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本文研制了一套可同时用于材料内外表面注入的新型等离子体源离子注入装置。利用Langmuir探针测量方法对该系统进行了等离子体诊断和鞘层扩展动力学的实验研究。采用AES、XPS、XRD、TEM、SEM等分析测试手段对等离子体源离子注入过程中注入离子与金属材料的相互作用、反应生成相以及注入层的显微组织和结构进行了较为系统的研究。通过等离子体源氮离子注入,对Ti6Al4V、LY12、40Cr、CrWMn四种金属材料的表面硬度及摩擦磨损性能进行了试验研究并探讨了离子注入材料表面强化的机理。 等离子体源离子注入装置由脉冲负高压源系统、热阴极弧放电系统、真空室及样品台、真空系统和监测系统等五部分组成。其注入能量10～100keV,重复频率10～500Hz,脉宽2～50μs,最大等离子体密度1×1011cm-3。增加灯丝电流和工作气体压强可显著提高等离子体密度,电子温度随灯丝加热电流增加而提高,随气体压强升高而明显降低。 首次提出了等离子体源材料内表面离子注入新方法,给出了相应的鞘层模型,并据此推导出鞘层扩展动力学方程。鞘层扩展动力学实验测量证明该模型与实验数据符合的很好,可以用来描述内表面注入过程中鞘层扩展的动力学特征。该方法在40Cr钢圆筒样品的内表面氮离子注入表面改性实验中取得成功。 在室温下经一定剂量的氮离子注入后,四种金属材料注入层中发现有不同的氮化物反应相生成。Ti6Al4V合金注入层中的反应相为面心立方的TiN,LY12合金注入层中的反应相为六方结构的AIN,在40Cr和CrWMn合金注入层中则生成Fe2N和CrN。随注入剂量的增加,反应相数量增多,注入后的退火处理促进了注入离子与基底原子间的相互作用,加速了反应相的形成和长大。值得注意的是,在LY12合金注入层中发现了室温离子注入诱发铝合金时效析出现象,在40Cr、CrWMn合金注入层中还观察到注入促进淬火组织的回火转变现象。此外,在注入层中发现有辐射损伤造成的非晶态组织、位错网络和亚晶细化。 当注入剂量达到2.2×1017cm-2时,四种金属材料表面硬度都有明显提高。注入后退火处理进一步增强了离子注入表面硬化效果,但过高的退火温度会导致基体组织的软化。40Cr、CrWMn合金经4.8×1017cm-2氮离子注入后,其磨擦磨损性能得到明显改善。分析表明,氮离子注入引起的固溶强化、位错强化和弥散分布的氮化物相析出是造成材料表面硬化的主要原因,而表面硬化又导致材料摩擦磨损性能的改善。