WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Ахмадеев Юрий Халяфович НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД С ПОЛЫМ КАТОДОМ ДЛЯ АЗОТИРОВАНИЯ ТИТАНА 05.27.02 – вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2007 1

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники Сибирского отделения РАН

Научный консультант: доктор технических наук, Коваль Николай Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Окс Ефим Михайлович (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск) кандидат технических наук, Степанов Игорь Борисович (Федеральное государственное научное учреждение Научно-исследовательский институт ядерной физики, г. Томск)

Ведущая организация: Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург

Защита состоится « 10 » апреля 2007 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 003.031.01 в Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 2/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН

Автореферат разослан «_»_2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор Д.И. Проскуровский 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Хорошо известна превалирующая роль свойств поверхностного слоя в обеспечении надежности, долговечности и заданного ресурса деталей, узлов и агрегатов машин и механизмов. Применение газоразрядной плазмы в процессах поверхностной модификации твердых тел, например, при азотировании титана и его сплавов, применяемых в медицине, авиакосмической промышленности, является актуальной задачей, т.к. позволяет увеличить скорость азотирования в 3-5 раз по сравнению с традиционной технологией газового азотирования. Использование широко распространенного в промышленности азотирования в тлеющем разряде для увеличения поверхностной твердости, износостойкости и коррозионной стойкости титана и титановых сплавов, подразумевает наличие относительно высоких давлений и высоких температур. Однако при температурах, превышающих температуру полиморфного превращения (885-900°C), азотирование технического титана ВТ1-0, не содержащего в своем составе легирующих присадок (Cr, V и др.), наряду с упрочнением поверхности, как правило, приводит к изменению микроструктуры, росту зерна, и, как следствие, к разупрочнению основы образцов и изделий, что во многих случаях неприемлемо.

Использование дугового разряда, характеризующегося низким напряжением горения, высоким значением разрядных токов и широким диапазоном давлений, при которых он стабильно зажигается и горит, может являться одним из вариантов решения проблем, возникающих при проведении процесса азотирования в тлеющем разряде. Однако наличие в плазменном потоке, генерируемом дуговыми разрядами с катодным пятном, большого количества микрокапель материала распыляемого катода, накладывает ограничения на использование их в процессах модификации поверхности. Дуговые разряды с накаленным катодом позволяют получать относительно чистую (бескапельную) газоразрядную плазму, однако имеют ограниченный срок службы катода, особенно при использовании химически активных газов. Более высоким ресурсом обладают газоразрядные системы с полым катодом, в которых катодное пятно формируется на внутренней поверхности холодного полого катода.

Однако и в таких системах полностью исключить попадание материала распыляемого катода на образец или изделие практически невозможно.

В то же время, представляется целесообразным использование тлеющего разряда с полым катодом, поскольку вследствие более высокой энергетической эффективности из-за осцилляции электронов внутри него это позволит понизить рабочее давление. Также с целью повышения энергетической эффективности и снижения рабочего давления обычно создаются условия для получения минимального напряжения горения разряда. Одним из вариантов решения подобной задачи является инжекция в разрядную область быстрых электронов. Если при этом использовать внешнюю инжекцию заряженных частиц в полый катод путем создания объемной газоразрядной плазмы дуговым раз рядом с холодным полым катодом, можно уйти в сторону низких давлений при сохранении всех положительных качеств обычного тлеющего разряда.

В настоящее время нет единой точки зрения на механизм диффузионного насыщения металлов азотом, однако ряд авторов считают, что в процессе азотирования, особенно при низких температурах, участвуют как атомарный азот, так и ионы азота. Если рассматривать азотирование как плазмохимический процесс, то необходимо дополнительное условие, при котором насыщение азотом осуществляется в плазме, содержащей атомы N и ионы N+, т.е. наряду с ионизацией необходимо создавать условия, при которых происходит максимальная диссоциация молекулярного азота.

Таким образом, тематика диссертационной работы, направленная на решение проблемы низкотемпературного азотирования титана, представляется актуальной, поскольку позволит улучшать технологические параметры приповерхностного слоя деталей, изготовленных из титана и его сплавов, без ухудшения его объемных свойств и тем самым обусловит дальнейшее развитие технологий, направленных на улучшение эксплуатационных свойств изделий, изготовленных из титана.

Цель исследований.

Разработка оборудования и определение режимов низкотемпературного азотирования технического титана при низких давлениях в тлеющем разряде с полым катодом, функционирование которого инициируется и поддерживается дуговым разрядом с полым катодом.

Основные задачи

исследований:

1. С целью оптимизации режимов генерации однородной низкотемпературной плазмы в больших (~0.2 м3) объемах, пригодной для технологических циклов обработки титана, провести исследование газоразрядного плазмогенератора на основе дугового разряда с холодным полым катодом при горении дуги на различных материалах и при напуске в рабочую камеру различных газов.

2. Разработать меры, улучшающие фильтрацию от микрокапель анодной плазмы, создаваемой газоразрядным плазмогенератором на основе дугового разряда с холодным полым катодом для исключения загрязнения плазмы тлеющего разряда продуктами эрозии катода дугового плазмогенератора.

3. Определить режимы, позволяющие проводить низкотемпературное (<600 °C) азотирование технического титана при низких давлениях.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Проведено исследование генератора плазмы с холодным полым катодом на основе дугового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях при горении дуги на таких материалах как нержавеющая сталь, медь, дюралюминий, графит. Показано, что для всех используемых материалов катода характерна слабая зависимость тока разряда от напряжения его горения и высокая степень устойчивости горения дуги.

2. Показано, что для исследованного генератора плазмы с холодным полым катодом на основе дугового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, увеличение напряжения горения дуги и снижение тока разряда при увеличении аксиального магнитного поля, связано с падением проводимости плазмы в прикатодной области разряда. Эти нежелательные эффекты можно компенсировать за счет увеличения частоты столкновений электронов, посредством повышения давления газа в полом катоде.

3. Разработана оригинальная электродная система, состоящая из набора дополнительных конструктивных элементов катода для плазмогенератора на основе дугового разряда с холодным полым катодом, позволяющая сократить проникновение капельной фракции материала из полого катода в разрядную камеру без использования дополнительных электрических и магнитных полей.

4. Впервые предложена, реализована и исследована разрядная система на основе несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом, инициируемого и поддерживаемого дугой низкого давления. Установлены особенности горения несамостоятельного тлеющего разряда при низких давлениях. Данная разрядная система позволяет получать при давлениях 0.5 Па и плотностях тока до 4 мА/см2 плазму с концентрацией ~1010 см-3, что позволило провести низкотемпературное (<600 °C) азотирование технического титана.

5. Показано, что структура, микротвердость и трибологические свойства азотированного технического титана в несамостоятельном тлеющем разряде с полым катодом существенно зависят от состава рабочего газа. Так повышение твердости при азотировании титана по сравнению с азотированием в чистом азоте наблюдается при использовании смеси (в частности N2-He) с высоким сечением ионно-молекулярных реакций образования атомарного азота. Азотирование в смеси N2-He позволяет сократить время процесса более чем в 2 раза при сохранении тех же параметров азотированного слоя, что и при азотировании в чистом азоте. Данная структура приповерхностного слоя детали достигает толщины 60–70 мкм с твердостью до 14 ГПа. Следует подчеркнуть, что слой TiN формируется за счет диффузионных процессов, а, следовательно, не имеет четкой границы раздела с подложкой и не подвержен отслаиванию.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработана разрядная система на основе несамостоятельного тлеющего разряда, и предложены технологические режимы, позволяющие проводить эффективное низкотемпературное (<600 °C) азотирование технического титана и его сплавов. За счет выбора оптимальных смесей рабочего газа и режима азотирования можно сократить время процесса азотирования технического титана более чем в 2 раза при прочих одинаковых условиях. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при низкотемпературном азотировании сталей.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В электродуговом плазмогенераторе низкого давления рост напряжения горения разряда и снижение тока разряда при высоком магнитном поле, необходимом для стабилизации катодного пятна на фиксированной траектории внутри полого катода, можно компенсировать повышением давления газа пропускаемого через полый катод, т.е. за счет увеличения проводимости плазмы с ростом частоты столкновений электронов с молекулами газа.

2. В электродуговом плазмогенераторе низкого давления дополнительный изогнутый полый катод меньшего диаметра, геометрически экранирующий катодное пятно вакуумной дуги, позволяет практически устранить попадание микрокапель в анодную область разряда и на находящиеся в ней образцы и детали.

3. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом, инициируемый и поддерживаемый плазмой газоразрядного плазмогенератора с холодным полым катодом на основе дугового разряда с катодным пятном, позволяет в стационарном режиме горения несамостоятельного тлеющего разряда провести низкотемпературное (<600 °C) азотирование технического титана при низких давлениях (~1–5 Па).

4. Микроструктура, твердость и трибологические свойства титана, подвергнутого азотированию в несамостоятельном тлеющем разряде с полым катодом, существенно зависят от состава рабочего газа. При горении разряда в смесях, содержащих неон или гелий, азотирование происходит более эффективно, чем в чистом азоте и аргон-азотной смеси за счет более высоких сечений ионно-молекулярных реакций образования атомарного азота. Азотирование в смеси N2-He позволяет сократить время процесса более чем в 3 раза, при сохранении тех же параметров азотированного слоя, что и при азотировании в чистом азоте.

Апробация работы. Основные результаты данной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: 9ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (Красноярск, 2003);

30ой Международной конференции по плазме (Корея, Джеджу, 2003); 7 ой и 8 ой Международной конференции по модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы (Томск, 2004, 2006); 11ой Международной научно-практической конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2005); 1ой и 2ой Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2005, 2006); 7 ой Международной школе-семинаре молодых ученых «Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития» (Томск, 2005);

Международной школе-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2005); 3ей Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006).

Личный вклад автора.

Автору принадлежит основная роль в получении результатов описанных в диссертации. Научному руководителю доктору технических наук Н.Н. Ковалю и главному научному сотруднику доктору физ.-мат. наук П.М. Щанину при надлежат определение цели и постановка задач исследований. Автор внес определяющий вклад в планирование и проведение экспериментов, и анализ полученных результатов. Соавторы, участвовавшие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Обсуждение и анализ полученных результатов проводились соискателем совместно с научным руководителем и доктором физ.-мат. наук П.М. Щаниным. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей в отечественных и 1 статья в зарубежном научных журналах, 8 докладов в трудах отечественных и зарубежных научных конференций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения с общим объемом 116 страниц, содержит 50 рисунков и 10 таблиц.

Список цитируемой литературы включает 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении показана актуальность исследований, сформулированы цели и задачи работы, представлена научная новизна и практическая ценность результатов, приведены основные защищаемые научные положения и сведения о публикациях по теме диссертации.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»