close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Генерация однородной газоразрядной плазмы в несамостоятельном разряде низкого давления для модификации поверхности материалов и изделий

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Борисов Дмитрий Петрович
ГЕНЕРАЦИЯ ОДНОРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ
В НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОМ РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
01.04.04 – Физическая электроника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Томск – 2015
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Национальный
исследовательский Томский государственный университет» (НИ ТГУ).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Коваль Николай Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор,
Национальный исследовательский Томский
политехнический университет, г. Томск
Степанов Игорь Борисович
доктор технических наук, профессор,
ОАО «Национальный институт
авиационных технологий», г. Москва
Петров Леонид Михайлович
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
Московский государственный
технологический университет «Станкин»
Защита состоится «16» декабря 2015 г. в 9 час. 30 мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.268.04 при Федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального
образования «Томский государственный университет систем управления и
радиоэлектроники» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 201.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
профессионального образования «Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634045, г. Томск, ул.
Красноармейская, 146, а также на официальном сайте ТУСУР
http://tusur.ru/ru/science/education/diss.html.
Автореферат разослан «____ » ___________ 2015 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., профессор
Ю.П. Акулиничев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Применение в современных производствах вакуумноплазменных технологий призвано обеспечить значительное улучшение
модифицируемых с их помощью поверхностных физико-химических,
механических и, соответственно, эксплуатационных свойств материалов и
изделий с соблюдением при этом требований энергоэффективности и
экологической безопасности. Однако рынок, особенно российский, остаётся в
большинстве своём не занятым вакуумно-плазменными технологиями. И
причинами, препятствующими широкому внедрению в производство плазменной
обработки в вакууме, являются как недостаточная изученность процессов
воздействия плазмы на поверхность материалов, так и недоступность переноса
лабораторных методик обработки материалов на производственный уровень
обработки реальных изделий с целевым созданием технологического
оборудования. Это и определяет актуальность исследований вакуумноплазменных технологий, связанных с разработкой новых видов вакуумноплазменного оборудования, с использованием которого достигается улучшение
свойств модифицируемых поверхностных слоёв, повышение производительности
и качества обработки изделий различной сложности. К данным разработкам
предъявляется ряд требований, например, применение современной безмасляной
откачки с контролем вакуумных и газовых условий процессов, повышение
плотности тока (десятки мА/см2 и выше) ионов инертного и реакционного газов
при высокой однородности их распределения в больших рабочих
технологических объёмах. С учётом последнего требования представляется, что
эффективные процессы обработки изделий в вакууме возможны с применением
лишь интенсивного плазменного воздействия (без использования ионно-пучковой
техники), что и является основной задачей исследований настоящей работы.
Цель исследований работы заключается в разработке эффективного
генератора однородной газоразрядной плазмы в больших вакуумных объёмах на
основе несамостоятельного дугового разряда с термоэмиссионным катодом и в
разработке эффективных процессов вакуумно-плазменной модификации
материалов и изделий с созданием вакуумных установок нового типа с
применением
магнетронно-распылительных
систем,
электродуговых
испарителей и генераторов однородной газоразрядной плазмы.
Основные задачи исследований.
1. Разработать и исследовать генератор однородно - распределённой
газоразрядной плазмы в больших вакуумных объёмах на основе дугового
несамостоятельного разряда с термокатодом.
2. Разработать и создать новые установки для реализации эффективной
вакуумно-плазменной обработки изделий с применением нового генератора
однородно-распределённой
газоразрядной
плазмы,
магнетроннораспылительных систем и электродуговых испарителей.
3. Исследовать режимы эффективных вакуумно-плазменных процессов очистки,
легирования поверхности различных материалов и нанесения сверхтвёрдых
высокоадгезионных покрытий с использованием созданных установок.
3 Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан и исследован генератор газоразрядной плазмы с концентрацией
до 5·1011 см-3 и однородностью распределения не хуже ± 5 % в вакуумных
камерах значительных (≥ 0,15 м3) объёмов на основе несамостоятельного
дугового разряда низкого давления (0,04÷1 Па) с двумя диаметрально
противоположно размещёнными на вакуумной камере модулями, содержащими
термоэмиссионные и полые катоды конической формы.
2. Созданы вакуумно-плазменные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» с
криогенной откачкой вакуумных камер объёмами 0,15 и 0,7 м3 соответственно с
остаточным давлением ≤ 6·10-4 Па и неконтролируемым натеканием в них
≤3,4·10-5 Па·м3/с, имеющие в своём составе генераторы однородной
газоразрядной плазмы, магнетронно-распылительные системы и/или
электродуговые испарители.
3. С использованием созданных установок были реализованы следующие
вакуумно-плазменные процессы.
– Азотирование со скоростью 10÷30 мкм/ч образцов нержавеющей стали
различных марок при температуре 380÷520 0С и низком отрицательном
потенциале их смещения (≤ 40 В) в газоразрядной плазме чистого азота.
– Электродуговое осаждение покрытия TiN при температуре ≤ 120 0С с
воздействием на подложку кремния при плавающем её потенциале (≈ 20 В)
газоразрядной плазмы азота с концентрацией 5·1010 см-3 с достижением при
низком содержании (≤ 2 %) кислорода толщины легированного титаном слоя
подложки 60 нм и адгезии (≥ 15 Н), превосходящей адгезию (7 Н) получаемых
через промежуточный слой оксидов покрытий.
– Получение многокомпонентных покрытий типа Ti-Al-Si-Cr-Ni-Cu-O-C-N,
отличающихся высокой (до ≈ 50 ГПа) микротвёрдостью, стабильностью
микротвёрдости при отжиге в вакууме до температуры 900 0С и высокой
адгезией (≥ 30 Н).
– Легирование кремнием образцов никелида титана при магнетронном
осаждении покрытия кремния с воздействием на подложку ионов газоразрядной
плазмы аргона с концентрацией 5·1010 см-3, ускоряемых импульсным
потенциалом смещения с частотой 30 кГц, длительностью 17 мкс и амплитудой
импульсов 160 В, с получением при температуре 300 0С толщины легированных
кремнием слоёв подложки ≈ 300 нм с низким содержанием (≤ 2÷3 %) кислорода
и максимальным содержанием кремния 95 %.
– Легирование (без осаждения покрытий) титаном и углеродом образцов
нержавеющей стали 12Х18Н10Т при магнетронном распылении данных
элементов с одновременным воздействием на подложку ионов газоразрядной
плазмы аргона с концентрацией 1,5·1011 см-3, ускоряемых импульсным
потенциалом смещения с частотой 20 кГц, длительностью 5 мкс и амплитудой
импульсов 700 В, с получением при температуре 500 0С толщины
легированных титаном и углеродом слоёв подложки ≈ 300 нм и ≥10 мкм
соответственно с низким содержанием (≤ 2÷3 %) кислорода и максимальным
содержанием 10 и 65 % титана и углерода в поверхности соответственно.
4 Практическая значимость работы заключается в том, что созданы
вакуумно-плазменные установки с оригинальным способом монтажа
высоковакуумного насоса сверху вакуумной камеры для его защиты от
загрязнения продуктами плазменных процессов, сочетающие в своём составе
вновь разработанные генераторы однородной газоразрядной плазмы с
концентрацией до 5·1011 см-3, магнетронно-распылительные системы и/или
электродуговые испарители. Установки реализуют способы ионной очистки
поверхности материалов и изделий, её плазменно-иммерсионного ионного
легирования и нанесения высокоадгезионных сверхтвёрдых покрытий. Одна из
установок поставлена в Сибирский федеральный университет (г. Красноярск) для
разработки технологий улучшения функциональных свойств деталей космических
аппаратов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Предложена и создана разрядная система на основе несамостоятельного
дугового разряда низкого давления с двумя диаметрально противоположно
размещёнными на вакуумной камере катодными модулями с термоэмиссионными
катодами и полыми катодами конической геометрии, которая эффективно
генерирует газоразрядную плазму с концентрацией до 5·1011 см-3 и
однородностью её распределения не хуже ± 5 % в значительных (≥ 0,15 м3)
вакуумных объёмах при давлении 0,1÷1 Па.
2. Созданы вакуумно-плазменные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и
«СПРУТ» с криогенной откачкой вакуумных камер объёмами 0,15 и 0,7 м3
соответственно с остаточным давлением ≤ 6·10-4 Па и неконтролируемым
натеканием ≤ 3,4·10-5 Па·м3/с, имеющие генераторы однородной
газоразрядной плазмы, магнетронно-распылительные системы и/или
электродуговые испарители и возможность ионной очистки поверхности
материалов и изделий, её плазменно-иммерсионного ионного легирования и
нанесения высокоадгезионных сверхтвёрдых покрытий.
3. Способ азотирования нержавеющих сталей при температуре 380÷520 0С и
низком отрицательном потенциале смещения (≤ 40 В) в газоразрядной плазме азота
с концентрацией 5·1011 см-3 обеспечивает скорость азотирования 10÷30 мкм/ч с
повышением микротвёрдости поверхности в 2÷4 раза по сравнению с исходной.
4. Способы плазмоассистированного нанесения обеспечивают нанесение
покрытий TiN с низким (≤ 2 %) содержанием кислорода и адгезией (≥ 15 Н),
превосходящей адгезию (7 Н) получаемых через промежуточный слой оксидов
покрытий более чем в 2 раза, а также нанесение многокомпонентных покрытий
типа Ti-Al-Si-Cr-Ni-Cu-O-C-N со сверхтвёрдостью (Н ≥ 40 ГПа) и высокой
адгезией (≥ 30 Н).
5. Способы легирования кремнием никелида титана при осаждении его на
подложку при температуре 300 0С и титаном и углеродом нержавеющей стали
12Х18Н10Т при температуре 500 0С при магнетронном распылении данных
элементов с воздействием на подложку плазмы аргона с концентрацией 1010 см-3
обеспечивают достижение толщины легированных слоёв с низким (≤ 2÷3 %)
содержанием кислорода 300 нм для кремния и титана и ≥ 10 мкм для углерода с
максимальным содержанием 10, 60 и 95 ат. % титана, углерода и кремния.
5 Апробация работы. Результаты работы докладывались на: International
Conference «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows»
(2008, Томск, Россия); Международной конференции «Взаимодействие
излучений с твёрдым телом» (2009, 2011, 2013, Минск, Беларусь);
Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных
потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (2015,
Новосибирск, Россия); Международной научно-технической конференции
«Вакуумная техника, материалы и технология» (2015, Москва, Россия).
Публикации.
Основные результаты исследований диссертации опубликованы в 24
работах (в 14 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, в 6 докладах на
отечественных и международных конференциях и в 4 патентах).
Личный вклад автора состоит в определении цели и задач исследований,
проведении экспериментов и анализе полученных результатов. Обсуждение
результатов, окончательное формирование защищаемых научных положений,
содержания и выводов диссертации осуществлялись автором совместно с
научным руководителем проф. Н.Н. Ковалем. Все результаты, выносимые на
защиту, получены автором лично.
Структура диссертационной работы.
Диссертация общим объёмом 161 страниц состоит из введения, четырёх
глав и заключения, содержит 63 рисунка, 11 таблиц и список цитируемой
литературы из 241 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
обоснована
актуальность
исследований
работы,
сформулированы её цели и задачи, указаны научная новизна и практическая
значимость результатов, защищаемые научные положения.
В первой главе «Способы вакуумно-плазменной модификации
поверхности материалов и изделий, методы создания плазмы в больших
вакуумных объёмах» проводится обзор литературных данных по исследуемой
области вакуумно-плазменных процессов, определяемой диапазонами рабочего
давления 0,01÷1 Па, концентрации плазмы 108÷1011 см-3, энергии электронов
1÷10 эВ. Воздействие такой плазмы на подложку вызывает изучаемые в работе
процессы: очистка и активация; нанесение покрытий; легирование различными
химическими элементами. Обработка с нагревом поверхности, всегда покрытой
в применяемом диапазоне вакуума слоем адсорбента толщиной в сотни
нанометров, без ионно-плазменной очистки приводит к образованию на ней
оксидов, снижающих скорость или полностью блокирующих диффузионное
насыщение поверхности и ухудшающих адгезию наносимых покрытий.
Поэтому требования к качественным вакуумно-плазменным процессам и
оборудованию должны быть следующие: минимизация загрязняющих примесей
(ввиду течей, обратного газового потока из системы вакуумной откачки,
загрязнений рабочего газа и др.); увеличение плотности ионного тока (десятки
мА/см2 и выше) на подложку, что способствует удалению адсорбированных
слоёв.
6 Низкий рабочий вакуум (единицы и сотни Па) традиционно используемого
тлеющего разряда приводит, наряду с активацией поверхности к загрязнению
последней плёнками окислов, карбидов и др., что затрудняет или полностью
исключает возможность его применения в современных вакуумных
технологиях. ВЧ разрядные устройства для промышленных вакуумных
технологий обработки изделий в больших вакуумных объёмах также являются
не вполне подходящими ввиду относительно низкого значения концентрации
создаваемой плазмы, значительного усложнения и удорожания ВЧ плазменного
оборудования.
Ввиду
низкой
концентрации
плазмы
магнетроннораспылительных систем и наличию микрокапельной фракции в плазменном
потоке электродуговых испарителей на основе лишь одних данных устройств
не могут быть организованы совершенные технологии вакуумно-плазменной
обработки материалов и изделий. Из анализа литературы следует, что
несамостоятельный
разряд
низкого
давления,
поддерживаемый
термоэлектронной эмиссией, может являться эффективным и перспективным в
организации множества вакуумно-плазменных процессов. Задачами работы при
этом должна являться разработка эффективных вакуумно-плазменных
установок и процессов на его основе.
Во второй главе «Постановка задачи, разработка генератора
газоразрядной плазмы и методы исследований» ставятся задачи работы,
описывается новый плазмогенератор, экспериментальные стенды и методики
исследований. На рис. 1 (а) и (б) соответственно представлены схемы
предложенного плазмогенератора для однородной плазменной обработки и
плазмогенератора базовой модели на базе вакуумной камеры диаметром 600 мм
и высотой 500 мм с криогенной откачкой с производительностью 1000 л/с.
(а)
(б)
Рисунок 1 - Принципиальная схема генераторов газоразрядной плазмы для однородной
плазменной обработки (вновь созданного) (а) и базовой модели (б): 1 – полый катод;
2 – термокатод; 3 – соленоид; 4 – водоохлаждаемый фланец катодного узла;
5 – водоохлаждаемый корпус; 6 – изолятор; 7 - вакуумная камера-полый анод разряда;
8 – напуск рабочего газа; 9 – газоразрядная плазма; 10 – плоский односторонний зонд;
11 – подвижный зонд Ленгмюра; 12 – источник электропитания накала термокатода;
13 – источник электропитания газового дугового разряда; 14 – источник электропитания
соленоида; 15 - блок электропитания зондов; 16 – плазменный поток; 17 – область
«плазменной тени»
7 В экспериментах в качестве термокатодов использовалась калиброванная
вольфрамовая (марки ВА) нить диаметром 0,8 мм и длиной рабочей части
150 мм – по одной для каждого из катодных модулей нового созданного
генератора плазмы и для генератора базовой модели. В отличие от
плазмогенератора базовой модели, имеющего одномодульную конструкцию
с диаметром цилиндрического полого катода из нержавеющей стали 86 мм и
его длиной 380 мм, созданный плазмогенератор состоит из 2-х размещённых
на диаметрально противоположных фланцах вакуумной камеры катодных
модулей с термоэмиссионными и полыми катодами. Полые катоды нового
плазмогенератора, изготовленные также из нержавеющей стали, выполнены
в форме усечённого конуса с диаметрами меньшего и большего оснований 86
и 180 мм соответственно и высотой 380 мм.
Зажигание и горение дугового разряда созданного плазмогенератора
обеспечивается работой каждого из его катодных модулей на общий анод –
внутренние стенки вакуумной камеры и реализуется следующим образом.
При обеспечении накала термокатодов от источников переменного тока 12
(рис. 1), напуска рабочего газа 8 с одинаковым расходом в обе катодные
полости, электропитания соленоидов от источников постоянного тока 14,
создающих внутри полых катодов продольное магнитное поле с индукцией
0,02 Тл, и подачи разрядного напряжения Ud от источника электропитания
дугового разряда 13 между электрически соединёнными полыми и
термокатодами обоих катодных модулей и анодом эмитируемые
термокатодами электроны дрейфуют вдоль силовых линий магнитного поля
к аноду с отражением от стенок катодных полостей и ионизируют рабочий
газ. Зажигающийся при этом несамостоятельный дуговой разряд при низких
давлениях создаёт газоразрядную плазму 9, заполняющую вакуумную
камеру. Параметры накала термокатодов каждого из катодных модулей
регулируются так, чтобы обеспечить с них одинаковый ток разряда, в сумме
обеспечивающий общий ток разряда плазмогенератора Id. Горение дугового
разряда плазмогенератора базовой модели (рис. 1 (б)) обеспечивается
работой на вакуумную камеру – анод единственного его катодного модуля с
цилиндрическим полым катодом, охватывающим термокатод, при
аналогичных способах его электропитания и газового снабжения.
Третья глава «Исследование генераторов газоразрядной плазмы на
основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления с
сравнительным
исследованиям
термокатодом»
посвящена
плазмогенератора
традиционной
базовой
модели
и
созданного
плазмогенератора (для однородной обработки). Результаты измерения
«угловой» и пространственной однородности распределения плазмы в
объёме вакуумной камеры для плазмогенераторов обеих моделей,
проведённые с помощью одностороннего зонда 10 (рис. 1) при изменении
угла поворота токопроводящей его стороны в центре вакуумной камеры
относительно катодных модулей плазмогенераторов и с помощью
подвижного вдоль оси вакуумной камеры зонда Ленгмюра 11, представлены
на рис. 2 (а) и (б) соотвественно. Неоднородность распределения плазмы
оценивалась по ионному току насыщения зондов при их отрицательном
8 смещении относительно заземлённой вакуумной камеры
полученные зависимости рис. 2 показывают следующее.
(а)
200
В,
и
(б)
Рисунок 2 - Плотность ионного тока одностороннего зонда в зависимости от угла его
поворота в центре вакуумной камеры (а) и распределение в относительных единицах
плотности ионного тока подвижного зонда Ленгмюра вдоль поперечной катодным модулям
оси вакуумной камеры (б) с принятым за единицу значением, измеренным в её центре, для
генераторов плазмы обеих моделей
«Угловая» (в зависимости от угла поворота одностороннего зонда в центре
вакуумной камеры) зависимость плотности ионного тока из плазмы генератора
базовой модели (рис. 2 (а), кривая 1) демонстрирует наличие потока в его плазме
16 и наличие области «плазменной тени» 17 (рис. 1 (б)). А полученная по
данным рис. 2 (б), кривая 1 неоднородность распределения плазмы вдоль
поперечной оси вакуумной камеры для данного плазмогенератора равна ± 25 %
от среднего значения. Плотность же ионного тока, извлекаемого из плазмы
созданного плазмогенератора, не зависит от угла поворота одностороннего зонда
(рис. 2 (а), кривая 2), и выявленная из рис. 2 (б), кривая 2 неоднородность
распределения плазмы этого генератора по объёму вакуумной камеры составляет
± 5 % от среднего значения.
Зависимости тока разряда от мощности накала термокатодов,
определяющей ток термоэлектронной эмиссии и определяемой умножением
действующих
значений
переменных
тока
и
напряжения
накала,
плазмогенератора базовой и новой моделей (кривые в левой и в правой части
рис. 3 (а) соответственно), полученные при различных напряжениях горения
разрядов, выявляют следующее.
В новом созданном плазмогенераторе достигаются превосходящие над
генератором базовой модели токи разряда, но при суммарной мощности накала
двух его термокатодов в 2 раза превосходящей мощность накала термокатода
генератора базовой модели. Сравнение плазмогенераторов обеих моделей по
величине получаемого тока разряда для одних и тех же значений напряжения
горения было проведено в сравнении энергетических параметров двух
раздельно функционирующих генераторов базовой модели и одного генератора
новой конструкции. Например, для мощности накала термокатода генератора
базовой модели равной 340 Вт и напряжении горения его разряда 50 В
9 (штриховые линии в левой части рис. 3 (а)) ток его разряда равен 22 А, и,
значит, суммарный ток разряда двух раздельно функционирующих генераторов
этого типа будет равен 44 А при указанном напряжении горения и суммарной
мощности накала их термокатодов 680 Вт.
(а)
(б)
Рисунок 3 - Зависимость тока разряда от мощности накала термокатодов для различных
напряжений горения разрядов (а) и зависимость концентрации плазмы в центре вакуумной
камеры от тока разряда (б) для плазмогенераторов обеих моделей
В то же время, генератор новой модели при суммарной мощности накала
его термокатодов 680 Вт и напряжении горения 50 В обеспечивает ток разряда
равный 64 А (штриховые линии в правой части рис. 3 (а)), что в 1,45 раза
больше тока разряда, обеспечиваемого двумя генераторами базовой модели. Подобный анализ для всех исследованных диапазонов мощности накала и
напряжения горения рис. 3 (а) показал, что ток разряда генератора плазмы
новой модели больше суммарного тока разряда двух генераторов плазмы
базовой модели в среднем приблизительно в 1,4 раза для одинаковых значений
напряжения горения и суммарной мощности накала термокатодов.
Рис. 3 (б) показывает растущее с током разряда превосходство в
концентрации генерируемой созданным плазмогенератором плазмы над
плазмогенератором базовой модели, измеренной по ионному току насыщения
зондов в центре вакуумной камеры.
В четвёртой главе «Эффективные способы вакуумно-плазменной
обработки изделий» представлены созданные вакуумные установки
«ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» (рис. 4 (а) и (б) соответственно), имеющие,
помимо генератора газоразрядной плазмы для однородной плазменной
обработки, соответственно от 2-х до 6-ти дополнительных плазменных
источников
(магнетронно-распылительных
систем
и
электродуговых
испарителей).
Основные характеристики установок приведены в таблице 1. Одной из
важных характеристик обеих установок является указанная в таблице величина
натекания в их вакуумные камеры, являющаяся условием вакуумных процессов с
контролируемым химическим составом модифицируемой поверхности.
10 (а)
(б)
Рисунок 4 - Общий вид созданных вакуумно-плазменных установок «ЛЕГЕНДА-Томск» (a) и
«СПРУТ» (б) Таблица 1 – Основные характеристики установок «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ»
«ЛЕГЕНДАХарактеристика
«СПРУТ»
Томск»
Диаметр, высота (объём) вакуумной
600 мм, 500 мм
1200 мм, 660 мм
3
камеры
(0,14 м )
(0,7 м3)
Криогенная вакуумная откачка с
1200 л/с
5000 л/с
производительностью
Предельное остаточное давление в
Не более 6·10-4 Па
вакуумной камере
Величина натекания в вакуумную
Не более 3,4·10-5 Па·м3/с
камеру
Концентрация газоразрядной плазмы
1010÷5·1011 см-3
109÷1011 см-3
Ниже рассмотрены возможности созданного оборудования в обработке
поверхности материалов и изделий.
А) Вакуумно-плазменное азотирование.
Азотирование образцов стали марок 12Х18Н10Т, 95Х18-Ш, 07Х16Н6,
03Х11Н8М2Ф-ВД и 30ХГСА в созданных установках также как их
предварительная очистка и нагрев осуществлялись в плазме одного и того же
газа – особо чистого азота (99,9997 %), создаваемой при работе генератора
газоразрядной плазмы установок.
Профили распределения микротвёрдости по толщине азотированного слоя
образцов стали 12Х18Н10Т после их азотирования при давлении рN2=0,15 Па,
температуре Т=520 0С и времени t=2 ч приведены на рис. 5 (а).
Кривая 2 зависимостей рис. 5 (а) была получена при азотировании образца
под потенциалом анода в создаваемой плазмогенератором плазме азота с
концентрацией ni=1,5·1011 см-3, и во время азотирования на образец поступал
лишь ток электронов, а ионная бомбардировка его практически отсутствовала,
11 что исключало удаление поверхностных слоёв загрязнений и снижало скорость
азотирования. Тем не менее, в поверхности данного образца был сформирован
слой толщиной ≈ 15 мкм с повышенной в 2 раза по сравнению с исходной
микротвёрдостью, отмеченный на рис. 5 (а) (кривая 2) штриховой линией.
(а)
(б)
Рисунок 5 - Распределение микротвёрдости по толщине азотированного слоя образца стали
12Х18Н10Т (а) и фотография образца после азотирования (б)
Азотирование же образцов указанной стали при плавающем их потенциале
-33 В относительно анода в плазме азота с концентрацией ni=5·1011 см-3 дало
эффективную толщину азотированного слоя ≈ 55 мкм с повышенной в 2÷4 раза
по сравнению с основой микротвёрдостью, так же отмеченную штриховой
линией на кривой 1 рис. 5 (а). Данное значение в 1,5 раза превосходит
эффективную толщину азотированного слоя в 38 мкм, достигнутую при
традиционном азотировании образцов нержавеющей стали той же марки при
тех же значениях времени и температуры в условиях промышленной установки
ННВ-6.6-И1 с паромасляной вакуумной откачкой и при использовании
рассмотренного ранее генератора газоразрядной плазмы базовой модели. При
этом в указанных условиях традиционного азотирования является
необходимым поддержание отрицательного потенциала смещения образцов
относительно анода на уровне не менее 300 В при плотности тока ионов азота
на подложку ji=5 мА/см2 для стравливания адсорбирующихся поверхностных
плёнок загрязнений, в основном оксидов, при плотности мощности ионной
бомбардировки поверхности ≥ 1,5 Вт/см2. А при используемых в настоящей
работе плавающем (- 33 В) и анодном потенциалах смещения образцов в
описанных выше традиционных условиях азотирования вообще не происходит.
С использованием же созданных установок с криогенной откачкой и
минимизацией неконтролируемого натекания с эффективным генератором
газоразрядной плазмы плотность мощности, подводимой к поверхности
образцов за счёт ионной бомбардировки, с повышением скорости
(эффективности) азотирования удалось снизить до ≤ 0,4 Вт/см2 (плотность
ионного тока ji=10 мА/см2 × отрицательный потенциал образца ≤ 40 В), что
существенно снизило рост шероховатости поверхности при азотировании –
12 рис. 5 (б) демонстрирует, что поверхность азотированного при плавающем
потенциале образца остаётся, как и исходная поверхность, «зеркальной».
Азотирование при давлении рN2=0,15 Па, температуре Т=380 0С и времени
процессов t=90 мин образцов стали марок 95Х18-Ш, 07Х16Н6, 03Х11Н8М2Ф-ВД
и 30ХГСА при плавающем потенциале обеспечило приведённые на рис. 6 (а) – (г)
соответственно профили распределения микротвёрдости в них.
(а)
(б)
(в)
(г)
Рисунок 6 - Распределение микротвёрдости по толщине азотированных слоёв образцов стали
различных марок
Б) Нанесение функциональных покрытий.
На рис. 7 (а) и (б) соответственно приведены Оже-профили промышленно
получаемого покрытия латуни через промежуточный слой оксидов и покрытия
TiN, полученного на аналогичной подложке кремния электродуговыми
испарителями установки «СПРУТ» с очисткой и ассистированием в
газоразрядной плазме азота без подачи смещения при температуре ≤ 120 0С.
Нанесение покрытия TiN производится практически с отсутствием кислорода и с
образованием в подложке легированного титаном слоя толщиной 60 нм. Скретчтестирование покрытий показало более чем в 2 раза большую адгезию покрытия
TiN, как видно по фото треков индентора тестера для данных покрытий
соответственно рис. 7 (в) и (г), где нагрузка 15 Н соответствовала разрушению
подложки без явного отслоения покрытия TiN.
13 (а)
(б)
(в)
(г)
Рисунок 7 – Оже-профили покрытий латуни (а) и нитрида титана (б) и вид треков индентора
скретч-тестера с указанием критической нагрузки (в) и (г) разрушения данных покрытий
соответственно
(а)
(б)
Рисунок 8 – Вид трека скретч-тестера (а) и зависимость микротвёрдости от температуры
отжига покрытия Ti-Al-Si-Cr-Ni-Cu-O-C-N
Скретч-тестирование осаждённых магнетронными способами установки
«СПРУТ» покрытий Ti-Al-Si-Cr-Ni-Cu-O-C-N показало отсутствие их
отслоения вплоть до нагрузок на индентор 30 Н, как видно из фото трека
последнего (рис. 8 (а)). Отжиг данных покрытий показал стабильность их
микротвёрдости на уровне ≥ 47 ГПа вплоть до температуры 900 0С (рис. 8 (б)).
14 В) Плазменно-иммерсионное легирование поверхности.
Легирование поверхности образцов никелида титана исследовалось при
магнетронном нанесении на неё покрытия кремния в течение времени 20 мин с
воздействием газоразрядной плазмы аргона с концентрацией ≈ 1011 см-3,
генерируемой плазмогенераторами установок при давлении pAr=0,2 Пa, при
температуре 300 0С и подаче на образцы импульсного отрицательного
напряжения смещения амплитудой 160 В, длительностью импульсов 17 мкс и
частотой их повторения 30 кГц. В аналогичных условиях, но при температуре
500 0С и подаче на подложки импульсного отрицательного напряжения
смещения амплитудой 700 В, длительностью импульсов 5 мкс и частотой их
повторения 20 кГц в течение времени 1 ч производилось легирование
поверхности стали 12Х18Н10Т титаном и углеродом также при магнетронном
распылении данных элементов. Оже-профили полученных химических составов
в поверхности при легировании кремнием, титаном и углеродом представлены
на рис. 9 (а), (б) и (в) соответственно.
(а)
(б)
(в)
(г)
Рисунок 9 – Оже-профили легированных слоёв при нанесении кремния в поверхности
никелида титана (а), в поверхности стали 12Х18Н10Т при её легировании титаном и
углеродом (б) и (в) соответственно и распределение микротвёрдости в легированном
углеродом слое (г)
Легирование привело к максимальному содержанию в подложках 10, 60 и
95 ат. % титана, углерода и кремния соответственно и к образованию
легированных слоёв с низким (≤ 2÷3 %) содержанием кислорода протяжённостью
300 нм для кремния и титана и более 10 мкм для углерода. Микротвёрдость
15 легированного углеродом образца у поверхности повысилась более чем в 4 раза
(до 10,5 ГПа) по сравнению с основой, а профиль с превосходящей основу
твёрдостью распространяется более чем на 170 мкм (рис. 9 (г)).
В заключении приведены выводы по работе:
1. Созданный плазмогенератор способен генерировать газоразрядную плазму с
концентрацией до 5·1011 см-3 и однородностью распределения не хуже ± 5% с
отсутствием «плазменной тени» в больших (≥ 0,15 м3) вакуумных камерах при
давлении 0,1÷1 Па
2. Созданные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» с криогенной
откачкой при остаточном вакууме ≤ 6·10-4 Па, неконтролируемом натекании не
более 3,4·10-5 Па·м3/с, содержащие магнетронно-распылительные системы,
электродуговые испарители и созданный генератор газоразрядной плазмы с
однородной плазменной обработкой с плотностью тока ионов ≥ 10 мА/см2,
расширяют возможности плазменной обработки материалов и изделий в
вакууме и обеспечивают следующие новые вакуумно-плазменные процессы и
способы.
– Азотирование при температуре 380÷520 0С со скоростью 10÷30 мкм/ч
нержавеющей стали различных марок при низком отрицательном потенциале
смещения (≤ 40 В) и незначительном ухудшении чистоты обработки
поверхности.
– Нанесение сверхтвёрдых покрытий (Н20 ≥ 40 ГПа) практически с отсутствием
кислорода как на границе раздела покрытие-подложка, так и в самом покрытии,
обладающих высокой адгезией (≥ 30 Н) и термостабильностью твёрдости при
отжиге вплоть до 900 0С.
– Легирование кремнием никелида титана при температуре 300 0С и титаном и
углеродом нержавеющей стали 12Х18Н10Т при температуре 500 0С с получением
при содержании кислорода ≤ 2÷3 % и максимальном содержании 10, 60 и 95 %
титана, углерода и кремния толщины легированных слоёв 300 нм для кремния и
титана и ≥ 10 мкм для углерода.
Проведённые исследования позволяют выявить условия осуществления
высокоэффективных технологий вакуумно-плазменной обработки материалов и
изделий и внедрения их в производство.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:
1. Борисов Д.П. Генерация объёмной плазмы дуговым разрядом с накалённым
катодом / Д.П. Борисов, Н.Н. Коваль, П.М. Щанин // Изв. вузов. Физика. – 1994.
– Т. 37. - № 3. – С. 115-120.
2. Борисов Д.П. Газовый плазмогенератор для реализации технологических
процессов в больших вакуумных объёмах промышленных установок / Д.П.
Борисов, В.М. Савостиков // Изв. вузов. Физика. – 2007. – Т. 50. - № 9. – С. 43-46.
3. Коротаев А.Д. Упругонапряжённое состояние многоэлементных сверхтвёрдых
покрытий / А.Д. Коротаев, Д.П. Борисов, В.Ю. Мошков // Физическая
мезомеханика. – 2009. – Т. 12. - № 4. – С. 79-91.
16 4. Вакуумный технологический комплекс «СПРУТ» для формирования
поверхностных структур со сверхвысокими свойствами радиационным
воздействием плазменных магнетронно-дуговых потоков / Д.П. Борисов [и др.]
// Изв. вузов. Физика. – 2009. – Т. 52. - № 8/2. – С. 511-514.
5. Вакуумно-плазменный технологический комплекс «СПРУТ» для создания
новых нанокомпозитных материалов и упрочняющих поверхностных структур
изделий / Д.П. Борисов [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика
материалов. – 2010. – Т. 76. - № 12. – С. 32-36.
6. Коротаев А.Д. Особенности структурно-фазового и упругонапряжённого
состояния нанокомпозитных сверхтвёрдых покрытий на основе TiN /
А.Д. Коротаев, Д.П. Борисов, В.Ю. Мошков // Физическая мезомеханика. –
2011. – Т. 14. - № 5. – С. 87-97.
7. Разработка эффективных вакуумно-плазменных методов модификации
поверхности и синтеза покрытий / Д.П. Борисов [и др.] // Изв. вузов. Физика. –
2011. – Т. 54. - № 9/2. – С. 19-26.
8. Efficient arc sources of gas-discharge plasma in vacuum-plasma production facilities
/ D.P. Borisov [et al.] // Изв. вузов. Физика. – 2012. – Т. 55. - № 12/2. – С. 28-31.
9. Vacuum-plasma technologies for high-quality surface-treatment applications /
D.P. Borisov [et al.] // Изв. вузов. Физика. – 2012. – Т. 55. - № 12/2. – С. 32-35.
10. Effective Processes for Arc-Plasma Treatment in Large Vacuum Chambers of
Technological Facilities / D.P. Borisov [et al.] // IEEE Trans. Plasma Science. – 2013.
– Vol. 41. - No. 8. – P. 2183-2195.
11. Эффективная генерация объёмной газоразрядной плазмы с помощью
несамостоятельного газового дугового разряда / Д.П. Борисов [и др.] // Изв.
вузов. Физика. – 2014. – Т. 57. - № 3/2. – С. 65-69.
12. Investigation of parameters and uninterrupted service of a generator of gasdischarge plasma based on a nonsustained hot-cathode arc discharge in gas /
D.P. Borisov [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. – 2014. – Vol. 552. –
P. 012001.
13. Технологические установки для эффективной вакуумно-плазменной
обработки изделий на основе источников низкотемпературной плазмы /
Д.П. Борисов [и др.] // Изв. вузов. Физика. – 2014. – Т. 57. - № 3/2. – С. 62-64.
14. Технологические способы эффективной вакуумно-плазменной обработки
изделий в вакуумных камерах большого объёма / Д.П. Борисов [и др.] // Изв.
вузов. Физика. – 2014. – Т. 57, № 3/3. – С. 47-51.
Доклады на конференциях и симпозиумах:
1. Borisov D.P. Generator of gas plasma for ion plasma technological setups with
large vacuum volumes / D.P. Borisov, V.I. Gusel`nikov, G.T. Starostin // Proc. 9th Int.
Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk,
Russia, 2008, P. 103-106.
2. Вакуумный технологический комплекс «СПРУТ» для формирования
высококачественных упрочняющих поверхностных структур изделий
плазменными магнетронно-дуговыми методами / Д.П. Борисов [и др.] //
17 Взаимодействие излучений с твёрдым телом: материалы 8-й международной
конференции. Минск, Беларусь. – 2009. – С. 299-301.
3. Технологический комплекс процессов вакуумно-плазменного легирования
поверхности металлоизделий «ЛЕГЕНДА» / Д.П. Борисов [и др.] //
Взаимодействие излучений с твёрдым телом: материалы 9-й Международной
конференции. Минск, Беларусь. – 2011. – С. 399-402.
4. Технологические способы эффективной вакуумно-плазменной обработки
изделий / Д.П. Борисов [и др.] // Взаимодействие излучений с твёрдым телом:
материалы 10-й международной конференции. Минск, Беларусь. – 2013. –
С. 383-385.
5. Лотков А.И. Закономерности формирования химического состава и
структурно-фазового состояния при плазменно-иммерсионной ионной
модификации кремнием поверхности образцов никелида титана / А.И. Лотков,
О.А. Кашин, Д.П. Борисов // Взаимодействие высококонцентрированных
потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине:
сборник докладов VI всероссийской конференции. Новосибирск, Россия, 2015. –
Т. 1. – С. 150-154.
6. Борисов Д.П. Вакуумно-плазменное оборудование и технологии Томского
государственного университета для нанесения функциональных покрытий с
плазменно-иммерсионным легированием поверхности изделий / Д.П. Борисов,
В.М. Кузнецов, В.А. Слабодчиков // Вакуумная техника, материалы и
технология: материалы Х Международной научно-технической конференции.
Москва, Россия. – 2015. – С. 141-145.
Патенты:
1. Пат. 2116707 Российская Федерация, МПК H05H1/24. Устройство для
создания низкотемпературной газоразрядной плазмы / Д.П. Борисов,
Н.Н. Коваль, П.М. Щанин; заявитель и патентообладатель Институт
сильноточной электроники СО РАН. - № 97100106/25; заявл. 06.01.1997; опубл.
10.01.1998, Бюл. № 21. – 4 с.: ил.
2. Пат. 87065 Российская Федерация, МПК H05H1. Устройство для создания
однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах
больших объёмов / Д.П. Борисов; заявитель и патентообладатель Том. политехн.
ун-т. - № 2009116388/22; заявл. 29.04.2009; опубл. 20.09.2009, Бюл. № 29. – 5 с.:
ил.
3. Пат. 116733 Российская Федерация, МПК H05H1/00. Устройство для создания
однородно-распределённой газоразрядной плазмы в больших вакуумных
объёмах технологических установок / Д.П. Борисов, В.М. Кузнецов,
Е.В. Чулков; заявитель и патентообладатель Том. гос. ун-т. - № 2011144344/07;
заявл. 01.11.2011; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 18. – 6 с.: ил.
4. Пат. 122654 Российская Федерация, МПК С23С14/24. Устройство вакуумной
откачки вакуумных камер технологических вакуумно-плазменных установок /
Д.П. Борисов и др.; заявитель и патентообладатель Том. гос. ун-т. № 2012121224/02; заявл. 23.05.2012; опубл. 10.12.2012, Бюл. № 34. – 4 с.: ил.
18 Тираж 100 экз. Заказ 748.
Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники.
634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.
Тел. (3822) 533018.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа