Генерация однородной газоразрядной плазмы в несамостоятельном разряде низкого давления для модификации поверхности материалов и изделий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

—>

Борисов Дмитрий Петрович

ГЕНЕРАЦИЯ ОДНОРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ В НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОМ РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

01.04.04 - Физическая электроника

11 НОЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Томск-2015

005564419

005564419

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (НИ ТГУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коваль Николай Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск Степанов Игорь Борисович

доктор технических наук, профессор, ОАО «Национальный институт авиационных технологий», г. Москва Петров Леонид Михайлович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «Станкин»

Защита состоится «16» декабря 2015 г. в 9 час. 30 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634045, г. Томск, ул. Красноармейская, 146, а также на официальном сайте ТУСУР http://tusur.nl/ni/science/ediication/diss.html.

Автореферат разослан ,/?/^2015 г.

/

Учёный секретарь . _ ____

диссертационного совета, —ЗН

Д т-н., профессор ю п Акулиничев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение в современных производствах вакуумно-плазменных технологий призвано обеспечить значительное улучшение модифицируемых с их помощью поверхностных физико-химических, механических и, соответственно, эксплуатационных свойств материалов и изделий с соблюдением при этом требований энергоэффективности и экологической безопасности. Однако рынок, особенно российский, остаётся в большинстве своём не занятым вакуумно-шшзменными технологиями. И причинами, препятствующими широкому внедрению в производство плазменной обработки в вакууме, являются как недостаточная изученность процессов воздействия плазмы на поверхность материалов, так и недоступность переноса лабораторных методик обработки материалов на производственный уровень обработки реальных изделий с целевым созданием технологического оборудования. Это и определяет актуальность исследований вакуумно-плазменных технологий, связанных с разработкой новых видов вакуумно-плазменнош оборудования, с использованием которого достигается улучшение свойств модифицируемых поверхностных слоев, повышение производительности и качества обработки изделий рахтичной сложности. К данным разработкам предъявляется ряд требований, например, применение современной безмасляной откачки с контролем вакуумных и газовых условий процессов, повышение плотности тока (десятки мА/см2 и выше) ионов инертного и реакционного газов при высокой однородности их распределения в больших рабочих технологических объёмах. С учётом последнего требования представляется, что эффективные процессы обработки изделий в вакууме возможны с применением лишь интенсивного плазменного воздействия (без использования ионно-пучковой техники), что и является основной задачей исследований настоящей работы.

Цель исследований работы заключается в разработке эффективного генератора однородной газоразрядной плазмы в больших вакуумных объёмах на основе несамостоятельного дугового разряда с термоэмиссионным катодом и в разработке эффективных процессов вакуумно-плазменной модификации материалов и изделий с созданием вакуумных установок нового типа с применением магнетронно-распылительных систем, электродуговых испарителей и генераторов однородной газоразрядной плазмы.

Основные задачи исследований.

1. Разработать и исследовать генератор однородно - распределённой газоразрядной плазмы в больших вакуумных объёмах на основе дугового несамостоятельного разряда с термокатодом.

2. Разработать и создать новые установки для реализации эффективной вакуумно-плазменной обработки изделий с применением нового генератора однородно-распределённой газоразрядной плазмы, магнетронно-распылительных систем и электродуговых испарителей.

3. Исследовать режимы эффективных вакуумно-плазменных процессов очистки, легирования поверхности различных материалов и нанесения сверхтвёрдых высокоадгезионных покрытий с использованием созданных установок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан и исследован генератор газоразрядной плазмы с концентрацией до 5-10й см"3 и однородностью распределения не хуже ± 5 % в вакуумных камерах значительных (> 0,15 м3) объёмов на основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления (0,04-И Па) с двумя диаметрально противоположно размещёнными на вакуумной камере модулями, содержащими термоэмиссионные и полые катоды конической формы.

2. Созданы вакуумно-плазменные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» с криогенной откачкой вакуумных камер объёмами 0,15 и 0,7 м3 соответственно с остаточным давлением < 610"4 Па и неконтролируемым натеканием в них <3,4-10 Па-м'/с, имеющие в своём составе генераторы однородной газоразрядной плазмы, магнетронно-распылительные системы и/или электродуговые испарители.

3. С использованием созданных установок были реализованы следующие вакуумно-плазменные процессы.

- Азотирование со скоростью 1СИ-30 мкм/ч образцов нержавеющей стали различных марок при температуре 380+520 °С и низком отрицательном потенциале их смещения (< 40 В) в газоразрядной плазме чистого азота.

- Электродуговое осаждение покрытия ТОЧ при температуре < 120 °С с воздействием на подложку кремния при плавающем её потенциале (~ 20 В) газоразрядной плазмы азота с концентрацией 5-Ю10 см"3 с достижением при низком содержании (< 2 %) кислорода толщины легированного титаном слоя подложки 60 нм и адгезии (> 15 Н), превосходящей адгезию (7 Н) получаемых через промежуточный слой оксидов покрытий.

- Получение многокомпонентных покрытий типа ТьА1-8ьСг-№-Си-0-С-1Ч, отличающихся высокой (до г 50 ГПа) микротвёрдостью, стабильностью микротвёрдости при отжиге в вакууме до температуры 900 °С и высокой адгезией (> 30 Н).

- Легирование кремнием образцов никелида титана при магнетронном осаждении покрытия кремния с воздействием на подложку ионов газоразрядной плазмы аргона с концентрацией 5-Ю10 см"3, ускоряемых импульсным потенциалом смещения с частотой 30 кГц, длительностью 17 мке и амплитудой импульсов 160 В, с получением при температуре 300 °С толщины легированных кремнием слоев подложки = 300 нм с низким содержанием (< 2+3 %) кислорода и максимальным содержанием кремния 95 %.

- Легирование (без осаждения покрытий) титаном и углеродом образцов нержавеющей стали 12Х18Н10Т при магнетронном распылении данных элементов с одновременным воздействием на подложку ионов газоразрядной плазмы аргона с концентрацией 1,5-1011 см"3, ускоряемых импульсным потенциалом смещения с частотой 20 кГц, длительностью 5 мке и амплитудой импульсов 700 В, с получением при температуре 500 °С толщины легированных титаном и углеродом слоёв подложки = 300 нм и >10 мкм соответственно с низким содержанием (< 2+3 %) кислорода и максимальным содержанием 10 и 65 % титана и углерода в поверхности соответственно.

Практическая значимость работы заключается в том, что созданы вакуумно-плазменные установки с оригинальным способом монтажа высоковакуумного насоса сверху вакуумной камеры для его защиты от загрязнения продуктами плазменных процессов, сочетающие в своём составе вновь разработанные генераторы однородной газоразрядной плазмы с концентрацией до 5-1011 см"3, магнетронно-распылительные системы и/или электродуговые испарители. Установки реализуют способы ионной очистки поверхности материалов и изделий, её плазменно-иммерсионного ионного легирования и нанесения высокоадгезионных сверхтвёрдых покрытий. Одна из установок поставлена в Сибирский федеральный университет (г. Красноярск) для разработки технологий улучшения функциональных свойств деталей космических аппаратов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложена и создана разрядная система на основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления с двумя диаметрально противоположно размещёнными на вакуумной камере катодными модулями с термоэмиссионными катодами и полыми катодами конической геометрии, которая эффективно генерирует газоразрядную плазму с концентрацией до 5-10 см° и однородностью её распределения не хуже ± 5 % в значительных (> 0,15 м3) вакуумных объёмах при давлении 0,1+1 Па.

2. Созданы вакуумно-плазменные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» с криогенной откачкой вакуумных камер объёмами 0,15 и 0,7 м соответственно с остаточным давлением < 6-Ю"4 Па и неконтролируемым натеканием < 3,4-10"3 Па-м'/с, имеющие генераторы однородной газоразрядной плазмы, магнетронно-распылительные системы и/или электродуговые испарители и возможность ионной очистки поверхности материалов и изделий, её плазменно-иммерсионного ионного легирования и нанесения высокоадгезионных сверхтвёрдых покрытий.

3. Способ азотирования нержавеющих сталей при температуре 38СН-520 С и низком отрицательном потенциале смещения (< 40 В) в газоразрядной плазме азота с концентрацией 5 10й см"3 обеспечивает скорость азотирования 10+30 мкм/ч с повышением микротвёрдости поверхности в 2+4 раза по сравнению с исходной.

4. Способы плазмоассистированного нанесения обеспечивают нанесение покрытий ТОГ с низким (< 2 %) содержанием кислорода и адгезией (> 15 Н), превосходящей адгезию (7 Н) получаемых через промежуточный слой оксидов покрытий более чем в 2 раза, а также нанесение многокомпонентных покрытий типа ТьА1^-Сг-№-Си-0-С-М со сверхтвёрдостью (Я > 40 ГПа) и высокой адгезией (> 30 Н).

5. Способы легирования кремнием никелида титана при осаждении его на подложку при температуре 300 °С и титаном и углеродом нержавеющей стали 12Х18Н10Т при температуре 500 °С при магнетронном распылении данных элементов с воздействием на подложку плазмы аргона с концентрацией Ю10 см"3 обеспечивают достижение толщины легированных слоев с низким (< 2-КЗ %) содержанием кислорода 300 нм для кремния и титана и > 10 мкм для углерода с максимальным содержанием 10, 60 и 95 ат. % титана, углерода и кремния.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: International Conférence «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (2008, Томск, Россия); Международной конференции «Взаимодействие излучений с твёрдым телом» (2009, 2011, 2013, Минск, Беларусь); Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (2015, Новосибирск, Россия); Международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (2015, Москва, Россия).

Публикации.

Основные результаты исследований диссертации опубликованы в 24 работах (в 14 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, в 6 докладах на отечественных и международных конференциях и в 4 патентах).

Личный вклад автора состоит в определении цели и задач исследований, проведении экспериментов и анализе полученных результатов. Обсуждение результатов, окончательное формирование защищаемых научных положений, содержания и выводов диссертации осуществлялись автором совместно с научным руководителем проф. Н.Н. Ковалем. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично.

Структура диссертационной работы.

Диссертация общим объёмом 161 страниц состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 63 рисунка, 11 таблиц и список цитируемой литературы из 241 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований работы, сформулированы её цели и задачи, указаны научная новизна и практическая значимость результатов, защищаемые научные положения.

В первой главе «Способы вакуумно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий, методы создания плазмы в больших вакуумных объёмах» проводится обзор литературных данных по исследуемой области вакуумно-плазменных процессов, определяемой диапазонами рабочего давления 0,01+1 Па, концентрации плазмы 108+10и см"3, энергии электронов 1+10 эВ. Воздействие такой плазмы на подложку вызывает изучаемые в работе процессы: очистка и активация; нанесение покрытий; легирование различными химическими элементами. Обработка с нагревом поверхности, всегда покрытой в применяемом диапазоне вакуума слоем адсорбента толщиной в сотни нанометров, без ионно-плазменной очистки приводит к образованию на ней оксидов, снижающих скорость или полностью блокирующих диффузионное насыщение поверхности и ухудшающих адгезию наносимых покрытий. Поэтому требования к качественным вакуумно-плазменным процессам и оборудованию должны быть следующие: минимизация загрязняющих примесей (ввиду течей, обратного газового потока из системы вакуумной откачки, загрязнений рабочего газа и др.); увеличение плотности ионного тока (десятки мА/см" и выше) на подложку, что способствует удалению адсорбированных слоёв.

Низкий рабочий вакуум (единицы и сотни Па) традиционно используемого тлеющего разряда приводит, наряду с активацией поверхности к загрязнению последней плёнками окислов, карбидов и др., что затрудняет или полностью исключает возможность его применения в современных вакуумных технологиях. ВЧ разрядные устройства для промышленных вакуумных технологий обработки изделий в больших вакуумных объёмах также являются не вполне подходящими ввиду относительно низкого значения концентрации создаваемой плазмы, значительного усложнения и удорожания ВЧ плазменного оборудования. Ввиду низкой концентрации плазмы магнетронно-распылительных систем и наличию микрокапельной фракции в плазменном потоке электродуговых испарителей на основе лишь одних данных устройств не могут быть организованы совершенные технологии вакуумно-плазменной обработки материалов и изделий. Из анализа литературы следует, что несамостоятельный разряд низкого давления, поддерживаемый термоэлектронной эмиссией, может являться эффективным и перспективным в организации множества вакуумно-плазменных процессов. Задачами работы при этом должна являться разработка эффективных вакуумно-плазменных установок и процессов на его основе.

Во второй главе «Постановка задачи, разработка генератора газоразрядной плазмы и методы исследований» ставятся задачи работы, описывается новый плазмогенератор, экспериментальные стенды и методики исследований. На рис. 1 (а) и (б) соответственно представлены схемы предложенного плазмогенератора для однородной плазменной обработки и плазмогенератора базовой модели на базе вакуумной камеры диаметром 600 мм и высотой 500 мм с криогенной откачкой с производительностью 1000 л/с.

Рисунок 1 - Принципиальная схема генераторов газоразрядной плазмы для однородной плазменной обработки (вновь созданного) (а) и базовой модели (б): 1 - полый катод; 2 - термокатод: 5 - соленоид; 4 - водоохлаждаемый фланец катодного узла; 5 - водоохлаждаемый корпус; 6 - изолятор; 7 - вакуумная камера-полый анод разряда; 8 - напуск рабочего газа: 9 - газоразрядная плазма; 10- плоский односторонний зонд; II - подвижный зонд Ленгыюра; 12 - источник электропитания накала термокатода; 13 - источник электропитания газового дугового разряда; 14 - источник электропитания соленоида: 15 - блок электропитания зондов: 16 - плазменный поток; 17 - область «плазменной тени»

В экспериментах в качестве термокатодов использовалась калиброванная вольфрамовая (марки В А) нить диаметром 0,8 мм и длиной рабочей части 150 мм - по одной для каждого из катодных модулей нового созданного генератора плазмы и для генератора базовой модели. В отличие от плазмогенератора базовой модели, имеющего одномодульную конструкцию с диаметром цилиндрического полого катода из нержавеющей стали 86 мм и его длиной 380 мм, созданный плазмогенератор состоит из 2-х размещённых на диаметрально противоположных фланцах вакуумной камеры катодных модулей с термоэмиссионными и полыми катодами. Полые катоды нового плазмогенератора, изготовленные также из нержавеющей стали, выполнены в форме усечённого конуса с диаметрами меньшего и большего оснований 86 и 180 мм соответственно и высотой 380 мм.

Зажигание и горение дугового разряда созданного плазмогенератора обеспечивается работой каждого из его катодных модулей на общий анод -внутренние стенки вакуумной камеры и реализуется следующим образом. При обеспечении накала термокатодов от источников переменного тока 12 (рис. 1), напуска рабочего газа 8 с одинаковым расходом в обе катодные полости, электропитания соленоидов от источников постоянного тока 14, создающих внутри полых катодов продольное магнитное поле с индукцией 0,02 Тл, и подачи разрядного напряжения Uj от источника электропитания дугового разряда 13 между электрически соединёнными полыми и термокатодами обоих катодных модулей и анодом эмитируемые термокатодами электроны дрейфуют вдоль силовых линий магнитного поля к аноду с отражением от стенок катодных полостей и ионизируют рабочий газ. Зажигающийся при этом несамостоятельный дуговой разряд при низких давлениях создаёт газоразрядную плазму 9, заполняющую вакуумную камеру. Параметры накала термокатодов каждого из катодных модулей регулируются так, чтобы обеспечить с них одинаковый ток разряда, в сумме обеспечивающий общий ток разряда плазмогенератора /rf. Горение дугового разряда плазмогенератора базовой модели (рис. 1 (б)) обеспечивается работой на вакуумную камеру - анод единственного его катодного модуля с цилиндрическим полым катодом, охватывающим термокатод, при аналогичных способах его электропитания и газового снабжения.

Третья глава «Исследование генераторов газоразрядной плазмы на основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления с термокатодом» посвящена сравнительным исследованиям плазмогенератора традиционной базовой модели и созданного плазмогенератора (для однородной обработки). Результаты измерения «угловой» и пространственной однородности распределения плазмы в объёме вакуумной камеры для плазмогенераторов обеих моделей, проведённые с помощью одностороннего зонда 10 (рис. 1) при изменении угла поворота токопроводящей его стороны в центре вакуумной камеры относительно катодных модулей плазмогенераторов и с помощью подвижного вдоль оси вакуумной камеры зонда Ленгмюра 11, представлены на рис. 2 (а) и (б) соотвественно. Неоднородность распределения плазмы оценивалась по ионному току насыщения зондов при их отрицательном

смещении относительно заземлённой вакуумной камеры 200 В, и полученные зависимости рис. 2 показывают следующее.

1.00 0,95 0,90 0.86 0.80 0.75 0,ГО 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0.350.30

1 - I иалиоип чигп

2 - Генератор дпя однородной обработки

-180-160-120-90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Угол поворота зонда, фад

(а)

-300.260-20£М50-100-50 0 50 100150 200250 300 Расстояние вдоль поперечного сечения плазменного потока Ям» (б)

Рисунок 2 - Плотность ионного тока одностороннего зонда в зависимости от угла его поворота в центре вакуумной камеры (а) и распределение в относительных единицах плотности ионного тока подвижного зонда Ленгмюра вдоль поперечной катодным модулям оси вакуумной камеры (о) с принятым за единицу значением, измеренным в её центре, для генераторов плазмы обеих моделей

«Угловая» (в зависимости от угла поворота одностороннего зонда в центре вакуумной камеры) зависимость плотности ионного тока из плазмы генератора базовой модели (рис. 2 (а), кривая 1) демонстрирует наличие потока в его плазме 16 и наличие области «плазменной тени» 17 (рис. 1 (6)). А полученная по данным рис. 2 (б), кривая 1 неоднородность распределения плазмы вдоль поперечной оси вакуумной камеры для данного плазмогенератора равна ± 25 % от среднего значения. Плотность же ионного тока, извлекаемого из плазмы созданного плазмогенератора, не зависит от угла поворота одностороннего зонда (рис. 2 (а), кривая 2), и выявленная из рис. 2 (б), кривая 2 неоднородность распределения плазмы этого генератора по объёму вакуумной камеры составляет ± 5 % от среднего значения.

Зависимости тока разряда от мощности накала термокатодов, определяющей ток термоэлектронной эмиссии и определяемой умножением действующих значений переменных тока и напряжения накала, плазмогенератора базовой и новой моделей (кривые в левой и в правой часта рис. 3 (а) соответственно), полученные при различных напряжениях горения разрядов, выявляют следующее.

В новом созданном плазмогенераторе достигаются превосходящие над генератором базовой модели токи разряда, но при суммарной мощности накала двух его термокатодов в 2 раза превосходящей мощность наката термокатода генератора базовой модели. Сравнение плазмогенераторов обеих моделей по величине получаемого тока разряда для одних и тех же значений напряжения горения было проведено в сравнении энергетических параметров двух раздельно функционирующих генераторов базовой модели и одного генератора новой конструкции. Например, для мощности накала термокатода генератора базовой модели равной 340 Вт и напряжении горения его разряда 50 В

(штриховые линии в левой части рис. 3 (а)) ток его разряда равен 22 А, и, значит, суммарный ток разряда двух раздельно функционирующих генераторов этого типа будет равен 44 А при указанном напряжении горения и суммарной мощности накала их термокатодов 680 Вт.

Рисунок 3 - Зависимость тока разряда от мощности накала термокатодов для различных напряжений горения разрядов (а) и зависимость концентрации плазмы в центре вакуумной камеры от тока разряда (б) для плазмогенераторов обеих моделей

В то же время, генератор новой модели при суммарной мощности накала его термокатодов 680 Вт и напряжении горения 50 В обеспечивает ток разряда равный 64 А (штриховые линии в правой части рис. 3 (а)), что в 1,45 раза больше тока разряда, обеспечиваемого двумя генераторами базовой модели. Подобный анализ для всех исследованных диапазонов мощности накала и напряжения горения рис. 3 (а) покачал, что ток разряда генератора плазмы новой модели больше суммарного тока разряда двух генераторов плазмы базовой модели в среднем приблизительно в 1,4 раза для одинаковых значений напряжения горения и суммарной мощности накала термокатодов.

Рис. 3 (б) показывает растущее с током разряда превосходство в концентрации генерируемой созданным плазмогенератором плазмы над плазмогенератором базовой модели, измеренной по ионному току насыщения зондов в центре вакуумной камеры.

В четвёртой главе «Эффективные способы вакуумно-плазменной обработки изделий» представлены созданные вакуумные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» (рис. 4 (а) и (б) соответственно), имеющие, помимо генератора газоразрядной плазмы для однородной плазменной обработки, соответственно от 2-х до 6-ти дополнительных плазменных источников (магнетронно-распылительных систем и электродуговых испарителей).

Основные характеристики установок приведены в таблице 1. Одной из важных характеристик обеих установок является указанная в таблице величина натекания в их вакуумные камеры, являющаяся условием вакуумных процессов с контролируемым химическим составом модифицируемой поверхности.

240 320 400 480 560 640 720 800 880 Мощность макапз термокагодз Рг От

0 40 80 120 160 200 240 280 Ток разряда А

(а)

(б)

(а) (б)

Рисунок 4 - Общий вид созданных вакуумно-плазменных установок «ЛЕГЕНДА-Томск» (а) и «СПРУТ» (б)

Таблица 1 - Основные характеристики установок «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ»

Характеристика «ЛЕГЕНДА-Томск» «СПРУТ»

Диаметр, высота (объём) вакуумной камеры 600 мм, 500 мм (0,14 м3) 1200 мм, 660 мм (0,7 м3)

Криогенная вакуумная откачка с производительностью 1200 л/с 5000 л/с

Предельное остаточное давление в вакуумной камере Не более 6 -10"4 Па

Величина натекания в вакуумную камеру Не более 3,4-10"5 Па м'/с

Концентрация газоразрядной плазмы 10ш=5-10и см"' | 109+10исм"3

Ниже рассмотрены возможности созданного оборудования в обработке поверхности материалов и изделий.

А) Вакуумно-плазменное азотирование.

Азотирование образцов стали марок 12Х18Н10Т, 95Х18-Ш, 07Х16Н6, 03X11Н8М2Ф-ВД и 30ХГСА в созданных установках также как их предварительная очистка и нагрев осуществлялись в плазме одного и того же газа — особо чистого азота (99,9997 %), создаваемой при работе генератора газоразрядной плазмы установок.

Профили распределения микротвёрдости по толщине азотированного слоя образцов стали 12Х18Н10Т после их азотирования при давлении 0,15 Па, температуре 7=520 °С и времени 1=2 ч приведет! на рис. 5 (а).

Кривая 2 зависимостей рис. 5 (а) была получена при азотировании образца под потенциалом анода в создаваемой плазмогенератором плазме азота с концентрацией «,=1,5-И)" см"3, и во время азотирования на образец поступал лишь ток электронов, а ионная бомбардировка его практически отсутствовала,

11

что исключало удаление поверхностных слоев загрязнений и снижало скорость азотирования. Тем не менее, в поверхности данного образца был сформирован слой толщиной ~ 15 мкм с повышенной в 2 раза по сравнению с исходной микротвёрдостью, отмеченный на рис. 5 (а) (кривая 2) штриховой линией.

(а) (б)

Рисунок 5 - Распределение микротвёрдости по толщине азотированного слоя образца стали 12Х18Н10Т (а) и фотография образца после азотирования (б)

Азотирование же образцов указанной стали при плавающем их потенциале -33 В относительно анода в плазме азота с концентрацией и,=5- К)" см"3 дало эффективную толщину азотированного слоя -55 мкм с повышенной в 2^4 раза по сравнению с основой микротвёрдостью, так же отмеченную штриховой линией на кривой I рис. 5 (а). Данное значение в 1,5 раза превосходит эффективную толщину азотированного слоя в 38 мкм, достигнутую при традиционном азотировании образцов нержавеющей стали той же марки при тех же значениях времени и температуры в условиях промышленной установки ННВ-6.6-И1 с паромасляной вакуумной откачкой и при использовании рассмотренного ранее генератора газоразрядной плазмы базовой модели. При этом в указанных условиях традиционного азотирования является необходимым поддержание отрицательного потенциала смещения образцов относительно анода на уровне не менее 300 В при плотности тока ионов азота на подложку ],=5 мА/см" для стравливания адсорбирующихся поверхностных плёнок загрязнений, в основном оксидов, при плотности мощности ионной бомбардировки поверхности > 1,5 Вт/см2. А при используемых в настоящей работе плавающем (- 33 В) и анодном потенциалах смещения образцов в описанных выше традиционных условиях азотирования вообще не происходит.

С использованием же созданных установок с криогенной откачкой и минимизацией неконтролируемого натекания с эффективным генератором газоразрядной плазмы плотность мощности, подводимой к поверхности образцов за счёт ионной бомбардировки, с повышением скорости (эффективности) азотирования удалось снизить до < 0,4 Вт/см2 (плотность ионного тока у¿=10 мА/см2 х отрицательный потенциал образца < 40 В), что существенно снизило рост шероховатости поверхности при азотировании -

рис. 5 (б) демонстрирует, что поверхность азотированного при плавающем потенциале образца остаётся, как и исходная поверхность, «зеркальной».

Азотирование при давлении рх:=0,15 Па, температуре 7=380 °С и времени процессов 1=90 мин образцов стали марок 95X18-Ш, 07X16Н6, 03X11Н8М2Ф-ВД и 30ХГСА при плавающем потенциале обеспечило приведённые на рис. 6 (а) — (г) соответственно профили распределения микротвёрдости в них.

Стать 95Х18-Ш

р. =0.15 Па; Г=380 °С; Г=90 мин

4 8 12 16 20 24 28 32 36 Расстояние от поверхности Л. мкм

(а)

сталь 03X11 Н8М2Ф-ВД

=0.15 Па; 7=380 °С; ?=90 мин

16

15

14

11 1— 13

3^12

Л £ 11

10

т 9

о 8

7

>

6

5-

Сталь 07X16Н6

р«=0.15 Па: 7=380 °С; ^=90 мин

в 8 10 12 14 1в 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Расстояние от поверхности /т. мкм

(б)

Сталь ЗОХГСА

р. =0,15 Па; 7=380 °С; ¿=90 мин

0 4 8 12 16 20 24 28 32 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Расстояние от поверхности й, мкм Расстояние от поверхности П. мкм

(в) (г)

Рисунок 6 - Распределение микротвёрдости по толщине азотированных слоев образцов стали различных марок

Б) Нанесение функциональных покрытий.

На рис. 7 (а) и (б) соответственно приведены Оже-профили промышленно получаемого покрытия латуни через промежуточный слой оксидов и покрытия "ПМ, полученного на аналогичной подложке кремния электродуговыми испарителями установки «СПРУТ» с очисткой и ассистированием в газоразрядной плазме азота без подачи смещения при температуре < 120 °С. Нанесение покрытия ПИ производится практически с отсутствием кислорода и с образованием в подложке легированного титаном слоя толщиной 60 нм. Скретч-тестирование покрытий показало более чем в 2 раза большую адгезию покрытия Т1М, как видно по фото треков индентора тестера для данных покрытий соответственно рис. 7 (в) и (г), где нагрузка 15 Н соответствовала разрушению подложки без явного отслоения покрытия Т1М.

С'кретч-тестирование осаждённых магнетронными способами установки «СПРУТ» покрытий Т1-Л1-81-Сг-Ы1-Си-0-С-Ы показало отсутствие их отслоения вплоть до нагрузок на индентор 30 Н, как видно из фото трека последнего (рис. 8 (а)). Отжиг данных покрытий показал стабильность их микротвёрдости на уровне > 47 ГПа вплоть до температуры 900 °С (рис. 8 (о)).

Нагрузка на индентор 7 Н

(в) (г)

Рисунок 7 - Оже-профили покрытий латуни (а) и нитрида титана (6) и вид треков индентора скретч-тестера с указанием критической нагрузки (в) и (г) разрушения данных покрытий соответственно

(а)

Рисунок 8 - Вид трека скретч-тестера (а) и отжига покрытия 'П-А1-51-Сг-№-Си-0-С-К

400 500 600 ТОО 800 900 1000 Температура отжига. вС

(б)

зависимость микротвёрдости от температуры

В) Ллашенно-иммерсионное легирование поверхности.

Легирование поверхности образцов никелида титана исследовалось при магнетронном нанесении на нее покрытия кремния в течение времени 20 мин с воздействием газоразрядной плазмы аргона с концентрацией ~ 10й см"3, генерируемой плазмогенераторами установок при давлении рА= 0,2 Па, при температуре 300 °С и подаче на образцы импульсного отрицательного напряжения смещения амплитудой 160 В, длительностью импульсов 17 мке и частотой их повторения 30 кГц. В аналогичных условиях, но при температуре 500 °С и подаче на подложки импульсного отрицательного напряжения смещения амплитудой 700 В, длительностью импульсов 5 мке и частотой их повторения 20 кГц в течение времени 1 ч производилось легирование поверхности стали 12Х18Н10Т титаном и углеродом также при магнетронном распылении данных элементов. Оже-профили полученных химических составов в поверхности при легировании кремнием, титаном и углеродом представлены

Расстояние от поверхности ь, ни Расстояние от поверхности />, мкм

(в) (г)

Рисунок 9 - Оже-профили легированных слоев при нанесении кремния в поверхности никелида титана (а), в поверхности стали 12Х18Н10Т при её легировании титаном и углеродом (6) и (в) соответственно и распределение микротвёрдости в легированном углеродом слое (г)

Расстояние от поверхности /», им

Расстояние от поверхности А. ни

(б)

Легирование привело к максимальному содержанию в подложках 10, 60 и 95 ат. % титана, углерода и кремния соответственно и к образованию легированных слоев с низким (< 2~3 %) содержанием кислорода протяжённостью 300 нм для кремния и титана и более 10 мкм для углерода. Микротвёрдость

легированного углеродом образца у поверхности повысилась более чем в 4 раза (до 10,5 ГПа) по сравнению с основой, а профиль с превосходящей основу твёрдостью распространяется более чем на 170 мкм (рис. 9 (г)). В заключении приведены выводы по работе:

1. Созданный плазмогенератор способен генерировать газоразрядную плазму с концентрацией до 5-1011 см"3 и однородностью распределения не хуже ± 5% с отсутствием «плазменной тени» в больших (>0,15 м ) вакуумных камерах при давлении 0,1+1 Па

2. Созданные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» с криогенной откачкой при остаточном вакууме < б-10"4 Па, неконтролируемом натекании не более 3,4Т0"5 Па м3/с, содержащие магнетронно-распыпительные системы, электродуговые испарители и созданный генератор газоразрядной плазмы с однородной плазменной обработкой с плотностью тока ионов > 10 мА/см", расширяют возможности плазменной обработки материалов и изделий в вакууме и обеспечивают следующие новые вакуумно-плазменные процессы и способы.

- Азотирование при температуре 380+520 °С со скоростью 10+30 мкм/ч нержавеющей стали различных марок при низком отрицательном потенциале смещения (< 40 В) и незначительном ухудшении чистоты обработки поверхности.

- Нанесение сверхтвёрдых покрытий (Н20 > 40 ГПа) практически с отсутствием кислорода как на границе раздела покрытие-подложка, так и в самом покрытии, обладающих высокой адгезией (> 30 Н) и термостабильностью твёрдости при отжиге вплоть до 900 °С.

- Легирование кремнием никелида титана при температуре 300 °С и титаном и углеродом нержавеющей стали 12Х18Н10Т при температуре 500 °С с получением при содержании кислорода < 2+3 % и максимальном содержании 10, 60 и 95 % титана, углерода и кремния толщины легированных слоёв 300 нм для кремния и титана и > 10 мкм для углерода.

Проведённые исследования позволяют выявить условия осуществления высокоэффективных технологий вакуум!ю-плазменной обработки материалов и изделий и внедрения их в производство.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Борисов Д.П. Генерация объёмной плазмы дуговым разрядом с накалённым катодом / Д.П. Борисов, H.H. Ковать, П.М. Щанин /7 Изв. вузов. Физика - 1994.

- Т. 37. - № 3. - С. 115-120.

2. Борисов Д.П. Газовый плазмогенератор для реализации технологических процессов в больших вакуумных объёмах промышленных установок / Д.П. Борисов, В.М. Савостиков II Изв. вузов. Физика. - 2007. - Т. 50. - № 9. - С. 43-46.

3. Коротаев А.Д. Упругонапряжёшгое состояние многоэлементных сверхтвёрдых покрытий / А.Д. Коротаев, Д.П. Борисов, BJO. Мошков // Физическая мезомеханика. - 2009. - Т. 12. - № 4. - С. 79-91.

4. Вакуумный технологический комплекс «СПРУТ» для формирования поверхностных структур со сверхвысоким! свойствами радиационным воздействием плазменных магнетронно-дуговых потоков / Д.П. Борисов [и др.] // Изв. вузов. Физика. - 2009. - Т. 52. - № 8/2. - С. 511 -514.

5. Вакуумно-плазменный технологический комплекс «СПРУТ» для создания новых нанокомпозитных материалов и упрочняющих поверхностных структур изделий / Д.П. Борисов [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. - Т. 76. - № 12. - С. 32-36.

6. Коротаев А.Д. Особенности структурно-фазового и упругонапряжённого состояния нанокомпозитных сверхтвёрдых покрытий на основе TiN / А.Д. Коротаев, Д.П. Борисов, В.Ю. Мошков // Физическая мезомеханика. -2011.-Т. 14,-№5.-С. 87-97.

7. Разработка эффективных вакуумно-плазменных методов модификации поверхности и синтеза покрытий / Д.П. Борисов [и др.] //' Изв. вузов. Физика. -2011. - Т. 54. - № 9/2. - С. 19-26.

8. Efficient arc sources of gas-discharge plasma in vacuum-plasma production facilities / D.P. Borisov [et al.] // Изв. вузов. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 12/2. - С. 28-31.

9. Vacuum-plasma technologies for high-quality surface-treatment applications / D.P. Borisov [et al.] // Изв. вузов. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 12/2. - С. 32-35.

10. Effective Processes for Arc-Plasma Treatment in Large Vacuum Chambers of Technological Facilities / D.P. Borisov [et al.] // IEEE Trans. Plasma Science. - 2013. - Vol. 41. - No. 8. - P. 2183-2195.

11. Эффективная генерация объёмной газоразрядной плазмы с помощью несамостоятельного газового дугового разряда / Д.П. Борисов [и др.] // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 3/2. - С. 65-69.

12. Investigation of parameters and uninterrupted service of a generator of gasdischarge plasma based on a nonsustained hot-cathode arc discharge in gas / D.P. Borisov [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. - 2014. - Vol. 552. -P. 012001.

13. Технологические установки для эффективной вакуумно-плазменной обработки изделий на основе источников низкотемпературной плазмы / Д.П. Борисов [и др.] // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 3/2. - С. 62-64.

14. Технологические способы эффективной вакуумно-плазменной обработки изделий в вакуумных камерах большого объёма / Д.П. Борисов [и др.] // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57, № 3/3. - С. 47-51.

Доклады на конференциях п симпозиумах:

1. Borisov D.P. Generator of gas plasma for ion plasma technological setups with large vacuum volumes / D.P. Borisov, V.I. Gusel'nikov, G.T. Starostin // Proc. 9th Int. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia, 2008, P. 103-106.

2. Вакуумный технологический комплекс «СПРУТ» для формирования высококачественных упрочняющих поверхностных структур изделий плазменными магнетронно-дуговыми методами / Д.П. Борисов [и др.] //

Взаимодействие излучений с твёрдым телом: материалы 8-й международной конференции. Минск, Беларусь. - 2009. - С. 299-301.

3. Технологический комплекс процессов вакуумно-плазменного легирования поверхности металлоизделий «ЛЕГЕНДА» / Д.П. Борисов [и др.] // Взаимодействие излучений с твёрдым телом: материалы 9-й Международной конференции. Минск, Беларусь. - 2011. - С. 399-402.

4. Технологические способы эффективной вакуумно-плазменной обработки изделий / Д.П. Борисов [и др.] // Взаимодействие излучений с твёрдым телом: материалы 10-й международной конференции. Минск, Беларусь. - 2013. -С. 383-385.

5. Лотков АЛ. Закономерности формирования химического состава и структурно-фазового состояния при плазменно-иммерсионной ионной модификации кремнием поверхности образцов никелида титана / А.И. Лотков,

0.A. Кашин, Д.П. Борисов // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: сборник докладов VI всероссийской конференции. Новосибирск, Россия, 2015. -Т. 1.-С. 150-154.

6. Борисов Д.П. Вакуумно-плазменное оборудование и технологии Томского государственного университета для нанесения функциональных покрытий с плазменно-иммерспонным легированием поверхности изделий / Д.П. Борисов, В.М. Кузнецов, В.А. Слабодчиков // Вакуумная техника, материалы и технология: материалы X Международной научно-технической конференции. Москва, Россия.-2015.-С. 141-145.

Патенты:

1.Пат. 2116707 Российская Федерация, МПК Н05Н1/24. Устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы / Д.П. Борисов, НЛ. Коваль, П.М. Щанин; заявитель и патентообладатель Институт сильноточной электроники СО РАН. - № 97100106/25; заявл. 06.01.1997; опубл. 10.01.1998, Бюл. № 21. -4 е.: ил.

2. Пат. 87065 Российская Федерация, МПК Н05Н1. Устройство для создания однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах больших объёмов / Д.П. Борисов; заявитель и патентообладатель Том. политехи, ун-т. - № 2009116388/22; заявл. 29.04.2009; опубл. 20.09.2009, Бюл. № 29. - 5 е.: ил.

3. Пат. 116733 Российская Федерация, МПК Н05Н1/00. Устройство для создания однородно-распределённой газоразрядной плазмы в больших вакуумных объёмах технологических установок / Д.П. Борисов, В.М. Кузнецов, Е.В. Чулков; заявитель и патентообладатель Том. гос. ун-т. - № 2011144344/07; заявл. 01.11.2011; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 18. - 6 е.: ил.

4. Пат. 122654 Российская Федерация, МПК С23С14/24. Устройство вакуумной откачки вакуумных камер технологических вакуумно-плазменных установок / ДЛ. Борисов и др.; заявитель и патентообладатель Том. гос. ун-т. -№ 2012121224/02; заявл. 23.05.2012; опубл. 10.12.2012, Бюл. № 34. -4 е.: ил.

Тираж 100 экз. Заказ 748. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.(3822)533018.