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1、太原理工大学 硕士学位论文 三栅极P(Plume)极验证性实验及特征研究 姓名：王彦雯 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师： 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 三栅极 P(Plume)极验证性实验及特征研究 摘 要 针对三栅极离子渗镀技术实际工业化应用问题，需要提供实验验证和 良好基础性研究。而三栅极系统中核心部件是孔隙化空心阴极(P 极)，其基 本特征的研究尤为重要。为此，要合理搭建三栅极 P 极特征验证实验平台， 有针对性地设计和实施 P 极的特性实验，并进行分析和总结，进而为此项 技术的实用化提供可靠的应用基础。 本文明确给出本课题研究意义、目的和主要内容；概要介绍、讨论和 分析了关
2、于等离子渗镀技术概况和国内外对等离子渗镀研究与发展概况； 简述和讨论了等离子表面改性在工业领域应用现状和前景；论述和分析空 心阴极及其 Plume 基本特征。 阐述和分析了三栅极离子渗镀系统的工作原理、装置和基本特征、三 栅极结构特征以及工作模式。 在对我们已有的研究基础上，通过渗镀特征分析、总结和归纳，给出 了渗镀的基本定义，论述和分析了渗镀方法及分类，总结了理想渗镀的前 提条件。 对三栅极离子渗镀实验结果做了进一步的深入论述及分析，主要分析 和讨论了三栅极离子渗镀渗镀层组织成分分析及特征、渗镀层形成过程、 渗镀速度和渗镀厚度和多元一次性共渗镀。 着重规划和设计了三栅极系统中 P 极特征验证
3、性实验，确立了实验用 参数、工艺要求和步骤。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 根据 P 极验证性实验的观察记录和实验数据分析，借助 Origin 软件的 相关数据处理功能，对实验结果进行分析。分析结果表明，在一定的实验 工艺条件下，P 极出现等离子 Plume 现象，而这种现象伴随着较稳定的参 数平台。由此，总结和给出了渗镀最佳匹配工艺参数。 本文研究内容表明，三栅极离子渗镀系统是能够在相当宽的参数范围 内进行稳定等离子渗镀工作。 关键词：等离子渗镀，三栅极，空心阴极，P(Plume)极特性 太原理工大学硕士研究生学位论文 III INVESTIGATION ON PROVING EXP
4、ERIMENTS AND CHARACTERISTIC OF P(PLUME) CATHODE IN TRIPLE-CATHODE SYSTEM ABSTRACT To target a triple-cathode plasma surface alloying technology in a real industrialization application issue, trial validated guarantee and well basic investigation should be provided. The key component in the triple-ca
5、thode system is the orificizating cathode (P cathode) which fundamental characteristic are the most important for its applications. Therefore, a validated trial platform of P cathode characteristic in triple-cathode system needs to be established rationally, from which the characteristic experiments
6、 of the P cathode and the pointedly design could be carried out. In this paper, the significance, purpose and main content of this paper are definitely given. A survey of plasma surface alloying technologies, relevant researches and development at home and abroad are introduced, discussed and analyz
7、ed. The characteristic of plasma surface alloying technology and application of current situation and future in industrial fields are recapitulated and discussed. Hollow cathode and fundamental characteristic of its plasma plume are expounded and analyzed. 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV Working principle, devic
8、e, basic characteristic of triple-cathode plasma surface alloying processing and structure features of triple-cathode, working model are elaborated. Based on the results of our existing research and analysis, a basic definition of the surface alloying is given by summarizations and conclusions of su
9、rface alloying characteristic. Methods and classifications of surface alloying are discussed and analyzed, and prerequisites of a perfect processing of surface alloying are summarized. The results of experiments for triple-cathode plasma surface alloying are further expounded and analyzed. The prima
10、ry parts which are analyzed and discussed contains: characteristic and analysis of constituents of triple-cathode plasma surface alloying layers, forming processes of alloying layers, speed of alloying, thickness of alloying and disposable multielement jointly alloying. Proving experiments of P cath
11、ode characteristic in the triple-cathode system are programmed and designed with great emphasis, and parameters, technique requirements and steps used in the experiments are confirmed. According to the observed records and the analysis of trial data of P cathode proving experiments, the experimental
12、 results are analyzed by dint of data processing function of Origin software. The analyzing results show that a plume appearance can, at certain conditions, be seen during processes, and this kind of appearance is accompanied by stable parameter platform. As a result, the optimal matching technique
13、parameters of surface alloying are concluded and provided. 太原理工大学硕士研究生学位论文 V Keyword: Plasma surface alloying, Triple-cathode, Hollow cathode, Characteristic of P (Plume) cathode 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究的目的和意义 随着科学技术飞速发展，装备制造业、材料工业也发生着日新月异的变化，特别是 近二十年来等离子在材料表面改性领域的不断深入研究和应用， 国内外在此领域的研究 和开发
14、日益深入1,2,3。尤其是随着科技的迅猛发展，对材料表面的减摩、耐热、耐蚀以 及耐磨、抗氧化、防辐射等特性, 还有对光、热、电、声、磁等特殊功能不断提出更高 需求，这无疑使得相应的研究和开发成为当今非常活跃的研究领域之一。 当今传统高能耗和高污染的材料表面处理技术和工艺已经明显不能适应发展要求， 急需提升、转型发展4,5,6,7,8,9。面对这种形式，清洁高效的高能束表面处理方法越来越 得到重视，其集中表现在电子束、激光束和等离子束等研发方面。 本文研究内容属于等离子材料表面改性领域。 虽然目前等离子方法在表面改性方面 的研究及应用只是近二十几年的事，但其表现出的潜在能效日益显露。尤其是一定能
15、量 范围内可以有效控制的低温等离子，在固体材料表面改性方面的研究和应用，已经成为 此领域国内外非常活跃的研究前沿课题之一。本课题正是在这样的背景下提出和实施 的。 本课题的目的在于， 在已经取得国家发明专利的三栅极离子渗镀技术的实验室成功 基础上， 为保证其工艺的稳定性和可靠性， 对关键部件 P 极的可控参数和工作特征做进 一步的特征验证性实验，为此项技术的适用化和工业提供保障。 为此， 在已有的三栅极等离子渗镀系统实验条件下以及在已有的实验及研究的基础 上，合理筛选和选用实验参数，特别是针对三栅极中 P 极的相关参数，有针对性的规划 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 和设计实验，并按计划实
16、施这些实验。由于没有可借鉴的参考文献资料，所以必须对每 一个实验的全过程尽可能进行详细、实时的观察和记录，相应的实验现象和数据要进行 现场实时记录。 在取得实验结果后，对实验现象、数据以及相应的工艺参数等实验结果进行整理、 分类、分析、归纳和讨论，进而寻求到 P 极产生等离子 Plume 效应且能够有效进行渗镀 工作的最佳工艺条件及相匹配的工艺参数，为深入研究三栅极离子渗镀机理，特别是等 离子 Plume 现象的基本特征， 进而完善和改进三栅极离子渗镀方法及其应用提供可靠的 研究基础。 本课题的意义在于，通过对三栅极离子渗镀方法中P极特征的验证性实验，探寻三 栅极中P极工作特征以及有效渗镀的最佳工艺方案。为此，需要规划和设计好具体实施 每一个实验；合理搭建P极特征验证实验平台；有针对性地规划和筛选P极参数和系统工 作工艺参数并实施实验； 全程观察和记录实验结果设计和实施实验。 在取得实验结果后， 对P极实验现象、数据及工艺参数的整理、和分析的基础上，确定在不同实验条件下P极 的基本特征，探寻最佳匹配的渗镀工艺参数，进而为三栅极离子渗镀技术的实际应用得 到进一步的实验验
