Электронно-лучевой синтез многослойных покрытий на основе керамики и металла форвакуумным плазменным источником электронов. (промежуточный: 1 год финансирования)

1. Осуществлена модернизация экспериментальной установки для электронно-лучевого синтеза многослойных металлокерамических покрытий в форвакуумной области давлений. - Модернизирована конструкция плазменного источника электронов. Создана и апробирована система отклонения пучка, которая конструктивно стала продолжением электронно-оптической колонны источника электронов, полностью исключен фактор нагрева катушек системы при длительном процессе испарения материалов электронным пучком, что способствует стабильному процессу нагрева, плавления и испарения любых тугоплавких материалов включая различные керамики. - Осуществлена модернизация ионно-оптической системы квадрупольного масс-анализатора РГА-100 применительно к исследованиям плазмы генерируемой при испарении тугоплавкой мишеней электронным пучком в форвакуумной области давлений. Исключение изолятора и проводов из конструкции, замена материала электродов позволила осуществлять исследования масс-зарядового состава продолжительное время и при испарении тугоплавких материалов. При этом, замена электродов существенным образом не отразилась на функциональных возможностях ионно-оптической системы. - Изготовлена вся необходимая оснастка для проведения исследований. Собран стенд для исследования пространственного распределения паров испаряемого материала (металла и керамик). Спроектирована и изготовлена система перемещения для нанесения покрытий на образцы, с помощью которой можно управлять процессом подачи образцов в нужную область, тем самым контролировать толщину покрытий, температуру и равномерность. 2. Получены экспериментальные данные по влиянию теплофизических свойств различных керамик (AlN, ZrO2, Al2O3) на ее нагрев электронным пучком, исследована зависимость температуры облучаемой поверхности различных керамик от мощности электронного пучка. Создана модель на основе балансовых уравнений энергий для испаряемой мишени, оценки, показывают, что доминирующим механизмом уноса тепла с мишени (в случае керамики) при температурах, меньших температур плавления, является теплопроводность через нижнюю грань. Вклад этого механизма в процесс теплопереноса составляет порядка 90%. Тепловое излучение, в данном случае, обеспечивает отвод всего лишь нескольких процентов тепловой энергии. Вместе с тем, из расчётов следует, что доля теплового излучения более высока для керамических мишеней с более низким коэффициентом теплопроводности, и эта доля растет с ростом температуры керамики. При высоких температурах, уровня температуры плавления керамики, вклад теплового излучения в установление равновесной температуры будет преобладающим. В результате проведённых исследований ионного состава плазмы, генерируемой ускоренным электронным пучком в форвакуумной области давлений установлено, что наибольший вклад в процесс образования ионов вносят электроны высокоэнергетического пучка. При электронно-лучевом испарении металлической или керамической мишени из-за большей величины сечения ионизации количество ионов испаряемых материалов в пучковой плазме значительно превышают количество ионов остаточной атмосферы и напускаемых газов. Таким образом, в форвакуумной области давлений, несмотря на наличие в остаточной газовой атмосфере значительного количества молекул газа и даже воды, при электронно-лучевом испарении металлов и керамики можно эффективно генерировать пучковую плазму, содержащую преимущественно ионы испаряемых материалов. Полученные результаты делают привлекательным синтез различных функциональных и защитных покрытий в результате электронно-лучевого испарения проводящих и диэлектрических материалов в форвакуумной области давлений. 3. Cделан полный критический обзор современного состояния развития методов нанесения именно диэлектрических покрытий. Данный обзор помог сформировать общую картину современного состояния методов получения, методик исследования диэлектрических покрытий, сравнить современное оборудование, применяемое для этих целей с оригинальным оборудованием, созданным участниками проекта, обосновать перспективность применение форвакуумных источников электронов для задач синтеза новых многослойных металлокерамических покрытий, получаемых при испарении диэлектрических и металлических мишеней сфокусированным электронным пучком. Исследованы влияния параметров электронного пучка, давления и рода плазмообразующего газа на скорость нагрева и испарения различных металлов (Ti, Fe, Cu, Ag) и алюмооксидных керамик различного элементного состава. Подобрана оптимальная плотность мощности электронного пучка, для эффективного испарения алюмооксидной, алюмонитридной и циркониевой керамики. Продемонстрированно, что при нагреве, плавлении и испарении керамики и металлов, существует возможность управлять скоростью упомянутых процессов путем изменения давления и рода газа в форвакуумной области давлений. Исследовано пространственное распределение паров испаряемых материалов (металлов и керамик) с помощью, подготовленной оснастки. При помощи разработанного оборудования были проведены тестовые эксперименты по нанесению многослойных покрытий на основе керамики (Al2O3, AlN и ZrO2) и металлов (Ti, Fe, Сu, Ag) на металлические подложки из технически чистого титана марки ВТ-1-0 и на высокотемпературные образцы марок ВК. Были получены покрытия различной толщины и с различным количеством чередующихся слоев керамики и металла. Общая толщина покрытий достигает 15 мкм. Показано, что толщины слоев можно регулировать параметрами электронного источника в пределах погрешности 200 нм. Предварительно исследованы профили поверхности исходных образцов и образцов с осажденным на них покрытиями, в результате чего сделан вывод, что нанесение покрытий ведет к уменьшению шероховатости поверхности. Исследован элементный состав полученных покрытий, показано, что элементным составом отельных керамических слоев можно управлять с помощью параметров электронного пучка, меняя плотность мощности, а соответственно и температуру, и интенсивность испарения можно получать керамические слои с различным элементным соотношением из одной испаряемой мишени.