CN101845616A - 导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置 - Google Patents
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Abstract
一种导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，属于材料表面工程技术领域。它取消了各种外界输入的金属等离子体源，通过在金属真空室内设置电爆炸阴极、电爆炸阳极，由送丝机构向两电极之间输送金属或合金导体丝，以快速脉冲放电使导体丝发生电爆炸在金属管件内腔形成金属等离子体，在低能离子注入电源施加于金属管件的直流脉冲负偏压作用下，金属离子向金属管件内壁注入，结合辅助加热源的同步加热作用，注入的金属离子向内扩散，实现等离子体基低能金属离子注入。优点：能实现金属管件内壁低能金属离子注入，注入离子的同步扩散增加了表面改性层深度，设备结构紧凑，制造成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于金属管件内壁表面处理的导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，属于材料表面工程技术领域。
背景技术
目前，等离子体基低能离子注入(Plasma-based Low-energy IonImplantation-PBLEII)是一种新型的材料表面离子注入技术。1995年，雷明凯等在Journal of Vacuum Science and Technology A上的文章《Plasma source ionnitriding：a new low-temperature，low-pressure nitriding approach》报道了等离子体基低能离子注入技术，该技术成为现有低能离子注入技术的典型。等离子体基低能离子注入技术将低能离子注入技术引入等离子体基离子注入，一方面利用1992年A.V.Byeli和1994年D.L.Williamson等分别在Wear和Surface andCoatings Technology上报道的低能离子束线注入技术的“低能”优势，另一方面结合1987年J.R.Conrad和1988年J.Tendys等分别在发明专利US4764394和Applied Physics Letters上报道的等离子体基离子注入技术的“全方位”优势，采用高密度、高电子温度和高离化率的等离子体，结合施加脉冲负偏压和辅助外热源，通过0.4～3keV的低能脉冲离子注入结合同步扩散，实现在200℃超低工艺温度下高传质效率的表面处理。等离子体基低能离子注入技术改善了全方位离子注入改性层的均匀性，同时降低了注入离子能量，大大降低装置造价和加工成本。但是，此PBLEII技术应用于金属管件内壁表面的离子注入尚存在下述问题：将外界的等离子源产生的等离子体引入管件内部，等离子体沿轴向分布不均匀，变化范围较大的离子鞘层影响表面注入的均匀性，尚不能进行直径较小或长径比较大的金属管件的内壁表面处理；其次，这种技术只限于气体等离子体源，只能注入非金属离子，不能注入金属离子。因此，研发高均匀性的“原位”金属等离子体源是实现金属管件内壁表面处理的等离子体基低能金属离子注入的技术关键。
导体丝电爆炸(Electrical Explosion of Wires)是一种基于高功率脉冲技术，以高密度脉冲电流106～109A/cm2快速向导体丝输入能量，导体被电流焦耳加热，迅速地发生固体→液体→汽体→等离子体态的相转变的强流脉冲放电过程，可作为高温高密度的金属等离子体源应用。目前，国内外在材料表面工程技术领域，主要利用导体电爆炸法来进行微细粉体或涂层制备。1995年，M.Makoshi等首先在Journal of Materials Science上报道了利用线爆炸法制备氧化铝微细粉体的研究成果。近几年来，开始探索用电爆炸法制备耐磨涂层、进行工件内壁处理的新途径。1998年，H.Tamura等发表在Journal of Thermal SprayTechnology上的文章《Generation of a high velocity jet in the electrothermalexplosion of conductive ceramic powders》首次报道了利用线爆炸进行一维定向喷涂的测试与分析结果；2002年，H.Neff等的发明专利US6467425B1介绍了利用导体电爆炸的方法在炮筒内壁喷涂制备铬涂层，可解决传统电镀镀铬涂层与工件结合强度低、外力(弹药爆炸产生的冲击力)作用下易发生涂层破坏剥落而导致防护失效的问题。然而，无论是采用导体电爆炸法进行微细粉体制备还是对金属管件内表面喷涂处理，其金属丝自由爆炸的产物含有大量的熔融液滴和固体微颗粒组成，均未有效发挥导体丝电爆炸作为金属等离子体源的优势。究其原因，导体裸丝或较慢上升沿脉冲的电爆炸过程，导体丝表面电晕放电、导体丝局部优先熔断，均导致电爆炸能量沉积效率低，大部分导体丝低于蒸发温度时就发生熔断或爆断，导体丝的等离子体化效率低。因此，目前用于喷涂和微细粉体制备的电爆炸装置仍不是有效的金属等离子体源。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种结构紧凑、制造成本低、能实现金属管件内壁表面高均匀性金属离子注入的导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置。
为达上述目的，本发明所采用的技术解决方案为：一种导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，它主要包括由带有进气口的圆盘状上盖、圆柱形炉体、置有抽气口的底座和通过密封圈构成的金属真空室，并与被处理金属管件相连的低能离子注入电源和真空系统。它还包括以置于被处理金属管件内的导体丝为源材料的导体丝电爆炸金属等离子体源和被处理金属管件外部同轴设置的辅助加热源；所述导体丝电爆炸金属等离子体源是由设置在金属真空室内金属管件上端口处的电爆炸阴极、设置在金属真空室底座中心轴向的电爆炸阳极、送丝机构向两电极之间输送的导体丝和设置在真空室外部的导体丝电爆炸等离子体源电源构成，通过导体丝电爆炸等离子体源电源向导体丝快速脉冲放电，在金属管件内腔中心轴线上发生导体丝电爆炸，产生沿金属管件内腔周向和轴向均匀分布、由中心轴线向内壁高速扩展的柱状高温、高密度金属等离子体区；还通过低能离子注入电源施加的直流脉冲负偏压加速金属离子，结合同轴设置的辅助加热源的同步加热作用，在金属管件内壁表面完成等离子体基低能金属离子注入；所述被处理金属管件外部，同轴设置的辅助加热源将被处理金属管件周向和轴向均匀加热至700～900℃；所述辅助加热源为沿金属管件外壁呈螺旋分布的电阻丝，与金属真空室之间设有绝热套筒。
所述导体丝电爆炸等离子体源电源是由组成充电系统的高压发生器、充电电阻、储能电容、组成电容放电控制系统的间隙开关、触发装置、罗克夫斯基线圈、延迟脉冲发生器和电阻分压器构成电气连接；所述的储能电容为单级电容，或为多级电容组，或者所述的储能电容和间隙开关由马克斯发生器或脉冲形成线电路替代。
所述导体丝电爆炸等离子体源电源向导体丝施加的具有快速上升沿的脉冲电压为2～40kV，脉冲宽度为1～20μs，频率为0.1～1Hz；低能离子注入电源向金属管件施加的直流脉冲负偏压为-1～-5kV，脉冲宽度为≥1～20μs，频率为0.1～1Hz；所述导体丝电爆炸等离子体电源脉冲电压和低能离子注入电源直流脉冲负偏压由延迟脉冲发生器可控输出，两个电源输出的延时大小依据待处理金属管件内径尺寸和电爆炸金属等离子体扩展速度确定。
所述电爆炸阴极带有可旋转的金属转轮，两转轮之间的间隙为导体丝直径的2～5倍；所述电爆炸阳极为顶端带有锥形孔的柱状电极；所述电爆炸阴阳极由铜、钨或不锈钢金属制作。
所述导体丝为直径φ0.05～φ1.0mm、长度1～20cm的Cu、Al、Cr、W、Mo、Ti、Ni、Ta、Nb金属或其合金导体丝，其两端2～3mm以外的部分均经绝缘涂层处理。
所述金属管件的下端设置有用于连接低能离子注入电源的金属导电支撑块和与导体丝电爆炸主回路电绝缘隔离的绝缘块。
采用上述技术方案的指导思想是：在常规等离子体基低能离子注入装置的基础上，取消各种外界输入等离子体的独立等离子体源，通过在金属真空室内设置电爆炸阴极、电爆炸阳极，由送丝机构向两电极之间输送金属或合金导体丝，以快速脉冲放电使导体丝发生电爆炸在金属管件内腔形成金属等离子体，在低能离子注入电源施加于金属管件的直流脉冲负偏压作用下，金属离子向金属管件内壁注入，结合辅助加热源的同步加热作用，注入的金属离子向内扩散，实现等离子体基低能金属离子注入。
导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，导体丝电爆炸等离子体源电源设在真空室外部，分别与电爆炸阴阳极相连，电爆炸等离子体源电源的储能电容可输出的脉冲电压为2～40kV，脉冲宽度为1～20μs，频率0.1～1Hz。所提出的脉冲电压为2kV是导体丝发生电爆炸形成等离子体所需储能电容输出电压的下限值，当脉冲电压低于2kV时，能量过低金属丝发生未完全熔化形成的等离子体不完全，脉冲电压40kV是满足所提出的全部金属丝或合金丝完全电爆炸、形成等离子体的基本电压值，当脉冲电压高于40kV，则降低了储能电容的工作效率；所提出的导体电爆炸脉冲宽度1～20μs是发生导体丝电爆炸形成金属等离子体的最小脉冲时间和最大脉冲时间；所提出的导体电爆炸的发生频率0.1～1Hz，是为了保证电爆炸金属等离子体产生和注入效率，同时满足低造价脉冲电压源的制造要求。
低能离子注入电源设在真空室外部，与金属管件相连，可输出的直流脉冲负偏压为-1～-5kV，脉冲宽度≥1～20μs，频率0.1～1Hz。所提出的电压-1kV是实现低能离子注入的下限电压，低于-1kV时注入层浅，改性效果较差，所提出的-5kV是低能离子注入的上限电压，高于-5kV时，离子能量偏高，超出了低能离子注入的工艺范围；所提出的频率0.1～1Hz，是为了使施加在金属管件上的脉冲负偏压与施加在导体丝上的脉冲电压频率相等，保证直流脉冲负偏压与脉冲电压作用周期相匹配；所提出的脉冲宽度≥1～20μs是为了确保在导体丝电爆炸等离子体形成及其扩展阶段，负偏压有效的作用在金属管件上，在金属管件内壁表面附近形成等离子体鞘层，实现低能金属离子的注入。
电爆炸阴极带有可旋转的金属转轮，两转轮之间的间隙大小为导体丝直径的2～5倍；所提出的带有可旋转金属转轮的电爆炸阴极，目的在于当电爆炸完成后，开动金属转轮解决传统电爆炸过程中转轮因导体丝电爆炸粘丝而造成间隙堵塞问题，而转轮之间的间隙大小为导体丝直径的2～5倍，目的在于使由送丝机构输送的导体丝在金属转轮不旋转的情况下通过，通过转轮支撑导体丝使其与电极相连。
电爆炸所用的导体丝为直径φ0.05～φ1.0mm、长度1～20cm的Cu、Al、Cr、W、Mo、Ti、Ni、Ta、Nb金属或其合金导体丝，其两端2～3mm以外的部分均经过绝缘涂层处理；所提出的导体丝除两端2～3mm以外的部分均经绝缘涂层处理，目的在于克服传统电爆炸工艺中因导体丝局部熔化导致的导体丝主干断路问题，延长导体丝的电阻焦耳加热过程，提高能量沉积效率，从而获得高密度、高离化率的金属等离子体，同时绝缘涂层也可增加一些较软的导体丝的强度，而两端2～3mm不经过绝缘涂层处理为了使导体丝与两爆炸电极接触使电路导通。
导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置的典型工艺参数为：真空度10-2～10-3Pa，加热温度700～900℃。所提出的加热温度700～900℃，高于一般的离子注入工艺温度，低于渗金属的热化学扩散处理温度，目的在于在较高的温度下完成低能离子注入和同步热扩散的过程，从而有效增加离子注入改性层的深度。
本发明的优点在于：克服了常规等离子体基低能离子注入技术中等离子体由外界的等离子源产生后引入，管件内腔的等离子体沿轴向分布不均匀，不能用来处理直径较小金属管件的内壁表面以及只适于金属管件内壁表面非金属离子注入等局限性，实现了金属管件内壁表面均匀等离子体基低能金属离子注入；同时又可解决传统导体电爆炸喷涂涂层与管壁的结合强度有限的难题；且设备紧凑、制造成本低。
附图说明
图1为本发明导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置的结构示意图；
图2为本发明的导体丝电爆炸等离子体源电源的电路图；
图3为本发明导体丝电爆炸的脉冲电压与施加在金属管件上的直流脉冲负偏压的相互关系示意图。
图中：1、真空室，2、上盖，3、炉体，4、绝热套筒，5、金属管件，6、辅助加热源，7、密封圈，8、底座，9、金属导电支撑块，10、绝缘块，11、抽气口，12、电爆炸阳极，13、导体丝，14、低能离子注入电源，15、导体丝电爆炸等离子体源电源，16、进气口，17、金属转轮，18、绝缘转轮，19、导向管，20、送丝机构，21、高压发生器，22、充电电阻，23、储能电容，24、间隙开关，25、触发装置，26、罗克夫斯基线圈，27、延迟脉冲发生器，28、电阻分压器。
具体实施方式
下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。
图1为本发明导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置结构示意图。如图所示，本装置的圆盘状上盖2、圆柱形炉体3及其底座8通过密封圈7构成金属真空室1，圆盘状上盖2设有一个进气口16，底座8置有一个抽气口11，与抽真空设备(如分子泵或扩散泵和机械泵机组)相连，整个装置外壳(包括上盖、炉体、底座)接地；在金属真空室1内金属管件5端口中心处设置带有旋转金属转轮的电爆炸阴极17；在金属真空室1底座8中心轴向设置顶端带锥形孔的柱状电爆炸阳极12，并将其置于绝缘块10内与底座8绝缘；两电爆炸电极与设在真空室外的导体丝电爆炸等离子体源电源15相连，将金属管件5置于两电极之间，在金属管件5下设置金属导电支撑块9，支撑金属管件5并使其与低能离子注入电源14相连，采用绝缘块10使金属管件与导体电爆炸主回路保持的电绝缘隔离状态；由送丝机构21向两电极之间输送导体丝13，送丝机构21通过导向管20将导体丝定位到绝缘转轮18上，绝缘转轮18旋转将导体丝输送到两电极之间，输送过程中导体丝的下降速度通过控制绝缘转轮18的速度来调节；两电爆炸电极、导体丝13和导体丝电爆炸等离子体源电源15构成金属等离子体源，通过导体丝电爆炸等离子体源电源15的储能电容24向导体丝13快速脉冲放电，在金属管件5内腔中心轴线上发生导体丝电爆炸，产生沿金属管件内腔周向和轴向均匀分布、由中心轴线向内壁高速扩展的高温、高密度金属等离子体柱；同时，设置在真空室1外的低能离子注入电源14通过金属导电支撑块9向金属管件5施加直流脉冲负偏压，在金属管件5内壁表面附近形成等离子鞘层，加速金属离子向金属管件5内壁注入，并结合金属管件5外同轴设置的辅助加热源6的同步加热作用促使注入的低能金属离子的向内扩散，辅助加热源6与设在真空室1外的直流电源相连，并在其与金属真空室1之间设有绝热套筒4，图中箭头分别表示进气方向和出气方向。
图2为本发明的导体丝电爆炸等离子体源电源的电路图。如图所示，导体丝电爆炸等离子体源电源是由组成充电系统的高压发生器21、充电电阻22、储能电容23和组成电容放电控制系统的间隙开关24、触发装置25、罗可夫斯基线圈26、延迟脉冲发生器27、电阻分压器28构成。储能电容23为单级电容或多级电容组，或者储能电容23和间隙开关24也可为马克斯发生器及其类似电路，或者为脉冲形成线电路；储能电容23的两端并联有相互串联的间隙开关24和真空室1，间隙开关24上连接有触发装置25，触发装置25与延迟脉冲发生器27相连，同时延迟脉冲发生器27与低能离子注入电源14相连，导体丝电爆炸等离子体电源15与低能离子注入电源14脉冲电压由延迟脉冲发生器27可控输出，两电源输出的延时大小依据待处理金属管件内径尺寸和电爆炸等离子体扩展速度确定；真空室1的电极导线上套设有罗克夫斯基线圈26，罗克夫斯基线圈26的平面与电极导线对中垂直，电极的两端并联电阻分压器28。
图3是本发明导体电爆炸脉冲电压与施加在金属管件上的直流脉冲负偏压的相互关系示意图。如图所示，横坐标为时间(t)，纵坐标为电压(U)，虚线表示低能离子注入电源向金属管件输出的直流脉冲负偏压，其中V2为电压，T1为周期，T2为直流脉冲负偏压的脉冲宽度；细实线表示导体丝电爆炸等离子体源电源向导体丝输出的直流脉冲电压，其中V1为电压，t1为周期，t2为直流脉冲电压的脉冲宽度，Δt为导体丝电爆炸等离子体源电源与低能离子注入电源输出的延迟时间，Δt的大小依据待处理金属管件内径尺寸和电爆炸等离子体扩展速度确定；两个脉冲电压的关系为：T1＝t1，T2≥t2，导体丝电爆炸等离子体源电源脉冲电压输出比低能离子注入电源直流脉冲负偏压输出延迟Δt。
Claims (6)
1.一种导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，它主要包括由带有进气口(16)的圆盘状上盖(2)、圆柱形炉体(3)、置有抽气口(11)的底座(8)和通过密封圈(7)构成的金属真空室(1)，并与被处理金属管件(5)相连的低能离子注入电源(14)和真空系统，其特征在于：它还包括以置于被处理金属管件(5)内的导体丝(13)为源材料的导体丝电爆炸金属等离子体源和被处理金属管件(5)外部同轴设置的辅助加热源(6)；所述导体丝电爆炸金属等离子体源是由设置在金属真空室(1)内金属管件(5)上端口处的电爆炸阴极(17)、设置在金属真空室(1)底座(8)中心轴向的电爆炸阳极(12)、送丝机构(20)向两电极之间输送的导体丝(13)和设置在真空室外部的导体丝电爆炸等离子体源电源(15)构成，通过导体丝电爆炸等离子体源电源(15)向导体丝(13)快速脉冲放电，在金属管件(5)内腔中心轴线上发生导体丝电爆炸，产生沿金属管件内腔周向和轴向均匀分布、由中心轴线向内壁高速扩展的柱状高温、高密度金属等离子体区；还通过低能离子注入电源(14)施加的直流脉冲负偏压加速金属离子，结合同轴设置的辅助加热源(6)的同步加热作用，在金属管件(5)内壁表面完成等离子体基低能金属离子注入；所述被处理金属管件(5)外部，同轴设置的辅助加热源(6)将被处理金属管件(5)周向和轴向均匀加热至700～900℃；所述辅助加热源(6)为沿金属管件外壁呈螺旋分布的电阻丝，与金属真空室(1)之间设有绝热套筒(4)。
2.根据权利要求书1所述的导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，其特征在于：所述导体丝电爆炸等离子体源电源(15)是由组成充电系统的高压发生器(21)、充电电阻(22)、储能电容(23)、组成电容放电控制系统的间隙开关(24)、触发装置(25)、罗克夫斯基线圈(26)、延迟脉冲发生器(27)和电阻分压器(28)构成电气连接；所述的储能电容(23)为单级电容，或为多级电容组，或者所述的储能电容(23)和间隙开关(24)由马克斯发生器或脉冲形成线电路替代。
3.根据权利要求书1或2所述的导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，其特征在于：所述导体丝电爆炸等离子体源电源(15)向导体丝(13)施加的具有快速上升沿的脉冲电压为2～40kV，脉冲宽度为1～20μs，频率为0.1～1Hz；低能离子注入电源(14)向金属管件(5)施加的直流脉冲负偏压为-1～-5kV，脉冲宽度为≥1～20μs，频率为0.1～1Hz；所述导体丝电爆炸等离子体电源(15)脉冲电压和低能离子注入电源(14)直流脉冲负偏压由延迟脉冲发生器(28)可控输出，两个电源输出的延时大小依据待处理金属管件内径尺寸和电爆炸金属等离子体扩展速度确定。
4.根据权利要求书1所述的导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，其特征在于：所述电爆炸阴极(17)带有可旋转的金属转轮，两转轮之间的间隙为导体丝直径的2～5倍；所述电爆炸阳极(12)为顶端带有锥形孔的柱状电极；所述电爆炸阴阳极由铜、钨或不锈钢金属制作。
5.根据权利要求书1所述的导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，其特征在于：所述导体丝(13)为直径φ0.05～φ1.0mm、长度1～20cm的Cu、Al、Cr、W、Mo、Ti、Ni、Ta、Nb金属或其合金导体丝，其两端2～3mm以外的部分均经绝缘涂层处理。
6.根据权利要求书1所述的导体电爆炸等离子体基低能金属离子注入装置，其特征在于：所述金属管件(5)的下端设置有用于连接低能离子注入电源(14)的金属导电支撑块(9)和与导体丝电爆炸主回路电绝缘隔离的绝缘块(10)。
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