Способ ионно-плазменного легирования поверхности изделия



Способ ионно-плазменного легирования поверхности изделия
Способ ионно-плазменного легирования поверхности изделия
Способ ионно-плазменного легирования поверхности изделия

 


Владельцы патента RU 2479668:

Грибков Владимир Алексеевич (RU)
Пименов Валерий Николаевич (RU)
Демина Елена Викторовна (RU)

Изобретение относится к плазменной обработке поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении, электротехнике, энергетике, электронике и других областях. Способ включает формировании в камере плазменной установки в среде рабочего газа под действием высокого напряжения, приложенного к аноду и катоду, плазменного сгустка, воздействующего на обрабатываемую поверхность, с внедрением в поверхностный слой имплантируемого материала, при этом плазменный сгусток формируют при повышенном градиенте электрического поля между катодом и анодом на его выходном участке за счет уменьшения расстояния между ними без возникновения пробоя в среде рабочего газа в начальной стадии разряда и образования между анодом, имеющим расширение со стороны обрабатываемой поверхности, и обрабатываемой поверхностью горообразного плазменного индуктивного накопителя энергии, и воздействие им на обрабатываемую поверхность в интервале времени от 30 до 200 мкс.

Способ позволяет повысить прочность покрытия за счет увеличения эффективности воздействия плазменного сгустка на обрабатываемую поверхность. 3 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к обработке поверхности изделий, а именно к способу плазменной обработки поверхности изделий, например, в машиностроении, электротехнике, энергетике, электронике и других областях.

В ряде областей энергетики, ускорительной, военной и аэрокосмической технике используются элементы конструкций, которые должны выдерживать многократное воздействие мощных импульсных потоков ионизирующего излучения. В частности, такие материалы должны противостоять потокам горячей плазмы (температура порядка 1-10 млн. градусов), быстрых ионов и электронов (с энергией частиц 0,1…1,0 МэВ) и рентгеновского излучения (энергия фотонов 0,01…1,0 МэВ). Эти параметры типичны для солнечного ветра и солнечных вспышек, для плазмы и быстрых частиц вблизи первой стенки термоядерных реакторов с инерциальным и магнитным удержанием плазмы, а также для ряда промышленных ускорителей. Среди веществ, применяемых для изготовления вышеуказанных элементов, - различные виды нержавеющей стали, вольфрам, бериллий, разные типы керамики, оптические материалы, композиты и пр.

Известен способ получения эрозионно стойких теплозащитных покрытий [1], включающий плазменное напыление подслоя нихрома и последующее напыление керметной композиции из механической порошковой смеси, содержащей 50-80 вес. % диоксида циркония и 50-20 вес. % нихрома, при этом для напыления керметной композиции используют механическую смесь, содержащую порошки диоксида циркония и нихрома с размером частиц 10-40 и 40-100 мкм соответственно, и подачу порошковой смеси осуществляют под срез сопла плазмотрона в направлении его перемещения относительно напыляемой поверхности, при этом в качестве стабилизирующей добавки в порошке диоксида циркония используют оксид кальция, содержание которого составляет величину 4-6 вес.%.

Недостатком известного способа [1] являются недостаточно высокие механические свойства напиленного покрытия и невысокая прочность сцепления покрытия с основой.

Известен также способ обработки поверхности изделия [2], включающий подачу порошкового компонента в ламинарную плазменную струю, при этом порошковый компонент подают в плазменную струю транспортирующим газом в направлении ее истечения под углом 5-10° к оси плазменной струи, причем транспортирующий газ вводят в количестве 0,5-0,6 расхода плазмообразующего газа. В известном способе обеспечивается напыление порошковой компоненты в различных пространственных положениях образца.

Известные способы [1, 2] не обеспечивают высоких механических свойств напыленного покрытия и необходимой прочности сцепления покрытия с основой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является известный способ плазменной обработки поверхности изделия [3], основанный на формировании плазменной струи в камере плазменной установки в среде рабочего газа под действием высокого напряжения, приложенного к аноду и катоду, и воздействии высокотемпературной плазмой на поверхность изделия с внедрением в его поверхностный слой имплантируемого материала, при этом плазменную струю формируют сгустками в импульсном режиме со скоростью истечения плазменной струи (105-106) м/сек, температурой (0,1-3,0) КЭВ, плотностью мощности потока плазменной струи 106-1010 Вт/см2, а концентрацию легирующего компонента в поверхностном слое задают количеством воздействующих импульсов и длительностью воздействия отдельного импульс. При этом воздействующие импульсы формируют с частотой в пределах 0,01-105 Гц и с длительностью воздействующего импульса в пределах от 10-8 до 10-6 сек, а в качестве источника легирующего компонента используют материал анода или материал вставки, которую располагают в аноде на оси плазменной струи.

Недостатком такого способа является недостаточная эффективность воздействия плазменной струи (сгустка) на обрабатываемую поверхность, поскольку импульсы, генерируемые в известном способе, обладают очень короткой длительностью.

Предлагаемый способ направлен на увеличение длительности плазменного воздействия на облучаемый материал путем образования торообразного плазменного индуктивного накопителя энергии, «затягивающего» время воздействия.

Технический результат, заключающийся в повышении эффективности воздействия плазменного сгустка на обрабатываемую поверхность с целью повышения прочности покрытия, достигается в предлагаемом способе плазменной обработки поверхности изделия, основанном на формировании в камере плазменной установки в среде рабочего газа под действием высокого напряжения, приложенного к аноду и катоду, плазменного сгустка, воздействующего на обрабатываемую поверхность, с внедрением в поверхностный слой компонента имплантируемого материала тем, что плазменный сгусток формируют при повышенном градиенте электрического поля между катодом и анодом на его выходном участке без возникновения пробоя в среде рабочего газа в начальной стадии разряда с образованием в зоне воздействия торообразного плазменного индуктивного накопителя энергии в интервале времени от 30 до 200 мкс.

При этом повышение градиента электрического поля между анодом и катодом обеспечивают посредством уменьшения расстояния между катодом и анодом на его выходном участке.

Указанный технический результат достигается также тем, что плазменный сгусток формируют при расширяющемся в сторону обрабатываемой поверхности аноде.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 показана схема, поясняющая аппаратурную реализацию предложенного способа и формирование плазменного сгустка;

- на фиг.2 представлены осциллограммы, иллюстрирующие линчевание плазмы в зоне воздействия на обрабатываемую поверхность;

- на фиг.3 показаны интерферограммы, полученные в промежутке «анод - обрабатываемая поверхность».

Предложенный способ реализуется следующим образом и поясняется схемой (фиг.1), на которой схематически показана установка, содержащая анод 1 с изолятором 2, катод 3, выполненный, например, в виде катодных стержней, симметрично расположенных вокруг анода 1, и изделие с обрабатываемой поверхностью 4, заключенные в герметичную камеру (на чертеже не показана), заполненную рабочим газом. В качестве рабочего газа может использоваться водород, гелий, азот, дейтерий, аргон и др. Анод 1 выполнен из материала, используемого для легирования поверхности 4.

Под действием высокого напряжения, приложенного к аноду 1 и катоду 3, в камере плазменной установки в среде рабочего газа создается плазменная структура 5. При этом формируют плазменный сгусток при повышенном градиенте электрического поля между катодом 3 и анодом 1 на его выходном участке без возникновения пробоя в среде рабочего газа в начальной стадии разряда с образованием торообразного плазменного индуктивного накопителя энергии 6 в интервале времени от 30 до 200 мкс, воздействующего на обрабатываемую поверхность 4 с внедрением в поверхностный слой компонента имплантируемого материала.

Повышение градиента электрического поля между анодом 1 и катодом 3 обеспечивают посредством уменьшения расстояния между катодом 3 и анодом 1 на его выходном участке. Плазменный сгусток 6 формируют при расширяющемся в сторону обрабатываемой поверхности аноде (на участке 7).

При запитывании катода 3 и анода 1 от конденсаторной батареи (на чертеже не показана) происходит электрический разряд в наполняющем камеру рабочем газе, который носит затухающий осциллирующий характер (обычно наблюдается 4-6 колебаний).

Промежуток «анод-катод» пробивается по поверхности изолятора 2 и при этом формируется токовоплазменная оболочка (ТПО).

Эта оболочка за счет обратного пинч-эффекта отжимается пондеромоторной силой от изолятора 2 и ускоряется в коаксиальном промежутке между анодом 1 и катодом 3 вдоль оси камеры Z, захватывая весь газ, равномерно заполнявший до этого всю камеру.

Повышение градиента электрического поля анодом 1 и катодом 3 приведет к возникновению перенапряжения ~1 MB на пинче 8 в момент «обрыва тока» [4] и, как следствие, к взрывной эмиссии материала анода и катода. Этот разлетающийся материал должен привести, в свою очередь, к отсоединению основной токовой петли от батареи (не показана) и замыканию контура тока на выходном участке 7 анода 1 в форме тора 6, как это показано на фиг.1.

После аксиальной стадии ускорения плазмы наступает радиальная стадия, когда захваченная оболочкой плазма сжимается к оси Z камеры, формирует т.н. воронкообразный «пинч», который порождает мощную кумулятивную струю горячей плазмы вдоль оси Z камеры от анода 1. Впоследствии пинч «взрывается» различными неустойчивостями (т.н. «обрыв тока») и генерирует мощные потоки быстрых электронов (направленных к аноду) и ионов (от анода). Электроны при торможении у анода 1 производят вспышку рентгеновского излучения, а ионы в состоянии максимального сжатия пинча - нейтронного. Длительности импульсов горячей плазмы и потоков электронов, ионов, рентгеновского и нейтронного излучений в зависимости от размера установки оказываются порядка 10…200 наносекунд (нс). Перенапряжение на пинче в этот период времени достигает величины порядка 1 MB.

Торообразная структура, которая образуется в момент времени, близкий к моменту достижения разрядным током максимального значения, образует своего рода «плазменный индуктивный накопитель» 6, который будет разряжаться по апериодическому закону за время τ~L/R, где L - индуктивность торообразной токовой петли (т.е., фактически, пинча), a R - активное сопротивление плазмы пинча.

При этом образовавшаяся на выходном участке 7 анода 1 токово-плазменная "перемычка" служит замыкателем и для токового контура, обеспечивающего диссипацию оставшейся энергии плазменной структуры 5 (фиг.1).

При этом осуществляется легирование поверхности 4.

После описанных стадий плазма пинча 8 разваливается, и газ снова заполняет камеру. При последующих затухающих колебаниях тока разряда этот процесс пробоя вдоль изолятора 2 и сгребания газа к оси Z повторяется в каждом полупериоде.

Пример реализации способа.

Для реализации способа использовалась установка плазменного фокуса (ПФ), в которой для повышения градиента электрического поля на выходном участке анода 1 он был выполнен в соответствии с фиг.1.

С помощью магнитных зондов (на фиг.1 не показаны) записывались магнитные сигналы в этой области, а следовательно, и структура токов в зоне (см. совмещенные осциллограммы производной тока dl/dt на фиг.2а, б, в). На этих осциллограммах буквой «О» отмечен момент особенности производной тока, когда происходит сжатие (линчевание) плазмы у оси Z, обрыв тока и генерация пучков быстрых электронов и ионов. Из этих осциллограмм видно, что во время первого полупериода разряда тока вплоть до «особенности» (момента «О» подскока напряжения) все зонды показывают синхронно меняющиеся по фазе значения dl/dt (фиг.2а). Однако после момента «О» и, в особенности, во втором полупериоде разряда и далее все зонды показывают различные друг по отношению к другу колебательные процессы вплоть до противофазных (фиг.2б, в). На фиг.2 в показаны первый и второй полупериоды разряда. Здесь также видны несинхронные и противофазные колебания от разных зондов после момента «О».

С помощью кадровой наносекундной лазерной интерферометрии наблюдалась динамика плазмы в промежутке между центром анода 1 и расположенной напротив него облучаемой поверхности 4 в разные моменты времени (фиг.3). Лазерные интерферограммы были получены для моментов времени, соответствующих особенности тока («О») (фиг.3а) и для значительно более поздних моментов, например для запаздывания по отношению к особенности на 10 микросекунд («Л») (фиг.3б), во время второго (отрицательного) полупериода разряда.

Приведенные на фиг.3 примеры показывают, как меняется конфигурация плазмы вблизи момента, отмеченного буквой «О» (фиг.3а и б), а также после момента «О» вблизи момента времени «Л» (фиг.3в и г).

Из этих рисунков видно, что пинч вблизи момента «О» быстро меняет свою форму за 60 нс и должен в течение последующих 50-100 нс разрушиться (что и наблюдалось в других разрядах), тогда как на 10-й мкс имеется практически стационарная плазменная колонна.

Таким образом, приведенный пример показывает «отшнуровывание» токового контура и образование замкнутой торообразной токовой конфигурации 6 с перемычкой на выходном срезе анода 1. При этом такой пинч поддерживается протекающим по нему током, и выделяющаяся при этом в пинче энергия производит воздействие горячей плазмой на поверхность 4 в течение более длительного времени, чем в прототипе [3].

Экспериментально полученные данные показывает, что плотность и температура вторичной плазмы у поверхности мишени спадают монотонно.

Результаты экспериментов подтверждают реализуемость такого режима «затягивания» импульса плазменного теплового воздействия на поверхности 4, которое может достигать величину от 30 до 200 мкс в зависимости от типа установки и используемых в ней электродов (анода и катода).

Используя предлагаемый способ для обработки материалов комбинированными потоками ионов, электронов и высокотемпературной импульсной плазмы, можно осуществлять поверхностное легирование облученных изделий, осаждая на их поверхность различные материалы, входящие в состав либо анода, или катода. Способ «ионно-плазменного легирования» поверхностей можно применять для улучшения поверхностных свойств обрабатываемых изделий.

Обработка исследуемого материала в ПФ приводит к модифицированию поверхностных слоев изделий на основе структурно-фазового превращения и формирования ультрадисперсной микроструктуры.

Предлагаемый способ обеспечивает получение легированных многокомпонентных поверхностных слоев с широкой гаммой физических свойств и может быть востребовано в различных областях науки и техники.

Промышленная применимость предложенного способа обработки поверхностных слоев изделий подтверждается результатами проведенных опытов.

Поверхностное легирование материалов с помощью предлагаемого способа является перспективным для модифицирования поверхностных слоев с целью повышения их коррозионной и радиационной стойкости, а также улучшения механических свойств.

Источники информации

1. Патент РФ №2283363, МПК C23C 4/00, 2003 г.

2. Патент РФ №1625045, МПК C23C 4/00, 1988 г.

3. Патент РФ №2340703, МПК C23C 13/14, 2007 г.

4. V.A.Gribkov, A.Banaszak, B.Bienkowska, A.V.Dubrovsky, I.Ivanova-Stanik, L.Jakubowski, L.Karpinski, R.A.Miklaszewski, M.Paduch, M.J.Sadowski, M.Scholz, A.Szydlowski, K.Tomaszewski (2007) Plasma dynamics in PF-1000 device under the full-scale energy storage: II. Fast electrons and ions characteristics versus neutron emission parameters, and the gun optimization properties, J. Phys. D: Appl. Phys. 40 3592-3607.

Способ ионно-плазменного легирования поверхности изделия, включающий формирование в камере плазменной установки в среде рабочего газа под действием напряжения, приложенного к аноду и катоду, плазменного сгустка и воздействие им на обрабатываемую поверхность с внедрением в поверхностный слой имплантируемого материала, отличающийся тем, что плазменный сгусток формируют при повышенном градиенте электрического поля между катодом и анодом на его выходном участке за счет уменьшения расстояния между ними без возникновения пробоя в среде рабочего газа в начальной стадии разряда и образования между анодом, имеющим расширение со стороны обрабатываемой поверхности, и обрабатываемой поверхностью торообразного плазменного индуктивного накопителя энергии, и воздействие им на обрабатываемую поверхность в интервале времени от 30 до 200 мкс.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов. .

Изобретение относится к области ионно-лучевой вакуумной обработки материалов и может быть использовано в машиностроении. .

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, а также в медицине и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к получению легированного кварцевого стекла с тетраэдрической координацией атомов титана и может быть использовано при создании оптоэлектронных и светоизлучающих устройств.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной обработки поверхности деталей из конструкционных сталей, в частности, типа 30ХГСН2А. .

Изобретение относится к ионно-лучевым технологиям получения материалов со специальными свойствами, а именно к способам и устройствам для ионной обработки изделий, и предназначено для изменения физических, механических и химических свойств поверхностных слоев металлов или сплавов.

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технологии, а именно к устройствам для обработки длинномерных изделий. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной обработки поверхности деталей из конструкционных сталей. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на рабочие лопатки газотурбинных двигателей и энергетических установок

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных сталей

Изобретение относится к способу получения имплантированного ионами олова кварцевого стекла из диоксида кремния с поверхностным слоем, содержащим нанокластеры олова
Изобретение относится к технологии получения покрытий при изготовлении режущего инструмента

Изобретение относится к области атомного и химического машиностроения, а именно к способам нанесения покрытий для защиты деталей от водородной коррозии. Технический результат - повышение работоспособности, надежности и увеличение долговечности деталей с покрытием. Способ включает обезжиривание детали, размещение детали в вакуумной камере, откачку камеры до вакуума, предварительную очистку в среде инертного газа, ионную очистку/травление поверхности, осаждение слоев конденсацией с ионной бомбардировкой и охлаждение в вакууме, а затем в среде инертного газа. Размещение детали выполняют в точке фокусирования потоков не менее чем двух вакуумных дуговых источников плазмы. Предварительную очистку выполняют в среде ионизированного инертного газа. Ионную очистку/травление поверхности выполняют путем подачи на подложку сначала напряжения в диапазоне 200-500 В, затем повышают его плавно или ступенчато до 1-1,5 кВ. При этом для нанесения микрослоев покрытия используют сплавы на основе сочетаний металлов, выбранных из группы Cr, Ni, W, Nb, Zr, Ti, Al, Mo, распыляя их одновременно при вращении детали. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора и турбины из легированных сталей и сплавов на никелевой основе для повышения выносливости и циклической долговечности деталей. Способ включает создание требуемого вакуума турбомолекулярным насосом, ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. Вакуум создают от 10-5 до 10-7 мм рт.ст. Ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 мкА/см2 до 160 мкА/см2 в течение от 0,3 до 1,0 часа. Ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят либо в непрерывном, либо в импульсном режиме при энергии от 25 до 30 кэВ, дозой от 1,6·1017 см-2 до 2·1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7·1015 с-1 до 1·1015 с-1. Повышаются эксплуатационные характеристики деталей. 16 з.п. ф-лы.

Изобретение может быть использовано при обработке длинномерных изделий для модифицирования поверхности и нанесения функциональных покрытий с использованием технологий вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий. Цилиндрическая вакуумная камера (1) установки имеет загрузочную дверь (11), оснащенную фланцевыми соединениями для установки технологических модулей (4, 5, 6, 7, 8). Установка содержит систему подачи газов, откачную систему, источники питания и блок управления. Приспособление для размещения обрабатываемых изделий выполнено поворотным. В качестве технологических модулей установка содержит, по крайней мере, один протяженный вакуумно-дуговой генератор металлической плазмы, протяженный генератор газовой плазмы, среднечастотный дуальный магнетрон, источник ионов металлов, источник ионов газов, а также источник напряжения смещения, выполненный с возможностью обеспечения ионной имплантации и/или осаждения покрытий. Техническим результатом изобретения является обеспечение одновременной или последовательной комплексной поверхностной обработки, включающей очистку и активацию поверхности, нанесение различного вида функциональных многослойных покрытий, модифицирование поверхности металлической и газовой плазмой. 16 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области получения мощных ионных пучков, а именно к катодам, которые могут быть использованы в установках для ионной имплантации металлов и сплавов, работающих в непрерывном и импульсном режимах. Катод выполнен из сплава меди со свинцом. Свинец содержится в количестве 36 мас.%, соответствующем монотектической точке сплава, в микроструктуре которого суммарная протяженность межфазных границ на 1 мм поверхности катода составляет 6,5…16,0 мм/мм2. Технический результат - повышение износостойкости имплантируемых деталей. 4 ил., 1 табл.

Изобретение к способу получения люминофора в виде аморфной пленки диоксида кремния с ионами селена, расположенной на кремниевой подложке. Способ включает имплантацию ионов селена с энергией ионов 300±30 кэВ при флюенсе 4÷6·1016 ион/см2 в указанную пленку и первый отжиг при температуре 900÷1000°C в течение 1÷1,5 часов в атмосфере сухого азота. При этом пленку дополнительно отжигают при температуре 500÷650°C в течение 1,5÷2,5 часов в воздушной атмосфере. Технический результат - повышение стабильности спектра фотолюминесценции люминофора, обладающего люминесцентным излучением в видимом диапазоне 380÷760 нм. 1 ил., 1 табл., 3 пр.
Наверх