一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及材料的等离子体表面处理技术领域，具体的讲是一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，通过采用电感耦合式等离子体（ICP）与电容耦合式等离子体（CCP）的耦合的处理装置，在较低温度下（100‑480℃），在电源功率一定的情况下，通过施加磁场来增强等离子体密度，降低基体的自偏压，可提高表面处理速率，同时等离子体处理的表面均匀性和可控性较好。

A Coupled Plasma Surface Processing Device for Light Alloy Materials

【技术实现步骤摘要】
一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置
本技术涉及材料的等离子体表面处理
，具体的讲是一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置。
技术介绍
轻质合金主要包括铝、镁、钛合金等，因其轻质而广泛应用在航空、航天、汽车、高铁等领域，特别是在航空领域的各类飞行器制造中，为减轻机体重量，所用材料主要集中至轻质高强度的合金或复合材料领域，如铝合金、钛合金、碳纤维复合材料等。大量的飞机零部件是由轻质的铝合金材料制造的，一般作为机体骨架、飞机蒙皮等部件应用。铝合金材料相对较软且不耐磨损，若制造机械运动类零部件如齿轮、轴承、转轴等的使用寿命短、可靠性差、维护更换频繁。为使得轻质合金零部件表面变硬并具有耐磨损、耐腐蚀等特性，一般采用两类方法对其表面进行处理,一类是采用阳极氧化法，包括电化学氧化、微弧氧化等，对合金进行表面处理而形成一层氧化物陶瓷层，所形成的氧化物膜一般具有多孔性，不够致密，需要进一步填孔等处理使其致密才能应用；采用阳极氧化法工艺较复杂且易造成环境污染。另一类是在较高温度下进行氮化或氧化，使得表面变硬，但因处理的温度偏高（500-1000℃），又会使得合金材料的性能发生变化，同时处理的能耗较大，成本偏高，不易实用化。故需要发展一种轻质合金材料表面处理的新技术，能在较低温度下可使得材料表面硬化并具有耐磨损、耐腐蚀等特性，可使得其制造的零部件的性能优、寿命长、可靠性佳，为此真空技术中的等离子体表面处理技术因其节能环保的特点,已成为材料表面改性的主要手段之一。在真空环境下制备材料可保证材料的清洁和纯净，与低气压的等离子体技术相结合，可根据人们的设计和需要，通过工艺参数的调节，对材料的表面进行处理和改性。等离子体作为物质的第四态（其它为固、液、气三态）是由中性原子（或原子团）、离子和电子组成，在限定的体积内整体呈准中性状态。低温等离子体技术已广泛应用于薄膜材料的制备和刻蚀，在材料表面处理领域也得到了快速发展。以金属的表面如氮化改性为例,传统的方法是通过含有氮成分的气体在高温下（500-1000℃）进行渗氮处理，氮原子通过表面扩散使金属表面氮化，从而使得金属表面变硬和耐磨损、耐腐蚀，但此工艺温度较高、处理效率低、能耗大，且对许多不耐高温的材料无法进行改性，无法满足航空等工业轻质高性能零部件的应用需求。如对于铝合金材料，一般表面会形成一层致密的本征氧化层（<1微米），在等离子体氮化时会阻挡氮离子或原子的扩散，在表面会形成一层较薄的氮化铝层（1-2微米），不易满足实际应用需求；若采用辉光放电等离子体，在加电场后所产生的等离子体密度较低，一般等离子体处理的时间较长，氮化速率较低且氮化层较薄；通常采用加大电源功率而增强等离子体密度，从而使处理速率和氮化层厚度提高。但随输入电源功率的增加，加在被处理基体上的自偏压会增大，而使得等离子体的刻蚀效应增强，进而破坏了被处理基体的表面结构和光洁度，又使其表面性能变差，无法满足航空等工业轻质高性能零部件的应用需求。为此设计一种既能产生高密度等离子体，同时可使基体的偏压（离子能量）可控的轻质材料的等离子体处理装置是十分有必要的，且该装置和方法可在较低温度下对轻质合金材料表面进行快速氮化或氧化处理，处理后的表面较硬且耐磨损、耐腐蚀，硬化表面层的厚度可控，以满足如航空等工业对轻质高性能零部件的应用需求。
技术实现思路
本技术突破了现有技术的难题，设计了一种既能产生高密度等离子体，同时可使基体的偏压可控的轻质材料的等离子体处理装置和方法，保证了在较低温度下对轻质合金材料表面进行快速氮化或氧化处理，且处理后的表面较硬且耐磨损、耐腐蚀，硬化表面层的厚度可控，满足了如航空等工业对轻质高性能零部件的应用需求。为了达到上述目的，本技术设计了一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，其特征在于：等离子体产生模块由电感耦合式等离子体源和射频电源组成，所述电感耦合式等离子体源是由石英窗口和射频线圈组成；等离子能量控制模块由电容耦合式等离子体源、直流脉冲电源、电磁线圈组成；石英窗口位于真空腔体上端，石英窗口上方设有射频线圈，射频线圈上方连接有射频电源，石英窗口旁边设有气体流量控制模块，所述气体流量控制模块固定在真空腔体的上端，所述气体流量控制模块主要由气体流量传感器和控制器组成，所述气体流量传感器的一端伸入真空腔体，气体流量传感器的另一端与控制器相连；所述真空腔体内部设有衬底及温度控制模块，衬底及温度控制模块的底面与电容耦合式等离子体源的一端相连，电容耦合式等离子体源的另一端穿过真空腔体的底面与直流脉冲电源相连，直流脉冲电源的旁边设有真空获得及控制组件，所述真空获得及控制组件采用真空管道与真空腔体连通；所述真空腔体的外侧套设有上、下一对电磁线圈。所述真空获得及控制组件由真空泵、真空阀、真空管道、真空计组成，真空管道一的上端与真空腔体相连，真空管道一的侧端口与旁路真空管道的顶端相连，旁路真空管道的底端与真空阀二的顶端口相连，真空阀二的底端口分为两路，分别与低真空泵、高真空泵的一侧相连，真空管道一的下端与真空阀一的上端口连接，真空阀一的下端口和高真空泵的上端相连，真空计则与真空腔体相连，可显示真空度；通过各真空泵和真空阀的开启和控制可使真空腔体内的真空度达到所需要求。所述真空腔体为不锈钢圆筒形腔体或者不锈钢方形腔体。本技术与现有技术相比，提供一种双等离子体耦合装置可有效地控制等离子体处理时的条件，采用电感耦合式等离子体（ICP）与电容耦合式等离子体（CCP）的耦合的处理装置，在较低温度下（100-480℃），在电源功率一定的情况下，通过施加磁场来增强等离子体密度，降低基体的自偏压，可提高表面处理速率，同时等离子体处理的表面均匀性和可控性较好。本技术的等离子体的表面处理和改性包括刻蚀、氮化或氧化等。特别是对于以轻质高强度的铝合金、钛合金材料为主的飞机零件，可使得零部件表面性能如硬度、耐磨性、耐腐蚀等显著改善，同时对于运动类零部件得表面可形成梯度的金属化合物薄膜复合层，可有效改善表面的耐磨性并降低摩擦系数，从而大幅提高零部件的性能和可靠性及使用寿命。附图说明图1为本技术中轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置的结构示意图。图2为本技术中真空获得及控制组件的结构示意图。具体实施方式结合附图对本技术做进一步描述。参见图1，本技术设计了一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，其特征在于：等离子体产生模块由电感耦合式等离子体源和射频电源1组成，所述电感耦合式等离子体源是由石英窗口2和射频线圈3组成；等离子能量控制模块由电容耦合式等离子体源4、直流脉冲电源5、电磁线圈6组成；石英窗口2位于真空腔体7上端，石英窗口2上方设有射频线圈3，射频线圈3上方连接有射频电源1，射频电源1通过射频线圈3将感应的电磁场能量经石英窗口2耦合入真空腔体7内产生高密度的等离子体，由此所产生的等离子体密度较高而自偏压很小，石英窗口2旁边设有气体流量控制模块8，所述气体流量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，其特征在于：等离子体产生模块由电感耦合式等离子体源和射频电源（1）组成，所述电感耦合式等离子体源是由石英窗口（2）和射频线圈（3）组成；等离子能量控制模块由电容耦合式等离子体源（4）、直流脉冲电源（5）、电磁线圈（6）组成；石英窗口（2）位于真空腔体（7）上端，石英窗口（2）上方设有射频线圈（3），射频线圈（3）上方连接有射频电源（1），石英窗口（2）旁边设有气体流量控制模块（8），所述气体流量控制模块（8）固定在真空腔体（7）的上端，所述气体流量控制模块（8）主要由气体流量传感器和控制器组成，所述气体流量传感器的一端伸入真空腔体（7），气体流量传感器的另一端与控制器相连；所述真空腔体（7）内部设有衬底及温度控制模块（9），衬底及温度控制模块（9）的底面与电容耦合式等离子体源（4）的一端相连，电容耦合式等离子体源（4）的另一端穿过真空腔体（7）的底面与直流脉冲电源（5）相连，直流脉冲电源（5）的旁边设有真空获得及控制组件（10），所述真空获得及控制组件（10）采用真空管道与真空腔体（7）连通；所述真空腔体（7）的外侧套设有上、下一对电磁线圈（6）。...

【技术特征摘要】
1.一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置，包括真空腔体、真空获得及控制组件、气体流量控制模块、等离子体产生模块、等离子能量控制模块，衬底及温度控制模块，其特征在于：等离子体产生模块由电感耦合式等离子体源和射频电源（1）组成，所述电感耦合式等离子体源是由石英窗口（2）和射频线圈（3）组成；等离子能量控制模块由电容耦合式等离子体源（4）、直流脉冲电源（5）、电磁线圈（6）组成；石英窗口（2）位于真空腔体（7）上端，石英窗口（2）上方设有射频线圈（3），射频线圈（3）上方连接有射频电源（1），石英窗口（2）旁边设有气体流量控制模块（8），所述气体流量控制模块（8）固定在真空腔体（7）的上端，所述气体流量控制模块（8）主要由气体流量传感器和控制器组成，所述气体流量传感器的一端伸入真空腔体（7），气体流量传感器的另一端与控制器相连；所述真空腔体（7）内部设有衬底及温度控制模块（9），衬底及温度控制模块（9）的底面与电容耦合式等离子体源（4）的一端相连，电容耦合式等离子体源（4）的另一端穿过真空腔体（7）的底面与直流脉冲电源（5）相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙卓，刘素霞，
申请(专利权)人：苏州神龙航空科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32