等离子体浸没离子注入与沉积(Plasma immersion ion implantation anddeposition，缩写为PIII&D，国内又称为全方位离子注入与沉积)技术是上世纪80年代中期发展起来的一种材料表面改性新技术。它能够在复杂形状零件表面获得一层与基体结合强度高、均匀和致密的表面改性层，从而大幅度提高材料表面的抗摩擦磨损「1-}}、耐腐蚀「5-8」和接触疲劳寿命「9」等性能。目前，PIIIVGD技术在航天军工领域己经获得了一定应用，在民用领域如轴承「10-12]、模具和刀具等零件的表面强化处理方面也具有广泛的应用前景。目前，零件的内表面处理、大型零件的处理及批量处理是PIIIVGD技术走向工业化规模应用急需解决的难题，而大面积金属等离子体的形成便是解决难题的关键。PIIIVGD中金属等离子体一般通过磁过滤阴极真空弧放电产生，然阴极真空弧放电过滤系统可以获得比较纯净的金属等离子体输出，但它有以下几点不足之处:其一是金属等离子体的输出面积受过滤管径的限制(约200}300mm);其是输出口处的金属等离子体密度呈显著的高斯分布;其三是金属等离子体在传输过程中的损耗太大，利用率太低(一般<4% )。上述不足使得PIII&D技术的量处理能力和尺寸零件处理能力有限，处理效率低、处理成本高。此外，金属等离子体密度的高斯分布使得沉积均匀性差，导致改性层性能不稳定。正因为金属等离子体密度在径向高斯分布、过滤管比例放大实施困难，使得常规的阴极真空弧源加磁导管过滤的结构无法获得大面积的金属等离子体输出本课题正是从解决上述缺点着手，提出一种基于脉冲辉光放电的大面积气体等离子体产生技术和一种基于多个金属等离子体的优化叠加的大面积金属等离子体产生技术。后者构建具有多个阴极真空弧+宏观粒子过滤系统结构的大积金属等离子产生系统，通过金属等离子体的最优叠加和磁场约束可以获得大面积均匀分布的金属等离子体输出。 PIII&D技术是近二十多年来发展起来的一种高能束表面改性技术，它通过将磁过滤阴极真空弧沉积(Filtered cathodic vacuum arc depositon，简称FCVAD引入等离子体浸没离子注入(Plasma immersion ion implantation，简称PIII)过程来实现全方位离子注入和沉积。PIII技术是由美国威斯康辛大学J.R. Conrad教授于1987年提出并申请专利的一种用于材料表面改性的全新离子注入技术【13]，国际上又称为等离子体源离子注asma source ion implantation,  PSII)或基于等离子体的离子注(Plasma-based ion implantation,  PBII)。其基本工作原理是将负脉冲偏压作用在浸没于气体等离子体中的导电工件上，紧邻工件便会形成等离子体鞘层，离子在鞘层电场作用下加速飞向工件，并注入到工件表层。随着注入的进行，离子密度逐渐降低，为了维持鞘层电位，鞘层边界将以超声速向外扩展，直到稳态鞘层的形成，如图1-1所示。由图可知，只要鞘层形状与工件形状非常接近，就可实现零件表面的全方位离子垂直注入，因此，它克服了束线离子注入所固有的视线性，特别适合于复杂形状零件的表面处理。同时，PIII处理几乎不影响工件的表面粗糙度，且通过靶台的冷却易实现低温处理(通常<200 0C )。此外，III还继承了束线离子注入的许多优点，如注入元素种类不受冶金学限制，注入离子浓度不受平衡相图限制，注入元素的剂量和能量可精确控制等。1 16·1一1口mmumvuiu6i um Ul Fm}mu mmm mUll 工Ull 11llF工“mm工Ull F工UW DD上世纪90年代以来，PIII技术得到了快速的发展和广泛的应用。国外己将此技术广泛用于军工、航天[[ 14]、医疗器械[[15]、半导体和微电子领域[[16]，如半导体掺杂、金属材料的抗腐蚀和抗摩擦磨损【17]、生物医用材料的抗菌、种子的化等领域中。就金属材料表面改性方面来说，PIII技术最大的不足之处在于供金属离子较困难以及注入层太浅。为了解决金属离子这个问题，I. G Brown教授率先将真空弧放电技术引入PIII并成功研制了一种金属蒸气真空弧放电离Fig.l一5升pical magnetic filter过滤器设计需要考虑的一个问题是金属等离子体在过滤器中的传输效率，即离开与进入过滤器的离子数量之比。然而，进入过滤器的离子数量是无法确定的，唯一可以确定的是过滤器出口处的离子电流与主弧电流成正比。因此，常用弧源系效率x来表征，即过滤后离子电流与阴极真空弧放电电流的比值。k = I }zre，二、l IQY}( I -3 )典型的弧源系统效率在1%左右，若达到2}4%则说明是非常高效的弧源一过滤系统了，因为电子携带了大部分的弧流。可见，等离子体在这些过滤系统中的损失是相当大的。Bilek和Anders等人采用改变磁力线分布及给过滤管或Bilek板施加偏压的办法提高了阴极真空弧等离子体这些过滤管中的传输效率 经过二十多年的发展，通过PIII&D技术可以在待处理零件表面获得优质的性层[[24,25]，或者在其上制备一层特殊功能的涂层[[26-37]，如金属涂层[[38,39]、化合物涂层[[40-46]、类金刚石涂层[[47-53]等。但是，目前只有美、俄、英、日、以、德、澳以及中国等少数国家的一些实验室掌握这种技术。国际上从事PIII&D技术研究的单位主要有美国Lawrence Berkeley和Los Alamos国家实验室、海军实验室、威斯康星大学、西南物理研究所、通用动力公司，澳大利亚原子能研究所、悉尼大学、日本同志社大学，德国德累斯顿离子束技术研究所等单位。国内有大连理工大学、北京师范大学、核工业585所、中科院物理所、哈尔滨工大学、西南交通大学、中国一航625所、深圳863新材料表面工程中心以及中国工程物理研究院七所等单位。本实验室主要致力于PIII&D表面复合处理工艺及装置的研制，图1-6为本实验室研制或改装的多套PIII&D处理装置。其中图a)所示为实验室研制的第一代多功能PIII&D装置，共两套，其中一套安装本实验室，用于金属材料表面改性及实验研究，另一套安装在香港城市大学用于半导体材料的表面改性;第三代装置(图b)安装于西南交通大学用于生物医用材料的表面改性;第四代装置(图c)同样安装在本实验主要用于工业子源。这种离子源能够输出二三十种金属离子，束流强度可达SOA每脉冲，平均束流强度可达几十毫安。金属等离子体浸没离子注入简称为MePIII，它能实现各种金属子注入，金属离子的多重电荷特性又显著提高了离子的注入能量、使得注入过程中的温升加剧、扩散加强，从而使注入离子浓度分布加宽，注入深度也明显增加。要解决第二个问题必须先了解离子注入深度的决定因素。在PIII过程中，离子在鞘层电场作用下加速运动，最后注入到工件表面，并与基体原子发生级联碰撞而逐渐损失能量。当离子能量降低到大约20eV时，在基体中停止运动。注入离子沿深度方向的浓度分布近似于高斯分布(如图1-2所示)，平均投影射程Rp处的离子浓度最大。在平均投影射程两边，注入离子浓度逐渐下降，距离平均投影射程越远，浓度越低。沉积等)相结合实现一种基于PIII的表面复合处理技术。 PIII&D技术就是在这种背景下，由PIII与磁过滤阴极真空弧沉积相结合而发展起来的一种先进的表面复合处理技术。它利用阴极真空弧放电产生金属等离子体，以满足对注入粒子种类的要求，通过磁过滤管实现对金属等离子体中伴生的宏观粒子的净化处理[ys-ao}。具体的实现过程如图1-3所示，由主脉冲发生器产生两路同步脉冲信号分别提供给阴极真空弧脉冲电源和高压电源的门控脉冲发生器，用于产生阴极真空弧脉冲序列和靶台负高压脉冲序列，通过调整阴极真空弧脉冲宽度、基体负高压脉冲宽度以及基体负高压脉冲信号相对于阴极真空弧脉冲信号的延时t等参数便可以实现多种表面强化处理工艺。Fig.l-3 Principle of PIII& D process PIII&D技术有三个显著优点，首先，高能离子对基体改性层的轰击，使基体表层原子与改性层原子在界面处相互混合，导致界面模糊不清(如图1-4所示)，从而大大增强了沉积层与基体间的结合强度，使得涂层在服役过程中不易产生剥离现象。其次，通过引入不同金属离子和气体离子，可在基体表面制备各种金薄膜、化合物薄膜和类金刚石薄膜等。再次，脉冲阴极真空弧放电技术的引入，增加了工艺参数的可调性，配合靶台的冷却可以容易地控制处理温度和改性层的厚度，且制备的薄膜光滑致密，几乎不改变待处理零件的表面粗糙度。PIII&D的改性层厚度可达几个微米，能够满足的一般零件(特别是精密零件)较苛刻的抗磨损应用    由上可知，金属等离子体的产生及其输出质量的控制是PIII&D的关键技术之一。金属等离子体的产生方式一般有三种，激光、电子束和电弧放电[jai-a3}激光和电子束所产生的金属等离子体一般都是非完全电离金属等离子体，不会有伴生宏观粒子，而电弧放电则可获得完全电离的金属等离子体，且电弧放电的电流一般较大，可产生大量的金属等离子体，也会产生大量的宏观粒子。目前的PIII&D应用中主要采用阴极真空电弧放电+磁导管过滤来产生较纯净的金属等离子体。    阴极真空弧放电有一百多年的发展历史，它可工作在直流模式，也可工作在脉冲模式。前者的产生效率高，后者的可控性强，但两者有一个相同的缺点，就是在产生阴极材料等离子体的同时，也会伴生大量0.1}10um左右的液滴或固体颗粒，俗称大颗粒或宏观粒子。这些大颗粒镶嵌在涂层中或散布在涂层表面，造成涂层结构的突变，降低表面光洁度，严重影响了涂层的质量和性能，特别是在光学、电学和磁学方面。由于阴极真空弧等离子体是完全电离的，且沉积离子一般具有多重电荷态，具有更高的能量，因此，与蒸发、溅射等传统的物理气相沉积方法相比，阴极真空弧沉积的涂层更加致密，与基体的结合强度更局。阴极真空弧放电的技术难点在于放电系统的稳定和宏观粒子的过滤。放电系统的稳定指引弧的可靠性和燃弧的稳定性，引弧一般通过机械触碰和高压脉冲触发，前常用于直流阴极真空弧放电，后者多用于脉冲阴极真空弧放电。触发电路应确保触发脉冲具有足够的能量和重复率，保证引弧过程的可靠性。主弧电路应具备足够的电流容量，保证电弧能长时间稳定地燃烧。这样才能保证阴极真空弧放电系统的稳定性。消除或减少宏观粒子的办法有很多种，如通过增强阴极表面的有效冷却、外部磁场对阴极斑点的有效控制等方法来抑制宏观粒子的产，或采用各种不同形状的过滤器来减少大颗粒的数量。目前用的最多的就是磁过滤器，其原理是让伴生着大颗粒的阴极真空弧等离子体流过具有一定弯曲角度的磁过滤管，等离子体在磁场作用下发生偏转，而大颗粒不受磁场约束由于惯性则直线飞行，最后被器壁或隔板吸收，从而将其过滤掉。根据过滤器的结构不同可分为封闭式(如直筒形、膝形、90度弯管(图1-5 a), S形弯管及双曲弯管等)和敞开式(90度和S形螺线圈(图1-5  b))，前者多用于直流阴极弧过滤，后者多用于脉冲阴极弧过滤，相关文献对各种形状过滤器的特点和性能进行了总结。综上所述，PIII&D技术一种非常有潜力的表面改性技术。然而，PIII&D的工业化应用却并不顺利，最大的障碍是生产效率太低、阴极弧放电不稳定以及夹杂在金属等离子体中的大颗粒。初期的PIII主要是气体离子注入，由于气体等离子体源容易实现比例放大，可采用大直径真空室安装大面积气体等离子体源的方式来解决大尺寸零件处理和批量处理问题。随着PIII&D强化处理工艺研究的不断深入，研究结果表明金属等离子体源是获得优质PIII&D表面强化层不可缺少的手段。但是，由于金属等离子体源难以实现比例放大，要产生大面积金属等离子体非常困难。因此，大面积金属等离子体的产生是推进PIII&D技术工业化应用必须解决的难题，这正是本课题的主要工作内容。