WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В первой главе, “Методы азотирования титана” являющейся обзорной, представлен анализ экспериментальных и теоретических работ, посвященных различным методам азотирования титана и его сплавов. Выбор данного материала обусловлен тем, что титан и его сплавы широко используются в промышленности и медицине благодаря таким своим свойствам как малый удельный вес, высокая коррозионная стойкость и биологическая совместимость. Однако невысокая твердость, а соответственно и низкая износостойкость этих материалов, является одной из причин ограничивающих их более широкое применение. Причем в большинстве случаев достаточно повысить твердость не всей титановой детали, а лишь ее поверхности, чтобы существенно улучшить функциональные и эксплуатационные свойства детали.

Рассматриваются такие методы азотирования титана, как газовое азотирование, ионная имплантация, лазерное азотирование, азотирование в плазме тлеющего и дугового разряда. Особое внимание уделяется системам с тлеющим разрядом и в частности азотированию в тлеющем разряде с полым катодом, т.к. благодаря такой конфигурации может происходить интенсивное образование атомарного азота, играющего ключевую роль при низкотемпературном азотировании титана. Анализируется влияние состава газовой смеси и величины давления на параметры азотированного слоя. Проведенный анализ показал, что существует ряд проблем, которые необходимо решать с целью улучшения эксплуатационных характеристик поверхности изделий, таких как:

высокая температура обработки, высокое давление рабочего газа, большая длительность процессов приводящих к необратимым изменениям структуры, прочностных характеристик титана, а также увеличение энергетической эффективности всего процесса в целом. Это позволило сформулировать основные задачи исследований.

Вторая глава “Генераторы низкотемпературной плазмы на основе разряда низкого давления с полым катодом” посвящена исследованию генераторов низкотемпературной плазмы на основе разряда низкого давления с полым катодом используемых для азотирования титана. Приведено описание экспериментальной установки и ее основных узлов, конструкций разрядных систем и особенностей их работы. Представлены результаты исследования параметров плазмы, генерируемой плазмогенератором на основе дугового разряда с холодным полым катодом. Исследуемый плазмогенератор является одним из основных элементов разрядной системы, которая использовалась в дальнейшем для азотирования титана.

Для проведения экспериментальных исследований и технологических процессов была выбрана промышленная напылительная установка типа ННВ6.6 И1. Модернизация установки сводилась к замене стандартных дуговых испарителей на плазменный источник с холодным полым катодом на основе самостоятельного дугового разряда низкого давления с катодным пятном, а также установке систем регистрации параметров плазмы и температуры образцов.

Упрощенная конструкция и фотография внешнего вида плазменного источника с холодным полым катодом представлены на рис. 1. Полый цилиндрический катод 1 диаметром 110 мм и длиной 200 мм, выполненный из нержавеющей стали, меди или другого электропроводящего материала, помещался в аксиальное магнитное поле, создаваемое короткой магнитной катушкой 3. Полый катод полностью охлаждался проточной водой, благодаря цилиндрической рубашке 5. Инициирование катодного пятна на внутренней поверхности полого катода осуществляется пробоем по поверхности диэлектрика в поджигающем устройстве (триггер) 2. На одном из торцов катода, обращенного к полому аноду (вакуумной камере 7), установлено устройство для гашения дуг 4, выполненное в виде цилиндрического стакана, дно которого выполнено в виде диафрагмы. Дугогаситель Рис. 1. Плазмогенератор с холодным полым катонаходится под плавающим подом: 1- полый цилиндрический катод; 2-поджитенциалом и предотвращает гающее устройство (триггер); 3- короткая магнитразвитие дуги по поверхности ная катушка; 4- дугогаситель; 5- цилиндрическая изолятора 6, через который порубашка охлаждения катода; 6- изоляторы; 7- вакулый катод соединяется с ваку- умная камера (полый анод).

умной камерой, являющейся полым анодом в данной разрядной системе. Дугогаситель также препятствует прямому проникновению нейтральных частиц и микрокапель материала катода в полый анод, так как диаметр его центрального отверстия 55 мм в 2 раза меньше диаметра полого катода. Напуск рабочего газа осуществляется непосредственно в полый катод.

В процессе исследования параметров разряда при горении дуги на таких материалах как нержавеющая сталь, медь, дюралюминий, графит и при напуске в рабочую камеру различных газов (кислород, аргон, азот), было установлено, что для всех исследованных газов при постоянном давлении р = 4.4·10-1 Па и магнитном поле B=0.6–14 мТл напряжение горения разряда практически не зависит от тока разряда. В атмосфере аргона дуга горит при наиболее низком напряжении Uр=22–24 В. В рабочем диапазоне давлений p=8·10-2–8·10-1 Па изменения напряжения горения разряда не превышают 10 %, т.е. вольтамперные характеристики для всех использованных в экспериментах газов имеют линейный характер. Наиболее существенное влияние на напряжение горения и ток разряда оказывает магнитное поле. После зажигания разряда при некотором начальном магнитном поле дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к повышению напряжения горения и снижению тока разряда (рис. 2).

Такой характер зависимостей параметров дугового разряда с холодным полым катодом объясняется тем, что в скрещенных электрическом (E) и магнитном (B) полях на электроны, эмитированные катодным пятном и ускоряемые в катодном падении потенциала, действуют силы, стремящиеся возвратить их на катод. На катод возвращаются, в основном, электроны, не испытавшие неупругих столкновений (отсечка электронов) с атомами и молекулами газа. По мере увеличения магнитного поля длина траектории таких электронов уменьшается и увеличивается число электронов, не участвующих в ионизационных процессах. Это приводит к снижению тока разряда и повышению напряжения его горения, что, в свою очередь, ведет к увеличению катодного падения Рис. 2. Зависимость тока разряда (а) и напряжения горения (б) от изменения магнитного поля при напуске: 1 – кислорода; 2 – азота; 3 – аргона в разрядный промежуток с медным полым катодом и 4 – аргона в разряде с полым катодом из нержавеющей стали. Давление газа: р = 4.4·10-1 Па.

потенциала и относительному увеличению степени ионизации. Снижение тока разряда и его погасание после достижения критического значения, вероятно, связаны с уменьшением продольной (совпадающей с направлением электрического поля) проводимости плазмы, определяемой из выражения:

e II =, (1) 2 1+ H /m где e = e2ne/mm– проводимость в отсутствие магнитного поля, H = eB/m– циклотронная частота, m = ngv– частота столкновений электрона. Здесь v– скорость электрона, ne– концентрация электронов, ng– концентрация нейтралов, – транспортное сечение упругих столкновений.

Как следует из выражения (1), с увеличением магнитного поля и, соответственно, циклотронной частоты происходит уменьшение продольной проводимости, что и приводит к снижению тока разряда. В свою очередь это можно компенсировать за счет увеличения частоты упругих столкновений электронов, посредством повышения давления газа в полом катоде. Отличия в скорости изменения тока разряда при увеличении магнитного поля и горении дуги в различных газах объясняется различными значениями частоты столкновений электрона с атомами и молекулами рабочего газа.

В данной разрядной системе катодное пятно в скрещенных электрическом и магнитном полях движется по круговой орбите по внутренней поверхности полого катода в максимуме магнитного поля. Продукты распыляемого материала катода – микрокапли, атомы и ионы оседают, в основном, на противоположной, относительно катодного пятна, поверхности полого катода, снижая эрозию полого катода и повышая его ресурс. Некоторая часть распыляемого материала катода, зависящая от диаметра отверстия d в торцевом дугогасителе (рис. 1), в виде ионов, атомов и микрокапель может поступать в анодную часть разряда. Как показали исследования, при диаметре отверстия 5 см после горения дуги в течение 1 часа на поверхности мишени, расположенной в анодной части разряда на расстоянии 300 мм от полого катода, осаждаются капли размером 0.5–4 мкм с плотностью 100–120 мм-2 и 10–30 мм-2 при диаметре отверстия 1.5 см.

Исследование влияния магнитного поля на величину капельной фракции, выходящей из полого катода в полый анод, показали, что при прочих равных условиях увеличение магнитного поля в 2 раза с 6 мТл до 12 мТл и соответственного увеличения в 1.5 раза частоты вращения катодного пятна в полом катоде с 1.7 об/сек. до 2.6 об/сек. приводит к уменьшению в 2.3 раза доли микрокапель, оседающих на образцах, расположенных на расстоянии 30 см от плазмогенератора (в центре вакуумной камеры). Данный факт объясняется меньшим разогревом локальных участков полого катода из-за большей скорости движения катодного пятна по поверхности полого катода.

Известно, что наибольшее количество микрокапель, выходящих из катодного пятна стационарной вакуумной дуги, направлено под углом ~ 30° к поверхности катода, поэтому в исследуемой разрядной системе требуются дополнительные меры для предотвращения их поступления в полый анод и, в первую очередь, за счет прямого пролета капель из области катодного пятна в анодную полость. Исходя из этого была предложена и исследована конструкция источника плазмы, в которой полый катод состоит из двух цилиндрических частей различного диаметра (рис.3). Основной катод имеет диаметр 110 мм и Рис. 3. Схема разрядной системы дугового исдлину 200 мм, а дополнительный точника плазмы с составным катодом: 1- полый катод; 2– короткая магнитная катушка; 3– додиаметром d = 50 мм и длиной полнительный катод; 4– изолятор; 5– полый 100 мм, электрически и конструканод; 6– триггер; 7– газоввод. I–дополнительтивно соединенный с основным, ный катод обращен внутрь полого анода, II– соответствовал диаметру отверстия внутрь полого катода, III–под углом 45° к оси дугогасителя. Такая конструкция плазмогенератора внутри полого анода.

позволяет сравнивать проникновение микрокапель в анодную полость в случае электродной системы с дугогасителем и исследуемых систем с составным катодом.

По результатам измерений параметров плазмы плоским зондом и количества капель, усредненных по пяти точкам мишени расположенной в центре вакуумной камеры, при различных типах дополнительного катода показано, что при одинаковых длинах и различных конфигурациях дополнительного полого катода параметры плазмы в рабочем объеме вакуумной камеры практически не изменяются, а наиболее предпочтительным вариантом является катодная система с изогнутым дополнительным катодом, направленным внутрь полого анода, при котором количество микрокапель, проникающих в полый анод минимально.

В работах по выявлению особенностей и закономерностей генерации газоразрядной плазмы при низких давлениях и высоких плотностях тока была разработана и изготовлена разрядная система на основе несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом, схематично представленная на рис. 4. В центре вакуумной камеры на держателе 1 укреплялся полый катод 2 из нержавеющей стали, выполненный в виде цилиндра диаметром 70 мм и длиной 120 мм. На боковой поверхности цилиндра имеются два фрезерованных окна и 4. Первое длиной 100 мм и шириной 10 мм, а второе, закрытое мелкоструктурной сеткой, длиной 100 мм и шириной 20 мм. Смесь рабочего газа вводилась через систему напуска и регулировки давления в источник газоразрядной плазмы. Относительно анода (камеры) на полый катод от источника подавалось отрицательное напряжение до 1500 В. В камере, с помощью дополнительного источника на основе дугового разряда с холодным полым катодом создавалась газоразрядная плазма, что позволяло зажигать и поддерживать горение несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом в сильноточной форме при относительно низких давлениях. Окно, закрытое сеткой, необходимо для облегчения зажигания несамостоятельного тлеющего разряда между внутренними стенками полого катода и полым анодом (камерой). ЧисРис. 4. Схема эксперимента: 1–держатель;

тый азот N2 или смесь рабочего 2–полый катод; 3–окно; 4–окно закрытое мелкогаза (N2-Ar, N2-He, или N2-Ne) структурной сеткой; 5–образцы; 6–дугогаситель;

вводилась через систему напуска 7–короткая магнитная катушка; 8–полый катод;

и регулировки давления в источ9– поджигающее устройство; 10–ввод газа;

ник газоразрядной плазмы. Сле- 11– источник питания дугового разряда;

12– источник высокого напряжения для питания дует отметить, что в исследотлеющего разряда.

ванных режимах горения тлеющего разряда при выключении или уменьшении тока дополнительного дугового разряда, тлеющий разряд погасал, что свидетельствует о его несамостоятельности.

Эксперименты по исследованию несамостоятельного тлеющего разряда с полым титановым катодом включали в себя эксперименты по изучению влияния геометрических размеРис. 5. Зависимости плотности катодного тока ров окна полого катода (рис. 5), тлеющего разряда от напряжения его горения:

1– окно 12 мм, давление 4.6 Па; 2– окно 20 мм, давления и рода газа, напускаедавление 4.6 Па; 3– окно 12 мм, давление 1.5 Па;

мого в разрядный объем, а также 4– окно 20 мм, давление 1.5 Па.

тока дугового плазмогенератора на параметры тлеющего разряда. Проведенные исследования зависимости напряжения горения тлеющего разряда и плотности тока от давления смеси (N260%+Ar-40%) рабочих газов при двух размерах окна полого катода показали, что с увеличением площади окна ток разряда уменьшается, что, вероятно, связано с уходом электронов и ионов из области генерации плазмы. Полученные зависимости позволяют выбирать в широких пределах режимы горения, в том числе, с заданной плотностью мощности.

В третьей главе “Азотирование титана” приведены результаты работы по азотированию технического титана в плазме несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом.

Pages:     | 1 || 3 |






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