純直流及非對稱雙極脈衝直流離子氮化金屬鈦之研究

A Comparative Study of Pure D.C. and Asymmetric Bipolar Pulsed D.C. Ion Nitriding of Titanium Metal

10.6409/JMSE.200303.0024

陳克昌(K. C. Chen)；葉通迪(T. D. Yeh)；林嘉彥(C. Y. Lin)；何主亮(J. L. He)

純鈦 ； 鈦六鋁四釩 ； 離子氮化 ； 非對稱雙極脈衝直流電漿 ； 蘭牟爾電漿探測分析 ； Pure Ti ； Ti-6Al-4V ； Ion nitriding ； Asymmetric bipolar pulse direct current plasma ； Langmuir probe ； Plasma diagnostica

材料科學與工程

35卷1期（2003 / 03 / 01）

24 - 30

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本研究選擇純鈦及鈦六鋁四釩爲基材，在直流及非對稱雙極脈衝直流電漿(ABPDC)中進行離子氮化，並以脈衝寬度及脈衝頻率爲變數，對其電漿中之電子能量分佈、離子密度、氮化試片之微觀組織及基本機械性質進行研究，以了解兩者之間的差異。研究結果顯示：脈衝電漿會改變電漿中的電子能量分佈範圍。且電子能量隨脈衝寬度的增加而增加，但脈衝頻率則無明顯的影響。電漿中的離子密度隨脈衝寬度的增加而增加。脈衝頻率則沒有明顯的影響。平均電子能量的大小與離子密度的變化是一致的。兩者之間的關聯性推測是脈衝電漿引發的優選濺射所造成。 化合物層的厚度隨脈衝寬度及脈衝頻率的增加而略爲減少。脈衝電漿因電壓反轉半周期中所產生的額外偏壓，使化合物層較易受到帶電離子的轟擊，而被濺射至空間中，以致有較薄的化合物層。也正因為如此；氮化深度隨脈衝寬度及脈衝頻率的增加而增加。此乃化合物層厚度影響活性氮物種擴散進入基材所造成的結果。

The study was carried out to reveal the effects of pulse width and pulse frequency on the microstructure and mechanical properties of the pulse-DC nitrided titanium metal. DC ion nitriding process was also provided for comparison. The results of this study are as follows. Pulse DC plasma has wider range of electron energy distribution function (EEDF) and higher ion density than pure direct-current plasma. EEDF get wider and ion density increases as a function of pulse width, which they remain the same as a function of pulse frequency. The nitrided compound layer slightly decreased with increasing pulse width and frequency probably because of the intense reversed sputtering effect. However, the nitrided case depth increase with increasing pulse width and frequency due to the higher active nitrogen species potential on the nitriding surface or the shorter diffusion path across thinner compound layer.