[实用新型]一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置

说明书

本实用新型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。

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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。

发明内容