（凝聚态物理专业论文）激光与等离子体组合技术在大气环境中实现钛表面氮化的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 激光与等离子体组合技术在大气环境中实现钛表面氮化的研究 摘要 本文利用激光与等离子体组合技术在大气环境中对工业纯钛表面作用，得到了氮 化钛。 为了更好地应用l p n 方法，我们研究了实验所采用的小功率非平衡态氮等离子体 枪的伏安特性，束流强度，进气方式，火焰形状，振荡频率，离子数密度等各种物理 性能，并进一步改进等离子体枪，使其放电电极问的距离可以调节，这样就可以更加 方便地选择激发电场，得到不同强度的等离子体流。 对实验采用的小功率非平衡态氮等离子体枪产生的等离子体的流形，应用可压缩的 二维轴对称的n a v e rs t r o k e 方程，通过有限体积法和出流修正对等离子体射流的速度场 和温度场分布进行了计算机模拟。得到了与实验数据相符的结果，为实验研究提供了初 步的理论依据。 利用等离子体与激光组合，在大气环境中以工业纯钛为基底进行了氮化处理，并 利用x r d 、s e m 、显微硬度计等手段对处理前后的样品进行了测试。通过对测试结果 分析表明，在大气环境下利用激光和等离子体组合方法制备了氮化钛，因而经过氮化 后样品的表面硬度等物理性能得到了很大的增强。这种新的制备氮化钛的方法不仅可 以降低单一激光氮化方法所需激光功率密度，而且能够更加有效的抑制样品氧化。论 文中对激光功率密度、扫描速度以及氮等离子体流量等关键工艺参数对氮化效果的影 响进行了分析和讨论。 采用了蒙特卡罗方法对l p n 方法制备氮化钛膜层过程进行了计算机模拟。模拟建 立在两体碰撞模型的基础上，又根据激光和等离子体组合方法的特殊性，引入了温度 因子和能量项，对原程序进行改进。使用蒙特卡罗方法编写的程序对氮化过程进行了 计算，获得了不同条件下氮元素在靶材工业纯钛中的分布情况，并与实验数据进 行比较，两者结果基本一致。 关键词：激光；等离子体；氮化钛：计算机模拟 n 东北大学硕士学位论文 n i t r i d i n go ns u r f a c eo f t i t a n i u mb ym i x i n g l a s e ra n d n i t r o g e np l a s m an i t r i d i n g a p p r o a c h i na t m o s p h e r i ca m b i e n t a b s t r a c t w eb r i n gf o r w a r dan e wm e t h o d m i x i n gn i t r i d i n ga p p m a c ho fl a s e ra n dn i t r o g e n v l a s m a ( l p n ) a n dw eh a v eo b t a i n e dt h en i t r i d eo nt h et i t a n i u ms a m p l e w eb r i n gl p n i n t o t i t a n i u m ，a n dg e tn i 啊d i n gt i t a n i u mo nt h es u r f a c eo ft i t a n i u ms a m p l e t om a t c hl a s e rw i t hp l a s m a , w ed e s i g no n ep l a s m at o r c h t h ep l a s m ai n t e n s i t y , t o r c h s h a p e ，v i b r a t i o nf r e q u e n c y , i o nn u m b e rd e n s i t y , a n de m i s s i o ns p e a k b i n o ft h e ma l e r e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d i nt h i st h e s i s w ep e r f o r mat w o - d i m e n s i o n a lf l u i dd y n a m i cm o d e lo fp l a s m aj e t sb y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rn i t r o g e np l a s m at o r c h t h en a v e i r - s t o c k se q u a t i o ni sa d o p t e da s g o v e r n i n ge q u a t i o no fp l a s m aj e t s as u b s o n i cj c t c a s ei s c o m p u t e du s i n gt u r b u l e n t m o d e i ( r n gk - e , m o d e l ) w eg e t t h e v e l o c i t y f i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d t h e s e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ee x p e c t e dt ob eu s e f u li nf u r t h e rs t u d yo fs u p e r s o n i cp l a s m aj e t u n d e rn o r m a lp r e s s 盯e w eh a v en i t r i d i n g e do ns u r f a c eo ft i t a n i u mb ym i x i n gl a s e ra n dn i t r o g e np l a s m a n i t r i d i n ga p p r o a c h ( 川i na t m o s p h e r i ca m b i e n t t h et r e a t e ds a m p l e sa l em e a s u r e db y x r d s e ma n dm i c r o a p p a r a t u s t h et i t a n i u mn i t r i d e sa r eo b t a i n e db yl p n ，a n dt h e r i g i d i t yo fn i t r i d i n gs a m p l ea r ee n h a n c e d i tc a n n o to n l yd e c r e a s et h el a s e rp o w e ri n t e n s i t y , b u ta l s or e s t r a i no x i d a t i o n i ne x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，w ei n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a s e rp o w e ri n t e n s i t y , s c a n n i n gv e l o c i t y , t h en i t r o g e np l a s m af l u x ，t i t a n i u mn i t r i d eq u a n t i t ya n dn i t r i d i n gd e p t h w eh a v es i m u l a t e dt h ep r o c e s so fn i t d d a t i o nb ym i x i n gl a s e ra n dn i t r o g e np l a s m a n i t r i d i n ga p p r o a c h t h es i m u l a t i o ni s b a s e do nm o d e lo fc e n t e r - o f - m a s ss y s t e m ，a n dt h e t e m p e r a t u r ef a c t o ri s i n d u c t e df o rl a s e rt e m p e r a t u r ef i e l d a c c o r d i n gt ot h e t h e o r e t i c a l m o d e l ，t h ep r o g r a mi sw r i t t e nb ycl a n g u a g e t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sa l ep r i m a r i l yc o h e r e n t k e yw o r d s ：l a s e r ；p l a s m a ；t i t a n i u mn i t r i d e ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 玖乒 签字e t 期：7 - ，j 7 乃7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：否我罩导师签名：荔沈 签字日期：如7 ，7 签字日期：川，7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 钛与氮化钛 1 1 1 钛 位于元素周期表中第4 周期副族的钛同锆和铪一起，与碳是同周期元素，最高氧化 态都表现为正四价。钛与b 族元素( 钪、钇) 和族元素( 钒、铌) 在性质上也很 相近。钛有两种晶体结构形式：低温( 小于8 8 2 5 0 ) 是密捧六方晶系的a 相，高温( 大 于8 8 2 5 0 c ) 它将转变为体心立方的b 相i ”】 1 1 2 氮化钛 钛和钛合金具有强度高、抗蚀性优异、耐热性高、生物相容性好等突出优点，在航 空航天、海洋工程、石化及生物医学等领域中得到了广泛应用，且应用量正日益增长， 但钛合金存在的耐磨性低( 滑动磨损、磨料磨损、冲刷磨损、微动磨损等) 的致命缺点 又严重地影响了钛合金的使用性能及应用范围，如飞机发动机风扇叶片及压气机叶片常 因叶身部位遭受严重的冲刷磨损而失效，叶片及压气机盘由于叶根及榫槽部位遭受微动 磨损而发生早期疲劳断裂。利用先进的表面改性技术对钛合金进行表面改性，是提高钛 合金零部件耐磨性最为有效而经济的方法。 在钛的表面硬化处理中，氮是一种良好的硬化剂，钛经表面氮化处理后，表面形成 氮化钛覆层。氮化钛( 化学式：1 悄) 分子量为：6 1 9 1 ，其晶体结构为n a c i 型面心立 方( f c c ) 结构，是一种新型的陶瓷材料，具有良好的高温强度，高断裂强度，高硬度， 优良的耐摩擦磨损性能；抗热震性能好，耐化学腐蚀性能好，熔点高( ) ：2 9 5 0 ，密度 为( g 锄3 ) ：5 4 0 ，显微硬度( g p a ) ：2 6 6 ，弹性模：i ( k n l m m 2 ) 5 9 0 ，线胀系数( 1 0 ，均： 9 4 。它的化学稳定性好，与基材良好粘着性，有较高的超导临界温度，独特的颜色。可 用于硬质合金、高温陶瓷导电材料、耐热耐磨材料、弥散强化材料等。也可作为添加剂 于硬质刀具中。另外，该材料具有良好的导电性，可用作熔盐电解的电极和电触头等导 电材料。在耐磨和耐腐蚀的表面涂层、半导体的扩散阻挡层、装饰行业等均有广泛的应 用。t i n 薄膜在许多行业作用重大，在微电子业，它用来作扩散势垒，在汽车和玻璃制 造业，充当反射材料；在珠宝业，它用作表面的黄金色涂层。氮化钛的主要应用还是在 机械工业，作为耐火材料和切削工具、力学部件上的硬质防磨损覆层，具有广泛的应用 前景。 1 东北大擘硕士学位论文 第一章绪论 1 2 钛材表面氮化技术 1 2 1 气体渗氮( g a sn i t r i d i n g ) 气体渗氮m 即将处理好的样品放在n h 3 或n l - i g r l 2 、n h g n 2 气氛中，经过长时间加 熟处理后，在样品表面形成氮化钛。该方法工艺简单，容易操作，因此曾得到广泛应用。 但由于反应温度高，生产周期长等缺点而使其应用受到局限 1 2 2 等离子体辅助化学气相沉淀( p a c v d ) 该方法通过施加高频电场使气体电离产生辉光放电的等离子体，利用等离子体中电 子的动能去激发气相化学反应。可在低的基体温度( 一般低于6 0 0 c ) 进行沉积制备薄 膜，避免了高温导致基板变形和组织变化的缺点。该方法工艺要求不高，但一般反应时 间长，生产周期长，不利于大规模生产。 1 2 3 离子渗氮( p l a s m an i t r i d i n g ) 离子渗氮【1 馒指在低真空条件下施加高压电场，通过电离含氮气体产生活性氮离 子，经过表面金属的相互作用和反应进入表面并向内部扩散，最终形成氮的化合物及含 氮固溶体的处理方法。该方法与气体渗扩技术相比具有无公害、渗速快、变形小等优点， 而得到广泛的应用、发展和研究。但是其方法技术上存在实现困难，需要很高的真空度， 不能实现局部氮化等缺点。 1 2 4 氮高能注入( n i t f o g e ni m p l a n t a t i o n ) 氮高能注入【1 2 ，埘方法是将氮离子或者是氮分子加速到足够的能量，对材料表面进行 轰击，从而改变材料表面化学性质的一种技术。它可以控制化学成分和结构，甚至可以 形成无序组织层。但是其方法要求相当高的加速电压，成本较高。 1 2 5 等离子体离子注入( p l a s m ai m m e r s i o ni o ni m p l a n t a t i o n ) 等离子体离子注h 1 1 4 , 1 5 1 最初是为了增大离子束注入的处理面积而发展起来的。在处 理中，样品被包围在微波等离子体中，并且将其与4 5 k v 高压相连，离子被高压加速注 入样品表面。等离子体渗入离子注入方法可以视为离子渗氮和氮高能注入的复合方法 离子注入与其它表面处理技术相比显示了诸多优点，主要优点在： 膜与基体结合好，抗机械、化学作用不剥落能力强； 注入过程不要求升高基体温度，从而可保持工件几何精度； 工艺重复性好等。 1 2 6 激光表面氮化( l a fn i t r i d i n g ) 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 通过激光可以对面材进行氮化处理。从9 0 年代至今激光氮化得到大量的研究，尤 其是德国g o o t t i n g e n 大学的p e t e rs h a a f 教授1 1 6 , 3 2 - 3 6 1 对脉冲准分子激光氮化方法进行了深 入研究得到很多有益的结果。该方法是利用激光照射在钛材表面形成激光熔池，被激活 的n 2 束流射入熔池，在钛基底的表面形成较稳定的钛氮化合物但该方法不能很好的 抑制钛基底的氧化。而且实验用氮柬流难以提供很好的氮环境，致使需要很高的激光功 率密度才能得到足够的活化的氮离子和氮原子，这使其在应用上存在困难1 1 ” 1 3 本实验的目的 由于近几十年来等离子体在工业上以及其他各领域得到了越来越广泛的应用，且显 出良好的发展前景，尤其在材料处理方面，等离子体与金属材料表面分子结合，形成一 层良好的保护膜，可以提高材料的耐磨损、硬度、抗疲劳、耐腐蚀等性能。本实验的目 的之一是研究小功率非平衡态等离子体枪所生成的氮等离子体炬的物理特性，找到等离 子体束流的特点，从而得到可应用于实际实验工作的等离子体参数。 在诸多的现代表面氮化处理技术中，离子氮化由于诸多的优点受到重视，并获得了 实际的工程应用。然而离子氮化多数是在高温的条件下进行，容易造成零部件的形变， 或内部组织结构恶化，尤其对于热处理温度低的材料，氮化处理将难以奏效。有些材料 表面氧化膜致密或内含强的氧化物形成元素，离子氮化也难以成功。 以后发展起来的激光表面氮化处理虽解决了基底受高温影响的问题，但因反应气体 常常采用的是n h 3 或n h 4 c i ，且要求在真空系统中进行，既降低了经济价值，又不利于 环保，同时工艺比较复杂。 氮化钛薄膜的制各方法很多，但是这些方法都存在一些不足和弊端，这给我们实际 工业生产带来许多不便。本实验主要以工业纯钛为基底，以工业纯氮气为反应气体，采 用激光与等离子体组合方法对钛基底作用生成氮化钛。这种方法不仅避免了上述制备氮 化钛存在的各种弊端而且优于单独用激光或等离子体制备氮化钛所得出的氮化效果。 这一方法不仅简化了制备工艺，降低了生产成本，而且更适用于大规模工业生产， 无疑会具有更大的经济效益和社会效益。 3 东北大学硕士学位论文第二章小功率氮等离子枪的物理设计与性能 第二章小功率氮等离子体枪的物理设计与性能 自从法拉第( f a r a d a y ) 于十九世纪三十年代观察到气体的辉光放电现象，以及英国物 理学家克鲁克斯( c r o o k e s ) 在1 8 7 9 年研究了真空放电管的放电过程后，人们第一次提出 了物质第四态的存在。第四态在本质上完全不同于已知的三种物质聚集状态，即固态、 液态和气态，它是一种电离态的物质。1 9 2 6 年朗缪尔( t a n g m u i r ) 将其定名为p l a s m a ，中 文译作等离子体1 3 7 l ，从此在物理学中呈现出一个全新的研究领域，即以物质第四种聚集 态为研究对象的等离子体物理学 等离子体是电离了的气体，它由电子、离子以及未电离的中性粒子三种成份组成。 然而并不是任何电离了的气体都可以称为等离子体，只有满足如下两个条件的电离气体 才能称为等离子体嗍 ( 1 ) 整体呈准电中性； ( 2 ) 集体效应起主要作用 按等离子体中电子和重粒子能量的不同可将等离子体分为平衡等离子体和非平衡 等离子体。当等离子体中的重粒子温度接近电子温度，即t i m t e 时，我们将其称为平 衡等离子体。当等离子体中的重粒子温度远远低于电子温度，即面c 4 0 0 的剪切流，等离子体喷枪出口的流动就可以看作是湍 流，这是由等离子体枪内壁上巨大温差的高雷诺数r c 边界层流动引发的湍流过渡。而 喷枪出口处射流中心的气体温度高、密度小，有较高的黏度，因而流动能保持层流；而 在射流的外围和下游存在巨大的剪切力，因而气体流动是湍流运动，这加剧了空气的卷 吸和等离子体的冷却。在射流的外围由于束流膨胀的原因，会产生一个喷射角，这是由 于一方面由于枪体中枪壁的束缚作用使等离子体未完全膨胀，使得其在剐出喷嘴时继续 膨胀；另一方面，由于除氮气外的束流主要由气体放电过程中存在的六种基本粒子：光 子、电子、基态原子、激发态原子以及正离子和负离子组成，此时离放电区较近，在外 加电场的作用下，气体放电得到维持，电离度较高，各带电粒子问还没有发生中和，所 以束流成膨胀趋势。本实验的喷射角的范围大约是2 0 - 4 2 度。 ( 3 ) 计算区域： 射流的计算区域如图2 1 4 所示： j l 0 0 l , 1 1 图2 1 4 等离子体射流的计算区域 h g 2 1 4 t h ec a l c u l a t i o nd i s t r i c to f p l a s m ai o r c h j d ( 4 ) 非结构网格的设定： 图2 1 5 非结构网格 f i g 2 1 5u n s t r u c t u r em e s h 网格点总是分布在某种坐标变换后的坐标线上，在拓扑上是规范的( 个别变换的奇 1 7 东北大学硕士学位论文第二章小功率氮等离子枪的物理设计与性能 点除外) ，而非结构网格则不要求拓扑上的规范性。非结构网格的网格点在空间的分布 比较自由，不要求每个网格点具有相同数量的邻点，每个网格点参与构成的单元数量也 可以互不相同，网格点之间的连接不再具有方向性。在非结构网格划分中没有网格线的 概念，因而能够更为有效的适应形状不规则，弯曲边界的复杂领域，以及依据不同的要 求，分配求解域内的网格。 国边界条件： 本模拟研究所用的边界条件为：在等离子体枪的出口即高温气体的入口处，温度和 速度沿径向满足指数分布，喷枪内壁温度7 0 0 k ，等离子体的中心速度为2 2 4 m s ，中心 温度为7 7 0 k ：在喷枪壁面处采用了无滑移速度边界条件，在等离子体射流出口，采用 求解变量沿轴向梯度为零的条件，并且在出口处等离子体要产生一定仰角的束流膨胀： 在等离子体射流轴线上，采用的边界条件是周向速度为零，轴向和径向速度、温度等采 用该点周围网格的平均值。在等离子体射流的周向采用了周期性边界条件。 该方法与流体工程中的商业软件f l u e n t 有相似之处，但是由于我们对k f 方程有 着更好的修正，另外对等离子体所特有的喷射角的考虑，所以与实际情况更为相符。 ( 6 ) 等离子体炬的束形分析：我们用感光胶片测量等离子体炬的焰形： 图2 1 6 总电压u r = 1 0 0 0 0 v - - 4 r a m ，f - - 1 0 m 3 h 时距喷嘴距离不同烧灼面积的变化 r g 2 1 6t h ec a u t e r i z a t i o na m ao fu n d e ru 卢1 0 0 0 0 v , f - - 1 0 m 3 h 根据等离子体炬的焰形拟合出等离子体炬的束形如图2 1 7 ： 图2 1 7 氮等离子体炬的束形 f i f r 2 1 7t h es h a p eo fp l a s m at o r c h 1 8 东北大学硕士学位论文 第二章小功率氮等离子枪的物理设计与性能 2 2 2 3 模拟结果的分析 下面分析模拟结果，用调整初值的方法得到不同条件的模拟值，并利用模拟结果讨 论等离子体的工作电压及氮等离子体流量对等离子体流形的影响。 ( 1 ) 等离子体的工作电压对等离子体流形的影响：保持氮等离子体流量f - - 1 0 m ， 改变等离子体的工作电压，我们得到如下图形。 图2 1 8 电压u = 1 0 0 v 时等离子体的温度场 f i g 2 1 8t h et e m p e r a t u r ef i e l do f t h ep l a s m a w i t hu = 1 0 c 伽v 图2 2 0 电压u - - 8 0 0 0 v 时等离子体的温度场 f i g 2 2 0t h et e m p e r a t u r ef i e l do f t h ep j a s m a 、i t i iu = 8 0 v 图2 2 2 电压u = 6 0 0 0 v 时等离子体的温度场 f i g 2 2 2 t h e t e m p e r a t u r e f i e l d o f t h e p l a s m a 1 9 图2 1 9 电压u - - 1 0 0 0 0 v 时等离子体的速度场 f i f r 2 1 9t h ev e l o c i t yf i e l do f t h ep l a s m a w i t hu - - 1 0 c 帅v 图2 2 1 屯压u - - 8 0 0 0 v 时等离子体的速度场 f i g 2 2 1t h ev e l o c i t yf i e l do ft h ep l a s m a 、i t hu = 8 0 0 0 v 豳2 2 3 电压u = 6 0 0 0 v 时等离子体的速度场 f i g 2 2 3t h ev e l o c i t yf i e l do f t h ep l a s m a 东北大学硕士擘住论文 第二章小功率氪等离子枪的物理设计与性能 w i l hu = 6 咖v 图2 2 4 电压u = 4 0 0 0 v 时等离子体的温度场 f l 】g 2 2 4 t h e t e m p e r a t u r e f i e l d o f t h e p l a s m a 叫t hu = 4 0 0 0 v w i t h u6 0 v 图2 2 5 电压u - - 4 0 0 0 v 时等离子体的速度场 f i g 2 2 5t h ev e l o c i t yf i e l do ft h ep l a s m a w f l hu = 4 0 0 0 v 从上列图可以看出，随着电压的不断增加，等离子体的数量和能量都有大幅的增加。 等离子体的喷射范围也不断地加大。在工作电压小于4 0 0 0 v ，等离子体的喷射角基本为 零。这是由于等离子体的工作电压为等离子体的产生提供高压电场，电压的增加使等离 子体可以获得更大的能量。 ( 2 ) 氮等离子体流量对等离子体流形的影响：保持等离子体的工作电压u = 1 0 0 0 0 v 不 变，改变氮等离子体流量 图2 2 6f = 1 0 m 时等离子体的温度场 f i g , 2 2 6t h et e m p e r a m r ef i e l do ft h ep l a s m a w i t hf = i 0 m 3 h 2 0 图2 2 7 f = i 0 m 3 h 时等离子体的速度场 f i g , 2 2 7t h ev e l o c i t yf i e l do ft h ep l a s m a w i t hf = i 0 m 3 h 东北大学硕士学位论文 第二章小功率氮等离子枪的物理设计与性能 图2 2 8f = 0 9 m j h 时等离子体的温度场 f i z z 2 8t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep l a s m a w i t hf - - o g m h 图2 3 0f = 0 8 m 3 h 时等离子体的温度场 f i g 2 3 0t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep l a s m a w i t hf = 0 8 m 3 h 图2 3 2f = 0 7 m j h 时等离子体的温度场 f i f r 2 3 2t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep l a s m a w i t hf - - 0 7 m 3 h 图2 2 9f = 0 9 m 3 h 时等离子体的速度场 f i g 2 2 9t h ev e l o c i t yf i e l do ft h ep l a s m a w i t hf = 0 g m 3 h 图2 3 1 7 - - 0 8 m 3 h 时等离子体的速度场 n 辱2 3 1t h ev e l o c i t yf i e l do ft h cp l a s m a w i t hf = 0 s m 3 h 图2 3 3f = 0 7 m 3 h 时等离子体的速度场 f i g 2 3 3t h ev e l o c i t yf i e l do ft h ep l a s m a w i 山脚。7 m 3 h 东北大学硕士学位论文 第二章，j 功率氢等离子枪的物理设计与性能 图2 3 4f = o 6 m h 时等离子体的温度场 f i g 2 3 4t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep l a s m a w i t hf - - 0 6 m 3 h 图2 3 6f _ - 0 s m 3 h 时等离子体的温度场 f i g 2 3 6t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep l a s m a w i t hf = 0 s m 3 h 图2 3 5f = o 6 m 时等离于体的速度场 f i g 2 3 5t h ev e l o c i t yf i e l do ft h ep l a s m a w i t hf - - 0 6 m 3 h 图2 3 7f - - 0 s m 3 h 时等离子体的速度场 f i g 2 3 7t h ev e l o c i t yf i e l do ft h ep l a s m a w i t hf = 0 5 m 3 h 当氮等离子体的流量达到f - - o 5 m 3 h 后，就已经可以在样品表面形成较好的氮环境， 所以在氮等离子体的流量大于0 s m 3 h 的情况下等离子体的速度，温度都很理想，随着 流量的增加，氮环境被更好地提供，等离子体的能量不断地增加，当氮等离子体的流量 大于0 s m 3 h 后束形趋于稳定这说明在氮等离子体的流量达到f = 0 8 m 3 h 后，就能提 供充足的氮环境。 ( 3 ) 对不同出1 3 流速的等离子体流形的模拟结果加以分析： 东北大学硕士学位论文第二章小功率氮等离子枪的物理设计与性能 图2 3 8 出口温度t = 7 0 0 k 。v f 2 0 m s 的温度场 f i g 2 3 8t h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht = 7 0 0 k , v = 2 0 m s 图2 4 0 出口温度t = 7 0 0 k 。v - - 4 0 m s 的温度场 f g 2 4 0t h et c m p e r 4 t u t ef i e l dw i t ht f f i t 0 0 k , v - - 4 0 m s 图2 4 2 出口温度t f 7 0 0 k ，v = 8 0 m s 的温度场 h g 2 4 2t h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht = 7 0 0 k , v - - 鳓l d s 图2 3 9 出口温度t = 7 0 0 k ，v = 2 0 m s 的速度场 h g 2 3 9t h ev e l o c i t yf i e l dw i t ht = 7 0 0 k ， v = 2 0 r n s 图2 4 1 出口温度t f ? 0 0 k ，v = 4 0 m s 的速度场 h g 2 4 1t h ev e l o c i t yf i e l dw i t ht = 7 0 0 k ， v - - 4 0 m s 图2 4 3 山口温度t = 7 0 0 k ，v - - 8 0 m s 的速度场 f i g 2 4 3t h ev e l o c i t yf i e l dw i t ht = 7 0 0 k ， v - - 8 0 m s 东北大学硕士学位论文 第二章小功率氮等离子枪的物理设计与性能 图2 4 4 出口温度t = 7 0 0 k ，v = 1 0 0 m s 的温度场 f i g 2 4 4t i mt e m p c m m m f i e l dw i t ht = 7 0 0 k , v = 1 0 0 m s 图2 4 6 出口温度t = 7 0 0 k ，v = 1 2 0 m s 的温度场 h g 2 4 6t h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht = 7 0 0 k , v = 1 2 0 m s 图2 4 8 出口温度t = 7 0 0 k ，v = 1 5 0 m s 的温度场 f i g 2 4 8t h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht = 7 0 0 k , v = l s 0 m s 图2 4 5 出口温度t = 7 0 0 k ，v - - 1 0 0 m s 的速度场 f i g 2 4 5t i mv e l o c i t yf i e l dw i t ht = 7 0 0 i g v = 1 0 0 m s 图2 4 7 出口温度t - - 7 0 0 k ，v = 1 2 0 m s 的速度场 h g 2 4 7t h ev e l o c i t yf i e l dw i t ht = 7 0 0 k ， v = 1 2 0 m s 图2 4 9 出口温度t = 7 0 0 k ，v = 1 5 0 m s 的速度场 h g 2 4 9t h ev e l o c i t yf i e l d 、i 山t = 7 0 0 k ， v = 1 5 0 m s 东北大学硕士学位论文 第二章小功率氮等离子抢的物理设计与性能 图2 5 0 出口温度t f 7 0 0 k v = 2 0 0 m s 的温度场 h g 2 5 0t h ct e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht = 7 0 0 k , v f f i 2 0 0 m s 图2 5 2 出口温度t = 7 0 0 k ，v = 2 5 0 m s 的温度场 h g 2 5 2t h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht f 7 0 0 k , v = 2 5 0 m $ 图2 5 4 出口温度t = 7 0 0 k ，v = 3 0 0 m s 的温度场 h g ? _ 5 4t h et z m p c t a t u t cf i e l dw i t ht = 7 0 0 k , v f f i 3 0 0 m s 图2 5 1 出口温度t 音7 0 0 k ，v f f i 2 0 0 m s 的速度场 f i g 2 5 1t h ev e l o c i t yf i e l dw i l ht = 7 0 0 k ， v f 2 0 0 m s 图2 5 3 出口温度t = 7 0 0 k ，v = 2 5 0 m s 的速度场 f i g 2 5 3t h ev e l o c i t yf i e l dw i t ht = 7 0 0 k ， v = 2 5 0 m s 图2 5 5 出口温度t = 7 0 0 k ，v f f i 3 0 0 m s 的速度场 f i g 2 5 5t h ev e l o c i t yf i e l dw i t ht = 7 0 0 k v f f i 3 0 0 m s 从上列各图可以看出，当随着初速度的增大，等离子体的能量也不断增加，在亚声 速区模拟结果与实验数据基本相符，为今后实验打下了理论基础。 东北大学项士学位论文 第二章小功率氮等离子枪的物理设计与性能 2 3 本章小结 本章主要对实验所用的小功率等离子体枪进行了介绍，并对其性能进行了细致的研 究，主要结论如下： ( 1 ) 对实验所用的等离子体枪的设计作了改进。使其放电电极间的距离可以根据需 要调节。 c 2 ) 研究了实验所用的等离子体枪的性能。其等离子体炬具有辉光放电的伏安特性； 工作电压和工作电流分别与气流量成c - 指数增长和c 指数衰减关系；火焰形状是先膨胀 再收缩，在i = 2 9 8 1 5 m a ，u 。= 2 0 6 7 k v 时，计算得出4 m m 孔径氮等离子体振荡频率 。= 5 6 4 x 1 0 9 r a d s 和离子数密度h i = 8 3 9 x 1 0 1 2 a l l 4 。 ( 3 ) 对实验所用的等离子体枪内部非平衡电场进行了计算机模拟，得到了电场模型 为计算等离子体的流形打下了基础。 ( 4 ) 对实验所用的等离子体枪，利用改进的流体理论从宏观上讨论了等离子体的流 形。根据可压缩的二维轴对称的n - s 方程，利用有限体积法对等离子体的束流流形进行 数值模拟。并对不同参数条件下的流形做了比较，进一步了解了等离子体枪的性质，为 实验提供了理论依据 东北大学硕士学位论文第三章等离子体与激光组合处理工业纯钛制备氮化钍的实验研究 第三章等离子体与激光组合处理工业纯钛制 备氮化钛的实验研究 我们在大气环境下，利用氦等离子体和激光同轴混合作用于材料表面，实现了材 料表面的氮化。为更加充分得了解( l p n ) 方法，在不同参数条件下进行了实验，分析 和讨论了激光功率密度，扫描速度，等离子体流量等参数对氮化效果的影响。最后， 对氮化前后样品的物理性质进行了比较和讨论，并进行了初步的计算机模拟 3 1l p n 方法表面氮化的基本原理 l p n 方法是将激光和氮等离子体炬同轴组合作用于材料表面，在其表面形成稳定 的氮化层，从而改变材料表面性质的一种新的氮化方法。在氮化过程中，激光作为热 源使材料表面温度升高甚至熔化，这样材料中原子振动更加剧烈，产生更多的缺陷和 空位，有利于氮原子或者氮离子的进入。氮等离子体炬作为氮源提供大量充足的活性 氮原子和氮离子激光和等离子体同轴作用于材料表面，可以有效的抑制氧化，使氮 化可以在大气环境下进行。 n 方法具有氮化时间短，可以在小区域内进行氮化处理、 氮化过程可控，不需要很高激光功率密度，大气环境下就进行处理等优点。 3 1 1 氮化过程 当利用u n 方法对在对钛表面氮化时，将会产生几个重要反应： ( 1 ) 氮气分子在等离子体枪中放电产生氮离子和活性的氮原子 n z n + n + e ( 2 ) 激光光子加热直至熔化金属钛 p h o t o n - 而一m e l t c d ( 3 ) 钛氮化合物的形成 巧+ 1 死 n + + + e 一删 ( 4 ) 丁w 在钛表面沉积和分解 捌死2 + 乃2 死+ ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 习 ( 3 6 ) 东北大学硕士学位论文第三章等离子体与激光组合处理工业纯钛制备氮化钛的实验研究 3 1 2 激光与氮等离子体炬的匹配 由于激光和氮等离子体是同轴与样品相互作用，激光光束在到达样品表面前，将 要首先通过等离子体，这样就存在激光在等离子体中传播时与小功率氮等离子体的相 互作用的可能，激光在等离子体中传播时，有许多复杂的过程发生，其中包括等离子 体的辐射、激光在等离子体中的吸收等等。等离子体辐射的主要过程有韧致辐射、激 发辐射、复合辐射回旋辐射等。韧致辐射是自由电子在原子核或离子的库仑场中作加 速运动而发出的辐射：激发辐射是指离子中处于高能级上的电子向低能级跃迁而发出 的辐射；复合辐射是指原子核或者离子与自由电子复合而发出的辐射；回旋辐射指的 是带电粒子在围绕磁力线回旋时发出的辐射 激光在等离子体中的吸收的主要过程有：逆韧致吸收、共振吸收和各种参量过程。 逆韧致吸收是韧致辐射的逆过程：共振吸收是当激光频率与等离子体频率相当时，等 离子体波被共振激发而吸收激光能量此外，还有激光成丝和激光自聚焦等更为复杂 的过程。激光成丝是指由于等离子体的密度涨落或激光辐照的不均匀而导致激光在等 离子体中传播时破裂成丝。激光自聚焦是激光在等离子体中传播时，使等离子体的折 射率发生改变而导致激光能折射回轴线汇聚的现象 但是，通过下面计算可以看到氮等离子体对激光束能量的减弱是很小的，可以忽 略不计根据色散关系1 4 3 l n 2 一。2 + c 2 七2( 3 7 ) 式中，。等离子体频率，c 是真空光速，o j 、| | 是激光的初始频率和在等离子体中传 播的波数，可导出 七一( 3 8 ) 实验中所用激光波长x = i o 即m 则角频率8 h 1 7 8 x 1 0 ”r a d s ，而实验所用小功率 等离子体频率通过计算可知珊，= 5 6 4 x 1 0 9 r a d s ， 埘，所以激光在通过等离子体 后波数近似不变，也就是能量近似不变，等离子体对激光的功率密度基本上没有影响。 3 1 3 激光与材料相互作用的物理过程 在激光氮化过程中，激光与材料的能量转化过程仍遵循能量守恒法则嗍，即： 正社瓦舯+ - 啦+ e 丑过( 3 9 ) 式中，是入射到材料表面的激光能量；e 反射是被材料表面反射的能量；e 嘎收是被 东北大学硕士学位论文第三章等离子体与激光组合处理工业纯钛制备氮化钛的实验研究 材料吸收的能量；缸是激光透过材料后仍保留的能量 式3 9 可转化为 - 一鲁+ 警+ 等 o 1 0 )毛毛 3 - r + a + t 式中，r 为反射系数，a 为吸收系数，t 为透射系数。 对于不透明的材料，由于e 透过= 0 ，即t = 0 ，则 r + a - 1 ( 3 1 1 ) 也就是说，当反射系数较小时，能量将更多地被材料所吸收。 在材料不同的吸收层厚度，部分能量被上层吸收后，光强减弱对于各向同性的 均匀介质而言，激光强度的相对减少量d ，与吸收层厚度d x 有如下关系式【“l ： _ d 1 口d r(312)ax一一口 i ， 对式3 1 2 从0 到x 积分得 l i 。 其中，l o 为入射到材料表面的激光强度，x 为吸收厚度。 由式3 1 3 可知，随透射深度的增大激光强度逐渐减小。通常， 映不同材料对激光的平均透入深度。 ( 3 z 3 ) x = l a 被用来反 材料吸收激光的光能后，表面温度将不断升高。当激光光能转换成热能的热量达 到或超过熔解潜热时，材料表面将会熔化，形成激光熔池。材料表面温度的升高直至 形成熔池将有利于氮化的实现。 3