Плазменные потоки

Большой интерес исследователей вызывают способы упрочнения поверхностей твердых тел с использованием импульсных плазменных источников, поскольку они позволяют обрабатывать сравнительно большие площади изделий, а также сочетают в себе термическое воздействие с легированием оплавляемых слоев.

Плазменные реакторы для химико-термической обработки материалов, в том числе и для азотирования титановых сплавов, содержат различные устройства, создающие поток активных частиц из плазмы на обрабатываемую поверхность. Среди многообразия плазменных реакторов выделяют следующие: ионные источники, источники с тлеющим разрядом (при постоянном токе и импульсные), высокочастотные и сверхвысокочастотные разряды, а также процесс плазменно-иммерсионной ионной имплантации [89].

При азотировании титановых сплавов наиболее широко используются плазменные реакторы с тлеющим разрядом. Работа таких реакторов, как правило, осуществляется при заполнении их смесью газов (азот + водород) с давлением до 500 Па. Так, в работах [90-92] было обнаружено, что азотирование титана в плазме тлеющего разряда происходит в результате диффузионного насыщения его поверхности азотом, которое приводит к формированию градиентной структуры, состоящей из внешнего слоя нитрида титана TiN с концентрацией атомов азота 50 ат.%. Ниже следуют слои нитрида титана Ti2N и твердого раствора a-Ti(N). В результате азотирования достигается увеличение микротвердости поверхностного слоя до 20 ГПа, что обусловлено формированием нитридных фаз.

Недостатком азотирования титана в плазме тлеющего разряда является относительно высокая длительность процесса, составляющая несколько часов, что необходимо для эффективного протекания диффузионных процессов в твердой фазе обрабатываемого образца титана.

С целью химико-термической обработки металлов и сплавов известно применение импульсных ускорителей плазмы с коаксиальной системой электродов, изготовленных из материала, плазму которого необходимо получить. Вакуумный разряд в таких системах развивается в основном в паровых продуктах эрозии внутреннего электрода, которые переводятся в разряде в плазменное состояние и ускоряются электромагнитным полем. Плазмообразующая среда также может быть получена из диэлектрического материала, изготовленного в виде вставок между электродами. Из-за относительно низкой плотности плазмы источники эрозионного типа преимущественно используются с целью формирования покрытий на поверхности материалов.

В последнее время модифицирование титановых сплавов стали проводить с помощью электровзрывного легирования (ЭВЛ) его поверхностного слоя. Инструментом воздействия на поверхность при ЭВЛ являются импульсные плазменные струи, формируемые из продуктов электрического взрыва проводников. Обработка поверхности проводится с ее плавлением. При этом

вблизи поверхности формируется ударно-сжатый слой с высокими значениями температуры и давления, а в зоне плавления, насыщаемой компонентами плазмы, развиваются интенсивные процессы конвективного перемешивания, приводящие к перераспределению легирующих элементов по всей глубине расплава [93, 94].

Материалом взрываемого проводника при ЭВЛ служат чистые металлы и их сплавы, а также другие электропроводящие вещества, например углеродные волокна.

Например, науглероживание поверхностного слоя титана с помощью ЭВЛ при плотности поглощенной мощности 5,5— 6,5 ГВт/м2 приводит к формированию в поверхностном слое толщиной до 40 мкм карбида титана TiC, оксида титана ТЮ2, а также графита. Поверхность обработанного титанового сплава характеризуется развитым рельефом с повышенным уровнем шероховатости и высокой плотностью кратеров на поверхности. С целью снижения уровня шероховатости поверхности титановых сплавов, а также для снижения уровня внутренних напряжений, формирующихся после ЭВЛ, осуществляют дополнительную обработку СЭП [95].

Перспективным способом обработки материалов являются плазменные методы, основанные на технике получения плазменных потоков с помощью плазменных ускорителей или плазмотронов. До недавнего времени исследования по воздействию плазменных потоков на поверхность различных материалов ограничивались условиями либо высокоэнергетического импульсного воздействия относительно малой длительности (до нескольких десятков микросекунд), либо более продолжительного, но менее интенсивного воздействия с относительно небольшой скоростью истечения плазмы. Такое ограничение было связано с отсутствием высокоэнергетических плазменных ускорителей, способных работать в квазистационарных режимах с длительностью разряда на уровне сотен и тысяч микросекунд.

Наибольший интерес для получения высокоэнергетических плазменных потоков представляют электромагнитные плазменные ускорители с собственным магнитным полем. В таких

устройствах ускорение плазмы осуществляется за счет силы, возникающей при взаимодействии разрядного тока с собственным азимутальным магнитным полем.

В настоящий момент разработаны импульсные и стационарные (квазистационарные) плазменные ускорители с собственным магнитным полем. К квазистационарным относятся системы, в которых длительность устойчивого существования разряда гораздо больше пролетного времени плазменного образования, т. е. времени, за которое плазма успевает пролететь ускорительный канал разрядного устройства. В импульсных системах пролетное время сравнимо с длительностью разряда. Существуют мощные импульсные ускорители, которые позволяют получать потоки водородной плазмы с плотностью частиц ~ 1015-1016 см-3, направленной скоростью 5 • 107 см/с, энергия которых достигает 100 кДж за время импульса 10 мкс.

Исследование квазистационарных плазменных ускорителей связано с разработкой А. И. Морозовым принципов ионного то- копереноса [96]. Первыми ускорителями, работающими в таком режиме, являлись магнитоплазменные компрессоры (МПК). Для реализации ионного токопереноса в разрядном устройстве ускорителя организована подача ионов со стороны анода в ускорительный канал. С этой целью внешний электрод (анод) выполнен стержневым, в результате чего ионы попадают в канал через промежутки между анодными стержнями. При больших разрядных токах, характерных для МПК, ионы дрейфуют от анода к катоду, обеспечивая тем самым перенос тока в канале, при этом они набирают кинетическую энергию в электрическом поле при движении вдоль его силовых линий.

В МПК с аксиально-симметричной системой двух электродов ускорение плазмы сопровождается ее сжатием за срезом внутреннего электрода (катода) за счет взаимодействия продольной составляющей тока, текущего вдоль потока с собственным азимутальным магнитным полем. В результате на выходе из разрядного устройства формируется компрессионный плазменный поток (КПП) [96-99].

Основные исследования по модификации поверхностных слоев различных материалов проводились с использованием компрессионных плазменных потоков средних энергий, генерируемых газоразрядным МПК компактной геометрии. Формирование компрессионного потока в такой системе имеет следующую динамику. Пробой газа происходит в межэлектродном промежутке. В типичных режимах работы МПК передний фронт образующегося плазменного потока выходит за срез внутреннего электрода к 5-8 мкс от начала тока разряда. Примерно к 15 мкс от начала разряда за срезом внутреннего электрода МПК формируется устойчивый компрессионный плазменный поток, существующий практически до конца разряда. Для всех исследованных режимов работы МПК диаметр потока составляет 0,5-1 см, а его длина - 4-6 см. Скорость плазменных образований компрессионного потока в МПК в зависимости от максимального значения разрядного тока составляет (4-7) • 106 см/с. Температура и концентрация электронов плазмы равны 1-3 эВ и (4-7) • 1017 см-3 при изменении начального напряжения на накопителе энергии от 2,5 до 4,5 кВ и начального давления азота в камере МПК в диапазоне 1-10 Торр. К моменту времени ~ 70 мкс от начала разряда компрессионный плазменный поток начинает распадаться [97, 98].

В настоящее время использование КПП в области материаловедения направлено преимущественно на решение следующих задач. Во-первых, непосредственное воздействие КПП на материалы, что приводит к модифицированию его микроструктуры, уменьшению размеров зерен, повышению плотности дефектов, а также формированию азотсодержащих фаз (в случае использования азота в качестве плазмообразующего вещества при генерации КПП) [99-101]. Во-вторых, формирование на поверхности материалов (в первую очередь на кремниевых пластинах) нанокристаллических покрытий при введении дисперсного металлического порошка в плазменный поток [102]. В-третьих, легирование поверхностных слоев материалов элементами, предварительно нанесенных в виде тонких покрытий [103-105]. Так, на примере низкоуглеродистой стали было показано, что КПП являются эффективным способом формирования поверхностных слоев глубиной до 20-30 мкм, легированных атомами титана, циркония, молибдена или хрома. В этом случае происходит образование аустенитной и мартенситной фаз железа, а микротвердость поверхностного слоя повышается в 2-3 раза в сравнении с необработанной сталью.

Проведенный анализ современных методов обработки титановых сплавов показал перспективность использования концентрированных потоков энергии с точки зрения формирования приповерхностных модифицированных, в том числе и легированных, слоев, обладающих повышенными механическими характеристиками. В данной монографии представлены результаты исследования структурно-фазового состояния и механических свойств титана, модифицированного компрессионными плазменными потоками.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >