[
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 руководитель: 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/
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
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 разрядом 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
«