等離子體浸沒離子注入與沉積(Plasma immersion ion implantation anddeposition，縮寫為PIII&D，國內(nèi)又稱為全方位離子注入與沉積)技術(shù)是上世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種材料表面改性新技術(shù)。它能夠在復(fù)雜形狀零件表面獲得一層與基體結(jié)合強(qiáng)度高、均勻和致密的表面改性層，從而大幅度提高材料表面的抗摩擦磨損「1-}}、耐腐蝕「5-8」和接觸疲勞壽命「9」等性能。目前，PIIIVGD技術(shù)在航天軍工領(lǐng)域己經(jīng)獲得了一定應(yīng)用，在民用領(lǐng)域如軸承「10-12]、模具和刀具等零件的表面強(qiáng)化處理方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，零件的內(nèi)表面處理、大型零件的處理及批量處理是PIIIVGD技術(shù)走向工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用急需解決的難題，而大面積金屬等離子體的形成便是解決難題的關(guān)鍵。PIIIVGD中金屬等離子體一般通過磁過濾陰極真空弧放電產(chǎn)生，然陰極真空弧放電過濾系統(tǒng)可以獲得比較純凈的金屬等離子體輸出，但它有以下幾點(diǎn)不足之處:其一是金屬等離子體的輸出面積受過濾管徑的限制(約200}300mm);其是輸出口處的金屬等離子體密度呈顯著的高斯分布;其三是金屬等離子體在傳輸過程中的損耗太大，利用率太低(一般<4% )。上述不足使得PIII&D技術(shù)的量處理能力和尺寸零件處理能力有限，處理效率低、處理成本高。此外，金屬等離子體密度的高斯分布使得沉積均勻性差，導(dǎo)致改性層性能不穩(wěn)定。正因?yàn)榻饘俚入x子體密度在徑向高斯分布、過濾管比例放大實(shí)施困難，使得常規(guī)的陰極真空弧源加磁導(dǎo)管過濾的結(jié)構(gòu)無法獲得大面積的金屬等離子體輸出本課題正是從解決上述缺點(diǎn)著手，提出一種基于脈沖輝光放電的大面積氣體等離子體產(chǎn)生技術(shù)和一種基于多個金屬等離子體的優(yōu)化疊加的大面積金屬等離子體產(chǎn)生技術(shù)。后者構(gòu)建具有多個陰極真空弧+宏觀粒子過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大積金屬等離子產(chǎn)生系統(tǒng)，通過金屬等離子體的最優(yōu)疊加和磁場約束可以獲得大面積均勻分布的金屬等離子體輸出。 PIII&D技術(shù)是近二十多年來發(fā)展起來的一種高能束表面改性技術(shù)，它通過將磁過濾陰極真空弧沉積(Filtered cathodic vacuum arc depositon，簡稱FCVAD引入等離子體浸沒離子注入(Plasma immersion ion implantation，簡稱PIII)過程來實(shí)現(xiàn)全方位離子注入和沉積。PIII技術(shù)是由美國威斯康辛大學(xué)J.R. Conrad教授于1987年提出并申請專利的一種用于材料表面改性的全新離子注入技術(shù)【13]，國際上又稱為等離子體源離子注asma source ion implantation,  PSII)或基于等離子體的離子注(Plasma-based ion implantation,  PBII)。其基本工作原理是將負(fù)脈沖偏壓作用在浸沒于氣體等離子體中的導(dǎo)電工件上，緊鄰工件便會形成等離子體鞘層，離子在鞘層電場作用下加速飛向工件，并注入到工件表層。隨著注入的進(jìn)行，離子密度逐漸降低，為了維持鞘層電位，鞘層邊界將以超聲速向外擴(kuò)展，直到穩(wěn)態(tài)鞘層的形成，如圖1-1所示。由圖可知，只要鞘層形狀與工件形狀非常接近，就可實(shí)現(xiàn)零件表面的全方位離子垂直注入，因此，它克服了束線離子注入所固有的視線性，特別適合于復(fù)雜形狀零件的表面處理。同時，PIII處理幾乎不影響工件的表面粗糙度，且通過靶臺的冷卻易實(shí)現(xiàn)低溫處理(通常<200 0C )。此外，III還繼承了束線離子注入的許多優(yōu)點(diǎn)，如注入元素種類不受冶金學(xué)限制，注入離子濃度不受平衡相圖限制，注入元素的劑量和能量可精確控制等。1 16·1一1口mmumvuiu6i um Ul Fm}mu mmm mUll 工Ull 11llF工“mm工Ull F工UW DD上世紀(jì)90年代以來，PIII技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。國外己將此技術(shù)廣泛用于軍工、航天[[ 14]、醫(yī)療器械[[15]、半導(dǎo)體和微電子領(lǐng)域[[16]，如半導(dǎo)體摻雜、金屬材料的抗腐蝕和抗摩擦磨損【17]、生物醫(yī)用材料的抗菌、種子的化等領(lǐng)域中。就金屬材料表面改性方面來說，PIII技術(shù)最大的不足之處在于供金屬離子較困難以及注入層太淺。為了解決金屬離子這個問題，I. G Brown教授率先將真空弧放電技術(shù)引入PIII并成功研制了一種金屬蒸氣真空弧放電離Fig.l一5升pical magnetic filter過濾器設(shè)計需要考慮的一個問題是金屬等離子體在過濾器中的傳輸效率，即離開與進(jìn)入過濾器的離子數(shù)量之比。然而，進(jìn)入過濾器的離子數(shù)量是無法確定的，唯一可以確定的是過濾器出口處的離子電流與主弧電流成正比。因此，常用弧源系效率x來表征，即過濾后離子電流與陰極真空弧放電電流的比值。k = I }zre，二、l IQY}( I -3 )典型的弧源系統(tǒng)效率在1%左右，若達(dá)到2}4%則說明是非常高效的弧源一過濾系統(tǒng)了，因?yàn)殡娮訑y帶了大部分的弧流。可見，等離子體在這些過濾系統(tǒng)中的損失是相當(dāng)大的。Bilek和Anders等人采用改變磁力線分布及給過濾管或Bilek板施加偏壓的辦法提高了陰極真空弧等離子體這些過濾管中的傳輸效率 經(jīng)過二十多年的發(fā)展，通過PIII&D技術(shù)可以在待處理零件表面獲得優(yōu)質(zhì)的性層[[24,25]，或者在其上制備一層特殊功能的涂層[[26-37]，如金屬涂層[[38,39]、化合物涂層[[40-46]、類金剛石涂層[[47-53]等。但是，目前只有美、俄、英、日、以、德、澳以及中國等少數(shù)國家的一些實(shí)驗(yàn)室掌握這種技術(shù)。國際上從事PIII&D技術(shù)研究的單位主要有美國Lawrence Berkeley和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室、海軍實(shí)驗(yàn)室、威斯康星大學(xué)、西南物理研究所、通用動力公司，澳大利亞原子能研究所、悉尼大學(xué)、日本同志社大學(xué)，德國德累斯頓離子束技術(shù)研究所等單位。國內(nèi)有大連理工大學(xué)、北京師范大學(xué)、核工業(yè)585所、中科院物理所、哈爾濱工大學(xué)、西南交通大學(xué)、中國一航625所、深圳863新材料表面工程中心以及中國工程物理研究院七所等單位。本實(shí)驗(yàn)室主要致力于PIII&D表面復(fù)合處理工藝及裝置的研制，圖1-6為本實(shí)驗(yàn)室研制或改裝的多套PIII&D處理裝置。其中圖a)所示為實(shí)驗(yàn)室研制的第一代多功能PIII&D裝置，共兩套，其中一套安裝本實(shí)驗(yàn)室，用于金屬材料表面改性及實(shí)驗(yàn)研究，另一套安裝在香港城市大學(xué)用于半導(dǎo)體材料的表面改性;第三代裝置(圖b)安裝于西南交通大學(xué)用于生物醫(yī)用材料的表面改性;第四代裝置(圖c)同樣安裝在本實(shí)驗(yàn)主要用于工業(yè)子源。這種離子源能夠輸出二三十種金屬離子，束流強(qiáng)度可達(dá)SOA每脈沖，平均束流強(qiáng)度可達(dá)幾十毫安。金屬等離子體浸沒離子注入簡稱為MePIII，它能實(shí)現(xiàn)各種金屬子注入，金屬離子的多重電荷特性又顯著提高了離子的注入能量、使得注入過程中的溫升加劇、擴(kuò)散加強(qiáng)，從而使注入離子濃度分布加寬，注入深度也明顯增加。要解決第二個問題必須先了解離子注入深度的決定因素。在PIII過程中，離子在鞘層電場作用下加速運(yùn)動，最后注入到工件表面，并與基體原子發(fā)生級聯(lián)碰撞而逐漸損失能量。當(dāng)離子能量降低到大約20eV時，在基體中停止運(yùn)動。注入離子沿深度方向的濃度分布近似于高斯分布(如圖1-2所示)，平均投影射程Rp處的離子濃度最大。在平均投影射程兩邊，注入離子濃度逐漸下降，距離平均投影射程越遠(yuǎn)，濃度越低。沉積等)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一種基于PIII的表面復(fù)合處理技術(shù)。 PIII&D技術(shù)就是在這種背景下，由PIII與磁過濾陰極真空弧沉積相結(jié)合而發(fā)展起來的一種先進(jìn)的表面復(fù)合處理技術(shù)。它利用陰極真空弧放電產(chǎn)生金屬等離子體，以滿足對注入粒子種類的要求，通過磁過濾管實(shí)現(xiàn)對金屬等離子體中伴生的宏觀粒子的凈化處理[ys-ao}。具體的實(shí)現(xiàn)過程如圖1-3所示，由主脈沖發(fā)生器產(chǎn)生兩路同步脈沖信號分別提供給陰極真空弧脈沖電源和高壓電源的門控脈沖發(fā)生器，用于產(chǎn)生陰極真空弧脈沖序列和靶臺負(fù)高壓脈沖序列，通過調(diào)整陰極真空弧脈沖寬度、基體負(fù)高壓脈沖寬度以及基體負(fù)高壓脈沖信號相對于陰極真空弧脈沖信號的延時t等參數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)多種表面強(qiáng)化處理工藝。Fig.l-3 Principle of PIII& D process PIII&D技術(shù)有三個顯著優(yōu)點(diǎn)，首先，高能離子對基體改性層的轟擊，使基體表層原子與改性層原子在界面處相互混合，導(dǎo)致界面模糊不清(如圖1-4所示)，從而大大增強(qiáng)了沉積層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，使得涂層在服役過程中不易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。其次，通過引入不同金屬離子和氣體離子，可在基體表面制備各種金薄膜、化合物薄膜和類金剛石薄膜等。再次，脈沖陰極真空弧放電技術(shù)的引入，增加了工藝參數(shù)的可調(diào)性，配合靶臺的冷卻可以容易地控制處理溫度和改性層的厚度，且制備的薄膜光滑致密，幾乎不改變待處理零件的表面粗糙度。PIII&D的改性層厚度可達(dá)幾個微米，能夠滿足的一般零件(特別是精密零件)較苛刻的抗磨損應(yīng)用    由上可知，金屬等離子體的產(chǎn)生及其輸出質(zhì)量的控制是PIII&D的關(guān)鍵技術(shù)之一。金屬等離子體的產(chǎn)生方式一般有三種，激光、電子束和電弧放電[jai-a3}激光和電子束所產(chǎn)生的金屬等離子體一般都是非完全電離金屬等離子體，不會有伴生宏觀粒子，而電弧放電則可獲得完全電離的金屬等離子體，且電弧放電的電流一般較大，可產(chǎn)生大量的金屬等離子體，也會產(chǎn)生大量的宏觀粒子。目前的PIII&D應(yīng)用中主要采用陰極真空電弧放電+磁導(dǎo)管過濾來產(chǎn)生較純凈的金屬等離子體。    陰極真空弧放電有一百多年的發(fā)展歷史，它可工作在直流模式，也可工作在脈沖模式。前者的產(chǎn)生效率高，后者的可控性強(qiáng)，但兩者有一個相同的缺點(diǎn)，就是在產(chǎn)生陰極材料等離子體的同時，也會伴生大量0.1}10um左右的液滴或固體顆粒，俗稱大顆粒或宏觀粒子。這些大顆粒鑲嵌在涂層中或散布在涂層表面，造成涂層結(jié)構(gòu)的突變，降低表面光潔度，嚴(yán)重影響了涂層的質(zhì)量和性能，特別是在光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)方面。由于陰極真空弧等離子體是完全電離的，且沉積離子一般具有多重電荷態(tài)，具有更高的能量，因此，與蒸發(fā)、濺射等傳統(tǒng)的物理氣相沉積方法相比，陰極真空弧沉積的涂層更加致密，與基體的結(jié)合強(qiáng)度更局。陰極真空弧放電的技術(shù)難點(diǎn)在于放電系統(tǒng)的穩(wěn)定和宏觀粒子的過濾。放電系統(tǒng)的穩(wěn)定指引弧的可靠性和燃弧的穩(wěn)定性，引弧一般通過機(jī)械觸碰和高壓脈沖觸發(fā)，前常用于直流陰極真空弧放電，后者多用于脈沖陰極真空弧放電。觸發(fā)電路應(yīng)確保觸發(fā)脈沖具有足夠的能量和重復(fù)率，保證引弧過程的可靠性。主弧電路應(yīng)具備足夠的電流容量，保證電弧能長時間穩(wěn)定地燃燒。這樣才能保證陰極真空弧放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。消除或減少宏觀粒子的辦法有很多種，如通過增強(qiáng)陰極表面的有效冷卻、外部磁場對陰極斑點(diǎn)的有效控制等方法來抑制宏觀粒子的產(chǎn)，或采用各種不同形狀的過濾器來減少大顆粒的數(shù)量。目前用的最多的就是磁過濾器，其原理是讓伴生著大顆粒的陰極真空弧等離子體流過具有一定彎曲角度的磁過濾管，等離子體在磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而大顆粒不受磁場約束由于慣性則直線飛行，最后被器壁或隔板吸收，從而將其過濾掉。根據(jù)過濾器的結(jié)構(gòu)不同可分為封閉式(如直筒形、膝形、90度彎管(圖1-5 a), S形彎管及雙曲彎管等)和敞開式(90度和S形螺線圈(圖1-5  b))，前者多用于直流陰極弧過濾，后者多用于脈沖陰極弧過濾，相關(guān)文獻(xiàn)對各種形狀過濾器的特點(diǎn)和性能進(jìn)行了總結(jié)。綜上所述，PIII&D技術(shù)一種非常有潛力的表面改性技術(shù)。然而，PIII&D的工業(yè)化應(yīng)用卻并不順利，最大的障礙是生產(chǎn)效率太低、陰極弧放電不穩(wěn)定以及夾雜在金屬等離子體中的大顆粒。初期的PIII主要是氣體離子注入，由于氣體等離子體源容易實(shí)現(xiàn)比例放大，可采用大直徑真空室安裝大面積氣體等離子體源的方式來解決大尺寸零件處理和批量處理問題。隨著PIII&D強(qiáng)化處理工藝研究的不斷深入，研究結(jié)果表明金屬等離子體源是獲得優(yōu)質(zhì)PIII&D表面強(qiáng)化層不可缺少的手段。但是，由于金屬等離子體源難以實(shí)現(xiàn)比例放大，要產(chǎn)生大面積金屬等離子體非常困難。因此，大面積金屬等離子體的產(chǎn)生是推進(jìn)PIII&D技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用必須解決的難題，這正是本課題的主要工作內(nèi)容。