Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Процессы, обеспечивающие прочное сцепление покрытия с напыляемой поверхностью 9
1.1 Особенности формирования плазмонапыленных покрытий 9
1.2 Сцепление плазменных покрытий с напыляемой поверхностью 13
1.3 Методы активации напыляемой поверхности 15
1.4 Постановка задачи 17
ГЛАВА 2 Теоретические исследования активации поверхности основы газовыми разрядами в контролируемой атмосфере 19
2.1 Исследование влияния активации поверхности основы 19
дуговым разрядом в процессе плазменного напыления 19
на прочность сцепления покрытия 19
2.2 Плазмохимическая активация проволочных изделий 25
2.3 Общая характеристика обработки поверхности металлов 27
газовыми разрядами 27
2.4 Общая характеристика поверхностных загрязнени 33
2.5 Очистка поверхностей твердых тел от органических загрязнений в газовом разряде 34
2.6 Очистка поверхности от оксидной пленки газовыми разрядами 37
2.7 Выводы 39
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования активации газовыми разрядами напыляемой поверхности перед плазменным напылением 41
3.1 Экспериментальные исследования методов активации 41
3.3 Методика исследования подготовки поверхности перед напылением газовыми разрядами 58
3.4 Экспериментальные исследования характеристик порошковых материалов и режимов плазменного напыления на функциональные свойства композиционных покрытий различного состава 80
3.5 Выводы 94
ГЛАВА 4 Разработка технологии и автоматизированного оборудования для напыления покрытий на сетки электронных приборов 96
4.1 Совершенствование технологии плазменного напыления
антиэмиссионных и геттерных покрытий на сетки электронных приборов 96
4.2 Исследование газового выделения плазмонапыленных покрытий 103
4.3 Разработка автоматизированного оборудования для концентрации плазменных технологических операций в одной установ 105
4.4 Разработка кинематической схемы установки 106
для концентрации плазменных операций 106
4.4.1 Анализ процесса формирования плазмонапыленного покрытия 106
при случайном перемещении пятна напыления 106
4.4.2 Описание кинематической схемы установки для концентрации плазменных операций 111
4.5 Тепловой расчет рециркуляции газа в рабочей камере установки 113
4.6 Гидравлическая схема установки 133
4.7 Газовакуумная схема установки 134
4.8 Разработка конструкции установки для концентрации плазменных процессов 138
Заключение и выводы 143
Список литературы
- Сцепление плазменных покрытий с напыляемой поверхностью
- Плазмохимическая активация проволочных изделий
- Методика исследования подготовки поверхности перед напылением газовыми разрядами
- Разработка автоматизированного оборудования для концентрации плазменных технологических операций в одной установ
Сцепление плазменных покрытий с напыляемой поверхностью
Традиционные методы активации напыляемой поверхности, как отмечено выше, имеют ряд принципиальных ограничений и недостатков, что приводит к невозможности получить покрытия с высокими качественными показателями, а также использовать плазменное напыление покрытий в тех областях, где покрытия наносятся на тонкие элементы конструкции или изготовлены из механически непрочных материалов.
Новые возможности в решении задачи качества плазменных покрытий открывает использование газоразрядной среды. В отличие от обычной газовой среды газоразрядная имеет довольно сложный состав ионизированных и нейтральных частиц, включающих ускоренные электроны, атомарные и молекулярные ионы с различными зарядами, нейтральные атомы и молекулы [84, 87, 105, 112].
Взаимодействие ионизированных частиц с поверхностью твердого тела связано с такими явлениями, как электронная бомбардировка, катодное распыление, плазмохимические реакции, электрическая эрозия, нагрев электродов и пр., которые при соответствующих условиях могут использоваться для очистки твердого тела [95, 105-106, 120, 122, 123, 133].
В связи с этим контролируемую газовую среду, в которой производится напыление, можно использовать не только как защитную среду, но и для подготовки поверхности перед напылением. При этом процессы предварительной подготовки поверхности и плазменного напыления могут быть совмещены в общей камере с инертной средой, в результате чего будут исключены различные диффузионные процессы, происходящие при напылении и, следовательно, улучшено качество покрытия.
Кроме того, газоразрядную среду возможно использовать в качестве «бесконтактного» метода, позволяющим обрабатывать изделия из тонких материалов, которые при использовании традиционных методов (дробеструйного, механического и др.) разрушаются. Исследование влияния активации поверхности основы дуговым разрядом в процессе плазменного напыления на прочность сцепления покрытия
Активация поверхности основы с использованием термических факторов проводится с целью повышения ее адгезии. Процесс термической обработки характеризуется нагревом всего объема изделия. Высокотемпературный нагрев обычно проводят при плазменном напылении в контролируемой среде [60, 112]. Однако, для некоторых изделий это является недопустимым.
Рассмотрим возможность термической активации в виде такого идеального источника, который позволил бы вводить энергию активации в контакт «частица – поверхность» в виде направленного импульсного элемента 1 в момент удара частицы 2 о напыляемую поверхность 3 (рисунок 2.1).
Однако для осуществления данного метода термической активации необходимо создать специальное автоматическое устройство управления.
Имея ввиду то, что рассматриваемый процесс взаимодействия протекает очень быстро, занимая всего 10-3..10-4 с, и попадание частиц на напыляемую основу имеет случайный характер, то создание специального автоматического устройства для контроля за частицами практически невозможно. Однако для местной термической активации отдельной дисперсной частицы представляется интересным использовать катодное микропятно дугового разряда.
Дуговой разряд низкого давления имеет отличительное свойство, заключающее в возможности регулирования перемещения катодного микропятна, которое позволило бы использовать его для местной термической активации напыляемой поверхности [16, 79, 101, 112, 134].
В месте удара разогретой напыляемой частицы происходит повышение температуры, что приводит к разрушению оксидных пленок на поверхности и структурным изменениям материала. Таким образом, создается участок с благоприятными условиями для эмиссии электронов, в результате чего катодное микропятно такого разряда устремится с наибольшей вероятностью на этот обрабатываемый участок поверхности.
В ходе экспериментальных исследований установлено, что в катодном микропятне плотность тока находится в пределах 103..106 А/см, при этом среднее «время жизни», в течение которого оно находится на участке диаметром 10-3 см составляет около 10-3..10-5 с.
Анализируя вышеизложенное, можно заключить, что микропятно дугового разряда представляет собой достаточно интенсивный локальный источник нагрева, сравнимый с импульсным лазерным излучением.
Условная вероятность взаимодействия активных частиц на поверхности напыляемого материала, характеризующая адгезию представим выражением: условная вероятность; G - событие, состоящее во взаимодействии активных частиц на поверхности напыляемого материала; Н - гипотеза о поступлении в зону активации основы напыляемых частиц; N0 - число активных зон; N(t) - количество частиц No, прореагировавших за время t.
Принимая закон распределения напыляемых частиц, поступающих на подложку, нормально-круговым (что подтверждается экспериментально), вероятность р{Н) записываем в форме закона Рэлея:
Плазмохимическая активация проволочных изделий
Анализируя вышеизложенное можно заключить, что активацию напыляемой поверхности импульсным дуговым разрядом можно проводить с использованием широкого диапазона регулирования силы тока. Однако при уменьшении силы тока разряда происходит снижение производительности процесса, а с его увеличением повышается средняя температура обрабатываемых изделий.
Рассмотрим задачу, которая заключается в определении термических условий, протекающих на поверхности проволоки. Содержательная трактовка проблемы поясняется схемой (рисунок 2.2).
Схема термической активации подложки ионом Плазменная среда 2 содержит ионы 1, которые поступают на поверхность движущейся проволоки 3 в течение определенного времени t. Поскольку основным видом загрязнений на проволоке является аквадаг, то в газовой смеси CF4 + O2 возможны следующие плазмохимические процессы:
Химические реакции, протекающие на поверхности проволоки, возможно ускорить, для этого необходимо иметь большую температуру активации, при этом средняя температура проволоки должна оставаться небольшой.
В представленной ниже модели анализируются термические условия, протекающие на поверхности проволоки где G - событие, состоящее в химическом взаимодействии частиц на основу; Н - гипотеза о поступлении частиц в активную зону взаимодействия частиц; p(G/H) = ех-р{—Е/кТа) - вероятность химической реакции; Та - температура термической активации; р(Н) - вероятность поступления частиц из газоразрядной среды в активную зону на поверхности основы.
Для определения температуры термической активации воспользуемся решением задачи теплопроводности в цилиндрической системе координат для случая нагрева полубесконечного тела, на поверхности которого действует мгновенный сосредоточенный источник нагрева [20, 53, 112, 135, 137]. теплофизические коэффициенты материала проволоки; Е- энергия иона; г - зона термической активации; ta - время, в течение которого в зоне радиусом г температура выше температуры активации Т Та.
Принимая распределение частиц, поступающих из плазменной среды на подложку нормально-круговым, запишем выражение для р(_Н) в виде закона Рэлея [60, 112, 121] f{H}= 1 —ехр{—т27і/2и2:) (2.21) где п - число ионов, поступающих из газоразрядной среды в зону термической активации г за время ta\ а- среднеквадратичное рассеивание ионов.
Решение теплопроводности сводится к следующему. Расчеты по выражению (2.21) при энергии иона, характерной для тлеющего разряда, равной Е=100 эВ показывают, что ион нагревает на поверхности подложки до температуры 71а 1000 оС зону радиусом г 30 А за время ta -10" 11 с. Величина о в первом приближении прием равной радиусу Дебая о гд, а временной интервал поступления очередного иона в зону термической активации г будем оценивать временным масштабом разделения зарядов в плазме 10"п с. Учитывая, что ґд ta , принимаем п=1, т.е. за время ta в активную зону поступит один ион.
Известны различные формы газовых разрядов, характерные особенности которых достаточно подробно изложены в литературе [101, 105]. Весьма обширен также круг явлений и процессов взаимодействия газовых разрядов с поверхностью твердого тела [112, 142]. Поэтому, приступая к решению вопросов, связанных с активацией напыляемой поверхности газовыми разрядами, прежде всего, необходимо упорядочить и ограничить область рассматриваемых процессов.
Закономерности, присущие газовым разрядам от совокупности сложных процессов, происходящих в ионизированном газе, и от внешних параметров, основными из которых являются давление рабочего газа, а также форма и сила электрического тока, проходящего через разряд.
На рисунке 2.3 приведена схема классификация газовых разрядов по трем признакам: физическим явлениям, форме тока, давлению газа. Когда между электродами подается напряжение, то за счет ионизации частиц газа посторонними источниками (рентгеновским и космическим излучением и т.д.) возникает слаботочный несамостоятельный заряд силой тока 10-12-10-8А [16, 53-57, 112]. При определенном значении напряженности поля в разрядном промежутке возникает лавина электронов, благодаря чему разряд переходит в самостоятельный. К характерным формам самостоятельного разряда относятся: темный, тлеющий, дуговой, коронный и искровой. Темному разряду соответствует диапазон токов от 10-6-10-1А [16, 53-57, 73-74, 112]. Для тлеющего разряда характерно катонное падение потенциала порядка сотен вольт и плотность тока 10-6-10-1А/см2. Катодное напряжение дугового разряда обычно равно десяткам вольт, а плотность тока на катоде – 102-106 А/см2 .
Методика исследования подготовки поверхности перед напылением газовыми разрядами
Представленное плазмонапыленное покрытие имеет неравномерную структуру. Поверхности плазмонапыленных образцов были изучены с помощью металлографического микроскопа МИМ-7 при увеличении 120, результаты, которых и представлены на приведенных ниже фотографиях (рисунок 3.33, а, б, в). На рисунке 3.33, а представлена поверхность образцов со следующими режимами напыления: LTi 200 мм, LГА 150 мм. На микрофотографии прослеживаются участки непокрытые Ti, при этом размер зерна титана составляет от 11,6 до 104,4 мкм, зерна ГА и агломератов от 58 до 116 мкм .
Поверхность образца, представленная на рисунке 3.33, б имеет открытые поровые каналы, при этом ГА покрытие располагается по всей поверхности равномерно c размером зерен от 58 до 92,8 мкм, размер зерен Ti определить тяжело.
Поверхность образцов, представленная на рисунке 3.33, в выглядит равномерной с хорошо прослеживаемыми открытыми поровыми каналами и небольшими участками скопления расплавленных частиц ГА.
На рисунке 3.33, г представлена поверхность титановых образцов с подслоем Ti и ГА, ГА 40 мкм. За счет мелких частиц порошка ГА покрытие носит равномерный характер. На рисунке 3.33, д наблюдаются скопления агломератов частиц ТКФ, которые имеют ярко выраженный рельеф. д
Поверхность титановых образцов со слоем мелкодисперсного Ti, Ti 40 мкм, представленная на рисунке 3.33, е имеет открытые поровые каналы, равномерную структуру и выраженный рельеф поверхности.
На рисунке 3.34 представлена поверхность титанового образцов со слоем Ti, Ti 100 мкм, по которой равномерно распределены крупные частицы порошка титана. Рисунок 3.34 - Поверхность титановых образцов со слоем крупно дисперсного Ті, х 120
Анализируя вышеизложенное, можно заключить, что на характеристики плазмонапыленных покрытий оказывают влияние дисперсность () порошка и дистанция (L) напыления, при этом наибольшее влияние на пористость плазмонапыленных покрытий оказывает L.
На рисунке 3.35, а, б, в представлены профилограммы плазмонапыленных образцов с титановым подслоем и слоем ГА с разными режимами напыления. Параметры шероховатости для данной группы образцов приведены в таблице 3.6.
Анализируя полученные профилограммы, можно заключить, что покрытие сформированное при дистанции напыления ГА 100 мм и 50 мм имеют наиболее развитый рельеф. При этом образец под номером 1.3 с дистанцией напыления ГА 50 мм имеет наибольшую однородность, которая составляет величину Rz/Rmax= 0,7, и рельефность покрытия Rmax/ Sm= 0,64.
На рисунке 3.37 представлена профилограмма плазмонапыленного образца с подслоем титана и слоем трикальцийфосфата (ТКФ) дисперсностью менее 90 мкм. Параметры шероховатости приведены в таблице 3.8. Рисунок 3.37 – Профилограмма образцов из компактного титана с подслоем
Плазмонапыленное ТКФ покрытие, профилограмма которого представлена на рисунке 3.38, имеет высокие параметры шероховатости. При этом отношение Rz/Rmax составляет величину, равную 0,78 и свидетельствующую о том, что покрытие является однородным, рельефность в этом случае составляет величину, равную 0,61.
На рисунке 3.38 представлена профилограмма плазмонапыленного образца со слоем малопористого титана, дисперсность порошка которого менее 70 мкм. Параметры шероховатости приведены в таблице 3.9.
Анализ данных параметров шероховатости позволяет определить неразвитый рельеф покрытия с отношением Rmax/ Sm=0,46, при этом величина однородности равна 0,91. Это свидетельствует о том, что покрытие сформировано из агломератов частиц порошка титана с высокой равномерностью распределения по размерам. Однако, вследствие сглаженности рельефа такое покрытие формировать нецелесообразно.
На рисунке 3.39 представлена профилограмма плазмонапыленного образца со слоем пористого титана, дисперсность порошка которого менее 100 мкм. Параметры шероховатости приведены в таблице 3.10.
Рельефность плазмонапыленного покрытия со слоем пористого титана составляет невысокую величину, равную 0,69. Однородность же покрытия в этом случае составляет величину Rz/Rmax=0,68.
Из изложенного можно сделать вывод, что наилучшие значения параметров шероховатости и их соотношение наблюдаются при использовании в качестве исходных материалов порошка гидроксиапатита 90 мкм с дистанцией напыления 50 мм, и порошка трикальцийфосфата с дисперсностью 90 мкм, обеспечивающие требуемые характеристики однородности и рельефности, что является необходимым условием для биосовместимых покрытий [43-45, 76].
Также были проведены экспериментальные исследования влияния характеристик порошковых материалов различного состава на механические свойства плазмонапыленных покрытий. Для этого после плазменного напыления образцы попарно склеивали напыленными поверхностями. В качестве клея использовали эпоксидную смолу ЭД-20 с полиэтиленполиаминовым отвердителем, которая выдерживает удельные нагрузки на разрыв 35…40 МПа. Чтобы склеивание получилось качественным, образцы прижимали друг к другу с помощью грузов и выдерживали при комнатной температуре в течение 24 часов.
Разработка автоматизированного оборудования для концентрации плазменных технологических операций в одной установ
Предохранительный клапан VF4 должен исключать возможность повышения избыточного давления в камере напыления свыше 0,2 МПа. При повышении давления в камере с монометрического преобразователя РТ4 поступает сигнал на открывание предохранительного клапана VF4, который понижает давление путем выпуска аргона из камеры в атмосферу. После стабилизации давления клапан закрывается.
В камеру очистки загружают карусель, закрывают крышку. Откачку камеры производят вакуумным насосом N11 до образования в ней давления 7 Па. После чего насос отключается, клапан VE3 закрывается и включается напуск водорода. Скорость и давление подачи газа регулируют редуктор давления с фильтром VF1 и регулятор расхода газа VF2. Рабочее давление в камере составляет 2,26 КПа. Пневмораспределитель YE4 подачи водорода в камеру заблокирован датчиком давления водорода РТ1, настроенным на максимально допустимое давление водорода. При повышении давления водорода свыше 13,3 КПа должна срабатывать блокировка автоматически отключающая подачу водорода и напряжения на очистку. Включение источника очистки блокируется по давлению водорода в камере очистки.
Время очистки имплантатов контролирует реле времени. По окончании очистки реле времени выдает команду на откачку камеры очистки и выравнивание давлений в камерах очистки и перегрузки. Для выравнивания давления из камеры перегрузки через фильтр механических примесей Ф2 и клапан VE7 аргон поступает а камеру очистки.
После выравнивания давлений клапан VE7 закрывается, карусель перемещается в камеру перегрузки, закрывается затвор между этими камерами. Крышка камеры очистки открывается и в нее загружается новая карусель.
Разработка конструкции установки для концентрации плазменных процессов В основу работы установки заложены два технологических процесса: а) очистка поверхности имплантатов газовым разрядом в контролируемой среде водорода;
Конструкция установки (рисунки 4.14 – 4.16) представляет собой автоматическое устройство линейного типа квазинепрерывного действия, в состав которого входят: источник питания плазмотрона (15) [3-4, 101, 112, 119]. Камеры очистки, перегрузки и напыления представляют собой горизонтально расположенные цилиндры. Камера очистки имеет прямоугольное окно на боковой стенке для загрузки - выгрузки карусели с имплантатами, закрывается окно герметично с помощью крышки. На одном из торцов камеры находится анод с приводом вращения и перемещения анодных штанг. Второй торец камеры перекрыт затвором. На цилиндрической части камеры размещены два механизма захвата карусели с имплантатами.
Камера перегрузки одним из торцовых фланцев примыкает к камере напыления и через затвор к камере очистки, с наружной стороны фланца установлены приводы перемещения плазмотронов. На втором фланце расположены приводы перемещения и переворота каретки. Внутри камеры перемещается каретка с расположенными на ней захватами карусели.
Камера напыления по одному из торцов закрыта герметично крышкой. На камере напыления расположены две цилиндрические технологические ниши, в которых находятся плазмотроны. Один торец ниши открыт в напылительную камеру, другой закрыт герметично фланцем и со смонтированным на нем механизмом поворота плазмотрона.
Для охлаждения плазмотронов в установке применяется система замкнутого водопитания плазмотронов. Гидравлическое давление в системе создается водяным насосом ЦВС – 3/40.
В установке используются средства откачки: а) вводов движения в вакуум – механический насос 2НВР – 5 ДМ; б) камер – механический вакуумный агрегат АВР – 150. Каретка в установке служит для удержания, перемещения, вращения и перегрузки карусели с имплантатами. Блок управления газо-вакуумной системой состоит из блоков управления регуляторов расхода газа, клапанов вакуумных угловых и служит для управления системой в ручном режиме.
В состав блока газопитания входят вентилятор и пылеуловитель «Циклон». Блок служит для очистки и нагнетания в камеру напыления аргона. Управление механизмами и состоянием отдельных составных частей установки производится в ручном и автоматическом режимах. При этом управление в ручном режиме осуществляется непосредственно с блока ручного управления, а в автоматическом режиме по командам блока управления, в соответствии с программой, заложенной в ЭВМ.
Конструкция плазмотрона разработана с учетом ее соответствия нескольким основным требованиям:
Простота конструкции, надежность и долговечность в эксплуатации, возможность автоматизации работы. Конструкция плазмотрона содержит стальной корпус 3, к которому крепится водоохлождаемое сопло - анод 1, имеющее разрядную камеру и вольфрамовое покрытие канала, сверху устанавливается проставка 8 из электроизолирующего материала, на которой размещается корпус крышки 5 с катодным узлом (рисунок 4.16). Прогрессивной особенностью плазмотрона является возможность регулировки заглубления электрода 2 по мере его износа либо быстрой замены электрода благодаря наличию цангового зажима с цангой и втулкой.
Радиальная подача плазмообразующего газа по трубопроводу 6 позволяет стабилизировать плазменную струю и ее параметры, получить высокий тепловой КПД дуги. Интенсивное водяное охлаждение анода через трубопроводы 7 и 9 обеспечивает повышенный до 100 ч срок его службы, радиальный ввод порошка по трубопроводу 4 в зону сопла за анодным
