ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО И ПЛАЗМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ С ЦЕЛЬЮ КРАТНОГО ПОВЫШЕНИЯ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Отчёт 120 с., 1 ч., 59 рис., 7 табл., 12 источников, 3 приложения ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ, ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД, РАЗРЯД НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ, ПОЛЫЙ КАТОД, ПЛАЗМЕННЫЙ ЭМИТТЕР, ЗОНДОВЫЙ МЕТОД, ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ Объектом исследования являются дуговые и тлеющие разряды низкого давления, а также пучково-плазменные образования, формируемые в этих разрядах. Целью работы является получение новых фундаментальных знаний в области физики низкотемпературной плазмы, закономерностей зажигания и горения несамостоятельных форм разрядов низкого давления, условий генерации в них пучково-плазменных образований, способов контроля их параметров, а также разработка научно-технических основ пучково-плазменных технологий для конструирования поверхности материалов с заранее заданными свойствами. Методами исследования являются экспериментальные исследования и моделирование с проверкой моделей компьютерным и физическим экспериментом. В трехлетний период с 2019 по 2021 год выполнения проекта были получены следующие результаты. Разработан, создан и запущен в эксплуатацию экспериментальный стенд для исследования процессов зажигания и горения оригинальной формы несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом объемом около 0,34 м3 протяженной формы (отношение диаметра к длине – 1:2) с протяженным полым цилиндрическим сетчатым плазменным эмиттером электронов на основе дугового разряда. Стенд позволяет генерировать протяженные пучково-плазменные образования в широком диапазоне рабочих параметров. Выявлено, что характер распределения плазмы в основном пучково-плазменном образовании, формируемом в несамостоятельном тлеющем разряде, повторяет характер распределения концентрации плазмы в полом протяженном сетчатом аноде вспомогательного дугового разряда. Минимальное значение неоднородности концентрации плазмы на длине полого анода длиной 1 м и диаметром 200 мм в атмосфере аргона составило ± 25%. Исследования азот-аргоновых пучково-плазменных образований позволили выявить механизм смещения равновесия реакции квазирезонансной перезарядки аргона с молекулами азота в пучково-плазменном образовании. По второму блоку проекта. Выявлены закономерности эволюции фазового состава, структуры азотированного слоя стали 4Х5МФС, сформированного после обработки в азотосодержащей плазме для различного содержания азота в рабочей смеси, проведен анализ физико-механических свойств поверхности модифицированного материала. Определено, что содержание азота в азот-аргоновой рабочей смеси играет определяющую роль в формировании фазового состава поверхностного слоя при азотировании. Изменением соотношения азота и аргона в газовой смеси при низком, около 1 Па, давлении можно регулировать содержание в поверхности хрупких фаз эпсилон-Fe2-3N и гамма-Fe4N, вплоть до их полного устранения. Исследования перспективного для повышения износостойкости поверхности штампового инструмента покрытия системы TiSiB/TiSiBN, напылённого вакуумно-дуговым плазменно-ассистированным методом, позволили выявить, что при добавлении Cr в покрытие значительно, с 0,5 до 0,2, снижается коэффициент трения и падает коэффициент износа. Испытание фрезы с покрытием TiSiCrB/TiSiCrBN при резке нержавеющей стали 12Х18Н10Т показало повышение ресурса инструмента в 4 раза по сравнению с фрезой без покрытия. Использование импульсного режима генерации пучково-плазменного образования в несамостоятельном тлеющем разряде позволяет до нескольких раз снизить неоднородность толщины азотированного слоя на поверхности изделий сложной геометрии из конструкционной стали 38Х2МЮА. По третьему блоку проекта. Проведенный цикл исследований позволил выявить закономерности формирования поверхностного сплава Al(А7)-Mg(МА-2) при использовании комбинации методов пучково-плазменной инженерии – плазменно-ассистированного напыления и электронно-пучкового воздействия. Комбинированная обработка поверхности магния в полученных режимах позволяет повысить, в 1,7 раза, микротвёрдость за счет образования интерметаллидной фазы Mg17Al12. Количество интерметаллидной фазы коррелирует с твердостью поверхностного слоя. Использование комбинации методов пучково-плазменной инженерии позволило определить эффективные режимы упрочнения поверхности композиционного материала на основе карбида вольфрама с многокомпонентной связкой (Co, Ni, Fe). Путем импульсного электронно-пучкового плавления системы «покрытие (Ti)/подложка (WC-CoNiFe)» на поверхности материала был создан модифицированный слой на основе стабилизированной кубическая фазы (Ti,W)C с ГЦК решеткой, включающий небольшое содержание карбидов W2C и гексагональный WC. Поверхностный слой твердого сплава имеет повышенную на 15 % микротвердость (22 ГПа) по сравнению с исходным сплавом. По четвертому блоку проекта. Показано, что увеличение диаметра цилиндрического протяженного, длиной 1 м, полого сеточного анода дугового разряда способствует снижению неоднородности продольного распределения плотности ионного тока. Снижение рабочего давления, а также увеличение напряжения горения основного тлеющего разряда с полым катодом приводит к уменьшению продольной неоднородности концентрации плазмы в полом аноде. Увеличение тока дугового разряда увеличивает степень неоднородности плотности ионного тока на зонд в полом сеточном аноде. Распределения, полученные в ходе исследования влияния обрабатываемых изделий на степень неоднородности плазмы по длине полого катода, показывают, что между поверхностью сетчатого эмиттера электронов и деталью степень неоднородности составляет до ± 50 %, а за деталью, в области геометрической тени, степень неоднородности плазмы составляет около ± 25 %. Использование нескольких центров инжекции при использовании вместо одного двух и более источников электронов позволяет значительно, более, чем в 2 раза, снизить степень неоднородности концентрации плазмы в полом катоде тлеющего разряда. По пятому блоку проекта. Создана и апробирована автоматизированная система зондовых измерений параметров плазмы стационарных и импульсных пучково-плазменных образований. На основе несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления с полым катодом создан генератор объёмных пучково-плазменных образований, позволяющий в непрерывном и импульсном режимах горения разряда в полом катоде объемом около 0,3 м3 в диапазоне давлений (0,1 – 1,0) Па при токах разряда (20 – 400) А и напряжениях горения от 50 В до 250 В при средней мощности в разряде до 25 кВт создавать плазму с концентрацией ≈5*1017 м-3 с неоднородностью не хуже ± 30% от среднего значения и обеспечивать среднюю плотность ионного тока на полый катод площадью ≈2 м2 до 10 мА/см2. Созданный генератор низкотемпературной плазмы предназначен для очистки, активации и азотирования поверхности изделий из конструкционных и инструментальных сталей массой до 150 кг. По направлениям исследований проекта за период 2019-2021 года опубликовано 23 статьи в научных журналах, включая 7 статей за 2021 г. Результаты исследований могут быть использованы в опытно-конструкторских разработках в области вакуумной и плазменной электроники и разработки режимов пучково-плазменной обработки поверхности материалов.