目录结构

Langmuir probe technique was used for the plasma diagnostics of doubleglow plasma surface alloying process. Effects of the process parameters on plasma parameters were discussed. It is shown that the plasma density increases with increasing workpiece voltage, source voltage and gas pressure. The process parameters are optimized and limited by considering the plasma parameters with discharge characteristics. The effect of plasma parameters on the surface composition of the alloyed layer was also discussed.

Keyword：

plasma parameter; process parameter; surface composition;

Received： 2002-05-17

在等离子体表面改性中, 等离子体参数对改性层质量有重要影响 ^[1,2,3] 。双层辉光离子渗金属技术已经从实验室走向实际应用 ^[4,5,6] , 对该技术中的放电特征和扩散机制也有较成熟的研究成果 ^[7,8,9] ; 但仍然需要对等离子体参数进行深入研究, 以有效控制表面改性层质量的稳定性。渗层厚度和表面成分梯度是双层辉光离子渗金属的两个重要性能参数, 它们不仅受实验宏观工艺参数的影响, 而且与放电等离子体中微观参数有关。等离子体与衬底物质表面的作用过程和等离子体中离子、电子、电中性粒子等所处的状态密切相关 ^[10] 。在离子渗金属中等离子体具有两种基本功能: 一是将欲渗金属元素从源物质中溅射出来或激发和激活携有合金元素的运载气体; 二是等离子体中的粒子高速轰击衬底材料的表面, 直接影响到渗层的厚度和最表面的成分。本研究中通过对双层辉光离子钨钼共渗中的等离子体参数进行诊断, 进而对宏观工艺参数进行限定, 以保证渗金属过程中工艺参数的稳定性和良好的渗层质量。

1 实验

实验在自制的双层辉光离子渗金属产生炉中进行。首先抽真空至极限真空度, 充入氩气到所需压力, 对工件阴极施加直流电, 使阴极与阳极间产生辉光放电, 并在升至一定温度时, 对提供合金元素的源极施加直流电, 使源极与阳极间也产生辉光放电, 从源极溅射出来的合金元素原子通过放电空间输运到工件表面, 被工件吸附并通过扩散形成渗层。阴极和源级分别用两台0～1 000 V可调直流电源供给电压。实验用源极为W-Mo粉末冶金轧制板材(w(Mo)∶w(W)=1∶4), 基材选用20^#钢板材, 充入气为氩气。选用不同气压和源极功率考察其对等离子体参数的影响。在观察孔安装具有可移动的朗缪尔单探针系统, 探针直径为0.5 mm, 长度可调, 用X-Y记录仪记录伏安特性曲线。特别设计了探针电源以得到一个接近真实的伏安特性曲线。采用屏蔽以防止探针和瓷管因沉积金属而导电, 并应用探针溅射电源以去除探针表面沉积物。用S250MK3型扫描电镜(SEM)所带能谱仪进行渗层微区成分分析。

2 结果与讨论

2.1 等离子体诊断结果

在双层辉光离子渗金属中, 不等电位空心阴极效应的产生不仅使工件温度迅速升高, 同时也使源极的溅射更为强烈, 从而有效提供所需渗入的合金元素。不等电位空心阴极效应的产生, 微观上体现在等离子体密度的急剧增加上, 而对等离子体电位和电子温度的影响相对较小。因而实验中主要考察工艺参数对等离子体密度的影响。

图1所示为气压分别为20, 30, 40和50 Pa以及阴极电压为400, 500和600 V时, 等离子体密度随源极电压变化的曲线。可见, 等离子体密度均随源极电压的提高而增大, 从图1(a)还可明显看出,在20 Pa时阴极电压从300 V增至600 V, 等离子体密度提高了两个数量级, 即从10¹⁰ cm^-3到10¹² cm^-3, 飞跃产生在500～600 V之间, 说明不等电位空心阴极效应在极间距20 mm和20 Pa气压条件下, 产生于源极电压大于500 V和阴极电压500～600 V。在气压为30 Pa(如图1(b)所示), 阴极电压为400 V时, 产生不等电位空心阴极效应的源极电压为700 V。阴极电压大于500 V时, 采用200～1 100 V源极电压均可产生不等电位空心阴极效应, 等离子体密度在10¹² cm^-3数量级。气压为40 Pa和50 Pa(如图1(c)和(d)所示)时, 等离子体密度基本在同一水平。图2所示为不同气压下, 阴源极间距为20 mm, 阴极电压为500 V时, 等离子体密度随源极电压的变化。可见, 气压为60 Pa时等离子体密度迅速上升, 而源极电压不可能增加到更高值, 否则将引起电弧放电, 使真空室的温度急剧上升, 造成设备的损坏。

图1 不同气压和工件阴极电压条件下源极电压与等离子体密度的关系

Fig.1 Plasma density vs source voltage at different atmosphere pressures and cathodic voltages (a)—20Pa; (b)—30Pa; (c)—40Pa; (d)—50Pa

2.2 由等离子体参数确定的工艺参数

众所周知, 要获得良好的渗层, 必须在渗层表面有相当的合金元素含量, 也就是源极合金元素的供给必须是最大限度的。因此在双层辉光离子渗金属中, 源极的溅射电压要尽可能高才能获得对源极的充分溅射。据实验条件和已有的实验结果所确定的源极电压为1 kV, 据等离子体参数的分布, 恰当的源极与阴极的距离为20 mm。结合双辉放电的特性, 在气压为30～50 Pa时, 放电空间的等离子体密度较为接近, 能产生稳定的不等电位空心阴极放电; 当气压超过60 Pa时, 等离子体密度剧增, 放电电流迅速增强, 易于向电弧放电过渡; 当气压低于20 Pa时, 不利于不等电位空心阴极放电的产生。因此气压的选择应在保证有效不等电位空心阴极放电发生的同时, 尽量降低气压, 从而所确定的气压为30～40 Pa。

图2 不同气压下源极电压与等离子体密度的关系

Fig.2 Plasma density vs source voltage at different atmosphere pressures (Workpiece voltage of 500 V)

阴极表面的成分不仅与等离子体密度相关, 而且与离子轰击表面的能量密切相关, 要求离子轰击的能量不能高于在渗层表面形成合金固溶体的合金元素的离位阀能, 这就限定了工件阴极的电压。到达工件阴极的离子的能量被认为是阴极位降的50%～80%, 阴极位降近似认为是工件电压。

可以通过能量传递确定工件电压上限。入射粒子氩的相对质量M₁=39.994, 动能为V_c即阴极位降, 被碰撞静止原子的相对质量为M₂, 分别为M(W)=183.85, M(Mo)=95.94, 根据动量和动能守恒关系 ^[11] 可求出传递给被碰撞原子的动能为

$E = E_{m} \sin^{2} \frac{θ}{2} (1)$

式中 θ表示质心坐标系中的偏向角

$\begin{array}{l} E_{m} = \frac{4 Μ_{1} Μ_{2}}{(Μ_{1} + Μ_{2})^{2}} E_{c} (2) \\ E_{c} = 50 % \sim 80 % V_{c} (3) \end{array}$

W、 Mo和Fe的离位阀能分别为>35 eV, -37 eV和-24 eV, 显然当离子能量约大于40 eV, 固溶于渗层表面的合金元素有可能被离子轰击而溅射出来, 因而就需要限定离子轰击的能量, 也即工件的电压。轰击时θ平均为45°, 按70%计算阴极位降获得的能量, 计算可得由合金元素W确定的工件电压为665 V, 由Mo确定的工件电压为470 V, 取其平均值所确定的工件电压值不能超过550 V。为了使离子轰击的效果增强, 离子轰击的能量应大于Fe的离位阀能, 所确定的电压值为350 V。因而工件电压限定在400～450 V范围内。

从上述等离子体参数及实验结果的综合分析可知, 在本实验条件下, 双层辉光离子钨钼共渗的合理工艺条件为: 源极电压1 kV, 源极与阴极间距20 mm, 气压30～40 Pa, 工件电压400～450 V。其中气压为最主要工艺参数, 这一点也可以从不等电位空心阴极效应电流放大的作用中反映出来 ^[12] 。

2.3 等离子体密度对表面成分的影响

等离子体密度随着工件电压的增加而增加; 同时工件电压的提高使得到达工件阴极的离子能量也提高, 使吸附在阴极表面的W-Mo合金元素被溅射出来, 也即反溅射作用增强, 这不仅影响到阴极表面的成分, 也影响到阴极渗层的成分分布。

图3所示为工件阴极表面合金元素含量随等离子体密度的变化。等离子体密度比较高时, 表面的W-Mo合金元素含量较低, 而在较低的等离子体密度时, 虽然可获得表面的高合金成分, 但此时易于形成沉积层, 而不利于形成渗层。因而等离子体密度必须适中, 既要达到合理的表面渗层成分, 又须离子轰击增强扩散作用在表面充分起作用。

图3 等离子体密度对渗层表面合金元素含量的影响

Fig.3 Effect of plasma density on surface composition of alloying layer

3 结语

在双层辉光离子渗金属中, 随着工件电压、源极电压和气压的增加, 等离子体密度增加。源极电压的提高是为了保证合金元素的有效供给, 过高的工件阴极电压, 尽管使等离子体密度提高, 但使工件表面产生反溅射, 使工件表面的合金元素含量降低。较低的等离子体密度易在工件表面形成沉积层, 不利于离子轰击增强扩散。利用等离子体参数结合放电特征, 可对工艺参数进行优化和限定。