Установка для in situ формирования поверхностных сплавов на протяженных изделиях методом импульсного жидкофазного электронно-пучкового миксинга предварительно нанесённых покрытий

Низкоэнергетические (10‒30 кэВ) сильноточные (до 25 кА) электронные пучки (НСЭП) широко используются для модификации поверхностных слоёв металлических материалов уже несколько десятков лет. Формирование таких пучков осуществляется, как правило, в пушках с плазменным анодом и взрывоэмиссионным катодом. Высокая плотность энергии (до 20 Дж/см2) и короткая длительность импульса (2−4 мкс) позволяют выделить значительную энергию пучка в тонком (доли-единицы микрон) поверхностном слое, доводя его до плавления и даже частичного испарения. Эти эффекты позволяют развивать самые разнообразные перспективные технологии, включая формирование поверхностных сплавов (ПС). Созданные к настоящему времени электронные пушки источников НСЭП имеют, как правило, планарно-аксиальную геометрию и формируют цилиндрические пучки, транспортируемые практически прямолинейно вдоль силовых линий внешнего ведущего магнитного поля. Плазменный анод в таких источниках формируется обычно с помощью сильноточного отражательного разряда в пространстве между взрывоэмиссионным катодом и коллектором. Внешнее ведущее магнитное поле, служащее для транспортировки пучка, обеспечивает также зажигание и горение изкоэнергетические (10‒30 кэВ) сильноточные (до 25 кА) электронные пучки (НСЭП) широко используются для модификации поверхностных слоёв металлических материалов уже несколько десятков лет. Формирование таких пучков осуществляется, как правило, в пушках с плазменным анодом и взрывоэмиссионным катодом. Высокая плотность энергии (до 20 Дж/см2) и короткая длительность импульса (2−4 мкс) позволяют выделить значительную энергию пучка в тонком (доли-единицы микрон) поверхностном слое, доводя его до плавления и даже частичного испарения. Эти эффекты позволяют развивать самые разнообразные перспективные технологии, включая формирование поверхностных сплавов (ПС). Созданные к настоящему времени электронные пушки источников НСЭП имеют, как правило, планарно-аксиальную геометрию и формируют цилиндрические пучки, транспортируемые практически прямолинейно вдоль силовых линий внешнего ведущего магнитного поля. Плазменный анод в таких источниках формируется обычно с помощью сильноточного отражательного разряда в пространстве между взрывоэмиссионным катодом и коллектором. Внешнее ведущее магнитное поле, служащее для транспортировки пучка, обеспечивает также зажигание и горение отражательного разряда. Вместе с тем, существует много задач, когда требуется облучать протяженные изделия цилиндрической (или аналогичной) формы, а для этого наиболее рационально использовать радиально сходящиеся пучки. К числу таких задач, например, относятся формирование защитных покрытий оболочек ТВЭЛов ядерных реакторов, изготовляемых преимущественно из циркониевых сплавов и легированных сталей, для предотвращения/замедления коррозии и высокотемпературного окисления; повышение срока службы различного режущего инструмента и штамповой оснастки. В рамках проекта РНФ № 22-29-00070 членами авторского коллектива был создан источник с радиально сходящимся НСЭП и получены первые перспективные результаты. Однако для формирования ПС на протяжённых изделиях наряду с источником НСЭП необходимо устройство для нанесения покрытий. Наиболее перспективным путём нам представляется создание магнетронной распылительной системы (МРС) с радиально сходящимся потоком осаждаемых нейтралов («обращённый магнетрон»). Исходя из этого, мы считаем актуальной и научно значимой следующую задачу: разработать, создать и исследовать интегрированную вакуумную установку, сочетающую электронную пушку с радиально сходящимся НСЭП и соответствующую МРС, расположенные на общей рабочей камере. Это позволит формировать ПС in situ, т.е. без нарушения вакуума и нежелательного контакта обрабатываемых изделий с атмосферой. Актуальной задачей является также изучение структуры и свойств ПС, формируемых на протяжённых изделиях. Научная новизна предлагаемого проекта заключается в том, что впервые будет создана и исследована интегрированная установка, включающая уникальный источник радиально сходящихся НСЭП и коаксиальную МРС обращённого типа с также радиально сходящимся потоком осаждаемых нейтралов. Обеспечение однородности распределения плотности энергии НСЭП в продольном направлении будет основано на экспериментальном подборе расстояния между секциями катодного узла, что должно компенсировать действие собственного магнитного поля пучка, вызывающее неоднородность. Обеспечение однородности толщины покрытий по длине изделия будет обеспечиваться его перемещением вдоль оси цилиндрической мишени МРС.