ИОННАЯ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК

№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)

УДК 539.8,621.7

А.П. МОРГУНОВ,

доктор технических наук, профессор,

Омский государственный технический университет;

А.И. БЛЕСМАН,

кандидат технических наук, доцент,

Омский государственный технический университет;

А.Г. КОЗЛОВ,

кандидат физико-математических наук, доцент,

Омский государственный технический университет

ИОННАЯ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

К новым перспективным способам повышения триботехнических свойств поверхностных слоев деталей машин следует отнести вакуумно-плазменные методы, включая ионно-диффузионные, осуществляемые в тлеющем разряде: ионное осаждение, ионное легирование и внедрение (имплантация)[1,2].

Основной задачей применения этих методов является разработка и создание высокоэффективных, надежных, экологически чистых технологий, позволяющих в широких диапазонах варьировать параметры процессов, обладающих высокой степенью контроля над качеством конечной продукции. Для реализации этой задачи вытекает насущная необходимость в новых научно-технических решениях по раз работке и созданию современных технологических установок и отдельных узлов к ним. В рамках реализации проекта, поддержанного Российским Фондом Фундаментальных Исследований, был разработан и апробирован источник электронов с дополнительным электродом, позволяющий варьировать температурные режимы в процессе ионно-плазменной обработки в одном вакуумном цикле. По разработанной технической документации изготовлены оригинальные узлы источника электронов мощностью до 1 кВт и блок питания к нему. Источник смонтирован на модифицированной установке ННВ-6, снабженной ранее импульсным твердотельным источником.

Схема источника электронов показана на рис. 1. Источник содержит вольфрамовый катод прямого накала 1 и дополнительный электрод 2, которые помещены в охлаждаемый корпус 6.

Для подведения питания на электроды в корпусе имеются вакуумплотные выводы 5. корпус крепится к корпусу вакуумной установки 4, внутри которого находятся обрабатываемые детали 3. Питание катода источника электронов осуществляется переменным напряжением. Дополнительный электрод 2 подсоединяется к средней точке вторичной обмотки источника питания катода. Формирование потока электронов в источнике происходит за счет термоэлектронной эмиссии. Особенностью источника является наличие дополнительного электрода, который служит для фокусировки электронов при нагреве электронным лучом и обеспечивает защиту катода от потока ионов в режиме ионного травления, когда источник электронов используется для генерации плазмы в газовой среде. Корпус источника электронов находится под плавающим потенциалом.

Источник электронов монтируется на установку дугового напыления ННВ-6,6 И1 на фланце устройства воздухоочистки. В этом варианте в качестве высоковольтного источника используются источники питания установки ННВ-6,6 И1. В комплекте с установкой ННВ-6,6 И1 источник электронов может использоваться в трех режимах:

- режим нагрева электронным пучком;

- режим ионного травления;

- режим дополнительного ионизатора.

Режим нагрева электронным пучком используется для нагрева обрабатываемой детали перед нанесением покрытия или ионной имплантацией. В этом режиме положительный потенциал высоковольтного источника питания подается на обрабатываемую деталь. При этом используются следующие рабочие параметры источника электронов: напряжение высоковольтного питания - 0.. .2000 В; ток электронного луча - 0...3 А; вакуум - 1•10-5 мм. рт. ст. Данный режим обеспечивает нагрев обрабатываемых деталей до рабочих температур без появления дефектов поверхности в виде следов микродуг, возникновение которых возможно при ионном нагреве.

Режим ионного травления используется для очистки поверхности обрабатываемых деталей ионным пучком. Этот режим следует за режимом нагрева электронным пучком, в результате которого поверхность детали очищается от легколетучих компонентов и обезгаживается. Это устраняет вероятность возникновения микродуг в режиме ионной очистки. Ионная очистка удаляет с поверхности деталей тугоплавкие загрязнения, В данном режиме положительный потенциал высоковольтного источника питания подается на корпус вакуумной камеры. Используются следующие рабочие параметры источника электронов: напряжение высоковольтного питания - 0...300 В; ток электронного луча - 0...2 А; вакуум - 1•10-3...1•10-2 мм. рт. ст.; активный газ - аргон. В результате комбинированного применения двух режимов улучшаются качество поверхности деталей и адгезионные свойства нанесенных на детали покрытий.

В режиме дополнительного ионизатора электронный источник используется для дополнительной ионизации плазмы, возникающей при дуговом напылении. В данном режиме с помощью источника повышается концентрация ионов в плазме дугового разряда. Это приводит к более интенсивной ионной бомбардировке напыляемых покрытий и, соответственно, улучшает их качество. Кроме того, при реактивном напылении покрытий в среде активного газа (азот, углеводороды) увеличение концентрации ионов активного газа приводит к напылению покрытий с более высоким стехиометрическим составом. В данном режиме положительный потенциал высоковольтного источника питания подается на корпус вакуумной камеры. Используются следующие рабочие параметры источника электронов: напряжение высоковольтного питания - 0.. .200 В; ток электронного луча - 0...1 А; вакуум - 1•10-3...1•10-2 мм. рт. ст.; активный газ - азот, летучие углеводороды.

Проведены рабочие запуски источника с целью отработки режимов работы и проверки параметров. Подтверждена возможность комбинированной ионно-плазменной обработки деталей с термическим нагревом электронным пучком в одном вакуумном цикле.

Получены данные рентгеновской дифрактометрии, свидетельствующие о структурно-фазовых изменениях в поверхностных слоях обрабатываемых материалов в результате воздействия электронных и ионных пучков. Оценены размеры кристаллитов и межплоскостного расстояния для некоторых конструкционных материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Блесман А.И., Ионно-лучевая обработка некоторых конструкционных материалов, Междунар. форум по проблемам науки, техники и образования, М.: Акад. Наук о земле, 1999.- С.62-64.

2. Моргунов А.П., Блесман А.И., Ревина И.В. Введение в технологию электронно-лучевых процессов. - Омск: Изд-во ОмГТУ,2003.-172с.