Разработка пучковых и плазменных вакуумных неравновесных процессов получения наноструктурированных материалов полифункционального назначения, моделирование структурных и фазовых превращений

РАЗРАБОТКА ПУЧКОВЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ВАКУУМНЫХ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ Объектами исследования являются: - физико-технические подходы создания нового типа плазменно-химических реакторов синтеза нанокомпозитных покрытий TiN-Cu на основе сопряжения газоразрядных процессов, - дугового испарения, ионно-плазменного распыления и продольной инжекции ускоренного пучка ионов в планарный магнетрон; - синтез композитных покрытий на основе боридов переходных металлов на поверхности углеродистой штамповой стали Х12МФ, синтез интерметаллида Ni3Al на поверхности титанового сплава ВТ-6 при воздействии интенсивного электронного пучка, модификация поверхностных свойств стали 5ХНМ и 3Х2В8Ф карбидом бора и алюминием, методом электронно-лучевой обработки, анализ фазового состава, микроструктуры, строения, физико-механических свойств (микротвердость, износостойкость, жаростойкость); - разработка мехатронной системы, выбор видов и характеристик приводных устройств позиционирования объекта с модифицируемой поверхностью при нанесении покрытий полифункционального назначения; - источники газоразрядной плазмы и модификация свойств термочувствительных материалов обработкой неравновесной аргоновой плазмой атмосферного давления. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы физического материаловедения – разработку физических принципов формирования наноструктурных, нанофазных состояний на поверхности материалов их обработкой пучками заряженных частиц и газоразрядной плазмой. Разработано газоразрядное устройство на основе продольной инжекции ионного пучка в магнетрон. Распыление ионным пучком катода и центрального анода магнетрона влияет на зажигание аномального тлеющего разряда низкого давления < 8·10-2 Па. Установлено, напряжение зажигания разряда падает с повышением энергии ионов и пороговым образом зависит от тока ионного пучка. Показана перспектива расширения функциональных возможностей планарных магнетронов при синтезе наноструктурированных композитных покрытий TiN-Cu. Рассмотрен синтез интерметаллида Ni3Al из реакционных обмазок стехиометрического состава NiO-Al2O3-C и Ni-Al на поверхности титанового сплава ВТ-6 под воздействием сканирующего электронного пучка в вакууме, анализ микроструктуры, фазового состава, строения, физико-механических свойств. Предложены подходы модификации поверхностных свойств стали 5ХНМ и 3Х2В8Ф карбидом бора и алюминием, методом электронно-лучевой обработки. Металлографический и дюрометрический анализы показали, наблюдаются колебания значений микротвердости по глубине покрытия. Повышение микротвердости в приповерхностном слое происходит в результате структурных превращений (закалки) из жидкого состояния. Развиваются термические напряжения, способствующие фазовому наклепу и пластической деформации. Дополнительный слой повышенной твердости образуется в результате закалки от высоких температур из области расплава. Слои пониженной микротвердости являются структурами отпуска. Рассмотрены принципиальные подходы и разработан источник низкотемпературной неравновесной аргоновой плазмы на основе слаботочного поверхностного разряда атмосферного давления в аргоне с диэлектрическим барьером на аноде. В режиме контрагированного плазменного разряда модифицируемая поверхность политетрафторэтилена (- CF2 - CF2 -) n практически полностью заполняется поверхностным разрядом. Представлены физико-химические свойства политетрафторэтилена (биосовместимого полимера) до и после обработки плазмой. Степень внедрения основных принципиальных технических решений обеспечена объектами интеллектуальной собственности (патенты RU 2638569, 2643697, 2649355, 2705791, заявки на изобретения RU 2020115515, 2020119357). В частности, показано, источник неравновесной аргоновой плазмы на основе объемного тлеющего разряда атмосферного давления позволяет проводить предпосевную обработку зерна пшеницы, значительно увеличить всхожесть и стимулирует рост растений в начальной стадии онтогенеза. Исполнителем проекта Балдановым Б.Б. защищена диссертация «Источники неравновесной аргоновой плазмы на основе слаботочных высоковольтных разрядов» на соискание ученой степени доктора технических наук. Запланированные в проекте работы по этапу 2020 года и в целом за период с 2017 по 2020 год выполнены в полном объеме, установленные контрольные показатели достигнуты или превышены. По каждому из перечисленных направлений получены новые результаты. Полученные результаты соответствуют мировому уровню развития научных исследований в области прикладной физики низкотемпературной плазмы и физического материаловедения. Созданные на основе полученных результатов плазменные источники и магнетронные распылительные системы с инжекцией ионного пучка обладают инновационным потенциалом промышленного применения в области модификации поверхностных свойств стали и сплавов.