多功能全方位复合离子注入系统的研制

2023-02-21王晨曦

现代制造技术与装备 2023年1期

王晨曦

（核工业西南物理研究院，成都 610225）

市面上大多数牙种植体材料为纯钛、钛合金或生物活性陶瓷等，形状呈螺旋状或叶状。常规的等离子体表面处理可能造成等离子体注入不均匀和等离子体薄膜结合力较差的问题。为解决上述问题，采用等离子体基离子注入技术，研制了一套全方位复合离子注入机，目的是解决传统束线离子注入的“视线”限制和保持剂量等问题，无须工件运动或束扫描，近似垂直注入，注入能量和剂量可在较大范围调节，可实现对牙种植体类外形尺寸复杂工件的全方位均匀注入，从而获得优异的材料特性，实现大规模批量化处理，适合目前的工业化应用。

1 设备组成

该设备主要由3部分组成，分别是真空获得系统（提供真空运行环境）、计算机控制及通信系统（上位机控制和信号通信）和等离子体发生系统（处理工件）。

1.1 真空获得系统

由于需要在8 h内处理200个牙种植体，且考虑到等离子体覆盖的范围，真空室设计成Φ700 mm×700 mm圆柱型结构。既能保证一定功率下等离子体的密度，又能保证放置满200个牙种植体时工件架的公转和自转不受影响。真空室采用不锈钢双层水冷结构，可提高真空室的强度和满足良好的散热条件。真空室门设计成立式侧开大门结构，以便真空室的清理与工件装取。在真空室壁上开有大小不等的各种源法兰接口，分别与真空抽气机组、磁过滤脉冲等离子体源、霍尔离子源、气路、高压靶台及真空测量规管等连接。

为获得空载情况下30 min达到5×10-3Pa的真空度，且优于1.5×10-4Pa极限真空，通过计算，抽气泵组采用BSV-90直连泵（抽气速率70 L·s-1）和BSJ70L罗茨泵（抽气速率90 m3·h-1）作为预抽泵，选择FF250/2000复合分子泵（抽气速率2 000 L·s-1）作为前级泵。此外，抽到高真空停泵12 h后压升率优于5 Pa，即优于0.45 Pa·h-1，以获得满足等离子体源工作时的真空环境。

1.2 控制及通信系统

1.2.1 上位机及操作系统

为实现电源控制、参数设定、故障报警、数据存储和打印功能，该设备使用组态王作为工业自动化组态软件，基于WINDOWS的人机控制界面，设计可全程进行自动与手动控制和操作，可以设置水、电和机械等联锁、报警和故障提示。在装置自动运行过程中，均可以手动干预。既满足了研究需求，又能达到工业自动化水平。

1.2.2 通信和信号发生系统

该设备通过脉冲阴极弧源放电获得金属离子。由于金属离子从电离、雪崩到通过磁场聚焦、过滤、引出需要一定的时间（10 µs左右），需要脉冲负高压与脉冲阴极弧源在工作时序上更好地配合[1]。因为该设备调频、调宽单元较多，走线复杂，各电源若同时工作会带来低频干扰，所以设计了一种以数字通信为主的控制方式[2]。

上位机通过基于485总线的Modbus RTU通信协议将设定参数传输给单片机，一方面由单片机负责给复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）不同的指令，另一方面实现模拟量的采集和测量，同时在上位机和液晶屏上显示参数内容。CPLD电路主要负责产生驱动信号，驱动脉冲阴极弧电源和脉冲负高压电源。此外，主电路获得的过电流保护信号可以直接发送到CPLD。如果存在过电流，则下拉脉冲信号，并在设定时间后输出脉冲信号。具体系统如图1所示。

图1 单片机控制总体框图

在传统的分离元件电路中，需要使用更多的电阻和电容来实现控制电压与频率之比（Voltage/Frequency，V/F）的变化和延迟，而印制板电路的复杂布线导致更多的寄生电容，使得最终输出脉冲信号的上升沿变差。该系统脉冲信号由CPLD直接输出，无须电阻-电容（Resistor-Capacitance，RC）电路实现延时，脉冲阴极弧源同步工作的上升沿曲线更好，且波形基本相同。

在传统电路中，负高压与脉冲阴极弧源延时不可修改，直接由CD4098芯片的RC电路决定，需通过选取合适的RC参数获得固定的延时。在设备运行过程中，RC的值会发生变化，使得该延时有偏差。所以，该系统设计将脉冲参数由上位机设置并发送到单片机，再由单片机传输到CPLD，在CPLD中实现延时，不存在RC值的变化等问题，具有很好的重复性与精度。

1.3 等离子体发生系统

1.3.1 脉冲阴极弧源

多功能全方位复合离子注入机配置了4套磁过滤脉冲阴极真空弧等离子体源（以下简称脉冲阴极弧源），采用双层水冷90 ℃弯管设计，脉冲宽度为200 µs～3 ms，频率为0～50 Hz，弧压为0～100 V，弧流大于150 A，可产生Mg、Ti、Zr、Cr、Mo、Cu、Ag、Zn、Al等金属、合金和碳的等离子体，且可开展多种工艺的表面处理，如金属离子注入、沉积梯度薄膜、离子注入+沉积薄膜等。实物如图2所示。

图2 脉冲阴极弧源

1.3.2 霍尔离子源

由于牙种植体表面存在加工毛刺或肉眼不可见的杂质，需要使用霍尔离子源对其表面进行等离子体清洗。本文自主设计了一套霍尔离子源，采用圆形无灯丝和栅极结构，工作气压为0.01～1.00 Pa，放电电压为200～1 000 V，放电电流为0.1～1.0 A，产生的离子束斑能大于150 mm，可长时间稳定运行和生产，并在霍尔离子源头部送气。它具有结构简单、可靠以及使用方便等特点，主要用于牙种植体表面的离子束溅射清洗、活化及辅助沉积。

1.3.3 负高压脉冲电源

负高压脉冲电源采用的是电子管刚性调制器，栅偏压串联馈电方式，由直流高压电源[3]、储能元件（脉冲电容）、旁通元件（高压硅堆）、调制开关（电子管）以及脉冲信号发生器等部分构成。

高压电源所有测量和驱动信号通过光纤进行传输，利用传感器与主电路进行电气隔离[4]。尽量缩短上位机、单片机、液晶屏的通信线路，且信号发生单元采用金属盒进行屏蔽，可有效消除高压击穿和打火对信号的干扰。该电源的控制与信号产生都是以二进制为基础的数字逻辑电路，电源电压波动对其没有影响。在设备实际调试运行的过程中，系统稳定且干扰小，能够达到预期目的。

2 工艺实验

待处理的牙种植体浸泡在等离子体中施加脉冲负高压，使得牙种植体周围形成离子阵鞘层。在强电场作用下，离子从各个方向同时垂直注入其表面。随着离子不断被注入到中心靶中，电子被排开，离子阵鞘层不断扩展。如果离子阵鞘层与牙种植体形状非常接近，离子可从各个方向垂直注入到工件表面。

配备的磁过滤阴极弧源可在真空室中同时产生金属等离子体，如施加在工件上的脉冲负高压幅值很高（10～30 kV），便可实现金属离子注入或离子轰击。配备的阳极层霍尔等离子体源还能起到工件表面清洗、辅助沉积的作用，从而在复杂形状的零件表面形成具有强膜-基结合力、致密且均匀的化合物膜层。

3 市场应用

金属及合金材料是最早被应用于生物医学用途的材料之一，其中钛及钛合金是杰出代表。在众多金属生物材料中，钛及钛合金表现出了良好的生物兼容性、很好的抗腐蚀性、优异的抗疲劳性，且密度相对较低、易加工，被广泛应用于牙科种植体材料。但是，钛的抗磨损性能不佳。通过多功能全方位复合离子注入系统实现等离子体浸没离子注入与沉积技术，可以改善钛的表面硬度，降低材料表面的摩擦系数。此外，可以进一步将表面改性，如在钛中注入钙离子，能够加速在材料表面形成磷酸钙，促进成骨细胞在材料表面的黏附生长，更有利于形成新的骨组织。镍钛合金由于具有记忆效应，被广泛应用于畸齿矫正[5]。但是，因为镍元素具有生物毒性，所以要尽可能减少镍离子的释放。研究表明，在镍钛合金中注入氮，能显著减少镍离子的释放，在不影响其记忆功能的前提下降低生物毒性，可成功用于畸齿矫正。较高的摩擦力会让使用贝塔钛牙齿矫正器的患者感觉不适，通过多功能全方位复合离子注入系统进行离子注入降低材料表面的摩擦系数，可以大幅降低患者的不舒度。镁合金材料是近几年研究的热点，但是镁合金抗腐蚀性能不佳，可以通过多功能全方位复合离子注入系统在材料表面形成一定的抗腐蚀层，达到预期的抗腐蚀效果。此外，将等离子体浸没离子注入技术应用于较早的钴铬组件整形外科产品，提高了现有商业产品的抗磨损性能，延长了使用寿命，降低了关节松脱情况的发生概率。