Анотація до роботи:

Хороших В.М. Стаціонарний дуговий розряд низького тиску в системах плазмового оброблення поверхонь. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.08 - фізика плазми. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразина, Харків, 2002.

Дисертація присвячена вивченню питань генерації, фокусування і сепарації потоків часток у електродугових іонно-плазмових системах для оброблення поверхонь. Експериментально вивчені і сформульовані фізичні основи процесу формування потоків плазми стаціонарної дуги низького тиску.

Вивчено особливості характеру прикатодних процесів у стаціонарній вакуумній дузі в широкому діапазоні параметрів розряду при жорсткому контролі умов на катодній поверхні. Визначено основні чинники, що впливають на швидкість і характер ерозії катода.

Вивчено краплинну фазу ерозії катода. Отримано дані про розподіл крапель по розміру, про їх просторовий розподіл і показано, що в розглянутих експериментальних умовах основна витрата маси катода відбувається за рахунок потоків іонів і крапель.

Проведені дослідження плазми стаціонарного вакуумного дугового розряду. Вперше досліджено просторовий розподіл складу плазми вакуумної дуги. Виявлено, що ступінь спрямованості іонних потоків зростає зі зменшенням зарядності іонів. Вивчено роль плазмових нестійкостей у процесі формування потоків часток. Досліджено радіальні потоки часток. Виявлена висока кількість газових іонів, що виникають у процесі перезарядження часток плазми катодного матеріалу на газовій мішені.

Вивчено плазмооптичні властивості електромагнітних систем транспортування плазми. Показано, що вони визначаються, в основному, впливом електричного поля в плазмі і слабко залежать від напруженості магнітного поля, що задовольняє умові замагнічування електронного компонента плазми.

Вивчено умови формування покриттів на основі хімічних сполучень в системах з електромагнітними полями. Показано, що ефективність реакцій синтезу сполук у плазмі дугового розряду низького тиску визначається станом газу, що залежить від його тиску і величині магнітного поля. Отримано дані для проектування установок і розроблення ряду нових технологічних процесів одержання іонно-плазмових покриттів.

У процесі виконання дисертаційної роботи проведено комплекс досліджень стаціонарного дугового розряду низького тиску, що включає дослідження явищ на електродах дуги, в об'ємі розрядного проміжку, а також на поверхні конденсації потоків газо-металевої плазми. Дослідження проведені в широкому діапазоні параметрів розряду: для різних катодних матеріалів; у високому вакуумі й у присутності різних газів; у відсутності і при наявності магнітного поля. Отримані результати являють собою наукову базу й утворюють фізичні основи процесів формування потоків часток у системах для плазмового оброблення поверхонь. Встановлено, що при аналізі явищ у стаціонарному дуговому розряді низького тиску варто враховувати взаємозв'язок процесів на електродах і в розрядному проміжку, а також взаємодію різних груп часток. Основні висновки можна сформулювати в такий спосіб:

1. Експериментально вивчені і створені фізичні основи процесу формування потоків плазми стаціонарної дуги низького тиску. Вивчено умови формування покриттів на основі хімічних сполук в системах з електромагнітними полями. Отримано дані для проектування установок і розробки ряду нових технологічних процесів одержання іонно-плазмових покриттів. Основні вузли установок (джерела плазми і їхні найважливіші елементи) і способи одержання покриттів захищені авторськими посвідченнями. Установка “Булат-6” випускається серійно на КСПО ім. Косіора й одержала широке поширення в промисловості України і країн колишнього СРСР.

2. Вивчено особливості характеру прикатодних процесів у стаціонарній вакуумній дузі в широкому діапазоні параметрів розряду при жорсткому контролі умов на катодній поверхні. Визначено основні чинники, що впливають на швидкість і характер ерозії катода, пропонуються практичні рекомендації щодо конструювання катодних вузлів електродугових джерел плазми.

3. Отримано дані про параметри краплинної фази в продуктах ерозії катода стаціонарної вакуумної дуги при наявності в об'ємі розрядного проміжку хімічно активного газу і показано, що в розглянутих експериментальних умовах основна витрата маси катода відбувається за рахунок потоків іонів і крапель. Взаємодія іонів із краплями здійснює помітний вплив на характер кутових розподілів часток в об'ємі розряду.

4. Проведені дослідження плазми стаціонарного вакуумного дугового розряду показали, що як і плазма імпульсних і квазістаціонарних розрядів, досліджувані потоки характеризуються високою кількістю багатозарядних іонів, що рухаються від катода до анода з енергією (в електрон-вольтах), що перевищує розмір напруги на розряді. Інтегральна температура катода справляє істотний вплив на зарядовий склад, енергетичний спектр і густину іонного компонента плазми, створюваної катодною плямою стаціонарного дугового розряду.

5. Вперше досліджено просторовий розподіл складу плазми вакуумної дуги. Виявлено, що ступінь спрямованості іонного потоку зростає зі зменшенням за-рядності іонів, унаслідок чого склад плазми залежить від кутової координати та од відстані до площини катода. Енергія іонів і температура електронів також залежать від кутової координати і зменшуються в зоні малих кутів до площини катода.

6. Вивчено роль плазмових нестійкостей у процесі формування часток у стаціонарному дуговому розряді низького тиску. Показано, що для вакуумної дуги в діапазоні помірних струмів (100 А) виконується умова збудження бунеманівскої нестійкості в об'ємі плазми на удалині від приелектродних зон розряду. При наявності бунеманівскої нестійкості з'являється турбулентна сила тертя між електронами й іонами плазми, що приводить до прискорення іонів у напрямку від катода до анода за рахунок передачі імпульсу від електронів до іонів через коливання в плазмі.

7. Наявність іонів газу в об'ємі розрядного проміжку вакуумної дуги, котрі виникають при взаємодії потоку плазми, який генерується катодною плямою, із частками газу, веде до появи нестійкості іонно-звукового типу. Нестійкість має поріг по тиску, що залежить від роду газу. Поява іонно-звукової нестійкості веде до накопичення часток в об'ємі і нестачі їх в анодній області розряду, що обумовлює виникнення позитивного анодного падіння

8. Показано, що іони газу, котрі утворюються при взаємодії плазми вакуумної дуги з газовою мішенню, рухаються переважно у поперечному, щодо осі вихідного плазмового потоку, напрямку. Тобто основним чинником, що визначає рух іонів у цих умовах, є розсіювання часток на великі кути, характерне для процесів перезарядження. Крім утворення молекулярних іонів, у присутності азоту відбувається генерація його атомарних іонів, частина яких у деяких випадках перевищує кількість молекулярних іонів. Наявність подовжнього магнітного поля в розрядному проміжку веде до істотного збільшення вмісту іонів газу в радіальних потоках плазми.

9. Вивчено плазмооптичні властивості криволінійної електромагнітної системи транспортування плазми. Показано, що вони визначаються, в основному, структурою електричного поля в плазмі і слабко залежать від магнітного поля, що задовольняє умові замагніченості електронного компонента плазми. Сепарація потоку макрочасток може бути здійснена не тільки в криволінійних, але й у прямолінійних системах, що відрізняються більшою простотою і меншою вартістю, однак мають меншу ефективність процесу сепарації крапель.

10. Ефективність реакцій синтезу сполучень у плазмі досліджуваного типу розряду залежить від стану газу, що залежить від його тиску і величини магнітного поля в реакційному об'ємі. При цьому експериментально показано, що при конденсації плазми металів у присутності реакційного газу наявність магнітного поля, що забезпечує замагнічення електронів, приводить до інтенсифікації процесів синтезу складних сполучень. Причиною цього є активація реактивного газу при непружніх зіткненнях електронів із молекулами.

11. Дані, одержані в процесі досліджень розряду, дозволяють запропонувати нові процеси оброблення поверхонь. Зокрема, комбінований метод, заснований на конденсації металу з плазми вакуумної дуги і з потоку часток мішені, що розпилюється іонами плазми. У радіальних плазмових потоках співвідношення між інтенсивностями потоків газу і металу сильно залежить від тиску газу. Це дозволяє зміною тиску і регулюванням негативного потенціалу на підкладинці одержувати в одному робочому циклі різні по характеру впливу на оброблювану поверхню процеси: очищення іонами металу і газів, насичення поверхні газом, формування перехідних шарів і осадження покриттів. Процес осадження покриттів із використанням дуги в режимі з позитивним анодним падінням потенціалу забезпечує високу якість формованих покриттів при зниженому тепловому навантаженні на підкладинку.

Проведені дослідження дозволяють сформулювати наступні рекомендації по практичному використанню результатів дисертації:

1. При розробленні нових джерел плазми і компонуванню вузлів технологічних плазмових установок для поверхневої модифікації матеріалів доцільно використовувати дані про ерозію катоду, характер розподілу часток у просторі і про динаміку часток у магнітному полі.

2. Дані про вплив основних параметрів розряду на властивості плазмових потоків, наприклад, результати аналізу складу радіальних потоків плазми й особливості переходу дуги в режим із позитивним анодним падінням потенціалу, служать фізичною основою створення нових перспективних низькотемпературних способів оброблення поверхонь.

3. Результати визначень коефіцієнтів конденсації часток дозволяють намітити шляхи подальшого підвищення продуктивності процесів одержання покриттів методами, заснованими на використанні потоків плазми вакуумної дуги.

4. Дані про параметри краплинної фази будуть корисні при розвитку уявлень про механізм генерації даного сорту часток і їхньої мінімізації в плазмовому потоці.

5. Дані про структуру плазмових потоків у поєднанні з результатами аналізу нестійкостей можуть послужити основою подальшого розвитку уявлень про фізичну природу досліджуваного типу розряду, таких як: механізм генерації і прискорення іонів, динаміка потоків у розрядному просторі, анодні явища і т.п.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Плазменное напыление при производстве авиационной техники и режущего инструмента. Учебное пособие / Костюк Г.И., Аксенов И.И., Приезжев В.Г., Хороших В.М., Цыбин А.С.-Харьков: ХАИ,1988.-103 с.

2. Хороших В.М. Анодные процессы в дуговых разрядах низкого давления (обзор) // Источники и ускорители плазмы.-Харьков: Иэд-во ХАИ.-1985.-С. 110-128.

3. Аксенов И.И., Вакула С.И., Падалка В.Г., Стрельницкий В.Е., Хороших В.М. Высокоэффективный источник чистой углеродной плазмы // ЖТФ.-1980.-Т. 50, вып. 9.-С. 2000-2004.

4. Аксенов И.И., Брень В.Г., Попова С.П., Хороших В.М. Пусковое устройство вакуумного электродугового плазменного ускорителя // Источники и ускорители плазмы.-Харьков: Иэд-во ХАИ.-1981.-С. 50-55.

5. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование влияния давления газа в объеме на прикатодные процессы стационарной вакуумной дуги // ТВТ.-1984.-Т. 22, № 4.-С. 650-654.

6. Аксенов И.И., Хороших В.М. О влиянии условий горения разряда на эрозию катода стационарной вакуумной дуги // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Общая и ядерная физика.-1984.-Вып. 3 (28).-С. 52-56.

7. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Першин В.Ф., Шпилинский Л.Ф. Об эрозии катода дуги низкого давления // ТВТ.-1986.-Т. 26, № 3.-С. 441-444.

8. Хороших В.М. Катодный узел электродугового источника плазмы // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.-1999.-Вып.2(10),.-С. 6 – 9.

9. Аксенов И.И., Брень В.Г., Коновалов И.И., Хороших В.М. Исследование плазмы стационарного вакуумного дугового разряда. II. Влияние интегральной температуры катода // ТВТ.-1983.-Т. 21, № 4.-С. 646-651.

10. Аксенов И.И., Антуфьев Ю.П., Брень В.Г., Падалка В.Г., Попов А.И., Хороших В.М. Влияние замагниченности электронов плазмы вакуумной дуги на кинетику реакций синтеза нитридсодержащих покрытий // ЖТФ.-1981.-Т.51, вып. 2.-С. 303-309.

11. Аксенов И.И., Брень В.Г., Осипов В.А., Хороших В.М. Исследование плазмы стационарного вакуумного дугового разряда. I. Формирование потоков плазмы // ТВТ.-1983.-Т. 21, № 2.-С. 214-220.

12. Аксенов И.И. Антуфьев Ю.П., Брень В.Г., Хороших В.М. Влияние давления газа в реакционном объеме на процесс синтеза нитридов при конденсации плазмы металлов // Химия высоких энергий.-1986.-Т. 20, № 1.-С. 82-86.

13. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Кудрявцева Е.Е., Хороших В.М. Исследование капельной фазы эрозии катода стационарной вакуумной дуги // ЖТФ.-1984.-Т. 54, вып. 8.-С. 1530-1533.

14. Гасилин В.В., Мирошниченко Ю.Т., Хороших В.М. О минимальном размере капель, генерируемых стационарной вакуумной дугой // Источники и ускорители плазмы.-Харьков: Изд-во ХАИ.-1986.-С. 131-133.

15. Кудрявцева Е.Е., Осипов В.А., Хороших В.М. Измерение скорости капель, генерируемых катодным пятном вакуумной дуги // Ионно-плазменные установки для технологических целей.-Харьков: Изд. ХАИ.-1988.-С. 11-16.

16. Хороших В. М., Аксенов И.И., Коновалов И.И. О структуре плазменных струй, генерируемых катодным пятном вакуумной дуги // ЖТФ.-1988.-Т. 58, вып. 6.-С. 1220-1221.

17. Аксенов И.B., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. О механизме формирования энергетических спектров ионов плазмы вакуумной дуги // Письма в ЖТФ.-1981.-Т. 7, вып. 19.-С. 1164-1167.

18. Аксенов И.И., Белоус В.А., Коновалов И.И., Осипов В.А., Падалка В.Г., Сафонов В.И., Хороших В.М. Угловое распределение потока ионов в плазме стационарной вакуумной дуги // Ионно-плазменные установки для технологических целей.-Харьков.: Изд. ХАИ.-1988.-С. 3-10.

19. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г., Сизоненко В.Л., Хороших В.М. Неустойчивости в плазме вакуумной дуги при наличии газа в разрядном промежутке.1 // Физика плазмы.-1985.-Т. 11, вып. 11.-С. 1373-1379.

20. Хороших В.М. Формирование ионно-плазменных покрытий при пониженных тепловых потоках в зону конденсации // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники 1999.-Вып. 2(10).-С. 40-49.

21. Аксенов И.И., Коновалов И.И., Падалка В.Г., Сизоненко В.Л., Хороших В.М. Неустойчивости в плазме вакуумной дуги при наличии газа в разрядном промежутке.2 // Физика плазмы.-1985.-Т. 11, вып. 11.-С. 1380-1384.

22. Aksenov I.I., Belokhvostikov A.N., Padalka V.G., Repalov N.S., Khoroshikh V.M. Plasma flux motion in a toroidal plasma guide // Plasma Physics and Controlled Fusion.-1986.-Vol. 28, № 5.-P. 761-770.

23. Аксенов И.И., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. Об особенностях процесса синтеза нитридов при конденсации плазмы металлов // Химия высоких энергий-1983.-T. 17, № 3.-C. 265-267.

24. Аксенов И.И., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. Об условиях синтеза нитридов при конденсации плазменных потоков // ФизХОМ.-1981.-№ 4.-C. 43-46.

25. Аксенов И.И., Заднепровский Ю.А., Ломино Н.С., Овчаренко В.Д., Хороших В.М. Исследование системы формирования радиальных потоков вакуумно-дуговой плазмы. 1. Транспортирующие свойства // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение.-1999.-Вып.3(69), 4(70).-С. 138-139.

26. Aksenov I.I., Khoroshikh V.M., Lomino N.S., Ovcharenko V.D., Zadneprovskiy Yu.A. Transformation of axial vacuum-arc plasma flows into radial streams and their use in coating deposition // IEEE Transaction on plasma science.-1999.-Vol. 27, №. 4.-Р. 1026-1029.

27. Вакуумно-дуговое устройство, А.с. 1584727 СССР, МКИ Н 05 Н 1/26/. Аксенов И.И., Тимошенко А.И., Хороших В.М. (СССР).-№4666840/31-25; Заявлено 27.03.89; Зарег. 08.04.90.-3 с

28. Электродуговой источник плазмы: А.с. 1708133 СССР, МКИ Н 05 Н 1/26/. Аксенов И.И., Потапенко В.А., Тимошенко А.И., Хороших В.М. (СССР).-№4836567/25; Заявлено 08.06.1990; Зарег. 22.09.91.-5 с.

29. Способ поверхностного упрочнения конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. А. с. 152779 СССР Аксенов И.И., Андреев А.А., Брень В.Г., Осипов В.А., Саблев Л.П., Ступак Р.И., Хороших В.М. (СССР).-4 с.

30. Способ нанесения покрытий из соединений тугоплавкого металла или алюминия на металлическое изделие: А.с. 11312443 СССР, МКИ С 23 С 13/00/. Аксенов И.И., Брень В.Г., Гаврилко И.В., Падалка В.Г., Хороших В.М. (СССР).-№3637785/23-26; Заявлено 30.08.92; Зарег. 22.08.84.-5 с.

31. Способ нанесения покрытий на основе нитридов металлов: А.с. 1392925 СССР, МКИ С 23 С 14/32/. Аксенов И.И., Андреев А.А., Брень В.Г., Гаврилко И.И., Лещинер Я.А., Падалка В.Г., Хороших В.М. (СССР).-№ 4057002/24-21; Заявлено 14.04.86; Зарег. 3.01.88.-3 с.

32. Устройство для поджига дуги в вакуумной установке А.с. 1012771/. Аксенов И.И., Брень В.Г., Хороших В.М. (СССР).-4 с.

33. Вакуумно-дуговое устройство А.с. 1111671 СССР /. Аксенов И.И., Брень В.Г., Падалка В.Г., Хороших В.М. Чикрыжов А.М. (СССР).-3 с.