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 64 с., 1 ч., 30 рис., 10 табл., 13 источн., 2 приложения ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ, ГАЗО-МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ПЛАЗМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ, ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД, РАЗРЯД НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ, ПОЛЫЙ КАТОД, ЗОНДОВЫЙ МЕТОД, ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ, ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА Объектом исследования являются дуговые и тлеющие разряды низкого давления, а также газовые и газо-металлические 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 газовых и газо-металлических 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. В 2023 году выполнения проекта были получены следующие результаты: По первому блоку проекта. 1. Измерены азимутальные распределения концентрации заряженных частиц в газовом ППО и газо-металлическом ППО, а также в газовой и газо-металлической плазме в традиционной разрядной схеме для вакуумно-дугового плазменно-ассистированного напыления. Значения коэффициента неоднородности полученных распределений для газо-металлического ППО и плазменного образования традиционной разрядной схемы составляют 56 % и 69 % соответственно. Средняя температура электронов в разрядной схеме для генерации газо-металлических ППО на 60% выше, чем в традиционной разрядной схеме, что является следствием относительно малой площади анода в схеме генерации ППО. Ключевое влияние на повышение микротвердости напыляемого покрытия оказало повышенное значение концентрации заряженных частиц на пути движения напыляемого изделия и более равномерное распределение концентрации заряженных частиц в объеме вакуумной камеры. Повышенная температура электронов в газо-металлическом ППО по сравнению с газовым ППО и по сравнению с традиционной разрядной схемой, а также относительно низкая по сравнению с традиционной разрядной схемой вакуумно-дугового плазменно-ассистированного напыления степень неоднородности распределения концентрации заряженных частиц, является особенностями системы генерации газо-металлического ППО и накладывает особенности как на свойства плазменного образования, так и на процесс синтеза покрытий в ней. Полученные результаты важны для внедрения установок генерации газо-металлических ППО для упрочнения поверхности изделий из конструкционных или функциональных материалов в технологических циклах производства. По второму блоку проекта. Проведены сравнение результатов эффективности синтеза сульфидсодержащего композиционного покрытия, содержащего комбинацию компоненты с низким сдвиговым сопротивлением по типу MoxSy и твердую компоненту в виде карбидов TixCy в разрядной системе традиционного вакуумно-дугового осаждения без ассистирующего воздействия газоразрядной плазмы, осаждения в разрядной схеме плазменно-ассистированного вакуумно-дугового напыления с применением источника газовой плазмы с накаленным и полым катодами «ПИНК», в которой стенки вакуумной камеры являются полым анодом, и осаждения в газо-металлическом пучково-плазменном образовании, формируемом при одновременном горении несамостоятельного тлеющего разряда с внешней инжекцией электронов и двух вакуумно-дуговых разрядов с катодным пятном, т.е. в пучково-плазменном образовании (ППО). Исследования включали в себя сравнение элементного и фазового состава, структуры, механических и трибологических свойств покрытий, сформированных в разных условиях. Выявлено, что наиболее высокими значениями твердости характеризуются покрытия TiC-MoS2, осажденное в варианте ассистирующего воздействия газовой плазмы ПИНК и осажденное в традиционном разрядной схеме без ассистирующего воздействия газовой плазмы. Показатели твердости этих покрытий составляют 5,3 ± 0,9 ГПа и 5,1 ± 1,3 ГПа, соответственно. По-видимому, в указанных выше покрытиях содержится и большее количество твердой фазы (например, TixCy). Значения твердости покрытий TiC-MoS2, осажденных в двух вариантах ППО составляют 1,4 ± 0,2 ГПа и 1,5 ± 0,2 ГПа, что вызвано тем, что на более твердых покрытиях содержание фазы Mo3S4_176 существенно уступает содержанию этой фазы в покрытиях ППО №3 и №4. Предположительно высокое содержание этой фазы с низким сдвиговым сопротивлением в указанных покрытиях ППО будет способствовать и более благоприятным условиям приработки. Видится перспективным градиентное построение многослойных покрытий с предварительным азотированием стальной подложки, осаждением относительно твердого связующего слоя (TiC-MoS2)N, промежуточного слоя TiC-MoS2 и завершающего осаждения поверхностного слоя TiC-MoS2 с низким сдвиговым сопротивлением. Полученные результаты будут полезны для использования в разработке технологических режимов напыления антифрикционных твёрдосмазочных покрытий на поверхность изделий из конструкционных или функциональных материалов, в частности узлов космических аппаратов, работающих в условиях криогенных температур и термоциклирования. По третьему блоку проекта. Осуществлена комбинированная электронно-ионно-плазменная обработка поверхности образцов нержавеющей стали 308LSi, изготовленных методом электронно-лучевой наплавки, сочетающая вакуумное электродуговое осаждение тонкой ( 1,3 мкм) Zr пленки и последующее импульсное электронно-пучковое облучение системы «пленка (Zr)/подложка (308LSi)». Определены оптимальные режимы воздействия импульсного электронного пучка. Показано, что комбинированная обработка поверхности образцов нержавеющей стали 308LSi приводит не только к кратному снижению шероховатости поверхностного слоя (до 5,2 раз (Ra) [11]), но и к улучшению его прочностных (микротвердость) и трибологических свойств (до 2,5 раз и до 15 раз соответственно). Коэффициент трения поверхности при этом снижается до 3,8 раз и достигает значения 0,14. Механические испытания, выполненные путем растяжения образцов виде двухсторонних лопаток, показали незначительное снижение пластичности (на 12%) и увеличение предела прочности (на 4%) обработанных образцов относительно необработанных и подвергнутых только импульсному электронно-пучковому воздействию. Представленный способ комбинированной электронно-ионно-плазменной обработки поверхности металлических материалов, изготовленных методами аддитивного производства, может применяться в качестве альтернативы традиционным способам финишной обработки. По четвертому блоку проекта. В результате работ был разработан, изготовлен, запущен перспективный для прикладного использования вариант импульсного источника электронов с плазменным эмиттером, основные параметры которого определяются свойствами эмиссионных пучково-плазменных образований, формируемых в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда. Макет источника электронов состоит из 2х ступеней, включающих первую ступень на основе вспомогательного дугового разряда с катодным пятном и вторую ступень на основе основного несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом объемом 0,007 м3 при соотношении площадей полого катода и анода 100:1. В результате исследований измерены основные характеристики разряда, включая вольт-амперные, эмиссионные и газовые. Полученная длительность разрядных импульсов в диапазоне рабочих давлений в атмосфере аргона (0,05 ÷ 0,5) Па достигает 1 мс при частоте следования 1 Гц, а максимальная импульсная мощность в разряде составили около 30 кВт при токе 250 А, напряжении горения 120 В и длительности 500 мкс. Усиление тока первой ступени составляет (1 ÷2) в зависимости от устанавливаемых условий зажигания и горения разрядов. По направлениям исследований проекта в 2023 году опубликовано 8 статей в научных журналах и сделано 12 докладов на конференциях разного уровня. Список статей, опубликованных за отчетный этап 2023 года, приведен в Приложении А. Список докладов, представленных в 2023 году по теме государственного задании, приведен в Приложении Б. Результаты исследований могут быть использованы при выполнении ОКР в области создания электрофизического и плазменного оборудования и разработки режимов пучково-плазменной модификации поверхности материалов и изделий.