法，本发明基于弥 散放电形式设计一种实验腔结构，在原有大气压弥散放电基础上，可通过调节实验腔腔内 气压与气体成分配比达到不同的改性效果，具有结构简单，操作方便，降低成本，无污染等 优点。
[0005] 本发明的目的是通过以下方案实现的：
[0006] 一种等离子体处理金属表面的实验装置，包括：
[0007] 实验腔，其为空心圆轴状结构；所述实验腔两端分别通过通过法兰盘A和法兰盘B 密封，所述法兰盘A设有进气口，所述法兰盘B设有出气口；其中，
[0008] 所述实验腔的进气口经过阀门控制器分别连接气体流量控制器的输出端和抽气 泵，所述气体流量控制器的输入端连接气瓶；
[0009] 所述实验腔的出气口连接集气瓶；
[0010] 所述实验腔顶部经过铜电极A连接高压纳秒脉冲电源阳极，所述实验腔底部经过 铜电极B接入地电极；
[0011] 所述高压纳秒脉冲电源阴极接入地电极；
[0012] 脉冲触发器，用以控制所述高压纳秒脉冲电源的触发。
[0013] 进一步的，所述高压纳秒脉冲电源阳极通过高压探头接入示波器，用于测量电路 的电压值；
[0014] 所述地电极通过电流线圈接入所述示波器，用于测量电路的电流值。
[0015] 进一步的，所述实验腔上设有气压表，用以检测实验腔内气压。
[0016] 进一步的，所述实验腔腔体为不锈钢材料制成，厚度为18-22mm，内径为 38〇-420mm ；
[0017] 所述实验腔顶部均匀分布9个螺纹通孔，所述螺纹通孔直径为8-12mm，所述螺纹 通孔通过空心螺母旋入铜电极A;
[0018] 所述实验腔底部设有四个底部通孔，其中三个底部通孔用于安装所述实验腔内部 的支架A，所述支架A顶部设置有托盘，用于放置金属材料；另外一个底部通孔用于金属材 料通过铜电极B连接地电极；
[0019] 所述实验腔底部外侧设有支架B。
[0020] 进一步的，所述铜电极A直径为5-7_，长度为280-320_，所述铜电极A与绝缘空 心螺母连接处设置外螺纹；
[0021] 相邻三根铜电极A通过铜垫片结合，引出三组铜电极A合并后接入所述高压纳秒 脉冲电源的阳极；
[0022] 进一步的，所述支架A、支架B、绝缘空心螺母和托盘均由绝缘材料制成。
[0023] 进一步的，所述法兰盘A、法兰盘B中心由有机玻璃制成，所述进气口和出气口直 径分别为3_5mm。
[0024] -种使用所述的实验装置处理金属表面的方法，包括：
[0025] 步骤1，将金属材料放入实验腔内，调节气压与气体成分，打开所述高压纳秒脉冲 电源并调节电压至弥散放电电压；
[0026] 步骤2,设置所述脉冲触发器的触发频率和触发时间，所述脉冲触发器控制所述高 压纳秒脉冲电源的触发，产生弥散放电等离子体；
[0027] 步骤3,调节所述高压纳秒脉冲电源电压至零位置，通过脉冲触发器释放储存电 能，关闭高压纳秒脉冲电源，打开出气口，拆卸法兰盘A或法兰盘B，取出处理后的金属材 料。
[0028] 进一步的，步骤2中，由所述示波器监测电路的电压值和电流值。
[0029] 采用本发明所述实验装置和实验方法进行金属表面处理，具有如下优点：
[0030] (1)将不同大气压下与不同气体成分下的金属处理结合，满足了不同条件下处理 的需要，减少了实验成本，缩短了试验时间，提高了实验效率；
[0031] (2)本发明所述实验装置结构简单，操作容易，对比以往的等离子体处理形式，效 果明显，无需调节气压等级，适应各种条件下的金属表面处理。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明所述实验装置的结构示意图；
[0033] 图2是本发明所述实验装置的实验腔结构示意图；
[0034] 图3是本发明所述实验装置的实验腔剖视图；
[0035] 图4a是本发明实施例1中未处理的纯铜金属材料的SEM图；
[0036] 图4b是本发明实施例1中处理后的纯铜金属材料的SEM图；
[0037] 图5是本发明实施例1中处理后的纯铜金属材料的EDS能谱图；
[0038] 图6是本发明实施例1中纯铜金属材料硬度检测图；
[0039] 图7是本发明实施例1中纯铜金属材料的粘附性测试图。
[0040] 其中，1-脉冲触发器，2-高压纳秒脉冲电源，3-示波器，4-高压探头，5-集气瓶， 6_电流线圈，7-实验腔，8-抽气泵，9-阀门控制器，10-气瓶，11-气体流量控制器，12-进气 口，13-垫片，14-铜电极A，15-绝缘空心螺母，16-出气口，17-支架B，18-气压表，19-法兰 盘A，20-铜电极B，21-托盘，22-金属材料，23-等离子体。
【具体实施方式】
[0041] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明 作进一步详细说明。但所举实例不作为对本发明的限定。
[0042] 一种等离子体处理金属表面的实验装置，包括：
[0043] 实验腔7,其为空心圆轴状结构；所述实验腔7两端分别通过法兰盘A19和法兰盘 B密封，所述法兰盘A19设有进气口 12,所述法兰盘B设有出气口 16,所述法兰盘A19和法 兰盘B中心由有机玻璃制成，所述进气口 12和出气口 16直径分别为3-5_。其中，
[0044] 所述实验腔7的进气口 12经过阀门控制器9分别连接气体流量控制器11的输出 端和抽气泵8,所述气体流量控制器11的输入端连接气瓶10 ;
[0045] 所述实验腔7的出气口 16连接集气瓶5;
[0046] 所述实验腔7上设有气压表18,用以检测实验腔7内气压。
[0047] 所述实验腔7顶部经过铜电极A14连接高压纳秒脉冲电源2阳极，所述实验腔7 底部经过铜电极B20接入地电极；
[0048] 所述高压纳秒脉冲电源2阴极接入地电极；
[0049] 脉冲触发器1，用以控制所述高压纳秒脉冲电源2的触发。
[0050] 所述高压纳秒脉冲电源2阳极通过高压探头4接入示波器3,用于测量电路的电压 值；
[0051] 所述地电极通过电流线圈6接入所述示波器3,用于测量电路的电流值。
[0052] 所述实验腔7腔体为不锈钢材料制成，厚度为18-22mm，内径为380-420mm;
[0053] 所述实验腔7顶部均匀分布9个螺纹通孔，所述螺纹通孔直径为8-12mm，所述螺纹 通孔通过绝缘空心螺母15旋入铜电极A14,实验时铜电极A14同时产生放电；所述绝缘空 心螺母15使得铜电极A与实验腔互相独立，起到绝缘的作用。
[0054] 其中，所述铜电极A14直径为5-7_，长度为280-320_，所述铜电极A14与绝缘空 心螺母15连接处设置外螺纹，便于与绝缘空心螺母的连接，同时通