Введение к работе
Актуальность проблемы. Струйный высокочастотный (ВЧ) разряд пониженного давления (р= 13,3-133 Па) обладает уникальными возможностями модификации различных материалов. Он позволяет эффективно обрабатывать органические и неорганические материалы с различным внутренним составом и структурой, а также поверхности изделий сложной конфигурации. В связи с этим в последние годы наметились новые перспективные направления его использования, такие как модификация поверхности конструкционных и порошковых материалов на уровне нанослоев.
Однако, в связи со сложным характером зависимости характеристик плазменного потока от параметров установки, для разработки промышленных применений струйного ВЧ разряда пониженного давления необходимо проведение большого количества трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований. Все это сдерживает разработку технологических процессов и внедрение плазменных установок и технологий в производство.
Существенно сократить объем экспериментов позволяет использование метода математического моделирования, который позволяет заменить часть натурных испытаний численными расчетами. Для этого необходима адекватная математическая модель, которая учитывает процессы, протекающие в потоке плазмы. Однако, свойства потока плазмы при пониженном давлении в присутствии образцов материалов исследованы недостаточно: не определены зависимости плазменных характеристик (концентраций заряженных частиц, напряженностей электрического и магнитного полей) от характеристик потока, не определено влияние потока на взаимодействие плазмы с поверхностью материалов.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной задачи экспериментально-расчетного исследования потока ВЧ плазмы пониженного давления в присутствии конструкционных и порошковых материалов.
Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете в рамках научно-исследовательской работы по Федеральной целевой программе «Исследования и разработка приоритетных направлений развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.г.» по теме: «Развитие центра коллективного пользования научным оборудованием в области получения и исследования наночастиц оксидов металлов, металлов и полимеров с заданными химическим составом и формой», «Исследование характеристик ВЧ разрядов в присутствии твердых тел» по заданию федерального агентства по науке и инновациям 2009 г., №ГР 01200954054 «Исследование потоков низкотемпературных ионов, формируемых в неравновесной плазме, с целью получения диффузионных нанослоев с функциональными физико-химическими свойствами» по заданию Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану НИР 2009 г.
Целью работы является экспериментально-расчетное исследование характеристик потока ВЧ плазмы пониженного давления при его взаимодействии с поверхностью конструкционных и порошковых материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести экспериментальные исследования характеристик потока ВЧ плазмы пониженного давления в присутствии обрабатываемых образцов материалов;
Провести экспериментальные исследования влияния потока ВЧ плазмы пониженного давления на характеристики слоя положительного заряда, возникающего в окрестности образца;
Провести теоретические исследования влияния потока ВЧ плазмы пониженного давления и геометрической формы образца на характеристики слоя положительного заряда;
Установить закономерности влияния характеристик плазменного потока на физико-химические и физико-механические свойства различных материалов.
Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.
Использовались две экспериментальные установки для создания потока плазмы ВЧ емкостного (ВЧЕ) разряда - с кольцевыми и с плоскими электродами.
Установки оснащены средствами диагностики и исследования характеристик потока плазмы, состоящими из:
модифицированных трубок Пито и термопар для измерения давления, температур и скорости потока неравновесной низкотемпературной плазмы;
калориметрической системы, включающей измерители мощностей излучения и тепловых потерь, а также плотности теплового потока, поступающего из плазмы на поверхность обрабатываемого материала;
СВЧ-системы, позволяющей измерять концентрацию электронов в плазме двумя независимыми методами: свободного пространства (по отсечке сигнала и его затуханию на двух частотах) и резонаторным;
миниатюрных магнитного зонда и пояса Роговского - для измерения электромагнитных параметров потока плазмы;
одиночного зонда Ленгмюра - для измерения постоянного плавающего потенциала плазмы при взаимодействии потока с материалами;
анализатора энергии ионов и плотности ионного тока, поступающих на поверхность образцов обрабатываемых материалов.
Характеристики потока плазмы исследовались в процессах его взаимодействия с твердым сплавом ВК6-ОМ, латунированным металлокордом из стали 70 и порошковым алюмохромовым катализатором, нанесенным на высокопористый носитель.
Свойства плазменного потока изучались в двух областях: в струе и вблизи обрабатываемого материала.
Для исследования результатов взаимодействия плазменного потока с перечисленными материалами использовались методы рентгено-электронной и оже-электронной спектроскопии, измерения микротвердости и износостойкости твердого сплава, адгезионной прочности между резиной и единичной нитью корда, содержания хрома (VI) в алюмохромовом катализаторе объемным методом путем йодометрического титрования.
Результаты теоретических исследований получены с использованием метода математического моделирования
Достоверность сформулированных научных положений и практических рекомендаций обеспечена применением современных методов экспериментальных и теоретических исследований, их статистической обработкой, а также согласованием экспериментальных и теоретических результатов с данными других авторов.
Научная новизна.
Впервые проведены экспериментальные исследования струи ВЧЕ разрядов пониженного давления в присутствии образцов металлов и сплавов. Установлено, что при варьировании скорости потока от 150 до 450 м/с и давления в рабочей камере от 13,3 до 133 Па введение в плазменную струю образцов материалов приводит к увеличению концентрации электронов непосредственно в окрестности образца в 2-2,5 раза, аксиальной составляющей плотности тока - в 1,1-2,5 раза. При этом характеристики струи на выходе из сопла плазмотрона изменяются незначительно, не более чем на 5%.
Определен диапазон изменения параметров потока ВЧЕ плазмы пониженного давления (р = 13,3-133 Па, G = 0-0,12 г/с, Рстр = 0,1-2,5 кВт), в котором при взаимодействии плазмы с образцом на поверхность последнего поступает ионный поток с энергией ионов от 20 до 80 эВ при плотности ионного тока от 0,2 до 0,9 А/м2, что обеспечивает обработку материалов без преобладания ВЧ распыления.
Впервые с помощью математической модели исследовано влияние скорости потока на параметры взаимодействия потока ВЧ плазмы пониженного давления с поверхностью материалов. Установлено, что потенциал изолированного от плазмы образца составляет от 15 до 90 В, в зависимости от скорости потока v , давления р газа и мощности струи Рстр. Определены параметры плазменного потока р = 39,9-53,3 Па, v =250-300 м/с, мощности Рстр, при которых потенциал образца максимален, что дает возможность определить наиболее эффективные режимы обработки изделий в струе ВЧ плазмы пониженного давления.
Установлен механизм воздействия потока ВЧ плазмы пониженного давления на поверхность материалов. Ионы плазмообразующего газа, обладающие энергией 20-80 эВ, проникают в поверхностные слои материала толщиной 70-670 нм, обеспечивая интенсивную диффузию дефектов структуры и атомов из поверхностных нанослоев в глубинные слои толщиной до 300 мкм.
Практическая значимость работы.
1. Установлено, что при варьировании скорости потока от 150 до 450 м/с
и давления в рабочей камере от 13,3 до 133 Па:
при взаимодействии потока ВЧ плазмы пониженного давления с вольфрамо-кобальтовым сплавом в смеси аргона с пропан-бутаном изменяется структура и состав слоя на глубину от 70 до 670 нм, в зависимости от времени обработки. Во внешнем слое обнаружена алмазоподобная структура толщиной до 20-70 нм. В модифицированном слое образуется карбид кобальта. Общая толщина модифицированного слоя, характеризующегося повышенной на 20-30% микротвердостью, достигает 300 мкм;
обработка потоком ВЧ плазмы пониженного давления позволяет модифицировать приповерхностный слой стали 70 с латунированным покрытием с сохранением характеристик основного материала и улучшением адгезионных свойств металлокордов, применяемых в шинной промышленности;
при взаимодействии потока аргоно-воздушной плазмы пониженного давления происходит окисление Сг(Ш) до Cr(VI), что даёт возможность использовать этот вид струйной ВЧ плазмы для щадящей регенерации активных слоев отработанного катализатора.
2. В результате проведенных исследований разработаны технологии
обработки изделий в потоке ВЧ плазмы пониженного давления при
р = 13,3-133,3 Па, Сг = 0,04-0,12 г/с, Рстр = 0,5-2,5 кВт:
медицинских стоматологических фрез из вольфрамо-кобальтого сплава ВК6-ОМ, в результате которой в поверхности материала образуется диффузионный алмазоподобный слой толщиной 20-70 нм, за счет чего увеличивается их срок службы в 3-4 раза;
латунированного металлокорда для автомобильных шин, позволяющая увеличивать его долговечность при воздействии знакопеременными нагрузками и повысить адгезию между резиной и кордом;
порошкового алюмохромового катализатора, используемого в производстве изопрена, с целью его регенерации.
Технология финишной обработки стоматологических фрез из твердого сплава марки ВК6-ОМ внедрена на предприятие ООО «Фреза» г.Казань с годовым экономическим эффектом 800 тыс.руб.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований струи ВЧ плазмы пониженного давления (р = 13,3-133 Па, G = 0-0,14 г/с, Рстр = 0,1-2,5 кВт) в процессах модификации поверхностных слоев конструкционных материалов, устанавливающие, что непосредственно в окрестности образца концентрация электронов возрастает в 2-2,5 раза, аксиальная составляющая плотности тока увеличивается в 1,1-2,5 раза. При этом характеристики струи на выходе из сопла плазмотрона изменяются незначительно, не более чем на 5%.
Результаты экспериментальных исследований струи ВЧ плазмы пониженного давления, устанавливающие диапазон изменения параметров плазменного потока (р = 13,3-133 Па, G = 0-0,12 г/с, Рстр = 0,1-2,5 кВт), в котором
при взаимодействии с материалом у поверхности образца образуется СПЗ толщиной до 7 мм, в котором ионы плазмы ускоряются до энергий 20-80 эВ при плотности ионного тока 0,2-0,9 А/м2, что обеспечивает обработку материалов без преобладания ВЧ распыления.
Результаты математического моделирования потока ВЧ плазмы пониженного давления при взаимодействии с поверхностью образцов, устанавливающие зависимости потенциала образца от скорости потока, давления и потребляемой мощности установки, и параметры плазменного потока, в которых достигается максимальное значение потенциала, что обеспечивает возможность подбора наиболее эффективных режимов плазменного воздействия с целью модификации поверхностных слоев.
Результаты экспериментальных исследований взаимодействия потока ВЧ плазмы пониженного давления с поверхностью образца, устанавливающие, что в диапазоне скорости пока и = 150-450 м/с, давления тазар = 13,3-133 Па и мощности разряда PcmV= 0,1-2,5 кВт происходит модификация поверхностного слоя:
при обработке вольфрамо-кобальтового сплава в смеси аргона с пропан-бутаном изменяется структура и состав слоя на глубину от 70 до 670 нм, в зависимости от времени обработки. Во внешнем слое обнаружена алмазоподоб-ная структура толщиной до 20-70 нм. В модифицированном слое образуется карбид кобальта. Общая толщина модифицированного слоя, характеризующегося повышенной на 20-30% микротвердостью, достигает 300 мкм;
при обработке латунированного металлокорда изменяется адгезионная прочность между резиной и металлокордом;
при обработке катализатора в смеси аргона с воздухом происходит окисление Сг(Ш) до Cr(VI), т.е. реализуется процесс регенерации.
Таким образом, в диссертации рассмотрены процессы и явления, сопровождающие течение низкотемпературной плазмы при ее взаимодействии с обрабатываемыми материалами различной физической природы с целью прогнозирования характеристик потока при его взаимодействии с поверхностью. Решена задача по установлению характеристик потока ВЧ плазмы пониженного давления в присутствии обрабатываемого материала и построена математическая модель, с целью прогнозирования и контроля технологических процессов.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке цели и задач исследований, выборе методики эксперимента, постановке задач математического моделирования, непосредственном участии в проведении экспериментальных и теоретических исследований, анализе и обобщении экспериментальных результатов, разработке технологии обработки материалов ВЧ разрядом пониженного давления. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.
Выражаю благодарность научному консультанту д.т.н., профессору И.Ш. Абдуллину, принимавшему участие в постановке задачи работы и обсуждении результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2007), 34-й, 35-й и 36-й Международных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород Московской области, 2007, 2008, 2009).
Основные результаты изложены в 18 публикациях, 3 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографии (146 наименований) и приложений, изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 6 таблиц.
