Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы, обзор литературы и постановка задачи 8
1.1 Структуры на основе углерода 8
1.2 Свойства пленок и их взаимосвязь с методами получения 9
1.3 Основные методы получения алмазоподобных пленок 15
1.4 Перспективные способы получения апп, основанные на методе осаждения алмазоподобных пленок из газовой фазы (cvd-метод) 21
1.5 Оборудование для синтеза алмазных и алмазоподобных пленок способом осажения в плазменной струе, изготовленное на базе электродуговых нагревателей газа (плазмотрон) постоянного тока 25
1.6 заключения по первой главе 30
ГЛАВА 2 Установка для нанесения алмазоподобных пленок 32
2.1 Вакуумно-плазменная установка впу-2м 32
2.2 Описание принципиальной схемы плазмотрона 35
2.3 Техническое описание конструкции разработанного плазмотрона с мэв 39
2.4 Схема водоснабжения 41
2.5 Вольт-амперные характеристики 43
2.6 Расчет тепловых потерь и среднемассовои температуры для плазмотрона с мэв 44
2.7 Расчет степени ионизации плазмы 47
2.8 Заключение по главе 2 48
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование влияния теплофизи Ческих факторов, структуру и состав алмазоподобных пленок .. 51
3.1 Предварительные соображения по проведению эксперимента на установке впу-2 51
3.2 Методы исследования структуры фазового и примесного состава углеродных пленок 51
3.3 Результаты исследования структуры и примесного состава углеродных покрытий, полученные на первой стадии отработки технологии пхо 52
3.4 Результаты исследований опытных партий плёнок на стадии отработки технологического процесса с использованием в качестве реагента ацетилена 62
3.5 Влияние параметров нанесения на структуру, фазовый и примесный состав алмазоподобных пленок, получаемых из метана 72
3.6 Структура и примесный состав углеродных пленок, полученных из ацетилена 78
3.7 Трибологические исследования алмазоподобной пленки 80
3.8 Исследование влияния отжига на алмазоподобные пленки 87
3.9 Заключение по главе 3 88
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование стойкости режущего Инструмента, оснащенными пластинами с осажденной ап и апп . 90
4.1 Предварительные соображения по исследованию пленок на карбиде вольфрама (твердосплавных пластин) 90
4.2 Основные закономерности точения материалов инструментами, оснащеными пластинками с апп 92
4.2.1 Работа пластинок при точении 92
4.2.2 Работа пластинок при фрезеровании 93
4.3 Заключение по главе 4 95
Выводы 96
Список использованных источников 97
Список опубликованных работ 104
Приложение I
- Свойства пленок и их взаимосвязь с методами получения
- Оборудование для синтеза алмазных и алмазоподобных пленок способом осажения в плазменной струе, изготовленное на базе электродуговых нагревателей газа (плазмотрон) постоянного тока
- Расчет тепловых потерь и среднемассовои температуры для плазмотрона с мэв
- Структура и примесный состав углеродных пленок, полученных из ацетилена
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время проблемы повышения надежности отдельных деталей механизмов, машин и износостойкости рабочего инструмента приобрели большое значение. Это связано с тем, что стоимость сырья и материалов специального назначения, необходимых для создания деталей механизмов и машин с высоким ресурсом работы, достаточно высокая. Энергоемкие технологические процессы обработки деталей требуют создания технологий, позволяющих повысить износостойкость рабочего инструмента.
Поэтому, проблемы создания эффективных технологий упрочнения рабочих поверхностей деталей механизмов, машин и повышения износостойкости рабочего инструмента, являются актуальными. Отметим, что подобные технологии упрочнения входят в число приоритетных высоких технологий государственного уровня, т.к. формирование поверхности с новыми свойствами позволяет существенно повысить качество и долговечность деталей. Например, в Германии изготовляется и используется режущий инструмент с износостойким покрытием, причем доля такого инструмента на рынке обрабатывающего инструмента составляет около 90% и постоянно растет.
В настоящее время наряду с традиционными способами упрочнения рабочих поверхностей находят все большее применение способы нанесения на рабочие поверхности углеродных, алмазоподобных или алмазных пленок (АПП и АП).
Как известно, такие пленки обладают уникальными свойствами, которые характеризуются низким коэффициентом трения, высокой химической стойкостью и износостойкостью рабочих поверхностей деталей механизмов и машин и инструмента. Кроме высокой твердости, алмазоподобные пленки имеют высокую теплопроводность и обладают хорошими электроизоляционными свойствами.
В настоящее время существует ряд методов получения и осаждения углеродных и алмазоподобных пленок. Одним из наиболее эффективных является метод осаждения пленок из газовой фазы при пониженном давлении способом химического осаждения (CVD). Наиболее перспективными для практического использования является CVD метод с использованием плазменной струи, генерируемой плазмотроном. Применение плазмотрона с межэлектродными вставками (МЭВ) позволяет достигать заданной мощности при умеренных токах, и благодаря этому варьировать характеристики струи в широких пределах.
Актуальность работы подтверждается вовлечением ее в тематические планы ГНТП по направлению "Алмазы", государственной программой "Плазмодинамика" и грантом Министерства образования республики Беларусь по теме диссертации.
Целью работы является разработка методики процесса осаждения алмазоподобной пленки на плазматронах с МЭВ и разработка технологического процесса осаждения АПП на
поверхности. В соответствии с этой формулировкой определяется общая научная задача: в экспериментально-теоретическом плане - разработка научно-обоснованных положений, обеспечивающих оптимизацию взаимосвязанных положений тепловых и аэродинамических режимов осаждения АПП и разработка специализированного плазмотрона с МЭВ для осаждения АПП; в экспериментально-прикладном плане — создание на основе полученных результатов технологического процесса осаждения АПП и реализация наукоемких плазменных технологий, установление особенности изнашивания АПП на твердосплавных пластинках типаТ15К6.
Объект и предмет исследования. Износостойкие покрытия рабочих поверхностей режущего инструмента на основе АПП; физико-механические (твердость, модуль упругости) и триботехнические (коэффициент трения, износостойкость) характеристики покрытий различной конструкции, их морфология и химический состав, плазмотрон.
Основные положения, выносимые на защиту;
Метод получения алмазоподобной пленки на высокоэнтальпийном плазмотроне (ПА-19В) постоянного тока с межэлектродными вставками (МЭВ);
Результаты экспериментальных исследований по осаждению алмазоподобных и углеродных пленок при помощи высокоэнтальпийного плазмотрона постоянного тока с МЭВ. Наилучшая АПП получена при степени ионизации плазмы около 25%, температуры подложке 800-1200С.;
Конструкция высокоэнтальпийного плазмотрона с межэлектродными вставками с тепловым КПД до 0.8. Для плазмотрона: экспериментально определены тепловые потери и вольтамперные характеристики; был рассчитан тепловой КПД, среднемассовая температура и средняя степень ионизации. Была разработана конструкторская документация;
Рекомендации по выбору режимов осаждения в виде технологической инструкции и технологического процесса при осаждении АПП на режущий инструмент, а также по рекомендации по выбору режимов для точения и фрезерования для режущего инструмента, оснащенного твердосплавными пластинками типа Т15К6, которые покрыты АПП.
Научная значимость и новизна. В результате проведенных исследований БрГТУ впервые на территории СНГ удалось получить алмазоподобные пленки при помощи плазменной струи методом химического осаждения (CVD) с использованием высокоэнтальпийного плазмотрона с МЭВ. Проведенное исследование свойств полученных пленок методами КРС, Оже-спектроскопии и др. показали, что пленки относятся к типу а-С.
Проведены исследования для выяснения связи факторов технологического процесса напыления с твердостью покрытия, с величиной коэффициента трения, износостойкостью. Показано также, что увеличение энергии осаждающихся частиц оказывает положительное влияние на качество реализующегося покрытия.
Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, обеспечивающих существенное повышение износостойкости режущего инструмента в 4-8 раз.
Практическая и экономическая значимость полученных результатов. Разработана методика нанесения АПП на режущий инструмент. Упрочненные пластинки для режущего инструмента методом CVD на плазменно-вакуумной установке ВПУ-2 успешно прошли испытания на РУМП «Кузлитмаш» (г. Пинск), ОАО "Березовский мотороремонтный завод " (г. Береза) и ОАО "Металлист" (г. Брест).
Произведена модернизация плазменно-вакуумной установки ВПУ-2. Увеличена надежность ее работы при осаждении алмазоподобных пленок методом CVD.
Расчет экономического эффекта при напылении АПП на пластинки для режущего инструмента составил 100-200% от стоимости режущей пластинки или в ценовом исчислении 2-3$ на одну пластинку или при средней потребности одного небольшого предприятия типа РУМП «Кузлитмаш» 8000 шт. - 22420$.
Был отработан технологический режим осаждения алмазоподобных пленок в зависимости от режимов работы плазмотрона и состава реагентов.
Личный вклад соискателя. Автор принимал непосредственное участие в постановке задачи исследования, в проведении экспериментов, в анализе экспериментальных результатов, подготовке рукописей публикаций, в проведении работ по выпуску опытных партий изделий, в создании опытно-конструкторской документации и технологического процесса осаждения АПП.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований были представлены на следующих научно-технических конференциях, ассамблеях и симпозиумах: "Материалы и технологии — 2000" (Гомель, 2000), "Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения" (Новополоцк, 2001), "Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах" (Минск, 2002), "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технологии" (Москва, 2002 и 2003), Харьковская научная ассамблея (Харьков, 2003).
Опубликованность результатов. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 статьи в научных рецензируемых журналах, 3 статьи в научно-технических сборниках, 5 тезисов докладов на конференциях, 5 заключительных отчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-ех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 159 стр., из которых 7 стр. занимает список используемых литературных источников, включающие 97 наименований, из 78 рисунка, 19 таблицы и 55 стр. приложений.
Свойства пленок и их взаимосвязь с методами получения
Оптические свойства [2,6]. Оптические постоянные пленок - коэффициент преломления и коэффициент экстинкции (ослабления) света, которые определяются с помощью оптических спектрофотометров либо элипсометрии, зависят от способа получения пленок. Как правило, коэффициент экстинкции быстро уменьшается с возрастанием длины волны света в видимой области. В ИК-диапазоне коэффициент экстинкции углеродных пленок практически равен нулю как для гидрогенизированных (а-С:Н), так и для негидрогенизиро-ванных пленок (а-С). Однако а-С:Н и а-С пленки различаются по прозрачности в видимой и ближней ИК-областях спектра. По сравнению с пленками, изготовленными методами ионного распыления графита, пленки, осажденные из ВЧ-плазмы при разложении углеводородов, имеют более низкий показатель преломления и большую прозрачность в синей области. В случае а-С- пленок, осажденных испарением, показатель преломления увеличивается при увеличении мощности. Это используется при применении а-С - пленок для ИК- и лазерной оптики, где требуются твердые защитные покрытия. В случае сс-С:Н - пленок важным параметром, влияющим на коэффициент преломления, является концентрация водорода, включенного в пленки. Наибольшее значение коэффициента преломления наблюдается у пленок, в которых концентрация водорода составляет приблизительно 30 %. При концентрации связанного водорода меньше 26 % коэффициент преломления уменьшается. В большинстве случаев показатель преломления а-С:Н - пленок не имеет дисперсии в видимой области. Однако в случае негидрогенизированных углеродных пленок, нанесенных с помощью испарения графита, наблюдается уменьшение показателя преломления в видимой области. Кроме того, оптические константы как а-С:Н - пленок, так и а-С - пленок изменяются в зависимости от их толщины при d 0,2 мкм, что связано с изменением структуры пленок в процессе роста. В зависимости от оптической ширины запрещенной зоны Eg углеродные пленки имеют различные прозрачность и цвет. Так, если Eg 1,5 эВ (ИК- диапазон), то пленки непрозрачны в видимой области и имеют черный или серый оттенок. Если значение их оптической ширины запрещенной зоны лежит в видимом диапазоне (1,5 эВ Eg 3,1 эВ), то пленки являются полупрозрачными, а их цвет изменяется от темно-коричневого (при Eg=l,5 эВ) до светло-коричневою или светло-желтого (при Eg =2,5...3,1 эВ), что является следствием слабого поглощения в красной области спектра и сильного поглощения в синей. При больших значениях Eg углеродные пленки становятся полностью прозрачными во всем видимом диапазоне.
Электрические свойства [2,6]. Возможность управления типом и концентрацией носителей заряда является одним из основных факторов, определяющих возможность использования материала в качестве активных слоев в современной микроэлектронике. Благодаря возможности управления электропроводностью, аморфный углерод нашел широкое применение в качестве материала функциональных слоев в различных микроэлектронных приборах. Углеродные пленки относятся к группе материалов, у которых управлять электрическими свойствами можно за счет как изменения их структуры, так и введения примесей. При этом диапазон изменения удельного сопротивления только за счет структурных преобразований чрезвычайно широк (1...1013 Ом см). Как правило, у а-С:Н - пленок удельное сопротивление выше, чем у не гидрогенизи-рованных и а-С - пленок, что связано с большим содержанием sp -состояний и меньшей концентрацией оборванных связей. Термическая обработка а-С:Н - пленок при Т 500 С приводит к уменьшению удельного сопротивления на несколько порядков, что является следствием выделения водорода из пленки при отжиге. Удельное сопротивление а-С:Н - пленок сильно зависит от условий осаждения: ВЧ-мощности, давления рабочего газа, температуры подложки, а также от потенциала смещения, подаваемого на подложку U . Так, удельное сопротивление а-С:Н - пленок уменьшается с увеличением Uш. Это объясняется изменением концентрации связанного водорода, которая сильно уменьшается при возрастании иш до 700 В. Удельное сопротивление намного увеличивается при увеличении содержания водорода потому, что соотношение ато-мов с sp -гибридизацией увеличивается, когда в пленке присутствует больше водорода. Основным параметром, определяющим удельное сопротивление негидрогенизиро ванных сс-С - пленок, полученных из ионных источников, является энергия осаждающихся частиц, а при получении пленок путем распыления графитовой мишени - мощность разряда. Так, а-С - пленки, изготовленные при низкой мощности, обладают полуизоляционными свойствами (р 104 Ом-см). Увеличение мощности приводит к уменьшению удельного сопротивления. В большинстве случаев изменения электропроводности за счет структурных преобразований вполне достаточно для использования углеродных пленок в качестве различного вида пассивирующих и изолирующих покрытий.
Однако с точки зрения создания углеродных тонкопленочных полупроводниковых элементов для микроэлектроники нельзя обойтись без легирования, поскольку оно является основным технологическим этапом при формировании полупроводниковых приборов. Внутренние напряжения [2,6] во многом определяют стабильность системы пленка - подложка и, следовательно, срок службы этой системы. Пленка может треснуть, отслоиться и подвергнуться изгибу. Суммарное внутреннее напряжение в пленке складывается из следующих напряжений: тех, которые являются результатом различных значений постоянных решетки подложки и пленки; возникающих из-за структурных изменений в объеме растущей пленки; вызванных внедрением в пленку примесей, не входящих в структуру пространственной решетки (для углеродных пленок такими примесями являются несвязанный водород и молекулы инертного газа, используемого при осаждении); связанных с различием коэффициентов теплового расширения пленки и подложки. Общее напряжение в пленке, которое можно измерить по изгибу подложки, зависит от толщины пленки. Тонкие пленки, имеющие внутренние напряжения, могут держаться на подложке, если они имеют толщину, при которой их внутренние напряжения не превосходят либо силы когезии, либо адгезионные силы, связывающие пленки с подложкой. В первом случае происходит растекание слоя, а во втором - отслаивание пленки. Возникновение напряжений зависит от микроструктуры осажденного материала, так как па основе пористой структуры не могут возникнуть большие напряжения. Причиной внутренних напряжений может быть любой механизм, затрудняющий перегруппировку атомов. Так, включение в структуру пленки инородных частиц может играть главную роль в сохранении напряжений. На значения и знак внутренних напряжений в углеродных пленках влияют технологические факторы, наиоолее важными из которых являются метод получения, состав газо
Оборудование для синтеза алмазных и алмазоподобных пленок способом осажения в плазменной струе, изготовленное на базе электродуговых нагревателей газа (плазмотрон) постоянного тока
Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны) — это аппараты (см. рисунок 1.5), в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую путем выделения джоулева тепла в дуговом разряде. Плазмотроны отличаются технологическими возможностями и насыщенностью технических решений. В общем, виде основными элементами дуговых плазмотронов являются: электро до держатель с электродом, камера для плазмообразования, плазмо-образующее сопло, формирующее сжатую дугу или плазменную струю, изолятор, разделяющий электродный узел от плазмообразующего сопла, вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего и защитного газов, а также охлаждающей жидкости. Осаждение АПП дуговым разрядом в вакууме происходит за счет эрозии вещества (углерода) в сильноточных дуговых разрядах (с холодным или горячим катодом), образования ионизированной паровой фазы (20-100% ионов), переноса ее с большой скоростью (энергии частиц Е 10 эВ) и конденсации на поверхности подложки. Недостатками метода осаждения АПП является наличие в потоке осаждаемого вещества капельной фазы, нерегулируемая энергия частиц и относительная сложность конструкции дуговых источников. К достоинствам метода осаждения АПП дуговым разрядом в вакууме можно отнести: Практически неограниченная электрическая мощность; Высокий коэффициент ионизации испаряемых частиц; Отсутствие необходимости в дополнительном газе для ионизации; Скорость осаждения - максимальна (ограничивается допустимым потоком энергии на поверхности конденсации);
Главным преимуществом, которое склонило автора использовать данный метод оса В настоящее время имеется ряд установок российского [43-47] и западного производства [31,32,52,53], в которых реализован CVD-метод с использованием плазмы постоянного тока для получения АПП (см. таблицу 1.3). Установка АЛМАЗ [44]. Установка АЛМАЗ состоит из стойки управления и вакуумного поста, включающего реакционную камеру и вакуумную систему. В рассматриваемой конструкции предусмотрена возможность введения дополнительных, помимо Нг и СЩ, газов для легирования выращиваемых алмазных пленок. Установка на базе вакуумного поста УРМЗ.279.026 [44]. Для промышленного использования процесса получения алмазных пленок в 1992 году была разработана и изготовлена установка на базе вакуумного поста серийно выпускаемой установки УРМЗ.279.026 (рисунок 1.6). Установка позволяет наносить алмазные покрытия на поверхности сложной формы. В контролируемой (смесь метана и водорода) среде установлены два электрода - катод и анод. Подложки установлены на вращающемся подложкодержателе и вводятся в зону обработки на короткое время. Доставка активных радикалов осуществляется за счет диффузии от дуги к подложке. Установка УВА-1Р [44]. Установка предназначена для получения из газовой фазы поликристаллических алмазных пленок на подложках различных материалов (Si, металлы, сплавы и т.д.), а также свободных алмазных пластин. Подложка помещается на подложко-держателе, обеспечивающем температуру 1000... 1500 К в процессе наращивания и отжига алмазной пленки. Отвод тепла от подложкодержателя, разогреваемого в процессе наращивания пленки в результате электронной бомбардировки, обеспечивает водяное охлаждение. Реакционная камера откачивается при включенном подогреве форвакуумным насосом до давления 1 Па для обезгаживания поверхности подложки и элементов оснастки реактора. Далее в реактор подается газовая смесь, состоящая из Нг и СП». Установка УВА-1РМ [44]. Следующим этапом развития промышленного оборудования было создание в 1994 г. установки УВА-1РМ. Отличия установки УВА—1РМ от УВА—IP связаны с увеличением мощности разряда вследствие использования двухканально-го блока питания. Выше перечисленные установки по физическому принципу организации ничем не отличаются. Различается техническое исполнение, обусловленное поставленной задачей. Установки данного типа - это безрасходные плазмотроны, процесс осаждения которых осуществляется в контролируемой среде, воздушной (АЛМАЗ), смешанной системой охлаждения теп-лонагруженных узлов (УРМЗ.279.026, УВА-1РМ, УВА-IP). Данная конструкция охлаждения не обеспечивает наиболее эффективную высокую мощность и высокую степень сжатия дуги по сравнению со схемой водяного охлаждения. В данных конструкциях не предусмот-рена стабилизация сжатой дуги.
Система стабилизации сжатой дуги обеспечивает сжатие столба дуги и строгую фиксацию его по оси сопла плазмотрона и является одним из важнейших элементов плазмотрона. По виду электрода катода данные плазмотроны постоянного тока относятся к плазмотронам со стержневым катодом. Т.к. в плазмотронах со стержневым катодом, катодное пятно фиксируется на торце электрода, то расходуемый (чаще всего графитовый) электрод, несмотря на высокую температуру плавления, имеет повышенный расход из-за возгонки вблизи температуры плавления. Лучшие зарубежные аналоги [31,52,96], в которых реализован CVD-метод с использованием плазмы постоянного тока для получения АПП, представляют собой опытные образцы установок. Пример схемы установки приведен на рисунке 1.7 и 1.8. В этих установках можно уже наблюдать систему при вихревой стабилизации сжатой дуги (обеспечивает сжатие столба дуги и строгую фиксацию его по оси сопла плазмотрона), распределенный катод и т.д. Можно также отметить, что к примеру [96] применен достаточно прогрессивный метод разделения дуги и снижения тепловой нагрузки - метод каскадирования. По всей видимости, плазмотрон может стабильно функционировать при больших зна чениях тока. Как следствие у плазмотрона должны быть низкие технико-экономические показатели для осаждения АПП.
Расчет тепловых потерь и среднемассовои температуры для плазмотрона с мэв
Целью исследования теплообмена в плазмотроне являлось изучение теплоотдачи от цилиндрического плазменного потока, на оси которого горит электрическая дуга, к стенке канала. Тепловые потоки в стенки электроразрядной камеры определяются несколькими видами теплопереноса. Важную роль играет лучистый тепловой поток от столба дуги, зависящий от температуры дуги и геометрических размеров камеры. На начальном участке эта роль значительна. На переходном и развитом турбулентном участках к лучистым добавляются конвективные потери, растущие вниз по потоку. Свой вклад в тепловые потери от дуги вносит и теплопроводность. В зоне примыкания к электродам большую роль в теплообмене играют потоки тепла через катодную и анодную привязки дуги. Конвективный поток в стенку в присутствии электрической дуги, как показали экспериментальные исследования, подчиняется законам теплообмена турбулентного потока газа со стенкой трубы. Наличие в плазмотроне секционированной МЭВ с распределенным вдоль нее вдувом части рабочего газа открывает возможности для снижения конвективных потерь с помощью газовой завесы. Одним из подходов определения тепловых потерь от плазменной дуги является экспериментальные исследования процесса теплообмена в данных специфических условиях. Эксперименты были проведены с использованием плазмотрона при токах дуги 7=40-120 А, напряжении дуги 35-78 В, расходе аргона через плазмотрон 10-14 л/мин, диаметре канала с/ =4-10 мм, давлении газов в вакуумной камере Р=200-400 Па. В процессе проведения эксперимента были определены тепловые точки в секции плазмотрона и рассчитан локальный тепловой кпд. В приведенном ниже примере ток дуги составлял J„ — 50А при напряжении /=38В. В данном эксперименте использовалась предложенная модель плазмотрона с тремя секциями. Толщина одной секции с прокладкой h = 5,9 мм. Диаметр внутреннего канала 4 мм. Все секции МЭВ имели одинаковую толщину. Угол вдува аргона для создания заградительного охлаждения электроразрядной камеры плазмотрона составлял 60.
Выбор величины угла вдува определяется, с одной стороны, желанием не усложнять чрезмерно конструкцию секции плазмотрона, а с другой - не снижать существенно эффективность заградительного охлаждения. В проведённых исследованиях суммарный расход аргона G=(l,5-r40) л/мин. Часть аргона равномерно распределялась по межсекционным зазорам, причём суммарный расход его на поддув варьировался от 0,2 л/мин до 5 л/мин, что соответствовало изменению параметра вдува т = — -, где g( - расход газа в G. щель перед секцией, G. - полный расход газа, характеризующего эффективность теплозащиты, от 0 до 0,1. Межсекционные вихревые камеры имели по два тангенциальных отверстия диаметром 1 мм. Потенциалы секций относительно электрода-анода измерялись вольтметрами типа М 838 с точностью 0,75%. Из приведенного графика 2.7 видно, что распределение потенциала вдоль дуги при различных межэлектродных расстояниях носит восходящий характер и имеет линейный вид. На основании графика распределения потенциала вдоль дуги была определена напряженность поля дуги. Так, на пример, для плазмотрона с тремя секциями Е « 1,267 В/мм. Основные данные экспериментальной работы приведены в таблице 2.3. Для измерения локального теплового кпд TJ плазмотрона определялась температура и расход охлаждающей воды через катод, анод, секции плазмотрона и подложку. Локальный тепловой кпд TJ рассчитывался по формуле: Рисунок 2.7 Распределение плавающего потенциала U вдоль дуги при различных межэлектродных расстояниях L Из таблицы 2.3. видно, что тепловой кпд секций довольно высокий. Однако, как следует из расчетов, значительное количество тепла рассеивается на аноде и катоде (89.6 Дж/с), что превышает общий расход в секции. Тепловой кпд плазмотрона, рассчитанный по форму Q 0.91 ле (2.6) равен 7/ = 1- Результаты расчетов показали, что при относительно малых мощностях плазмотрона локальный тепловой кпд снижается вдоль электроразрядной камеры вниз по потоку. Увеличение теплового кпд было достигнуто, как за счёт увеличения диаметра электроразрядной камеры, так и за счёт увеличения напряжённости электрического поля дуги. Знание теплового кпд плазмотрона позволяет оценить среднемассовую температуру потока [58]: По таблицам Н.Б. Варгафтинг [59] определяем, что температура потока для того, чтобы приращения энтальпии составило 7,5 10бДж/кг -10800 К. Из приведённых результатов исследований по определению теплового кпд плазмотрона с МЭВ и расчёта напряжённости электрического поля дуги можно сделать следующие основные выводы: 1. Величина теплового кпд находится в прямой зависимости от диаметра электроразрядной камеры, напряжённости электрического поля дуги и электрической мощности плазмотрона. 2.
Напряжённость электрического поля дуги плазмотрона с МЭВ можно поднять как за счёт увеличения числа секций МЭВ, так и за счёт перераспределения суммарного расхода аргона на входе электроразрядной камеры и щелей МЭВ. 3. Увеличение параметра вдува приводит к увеличению напряжённости электрического поля дуги. -концентрация электронов; «/-концентрация ионов; л0-концентрация нейтралов; Г- равновесная температура ("измеряемая термометром"); gl,gO - статистические суммы иона и нейтрала соответственно; J і - энергия (потенциал) ионизации. Из условия квазинейтральности: пе = и, = mg , п0 = (1 - a)ng где rig- концентрация тяжелых частиц (ионов и нейтралов); подставляя в (1), получаем: Исходя из уравнения состояния газа Р0 =и кТ (Ро-давление еще не ионизованного га а2+2/ -2/ = 0 откуда a = -f + Jf2+2f Расчет производился в пакете Математика Для расчета ионизационного состава равновесной плазмы использовались следующие справочные данные для расчета Аг: энергия ионизации т,эВ = 15,76 стат. веса нейтрального атома иона g0=l и gl=4 Например, для эксперимента описанного, в предыдущем параграфе имеем Т = 10800К,Р = 0,8атм. Отсюда находим, по выше описанной методике, что средняя степень ионизации составит а — 0,048 = 4,8%. 1. Вольт-амперные характеристики разработанного плазмотрона с МЭВ являются восходящими при отношении тока к диаметру канала электроразрядной камеры более 20. Это позволяет использовать стандартные силовые источники питания плазмотрона с жесткой характеристикой (отсутствуют балластные сопротивления, бесполезно рассеивающие мощ
Структура и примесный состав углеродных пленок, полученных из ацетилена
В данной серии экспериментов в качестве газа-реагента использовался ацетилен, который подавался в плазмотрон в виде смеси с аргоном. Концентрация ацетилена в газовой смеси варьировалась в пределах 6-15 %. Общий расход газа-реагента составлял 0,5-1 л/час. Расход водорода во всех экспериментах составлял 60 л/час. В качестве подложек использовались медные пластины толщиной 2 мм. Подложки располагались на медном водоохлаж-даемом столике толщиной 2-4 мм. В ряде экспериментов охлаждались непосредственно подложки. В целом температура подложек была ниже, чем в серии экспериментов, описанных выше. Полученные пленки были исследованы методами КРС и ИК-спектроскопии. Метод КРС оказался мало эффективным ввиду наличия у всех исследованных пленок сильной фоновой люминесценции. Спектры поглощения в диапазоне 500-7000 см"1, характерные для пленок данной серии, приведены на рисунке 3.45. В спектре наблюдаются интенсивные широкие полосы поглощения в интервалах 3100-3600; 2850-2960; и 1580-1720 см"1, а также две узкие линии 1375 и 1457 см 1. Широкая полоса в интервалах 3100-3600 см"1 обусловлена колебаниями связи С-Н в радикале -CsC-H. Наличие этой полосы в спектре может быть связано с присутствием в пленке карбина, который является промежуточной фазой между графитом и алмазом, или адсорбированного ацетилена. Сильное поглощение в интервале 2850 2960 см"1 обусловлено наложением нескольких линий, связанных с валентными колебаниями связей С-Н в различных радикалах типа СНХ. Следует отметить, что положение этой полосы поглощения говорит о преимущественном содержании 8р3-гибридизированного углерода, поскольку линии, связанные с 5р2-гибридизированными радикалами СНХ, лежат в диапазоне 1 Ч 2980-3080 см . О преимущественном содержании sp -гибридизированных радикалов говорит и наличие в спектре линии 1375 см"1, которая связана с деформационными колебаниями sp3 -СН2 и -СНз. Полоса поглощения в диапазоне 1580—1720 см 1 обусловлена наложением линий поглощения двойных связей С=0 и С=С. Линия поглощения 1457 см"1, скорее всего, связана с радикалами типа О-СНз и N-СНз. Таким образом, структура исследованной пленки представляет собой смесь частично полимеризированных углеводородов. По-видимому, при использовавшихся режимах работы плазмотрона полное разложение ацетилена не достигалось. На подложке происходило одновременное осаждение двух фаз: алмазной (из полностью ионизированных атомов углерода) и карбина (из частично ионизированных молекул ацетилена). При достаточно высокой температуре подложки ( 1000 К) должно было происходить травление карбина водородом.
Однако температура подложки в данном случае не превышала 500-600 К. При этих температурах и высокой концентрации водорода в газовой смеси травление неалмазной фазы не происходит, а происходит насыщение водородом оборванных связей, как в алмазной, так и в не алмазной фазах. На основании полученного результата можно сделать следующие предположения. С использованием ацетилена в качестве газа-реагента, по-видимому, возможно получать как алмазные, так и карбиновые пленки. Для получения алмазных пленок необходимо, прежде всего, стабилизировать температуру подложки в интервале 1000-1200 К. В этом интервале температур не только происходит интенсивное травление водородом не алмазной фазы, но и наблюдается минимум растворимости водорода в алмазной фазе. Нанесение карбиновых пленок можно проводить в интервале температур 500-600 К, но в отсутствии водорода. Кроме того, для получения чистого карбина возможно потребуется снижение степени разложения ацетилена. Для выявления эффекта адгезионной сцепляемости алмазоподобной пленки с подложкой из различных материалов были выращены образцы на стали, меди, алюминии, бронзе (см. таблицу 3.11). На рисунке 3.46 представлены фотографии поверхностей исследуемых дисков с нанесенной алмазоподобной пленкой. Фотографии поверхности выполнены при помощи электронного сканирующего микроскопа типа Hitachi S3000-N (SEM), микротвердость измерялась методом Hanemanna с использованием оптического микроскопа типа Neo-phot 10. Осаждение пленок проводилось при мощности плазмотрона равной 5-20 кВт, расходах аргона 3-6 л/мин, метана 0,3-2 л/мин, водорода 0,4-1,2 л/мин, расстояниях от плазмотрона до подложки 40-120 мм и давлении газа в реакторе 150-280 Па. Анализ фотографии алмазоподобной пленки (см. рисунок 3.46) на поверхности отдельных образцов показал, что параметры процесса образования покрытий не были достаточно оптимизированы. На образцах серии 1-D, 2-D, 3-D, 6-D видно, что нанесенные пленки лопались и отслаивались от основы. Особенно хорошо это видно на образце 3-D, изготовленном из мягкой аустенитной стали 00H18N9T, где пленка неоднородна и характеризовалась самой слабой адгезией. Только для серии 4-D, 5-D получен плотный, хорошо прилегающий к основе алмазный слой. Но нанесенная пленка хрупкая и трескается под воздействием напряжения. Для того чтобы оценить пригодность использования полученных АПП в условиях на-гружения, были проведены сравнительные исследования микротвердости поверхностей материалов с АПП.
Трибологические исследования проводились на стимуляторе трения (рисунок 3.47) в дисково-кольцевой системе при вращательно-реверсивном движении. Частота движения достигала 1 Hz, максимальная скорость скольжения - vpmax= 0,018 м/сек, нагрузка задавалась переменной по синусоидальной зависимости - от 0 до 8 МРа, время испытаний составляло 4 часа. В качестве смазки применен 2% раствор карбоксиметилцеллюлезы. Образцы были выполнены в виде дисков. В качестве детали пары трения использовалось кольцо из коррозионно-стойкой хромистой стали ОН 13, закаленной до твердость 55 HRC3, поверхность была полированная до шероховатости Ra= 0,07 мкм. Результаты трибологических исследований показали различное влияние углеродных покрытий на условия трения и процессы изнашивания для различных материалов. При трении мягких сталей: ферритной ОН 13 (серия 1) и аустенитной 00H18N9T (серия 3) влияние покрытия на величину усилий трения — отрицательное. Максимальные величины усилий на образцах с покрытиями значительно больше, чем для немодифицированных материалов, в течение всего четырехчасового периода исследований (рисунок 3.48 и 3.50). Но в обоих случаях покрытие не оказало влияния на величину износа. Для ферритной стали, не наблюдалось износа при данной точности измерений: после четырех часов исследований на обоих образцах на микрофотографиях видны гладкие поверхности (рисунок 3.54, а и Ь). На поверхностях аустенитной стали 00H18N9T (серии 3-0 и 3-D) после четырех часов испытаний на трение появились равномерные лунки глубиной около 5 мкм. На микрофотографиях виден абразивный износ поверхностей (рисунок 3.56). Для серии 4-D стали 0H18N10, где покрытие характеризовалось лучшим качеством и адгезией к подложке (рисунок 3.46Ь), результаты трибологических исследований показали положительное влияние покрытия на снижение усилий трения (рисунок 3.49). Анализ следов трения подтвердил различный характер процессов изнашивания. На поверхности образца без покрытия наблюдаются глубокие риски, характерные для абразивного износа (рисунок 3.54Ь). На поверхности стали серии 4-D после четырех часов трения видны еще следы покрытия и образовавшихся вторичных пленок, ответственных за снижение усилий трения (рисунок 3.55а). Для алюминия и меди влияние покрытия на усилия трения незначительное (рисунок 3.51 и 3.52). На мягком алюминиевом образце тонкий слой покрытия был разрушен уже в начале исследования, после чего наступило интенсивное изнашивание, как и для материала без покрытия. На обоих образцах видны следы усталостного износа пластичного материала (рисунок 3.57а и 3.57Ь). Микрофотографии медных образцов показали различный характер износа (рисунок 3.58). На немодифицированном материале видны следы усталостного износа
