专利名称：微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，尤其 是采用线性电子回旋共振(ECR)微波等离子体源进行低能氮、碳、硼等非金属离子注入小 管径金属圆管内表面的改性技术，属于材料表面工程领域。
背景技术：
金属圆管件，特别是内径10 30mm的小管径、大长径比圆管件的磨损、腐蚀和疲 劳失效，已成为在石油化工、机械动力、海洋船舶等工程领域应用的一个瓶颈问题。例如，油 田的采油机械、输油管线，化工的阀门、管道，以及动力传动的配合部件等等，亟待进行内表 面的耐磨抗蚀抗疲劳改性处理。目前工业上主要采用电镀等化学湿方法进行这类零部件表 面处理，但形成的镀层致密度有限，且与管件基底结合不牢；同时工业废液对环境造成的污 染也限制了这些方法的应用。因此，各种更加绿色环保的新技术开始尝试用于替代传统的 金属圆管件内表面处理技术。 1992年Matson等在Journal of Vacuum Science and Technology A发表论文， 报道了一种三极溅射等离子体沉积薄膜技术。在内径25mrn，长213mm的AISI4340钢管内 表面，高速沉积了厚35 130mm的体心立方结构金属钽涂层。置于钢管中心轴线上的直径 9. 65mm柱状钽阴极靶，及钢管一端的钽丝辅助热阴极，与被处理的钢管阳极间放电形成等 离子体，利用钽丝热阴极的辅助作用，有效地提高棒状钽阴极溅射效率，在AISI4340钢管 内表面溅射沉积钽涂层。由于辅助热阴极仅可在管件端部安置，造成钢管内部等离子体分 布的不均匀，导致管件内部涂层的不均匀溅射，特别是更小内径的管件，沉积涂层的不均匀 性更加严重。 Hytry等在第十届等离子体化学国际研讨会上，报告了利用电子回旋共振 (FlectronCyclotron Resonance-ECR)微波等离子体，对矩形金属波导管进行内表面涂层 沉积，并于1993年，在Journal of Vacuum Science and Technology A正式发表了相关研 究结果。微波经石英窗耦合到72 34咖2金属波导管内，通过移动外加环形磁场，在波导管 内产生ECR微波等离子体，在长2m的波导管内表面等离子体增强化学气相沉积非晶体碳涂 层。由于微波沿波导管传输的截止波长限制，可用于等离子体增强化学气相沉积涂层的金 属波导尺寸固定，无法用于小尺寸金属管件的内表面改性处理，而且在波导管内形成的ECR 区域较小，导致微波等离子体不均匀，造成内表面涂层得均匀性差、沉积效率低。
1995年，Ensinger在Review of Scientific Instruments上，矛艮告了采用常规离 子源的离子束溅射沉积技术，通过中心轴线上移动的具有倾斜角的溅射靶，在围绕中心轴 线旋转的管件内表面沉积金属薄膜。采用能量2keV氩离子束溅射金属银靶，在内径6mm、 长60mm的低合金钢管件内表面沉积银薄膜，采用能量50keV釙离子束溅射金属釙耙，在 内径10mm、长120mm的金属钽管件内表面沉积钋薄膜。为了克服离子束线溅射均匀性差、 溅射速率低的缺点，2000年，Ensinger等采用等离子体湮没离子注入(Plasma Immersion Ionlmplantation-PIII)技术进行溅射沉积，替代已有的离子束线溅射，分别在内径15mm、长150mm的不锈钢和金属钽管件内表面，溅射沉积金属和化合物薄膜。由于小尺寸管件内 部空间的限制，溅射靶的溅射作用依然有限，同时反溅射作用难以抑制，内表面上薄膜的溅 射沉积速率较低，工艺效率差。等离子体湮没离子注入技术的采用，虽然将金属薄膜拓展到 化合物薄膜，并且薄膜与基底的结合性能有所改善，但仍然不能克服溅射效率低下的缺点。
1996年，杨思泽等报道了采用等离子体源离子注入(Plasma Sourcelonlmplantation-PSII)技术，进行离子注入金属管件内表面的研究论文，相关 改进技术已申请了中国发明专利(ZL01115523. X， ZL03105058. 1， ZL200310113092. 6， ZL200380110083.X)。所采用的等离子体源离子注入技术，最初由Conrad于1987年 发明(US4764394),随后，Tendys等1988年在Applied Physics Letters上发表 论 文《Plasmaimmersion ion implantation using plasmas generated by radio frequencytechnologies》，报道了等离子体湮没离子注入(PIII)技术。两种技术后被统称 为等离子体基离子注入(Plasma-Based Ion Implantation-PBII)技术。等离子体基离子 注入技术是将被处理工件直接浸没在等离子体中，工件与高能离子注入电源直接相连，对 工件施加连续的高脉冲负偏压，在每一个负高压脉冲作用下，工件周围形成离子鞘层，离子 则通过鞘层电场位降被加速，从各个方向同时垂直轰击工件表面，实现全方位的离子注入。 该技术消除了常规离子束线注入的"视线加工"限制，不需要工件运动系统或离子束扫描系 统，使异形工件的表面改性得以实现。因此，等离子体基离子注入技术为实现类似于金属管 件内表面等异形工件的表面改性从原理上提供了可能。杨思泽等最初通过在金属管件的中 心轴线上引入同轴接地电极，金属管件施加高脉冲负偏压，在管件内部中心电极与内壁间 建立起周向和轴向均匀的电场，有效提高了离子注入的改性效果。但是，由于管件中的等 离子体主要依靠管件两端口向内部扩散输运，管件内部的等离子体密度沿轴向分布不均匀 性，管件内表面改性效果很差，进一步尝试利用外加磁场约束等离子体，增加管件内部的等 离子体密度和均匀性，仍然不能满足均匀改性的要求。 2001年，杨思泽等又提出了一种长金属管件内表面均匀的等离子体源离子注入方 法枸廿'銮康壤胱犹逶蠢胱幼(4)耄^rid Enhanced PSII)方法。在保持金属管件轴线上 原已引入同轴电极的同时，中心电极与管件内壁间增加一接地的同轴栅网电极，中心电极 与栅极间通过射频放电产生等离子体，在金属管件施加的高脉冲负偏压作用下，透过栅极 扩散到栅极与管件内壁间的等离子体中的离子，从各个方向注入到管件内表面。为了克服 栅网阴影效应造成的离子注入不均匀的问题，通过栅网电极相对移动和在管件外部或中心 电极内部施加磁场，改善等离子体的均匀性，增加中心电极的溅射率，有效的提高射频等离 子体密度。尽管栅极增强等离子体源离子注入技术，在金属管件内部设置了等离子体周向 和轴向均匀分布的直流或射频等离子体源，提高管件内部的等离子体密度和均匀性，改善 了长金属管件内表面的改性效果，然而，基于等离子体基离子注入技术的金属管件内表面 改性方法，仍然存在着以下三个主要缺点(一)为了保证足够的离子注入改性层深度，提 高改性层的质量，必须采用高于10kV高脉冲负偏压，由于与工件直接相连的脉冲负高压， 造成离子鞘层变化范围很大，为了达到均匀的注入效果，等离子体源与工件间必须保持足 够距离，从而导致处理内径10 50mm的金属管件内表面仍然受限；(二 )等离子体基离子 注入小管径金属管件内表面，为了获得有效的改性层深度，需要等离子体密度高于1(Tcm—3 的高密度等离子体源，目前栅极增强的直流或射频等离子体源等离子体密度偏低，不能满足要求；(三)使用高脉冲负偏压产生的二次电子发射，造成装置功率的巨大浪费，同时二 次电子也带来强烈的x射线辐射。这些缺点限制了基于等离子体基离子注入的金属管件内 表面改性技术的应用。 为了进一步发展等离子体基低能离子注入技术，克服其现存的技术缺点，1995年， 雷明凯等在Journal of Vacuum Science and Technology A发表论文《Plasma source ionnitriding :a new low—temperature, low—pressure nitriding approach》，矛艮道了等 离子体基低會隨子注入(Plasma-Based Low Energy Ion Implantation-PBLEII)技术，将 等离子体基离子注入的高脉冲负偏压降至3 kV以下，该技术成为现有的低能离子注入技 术的典型。等离子体基低能离子注入技术的研发思路是利用1992年Byeli和1994年 Williamson等分别在Wear和Surface and Coatings Technology上报道的低能离子束线 注入技术的"低能"优势，与等离子体基离子注入技术的"全方位"优势相结合，采用高等离 子体密度、高电子温度和高离化率的ECR微波等离子体，结合施加低脉冲负偏压和辅助外 热源，通过低能离子注入结合同步扩散，实现在20(TC超低工艺温度下高传质效率的表面处 理。与等离子体基离子注入技术相比较，等离子体基低能离子注入技术显著增加了改性层 深度和均匀性，表面改性作用显著提高，同时大大节省了装置造价和加工成本。因此，将等 离子体基低能离子注入技术用于金属管件内表面改性，能够有效地克服基于等离子体基离 子注入技术的内表面改性方法存在的缺点(一)和(三)，但是，由于缺乏适用于内表面处 理的具有一维尺度的高密度线性等离子体源，缺点(二)的限制仍然存在。
2005年，Glukhoy等在Surface and Coatings Technology发表论文 《Characterizationof a high-density plasma immersion ion implanter with scaleable ECR large-areaplasma source》，报道了新概念集成设计的大面积、高密度ECR 微波等离子体源，它由m个ECR微波等离子体单元阵列构成，每个ECR微波等离子体单元阵 列由n个ECR微波等离子体单元组成，每个ECR微波等离子体单元包括微波同轴波导缝隙 辐射天线和永磁磁体，缝隙辐射天线采用在同轴波导外导体上定向平行开设的缝隙设计， 周向张角q = 120海杂谖2.夕德？ . 45GHz，缝隙间距为1/4 = 30. 4mm，两个永磁磁体分别 固定在缝隙两侧，缝隙周围磁场强度达到ECR的磁场强度0. 0875T。满足直径8英寸硅片处 理要求的直径200mm的高密度等离子体源，需要m = 4个ECR微波等离子体单元阵列，阵列 间距2. 5英寸，每个ECR微波等离子体源阵列则具有n = 9个ECR微波等离子体单元；满足 直径12英寸硅片处理的要求的直径300mm的高密度等离子体源，则需要n謝=15 =90 个ECR微波等离子体单元。由于这项研究的目的是发展大面积、高密度的等离子体源，报道 的ECR微波等离子体单元阵列仅适合于产生单向的等离子体，没有形成具有一维尺度的周 向和轴向均匀分布的等离子体，仍然无法满足等离子体基低能离子注入金属管件内表面对 高密度线性等离子体源的需求，因此，亟待发展高密度的线性等离子体源。
发明内容
本发明的目的和任务是要克服基于等离子体基离子注入技术的金属管件内表面 改性方法存在的(一)为了保证足够的离子注入改性层深度，提高改性层的质量，必须采 用高于10kV高脉冲负偏压，由于与工件直接相连的脉冲负高压，造成离子鞘层变化范围很 大，为了达到均匀的注入效果，等离子体源与工件间必须保持足够距离，从而导致处理内径10 50mm的金属管件内表面仍然受限；(二 )等离子体基离子注入小管径金属管件内表 面，为了获得有效的改性层深度，需要等离子体密度高于10 m—3的高密度等离子体源，目 前栅极增强的直流或射频等离子体源等离子体密度偏低，不能满足要求；(三)使用高脉冲 负偏压产生的二次电子发射，造成装置功率的巨大浪费，同时二次电子也带来强烈的x射 线辐射的缺点，提供一种在金属管件中心轴线上产生高密度等离子体的线性ECR微波等离 子体源，取代低密度的直流或射频等离子体源，结合施加低脉冲负偏压和辅助外热源的等 离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置。 本发明所采用的技术方案是一种微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管 内表面装置，它主要包括被处理金属管件与其内部同轴设置的陶瓷隔离套管和两侧端部 法兰构成的真空室，与被处理金属管件直接相连的低能离子注入电源，它还包括在真空室 外，置于被处理金属管件中心轴线上的线性电子回旋共振微波等离子体源，被处理金属管 件外部同轴设置的辅助加热源，其特殊之处在于 (a)所述线性电子回旋共振微波等离子体源，在被处理金属管件中心轴线上形成 具有一维尺度的高密度ECR微波等离子体，从而取代了低密度的直流或射频等离子体源， 结合低能离子注入电源施加的低脉冲负偏压和同轴设置的辅助外热源，在金属圆管内表面 完成等离子体基低能离子注入，实现内径10 50mm、长200 500mm金属圆管的内表面改 性处理； (b)所述线性电子回旋共振微波等离子体源是由微波源、微波同轴波导内导体、微 波同轴波导外导体、微波同轴波导短路活塞和外加磁场线圈构成，通过微波缝隙辐射天线 辐射微波能量，激发和电离真空室内的工作气体，在外加磁场线圈产生的磁场强度满足ECR 的条件下，沿被处理金属管件中心轴线形成周向和轴向均匀分布的高密度ECR微波等离子 体； (c)在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，在低能离子轰击和辅助加热共同作用下，被处理金属管件的温度均匀升 至工艺温度，保证管件内表面低能离子注入伴随同步扩散的传质过程。 本发明所提出的微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，其进 一步特殊之处在于所述微波同轴波导内导体的外径与微波同轴波导外导体的内径比b/a =2. 303，采用标准同轴波导外导体的内径b = 7 16mm，在同轴波导外导体上沿螺旋线规 则开设的Nk个缝隙辐射天线，缝隙宽度为0. 2 0. 3mm，周向张角q = 30 120海植悸菪 叩牡汲涛湍/4， 1为微波波长，对于微波频率2. 45GHz， 1/4 = 30. 4mm， N为分布螺旋线的周 数，k为一周内规则开设的缝隙辐射天线的个数，每周内，周向张角q的中心位置±q/2 = 0 悍直鹞淛O，A，…，A，'"， ，其中ai = i(360 k)，(i = l，2，3，…，k)，周向张角q的 中心位置为a。和ak的缝隙辐射天线的周向位置重合，轴向距离为导程1/4。由微波源输出 的微波功率500 5000W，保证微波通过Nk个缝隙辐射天线在内径10 50mm管件内的有 效传输距离为200 500mm。 本发明所提出的微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，所述 外加磁场线圈在真空室内产生的磁场应满足发生ECR的磁场强度，对于微波频率2. 45GHz， 外加磁场线圈产生的轴向磁场强度为0. 0875T，沿螺旋线规则分布的缝隙辐射天线在外加 磁场作用下，形成具有一维尺度的周向和轴向均匀分布的高密度ECR微波等离子体。
采用上述技术方案的指导思想是在已有等离子体基低能离子注入金属表面改
性装置基础上，采用在金属管件中心轴线上产生高密度等离子体的线性ECR微波等离子体
源，取代低密度的直流或射频等离子体源，结合施加低脉冲负偏压和同轴设置的辅助外热
源，在内径10 50mm、长200 500mm的金属管件内表面实现低能离子注入伴随同步扩散
的传质过程，进行ECR微波等离子体基低能离子注入金属管件内表面处理。 本发明的优点为一、由于采用高密度线性ECR微波等离子体源，结合低能离子注
入电源和辅助加热源，保证了金属管件内表面的低能离子注入伴随同步扩散，实现了等离
子体基低能离子注入金属管件内表面改性处理；二、利用微波缝隙辐射天线的激发和电离
作用，在外加磁场激励下，沿金属管件中心轴线形成周向和轴向均匀分布的高密度ECR微
波等离子体，可满足小管径、大长径比金属管件内表面处理的工业需求；三、由于采用低能 离子注入电源和辅助加热源，等离子体基低能离子注入金属管件内表面处理装置，省略了 造价昂贵的高能离子注入电源，装置的成本显著降低，对于环境无不良影响，是一种环境友 好的表面工程技术。
图1是微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置的结构剖面示 意图。1.微波源，2.微波同轴波导内导体，3.微波同轴波导外导体，4.缝隙辐射天线，5.微 波同轴波导短路活塞，6.陶瓷隔离套管，7.真空室，8.辅助加热源，9.外加磁场线圈，IO.低 能离子注入电源，ll.被处理金属管件，12.端部法兰，13.进气口，14.抽气口。
图1中，实线箭头为真空室7进气方向，虚线箭头为真空室7抽气方向。同轴波导 外导体3外壁上沿螺旋线均匀开设缝隙辐射天线4，其螺旋线的螺距为1/4， 1为微波波长， 每个分布螺旋线周期内，周向张角q的中心位置士q/2二0悍直鹞淛0，A，，、， 其中ai二i(360 k)，(i = l，2，3，…，k)。 图2、图3和图4是线性ECR微波等离子体源的缝隙辐射天线在一个分布周期内结 构变化的横截面示意图，其中图2是图1中的a。横截面，图3是图1中ai横截面，图4是 图1中ak横截面。 图2 4中，a.微波同轴波导内导体外径，b.同轴波导外导体内径，4.陶瓷隔离 套管内径，d2.陶瓷隔离套管外径，d3.被处理金属管件内径，d4.被处理金属管件外径。周 向张角q的中心位置为a。和ak的缝隙辐射天线4的周向位置重合。
具体实施例方式
与已有等离子体基低能离子 入金属表面改性技术相比，微波等离子体基低能离
子注入小管径金属圆管内表面改性技术，能够产生具有一维尺度的周向和轴向均呈均匀分
布的高密度、高电子温度和高离化率的线性ECR微波等离子体，在金属管件内部低能氮、
碳、硼等非金属离子注入伴随同步扩散，达到足够的改性层深度，因而在材料表面工程领域
具有广泛的工业化应用前景。下面结合具体实施例，进一步说明本发明的细节。 图1是微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置的结构剖面示意图。 图2、图3和图4是线性ECR微波等离子体源的缝隙辐射天线在一个分布周期内结构变化的横截面示意图。 本发明所提出的微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置的 典型工艺参数为被处理金属圆管内径10 50mm、长200 500mm，外径尺寸无特殊限 制。微波源频率2. 45GHz、功率500 5000W，外加磁场线圈产生的均匀磁场强度0. 0875T， ECR微波等离子体密度101Q 10"cm—3，电子温度3 7eV，离化率 10 % ，工作气压(1 10) X10—2pa，直流脉冲负偏压-0. 5 -3kV，工艺温度200 700。C，处理时间4 10hr。 本发明所提出的微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，在缝隙宽度为 0. 2 0. 3mm，周向张角q = 30 120海煜斗涮煜叻植悸菪叩牡汲涛湍/4 = 30. 4mm， Nk = 15 50个缝隙辐射天线稳定工作时，所需微波源功率为500 5000W ;工作气压(1 10) X 10—2Pa是保证离子注入的典型气压，在此高真空条件下，离子的自由程长，在直流脉冲 负偏压-0. 5 -3kV作用下，到达金属管件表面的离子能够克服管件表面的能垒进入表面， 实现低能离子注入，工艺温度200 70(TC是等离子体基低能离子注入的典型工艺温度，分 别对应于传统离子束线离子注入的上限温度和等离子体热化学扩散处理的下限温度，足够 的处理时间4 10hr保证低能离子注入伴随同步扩散，达到足够的改性层深度，保证获得 等离子体基低能离子注入改性表面。 本发明所提出的微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置的操 作步骤为 第一步，安装工件并抽真空 将被处理金属管件11与陶瓷隔离套管6和两侧端部法兰12组装成真空室7，检查 密闭性，打开抽气口 14抽真空，保持真空度高于8 0—4Pa ;
第二步，输送工作气体并加热工件 打开进气口 13，充入工作气体使真空室7的工作气压保持动态平衡，直至工作气 压达到(1 10) 0—乍a，将辅助加热源8通电工作，被处理金属管件11的温度加热至低 于工艺温度30 80°C ;
第三步，产生均匀等离子体 将外加磁场线圈9通电工作，产生满足ECR条件的轴向磁场，将微波源1启动，微 波沿同轴波导传输，并且由缝隙辐射天线4周向和轴向均匀辐射，在磁场作用下，在真空室 中产生周向和轴向均呈均匀状态的ECR微波等离子体；
第四步，施加脉冲负偏压开始处理工艺 启动低能离子注入电源10向被处理金属管件11施加脉冲负偏压，利用真空室7 中形成的ECR微波等离子体，使被处理金属管件11的温度达到工艺温度200 700°C ，进行 等离子体基低能离子注入金属管件内表面处理；
第五步，停机检查 在等离子体基低能离子注入的处理时间4 10hr结束后，关机，取下被处理过的
金属管件11 ，检验改性层的厚度和均匀性，合格后即可待用。
实施例1 : 某机械厂要求制造微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，对 内径为10mm，壁厚lmm，长200mm的奥氏体不锈钢管件内表面进行等离子体基低能氮离子注 入处理，其具体工艺参数如下
微波源功率2000W，线性ECR微波等离子体源的微波同轴波导内导体2外径为 3mm，同轴波导外导体3内径为7mm，具有Nk = 13个缝隙辐射天线，缝隙宽度为0. 2mm，周向 张角q = 30骸 真空室7的氮气工作气压达到10—2Pa，向奥氏体不锈钢管件施加脉冲负偏 压-0. 5kV，奥氏体不锈钢管件的温度达到工艺温度40(TC，进行等离子体基低能离子注入 管件内表面处理；处理时间4hr结束后，关机；经检测，奥氏体不锈钢管件注入改性层厚度 为5mm，表面氮浓度达30at% ，质量合格，产品性能满足用户的要求。
实施例2 : 某钢厂要求制造微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，对内 径为20mm，壁厚lmm，长300mm的钛合金管件内表面进行等离子体基低能氮离子注入处理， 其具体工艺参数如下 微波源功率3000W，线性ECR微波等离子体源的微波同轴波导内导体2外径为 3mm，同轴波导外导体3内径为7mm，具有Nk = 28个缝隙辐射天线，缝隙宽度为0. 2mm，周向 张角q = 60骸 真空室7的氮气工作气压达到5X 10—2Pa，向钛合金管件施加脉冲负偏压-3kV，被 处理钛合金管件的温度达到工艺温度65(TC，进行等离子体基低能离子注入管件内表面处 理；处理时间8hr结束后，关机；经检测，钛合金管件注入改性层厚度为10mm，表面氮浓度达 50at % ，质量合格，产品性能满足用户的要求。
实施例3 : 某机床厂要求制造微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，对 内径为50mm，壁厚5mm，长500mm的马氏体不锈钢管件内表面进行等离子体基低能氮离子注 入处理，其具体工艺参数如下 微波源功率5000W，线性ECR微波等离子体源的微波同轴波导内导体2外径为 7mm，同轴波导外导体3内径为16mm，具有Nk = 46个缝隙辐射天线，缝隙宽度为0. 3mm，周 向张角q = 120骸 真空室7的氮气工作气压达到3X10—2Pa，向马氏体不锈钢管件施加脉冲负偏 压_21^，使马氏体不锈钢管件的温度达到工艺温度20(TC，进行等离子体基低能离子注入 管件内表面处理；处理时间10hr结束后，关机；经检测，马氏体不锈钢管件注入改性层厚度 为15mm，表面氮浓度达20at%，质量合格，产品性能满足用户的要求。
实施例4 : 某机械厂要求制造微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，对 内径为30mm，壁厚6mm，长300mm的奥氏体铁素体双相不锈钢管件内表面进行等离子体基低 能碳离子注入处理，其具体工艺参数如下 微波源功率3000W，线性ECR微波等离子体源的微波同轴波导内导体2外径为 7mm，同轴波导外导体3内径为16mm，具有Nk = 28个缝隙辐射天线，缝隙宽度为0. 2mm，周 向张角q = 120骸 真空室7的甲烷工作气压达到1 X 10—屮a，向奥氏体铁素体双相不锈钢管件施加脉 冲负偏压_21^，奥氏体铁素体双相不锈钢管件的温度达到工艺温度56(TC，进行等离子体 基低能离子注入管件内表面处理；处理时间4hr结束后，关机；经检测，奥氏体-铁素体双相不锈钢管件注入改性层厚度为20mm，表面碳浓度达20at^，质量合格，产品性能满足用 户的要求。
权利要求
一种微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，它主要包括被处理金属管件(11)与其内部同轴设置的陶瓷隔离套管(6)和两侧端部法兰(12)构成的真空室(7)，与被处理金属管件(11)直接相连的低能离子注入电源(10)，它还包括在真空室(7)外，置于被处理金属管件(11)中心轴线上的线性电子回旋共振微波等离子体源，被处理金属管件(11)外部同轴设置的辅助加热源(8)，其特征在于(a)所述线性电子回旋共振微波等离子体源，在被处理金属管件(11)中心轴线上形成具有一维尺度的高密度ECR微波等离子体，从而取代了低密度的直流或射频等离子体源，结合低能离子注入电源(10)施加的低脉冲负偏压和同轴设置的辅助外热源(8)，在金属圆管内表面完成等离子体基低能离子注入，实现内径10～50mm、长200～500mm金属圆管的内表面改性处理；(b)所述线性电子回旋共振微波等离子体源是由微波源(1)、微波同轴波导内导体(2)、微波同轴波导外导体(3)、微波同轴波导短路活塞(5)和外加磁场线圈(9)构成，通过微波缝隙辐射天线(4)辐射微波能量，激发和电离真空室(7)内的工作气体，在外加磁场线圈(9)产生的磁场强度满足ECR的条件下，沿被处理金属管件(11)中心轴线形成周向和轴向均匀分布的高密度ECR微波等离子体；(c)在所述被处理金属管件(11)外部，同轴设置的辅助加热源(8)将被处理金属管件(11)周向和轴向均匀加热，在低能离子轰击和辅助加热共同作用下，被处理金属管件(11)的温度均匀升至工艺温度，保证管件内表面低能离子注入伴随同步扩散的传质过程。
2. 根据权利要求书l所述的微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装 置，其特征在于所述微波同轴波导内导体(2)的外径与微波同轴波导外导体(3)的内径比 b/a = 2. 303，采用标准同轴波导外导体的内径b = 7 16mm，在同轴波导外导体(3)上沿 螺旋线规则开设的Nk个缝隙辐射天线(4)，缝隙宽度为0. 2 0. 3mm，周向张角q = 30 120海植悸菪叩牡汲涛湍/4， 1为微波波长，对于微波频率2. 45GHz， 1/4 = 30. 4mm， N为分 布螺旋线的周数，k为一周内规则开设的缝隙辐射天线(4)的个数，每周内，周向张角q的 中心位置±q/2 = O悍直鹞淛O， al，…，ai，…，ak，其中ai = i (360 k) ， (i = l，2， 3，…，k)，周向张角q的中心位置为aO和ak的缝隙辐射天线(4)的周向位置重合，轴向距 离为导程1/4。由微波源(1)输出的微波功率500 5000W，保证微波通过Nk个缝隙辐射 天线(4)在内径10 50mm管件内的有效传输距离为200 500mm。
3. 根据权利要求书l所述的微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装 置，其特征在于所述外加磁场线圈(9)在真空室(7)内产生的磁场应满足发生ECR的磁场 强度，对于微波频率2. 45GHz，外加磁场线圈(9)产生的轴向磁场强度为O. 0875T，沿螺旋线 规则分布的缝隙辐射天线(4)在外加磁场作用下，形成具有一维尺度的周向和轴向均匀分 布的高密度ECR微波等离子体。
全文摘要
一种微波等离子体基低能离子注入小管径金属圆管内表面装置，包括真空室(7)和低能离子注入电源(10)，属于材料表面工程技术领域。其特殊之处在于由微波源(1)、微波同轴波导内导体(2)和外导体(3)、微波同轴波导短路活塞(5)和外加磁场线圈(9)构成线性ECR微波等离子体源，利用微波缝隙辐射天线(4)的激发和电离作用，在外加磁场激励下，沿被处理金属管件(11)中心轴线形成周向和轴向均匀分布的高密度ECR微波等离子体，结合低能离子注入电源(10)施加的低脉冲负偏压和同轴设置的辅助外热源(8)，在金属圆管内表面完成等离子体基低能离子注入。其优点是成本低；能实现小管径、大长径比金属圆管内表面的等离子体基低能离子注入。
文档编号C23C14/48GK101713065SQ200910311349
公开日2010年5月26日 申请日期2009年12月13日 优先权日2009年12月13日
发明者吴志立, 欧伊翔, 雷明凯, 高峰 申请人:大连理工大学