Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Щуренкова Светлана Александровна
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАТОДНОЙ ОБЛАСТИ ВАКУУМНОЙ ДУГИ НА ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ КАПЕЛЬНОЙ ФАЗЫ В ПРОДУКТАХ ЭРОЗИИ КАТОДА
Специальность: 01.04.14. - Теплофизика и теоретическая теплотехника
Автореферат диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук
Москва-2012
Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Марахтанов М.К.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Панфилов Ю.В.
(МГТУ им. Н.Э. Баумана) кандидат технических наук, доцент Павлов А.Ю.
(ООО НПО Защитные покрытия)
Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов
Защита состоится 19 декабря 2012 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.141.08 в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Лефортовская наб., д.1., корпус факультета Энергомашиностроение МГТУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.
Баумана.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105005, Москва, 2-ая Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Учёному секретарю диссертационного совета Д 212.141.08.
Автореферат разослан л______ ноября 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Перевезенцев В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Технология вакуумно-дугового осаждения защитных покрытий активно развивается во многих странах мира, среди которых Россия, США, Швейцария, Германия, Франция, Япония и Китай, производятся современные вакуумнодуговые установки, открываются промышленные участки по осаждению покрытий. Такой спрос на вакуумно-дуговые установки обусловлен тем, что вакуумно-дуговые износостойкие покрытия обладают высокой твердостью (2040 ГПа), теплостойкостью, низким коэффициентом трения, коррозионной стойкостью, высокой адгезией покрытия к основе. Применение износостойких покрытий позволяет увеличить срок службы режущего инструмента в 2-12 раз, использовать повышенные режимы работы инструмента, а так же обрабатывать особо прочные сплавы (в том числе и жаропрочные ЭИ893, ЭИ929 ЖС6К, ЭП539Л, ЦНК7РС).
При всем этом качество защитных покрытий может существенно отличаться в зависимости от конструкции вакуумно-дуговых испарителей. У метода вакуумной дуги есть основной недостаток, который к настоящему времени так и не удалось устранить без существенных потерь в производительности работы испарителя - это наличие капельной фазы в продуктах эрозии катода. Капельная фаза является определяющим минусом вакуумно-дугового разряда и приводит к существенному снижению рабочих свойств покрытий. В дополнении к этому, до настоящего времени не разработано объективных критериев оценки параметров капельной фазы в покрытиях и рекомендаций по ее корректировке.
Таким образом, актуальность темы данной диссертации обусловлена двумя следующими положениями. Во-первых, она связана с необходимостью создания современных вакуумно-дуговых испарителей с пониженным содержанием капельной фазы в продуктах эрозии катода, позволяющих получать качественные защитные покрытия, которые могут быть конкурентоспособны на мировом рынке подобных технологий и оборудования.
Во-вторых, системное исследование дисперсного состава капельной фазы в продуктах эрозии катода и причин, влияющих на ее параметры, позволит сформулировать объективные критерии оценки капельной фазы в покрытиях и дать рекомендации по ее корректировке.
Целью работы явилось исследование влияния параметров разряда, теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги и скорости движения катодного пятна на параметры капельной фазы в покрытиях, определение способов регулирования капельной фазы, исследование катодной области вакуумной дуги, детальное изучение, сравнительный анализ и классификация капельной фазы в покрытиях.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
1) проведены подробные исследования и классификация капельной фазы в титановых и нитрид титановых покрытиях, установлены форма и размеры капель, проведена классификация капель по трем группам. Разработан статистический подход к определению параметров капель, образовавшихся в нанесенном покрытии. Его результатом явился ряд гистограмм и аналитическое выражение распределения капель по диаметрам. Выполнен сравнительный анализ капельной фазы в покрытиях TiN, полученных методом вакуумно-дугового осаждения на современных промышленных PVD-установках при одинаковых физических параметрах. Для каждой установки найдено распределение капель по размерам, число капель каждого размера на единицу площади;
2) проведены исследования движения катодного пятна в поперечном магнитном поле, получена эмпирическая формула для скорости движения катодного пятна. Установлена зависимость параметров капельной фазы от скорости движения катодного пятна;
3) исследованы физические параметры вакуумно-дугового разряда.
Установлено влияние величины тока разряда на количество катодных пятен вакуумной дуги и параметры капельной фазы в покрытиях.
Получены вольтамперные характеристики вакуумно-дугового разряда в зависимости от индукции внешнего магнитного поля;
4) проведены исследования теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги. Получено распределение температуры по толщине катода, установлено влияние температуры катода на дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катода;
5) исследованы автографы катодного пятна на массивном катоде.
Определены размеры, форма, глубина и структура кратеров, проведена их классификация, зафиксирован след от траектории движения катодного пятна. Установлена зависимость размеров капель в продуктах эрозии катода от размеров эрозионных кратеров;
6) разработан торцевой вакуумно-дуговой испаритель с управляемой траекторией движения катодного пятна и минимизацией капельной фазы.
Проведены испытания, отлажены режимы работы.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1) проведена классификации капель в покрытии, детально исследованы размеры, форма и физические особенности для каждого типа капель;
2) проведена классификация эрозионных кратеров катодного пятна, для каждого типа кратера установлены размеры, глубина и физические особенности;
3) установлена численная зависимость размеров и количества капельной фазы в покрытиях от параметров разряда, теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги и скорости движения катодного пятна;
4) установлена зависимость размеров капель в покрытии от размеров эрозионных кратеров на катоде вакуумно-дугового испарителя;
5) проведены сравнительные исследования дисперсного состава капельной фазы в покрытиях, полученных на трех промышленных установках Platit -80, ННВ 6.6 И1, УВНИПА-I-002.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1) результаты статистического анализа дисперсного состава капельной фазы в покрытиях (гистограммы и аналитическое уравнение распределения капель по диаметрам);
2) результаты экспериментального исследования движения катодного пятна в поперечном магнитном поле и влияние скорости движения катодного пятна на капельную фазу в продуктах эрозии катода:
-графики зависимости скорости движения катодного пятна от величины внешнего тангенциального к поверхности катода магнитного поля;
-эмпирическая формула для скорости движения катодного пятна;
-графики зависимости относительной площади, занимаемой капельной фазой в покрытиях, от скорости движения катодного пятна;
3) результаты экспериментального исследования физических параметров вакуумно-дугового разряда и их влияния на катодные процессы вакуумной дуги:
-графики зависимости скорости движения катодного пятна от величины тока разряда;
-влияние тока разряда на количество катодных пятен и их скорости;
-вольтамперные характеристики вакуумно-дугового разряда в зависимости от величины внешнего магнитного поля;
-графики зависимости относительной площади, занимаемой капельной фазой в покрытиях, от величины тока разряда;
4) результаты исследования теплофизических процессов в катодной области вакуумной дуги:
-графики зависимости относительной площади, занимаемой капельной фазой в покрытиях, от температуры поверхности торца катода;
5) результаты исследования автографов катодного пятна на массивном катоде;
Достоверность результатов теоретических исследований обеспечивается использованием адекватных физико-математических моделей и хорошо зарекомендовавших себя программных продуктов, применяемых при расчтах, и сравнением полученных результатов с имеющимися литературными данными. Достоверность экспериментальных исследований гарантируется применением современных и хорошо апробированных методов и методик.
Приведены оценки погрешности измерений.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:
1) для различных типов режущего инструмента установлены технологические требования к допустимым размерам капельной фазы в покрытиях;
2) на примере трех современных промышленных вакуумно-дуговых установок определены критерии оценки качества покрытий по параметрам капельной фазы (число капель каждого размера на единицу площади, распределение капель по диаметрам). Даны технологические рекомендации по корректировки капельной фазы в покрытиях;
3) разработан торцевой вакуумно-дуговой испаритель с управляемой траекторией движения катодного пятна, отработаны режимы работы с минимизацией капельной фазы и высокой равномерностью выработки катода.
Полученные результаты исследований легли в основу разработки промышленного вакуумно-дугового испарителя с управляемой траекторией движения катодного пятна и пониженным содержанием капельной фазы в продуктах эрозии катода. Испаритель прошел испытание в промышленном цеху по нанесению покрытий ОАО НПО ЦНИИТМАШ и был внедрен в производство в качестве основного узла серии промышленных вакуумнодуговых установок NanoARCmaster, предназначенных для нанесения широкого спектра защитных и триботихнических покрытий на режущий инструмент и детали машин. Испытания показали, что при использовании этого испарителя капельная фаза в покрытиях нитрида титана снижается в 5 раз по относительной площади, занимаемой каплями, по сравнению с дуговым испарителем с торцевым цилиндрическим катодом такого же диаметра и толщины без магнитного управления катодным пятном.
ичный вклад автора состоит в том, что представленные результаты получены автором или при его непосредственном участии. Автором лично проведены все описанные в работе эксперименты: получение образцов с покрытиями титана и нитрида титана; исследование движения катодного пятна в поперечном магнитном поле и влияния скорости движения катодного пятна на дисперсный состав капельной фазы в покрытиях; исследование физических параметров разряда, их влияния на катодные процессы вакуумной дуги и дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катода; исследование теплофизических процессов и их влияния на дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катода; исследование автографов катодного пятна на массивном катоде, эксперименты по равномерности выработки катода.
Автором работы лично проведены исследования покрытий и поверхности катода методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии, измерение толщины покрытий, определение тангенциальной к поверхности катода составляющей индукции магнитного поля, измерение параметров разряда. Диссертантом лично разработан универсальный метод определения дисперсного состава капельной фазы в покрытиях, получены расчетные модели для определения параметров капельной фазы, разработан статистический подход к определению параметров капель, получены две эмпирические формулы: формула для определения скорости движения катодного пятна, функция распределения капель по диаметрам. Автором лично проведено проектирование промышленного вакуумно-дугового испарителя с управляемой траекторией движения катодного пятна и минимизацией капельной фазы в покрытиях, а так же проведен его запуск и отладка режимов работы.
Апробация работы и публикации. Результаты работы представлялись и докладывались на III международной научно-технической конференции Вакуумная техника материалы и технология, Москва, 2008 г., на 30-ом заседании международного постоянно действующего научно-технического семинара Электровакуумная техника и технология, Москва, 2008 г., на XVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в РКК Энергия, Королев, 2008 г., на VII международной научно-технической конференции Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики, Москва, 2011 г., на 34-ом заседании международного постоянно действующего научно-технического семинара Электровакуумная техника и технология, Москва, 2012 г., на 14-й международной научно-практической конференции Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика Санкт-Петербург, 2012 г.
По результатам работы опубликованы 4 статьи в ведущих научных изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, кратко изложено содержание глав диссертации, сформулированы положения, определяющие новизну и практическую ценность полученных результатов.
В главе 1 проведен обзор и анализ современного состояния процессов генерации металлической плазмы в вакуумно-дуговом разряде и проблем повышения качества износостойких покрытий.
Проведен обзор современных установок, являющихся лидерами мирового рынка вакуумно-дугового осаждения защитных покрытий. Установлено, что проблема капельной фазы в покрытиях до сих пор остается определяющим минусом метода вакуумно-дугового осаждения, однако производители современных установок стремятся снижать размеры и количество капель в покрытиях, использую вакуумно-дуговые испарители с управляемой траекторией движения катодного пятна.
Рассмотрены теоретические основы физических процессов в катодной области вакуумной дуги, основные модели катодного пятна, проведен анализ недостатков метода вакуумно-дугового испарения и негативного влияния капель на износостойкость, трибологические и коррозионные свойства покрытий. Установлено, что капельная фаза приводит к несплошности покрытия, повышению вероятности образования трещин, снижению прочностных свойств, уменьшению коррозионной стойкости. С повышением содержания капельной фазы увеличивается количество макродефектов в покрытии (пористость, шероховатость), а также возрастает степень неоднородности физических свойств по поверхности и объему покрытия, связанная с различным химическим составом капель и самого покрытия. Капли на поверхности покрытия приводят к увеличению шероховатости, повышению коэффициента трения и, как следствие, снижению износостойкости.
Проведен обзор ГОСТов на режущий инструмент, установлено, что чистота поверхности инструмента должна быть не ниже 8-10 классов, чему соответствуют параметры шероховатости Ra 0,63-0,16 мкм и Rz 3,2-0,8 мкм.
Поэтому, чтобы удовлетворять требованиям инструмента к чистоте поверхности и собственным требованиям к качеству, покрытие не должно содержать крупных капель. Капли в покрытии должны иметь размер 0,2-0,мкм. Это требование ставит задачу исследования влияния физических процессов в катодной области вакуумной дуги, параметров разряда и конструктивных особенностей вакуумно-дугового испарителя на дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катода.
В главе 2 приведено описание используемого оборудования и методик исследования. Описана конструкция вакуумно-дугового испарителя с торцевым цилиндрическим катодом диаметром 130 мм, толщиной 30 мм, оснащенного магнитной системой, позволяющей осуществлять управление траекторией движения катодного пятна и работать при скоростях движения катодного пятна в диапазоне 0-30 м/с. Испаритель предназначен для работы в диапазонах тока дуги 60-160А, напряжений 20-35 В.
Образцы с покрытиями и поверхность катода исследовались методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии в диапазонах увеличения х300-х5000. Проводился анализ шлифов покрытий.
Для исследования катодного пятна использовалось два метода: метод скоростной съемки вакуумной дуги со скоростью съемки 100-10000 кадров/сек, а так же метод анализа лавтографов катодного пятна вакуумной дуги на массивном катоде.
В главе 3 описаны исследования параметров капельной фазы в тонкопленочных покрытиях.
Методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии проводились исследования характерных размеров и формы капель в покрытиях (рис.1). В результате чего капли в покрытиях были разбиты на 3 группы:
мелкие, средние, крупные. Эти группы отличаются друг от друга размерами, формой, количеством капель в покрытие. Форма капель в покрытии варьируется от расплющенной, характерной для крупных капель, до сферической, присущей мелким каплям. Соотношение высота/диаметр для капель меняется от 0,1 до 1 в зависимости от их размера. Крупные капли (диаметр 6-100 мкм) имеют более расплющенную форму, иногда даже с провалом в срединной части, что более характерно для чистого Ti, средние капли (диаметр 2-6 мкм) имеют форму близкую к сферическому сегменту, мелкие (диаметр 0,1-2 мкм) - сферическую форму.
а) б) Рис.1. Капельная фаза в покрытиях: а-фотография покрытия титана, увеличение х1000, б- фотографии шлифов покрытий с чередующимися слоями Ti(темные) и TiN(светлые) при увеличении х5000 (представлены мелкие и средние капли) Проводились исследования дисперсного состава и сравнительный анализ капельной фазы в покрытиях, полученных на трех современных промышленных установках Platit -80, ННВ 6.6 И1, УВНИПА-I-002.
Установлено, что 40-60% капель в покрытиях, имеет диаметры в диапазоне 0,40,5 мкм. Разработан статистический подход к определению параметров капель, образовавшихся в нанесенном покрытии, в результате которого были получены гистограммы распределения капель по диаметрам (рис. 2), а так же функция распределения капель по диаметрам в диапазоне диаметров капель 0,3-3мкм (1).
x y(x) Ae B y0 (1) Здесь А, y0 - безразмерный, или отношение двух одноразмерных величин, В - имеет размерность длины, А, В > 0;. Значения коэффициентов А, В, yпредставлены в таблице 1.
Таблица Значения коэффициентов А, В, yУстановка А B yPlatit 18514 0,420,027 0,530,ННВ 653,64 0,950,13 -1,642,УВНИПА 1906,38 0,360,01 0,920,Сравнительный анализ покрытий трех установок показал, что суммарная площадь капель в покрытиях из нитрида титана, имеющих толщину порядка мкм, занимает 7-15% от площади всего покрытия.
Рис. 2. Гистограммы распределения капель по диаметрам вместе с функциями аппроксимации: образцы покрытий, нанесенные в установках Platit -80, ННВ 6.6 И1, УВНИПА-I-0В главе 4 проведено исследование процессов эрозии материала катода и формирования потоков вещества в вакуумно-дуговом разряде.
С помощью скоростной съемки вакуумной дуги (скорость съемки 1кадров в секунду, выдержка 10 мс) исследовалось движение катодного пятна в поперечном магнитном поле и влияние скорости движения катодного пятна на дисперсный состав капельной фазы в покрытиях. Для разряда в парах титана и в среде азота в диапазоне токов разряда 80-160А, значений индукции внешнего магнитного поля 0-13,7 мТл были получены графики зависимости скорости движения катодного пятна от величины тангенциальной к поверхности катода составляющей индукции магнитного поля (рис. 3). Было определено, что при значениях тангенциальной к поверхности катода составляющей индукции внешнего магнитного поля 0-13 мТл скорость движения катодного пятна составляет 6-20 м/с соответственно.
Рис. 3. Зависимость скорости движения катодного пятна от величины тангенциальной к поверхности катода составляющей магнитного поля, разряд в парах Ti Выведена эмпирическая формула для скорости движения катодного пятна, позволяющая рассчитать скорость катодного пятна на титановом катоде, зная ток разряда и величину тангенциальной к поверхности катода составляющей индукции магнитного поля (2).
(2) v(B )kB cI Здесь k, с - коэффициенты, их значения приведены в таблице 2.
Таблица Значения коэффициентов k и c Рабочая среда Ток разряда, А k c Ti 80-160 0,50 0,TiN 80-160 0,40 0,Установлено, что скорость движения катодного пятна состоит из двух составляющих: собственной скорости катодного пятна, которая пропорциональна току разряда и магнитной скорости катодного пятна, пропорциональной величине тангенциальной к поверхности катода составляющей индукции внешнего магнитного поля.
Исследовано влияние величины скорости движения катодного пятна на дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катода для разряда в среде азота (рис. 4) и в парах титана.
Рис. 4. Фотографии покрытий TiN при увеличении (х1000) для трех режимов магнитного управления катодным пятном Проведен статистический анализ капельной фазы в полученных покрытиях, установлено, что повышение скорости катодного пятна от 8 до м/с снижает капельную фазу в титановых покрытиях в 1,5 раза, а в покрытиях нитрида титана в 5 раз по относительной площади, занимаемой каплями (рис.
5). Исследовано влияние величины тока разряда на дисперсный состав капельной фазы в продуктах эрозии катода для разряда в среде азота и в парах титана. Установлено, что при повышении тока разряда от 80 до 120 А капельная фаза в титановых покрытиях возрастает от 12 до 18 % процентов, а в покрытиях нитрида титана от 6 до 7 % по относительной площади, занимаемой каплями (рис.6).
Рис. 5. Зависимость параметров Рис. 6. Зависимость параметров капельной фазы в покрытиях от капельной фазы в покрытиях от скорости движения катодного пятна величины тока разряда Проведено исследование влияния теплофизических процессов на дисперсный состав капельной фазы. Рассчитано распределение температуры по толщине торцевого конического титанового катода (диаметр основания катода 80 мм, толщина 35 мм) при работе в течение 10 мин, ток дуги 100 А, напряжение 25 В, температура охлаждающей воды 7 С.
Установлено, что температура титанового катода существенно возрастает с увеличением его толщины. Так, при толщине катода мм средняя температура его торца составляет 79 С, а толщине 35 мм соответствует средняя температура торца катода 461 С. Установлено, что повышение средней температуры торца катода от 79 до 461 С Рис. 7. Зависимость параметров приводит к существенному капельной фазы в покрытиях от увеличению относительной температуры катода площади, занимаемой каплями, с до 36% в покрытиях титана, с 6 до 14% в покрытиях нитрида титана.
(рис. 7).
Проведено исследование автографов (следов) катодного пятна на массивном титановом катоде диаметром 76 мм толщиной 35 мм. Вакуумнодуговой разряд горел в течение 0,5 с на поверхности катода, очищенной от следов предыдущих экспериментов, при следующих параметрах: ток разряда 100 А, напряжение 25 В. Исследования поверхности катода методами атомносиловой и электронной микроскопии показали, что практически весь торец катода покрыт эрозионными кратерами (рис. 8). Наибольшая плотность кратеров наблюдалась в центральной части катода, размеры кратеров составляют от долей до сотен микрон.
Рис. 8. Микрофотографии поверхностей катода при увеличении х2000:
на рисунке приведены размеры в мкм Эрозионные кратеры предлагается разбить на два типа: одиночные и объединенные.
Одиночный кратер - кратер, имеющий одну замкнутую оплавленную границу и форму близкую к чаше.
Объединенный кратер - кратер, имеющий несколько оплавленных границ, неправильную форму, состоящий из нескольких одиночных кратеров.
Одиночные кратеры можно разбить на три основные группы: мелкие (размер от долей до 5 мкм), средние (размер 5-15 мкм), крупные (размер 15-мкм).
Для всех кратеров характерно следующее:
-кратер имеет чашеобразную форму с оплавленными краями;
-внутренняя поверхность кратера гладкая и однородная;
-на оплавленных краях кратера всегда присутствует несколько застывших капель, размер которых увеличивается с ростом размера кратера;
-кратеры располагаются близко друг к другу или соединяются и образуют объединенный кратер;
-кратеры имеют пологую форму: для крупного кратера соотношение глубина-диаметр 0,08; для средних кратеров) соотношение глубина-диаметр составляет 0,15 мкм.
Зафиксирован след от движения катодного пятна (рис. 9). Установлено, что катодное пятно движется скачками, оставляя после себя крупные объединенные кратеры, размеры которых характеризуются временем жизни катодного пятна.
Установлена связь размеров капель в продуктах эрозии катода с размерами эрозионных кратеров на катоде. Показано, что крупные капли рождаются на крупных объединенных кратерах, а мелкие и средние на одиночных мелких и средних кратерах Рис. 9. След от движения катодного пятна В главе 5 приведены эмпирические зависимости состава капельной фазы в покрытиях от тепловых и физических процессов в катодной области вакуумной дуги. Рассмотрены механизмы формирования капельной фазы. Установлено, что капли рождаются на катоде в области, прилегающей к катодному пятну, которая является местом встречи трех фаз: жидкой, твердой и плазменной. Эту область характеризует эрозионный кратер, размер которого, в свою очередь, характеризуют площадь, занимаемую жидкой фазой, а его оплавленная граница - это раздел жидкой и твердой фаз. Чем больше кратер - тем большую площадь занимает жидкая фаза, что говорит о более длительном времени жизни катодного пятна (КП). Укрупнение размера капель в покрытии связано с увеличением времени жизни КП и группировкой ячеек КП, или иными словами, со снижением скорости КП, что характеризуется на катоде крупными и объединенными кратерами. Уменьшение размера капель связано с уменьшением размера жидкой фазы в области КП, что означает уменьшение времени жизни КП, или возрастание скорости движения КП. Поэтому, чтобы уменьшать размер капель в покрытии, необходимо уменьшать размеры эрозионных кратеров, что можно делать за счет повышения скорости движения катодного пятна.
Определены характерные времена жизни и размеры эрозионных кратеров катодного пятна при токе дуги 100 А, напряжении 25 В, скорости движения катодного пятна 6 м/с. Установлено, что для кратеров диаметром 2,2-20,6 мкм характерные времена жизни катодного пятна составляют 60-5600 нс.
Установлены основные способы снижения размера и количества капельной фазы в покрытиях, приведенные в таблице 3.
Таблица Эмпирические данные по основным параметрам, влияющим на размер капельной фазы в покрытиях TiN Оптимальный Снижение Фактор влияния на капельную фазу диапазон капельной фазы Использование соединений с азотом - в 2-4 раза Температура поверхности катода (использование катодов толщиной 90-200 С в 2 раза менее 20 мм) Ток разряда 80-100 А в 1,4 раза Скорость движения катодного пятна более 15 м/c в 5 раз Величина тангенциального к более 13,7 мТл поверхности катода магнитного поля ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Проведены исследования микроструктуры покрытий, определены размеры и форма капель, проведена их классификация. Разработан статистический подход к определению параметров капель, образовавшихся в нанесенном покрытии. Его результатом явился ряд гистограмм распределения капель по диаметрам и аналитическая зависимость, позволяющая рассчитать число капель в покрытии, имеющих предварительно заданный диаметр, если известен тип катода в дуговом испарителе.
2. Проведен сравнительный анализ капельной фазы в покрытиях, полученных на трех современных промышленных установках Platit -80, ННВ 6.6 И1, УВНИПА-I-002. Установлено, что 40-60% капель в покрытиях, имеет диаметры в диапазоне 0,4-0,5 мкм, распределение капель по диаметрам в диапазоне диаметров 0,3-3 мкм описывается обратной экспонентой, суммарная площадь капель в покрытиях из нитрида титана, имеющих толщину порядка мкм, занимает 6-15% от площади всего покрытия.
3. Исследовано движение катодного пятна в поперечном магнитном поле в диапазоне токов разряда 80-160А, значений индукции внешнего магнитного поля 0-13,7 мТл. Установлено, что при значениях тангенциальной к поверхности катода составляющей внешнего магнитного поля 0-13 мТл скорость движения катодного пятна составляет 6-20 м/с соответственно.
Выведена эмпирическая формула для скорости движения катодного пятна, позволяющая рассчитать скорость катодного пятна на титановом катоде, зная ток разряда и величину тангенциальной к поверхности катода составляющей индукции магнитного поля.
4. Исследованы физические и теплофизические процессы в катодной области вакуумной дуги и их влияние на параметры капельной фазы в продуктах эрозии катода. Получены эмпирические зависимости состава капельной фазы в покрытиях от температуры катода, тока разряда, скорости движения катодного пятна. Установлено, что капельная фаза в покрытиях нитрида титана увеличивается по относительной площади, занимаемой каплями: в 2,3 раза при повышении температуры торца катода от 79 до 461 С;
и в 5 раз при снижении скорости движения катодного пятна от 15 до 8 м/с.
5. Исследованы автографы катодного пятна вакуумной дуги на массивном катоде. Определены основные размеры и форма эрозионных кратеров.
Установлена связь размеров капель в продуктах эрозии катода с размерами эрозионных кратеров на катоде. Определены характерные времена жизни катодного пятна на массивном катоде, и характерные размеры эрозионных кратеров основного трека вакуумной дуги. Установлено, что для кратеров диаметром 2,2-20,6 мкм характерные времена жизни катодного пятна составляют 60-5600 нс.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ, ОТРАЖЕНЫ АВТОРОМ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Дуб А. В., Береговский В. В., Щуренкова С. А.. Промышленная вакуумно-плазменная установка NanoARCmaster-инновационная разработка ОАО НПО ЦНИИТМАШ // International scientific journal for the European intellectual elite УEФ and УMФ Euroeducation. 2011. № 4. 2011. P. 12Ц15.
2. Духопельников Д. В., Кириллов Д. В., Щуренкова С. А. Динамика движения катодных пятен по поверхности катода в поперечном магнитном поле // Наука и образование: Электронное научно-техническое издание. М., 2012. № 1 [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения 14.06.2012).
3. Объемная доля и дисперсный состав капельной фазы в покрытиях полученных вакуумно-дуговым методом на установке Platit / В. В. Береговский [и др.] // Защитные и упрочняющие покрытия. 2009. № 1.
С. 3Ц5.
4. Сравнительный анализ капельной фазы в покрытиях, полученных методом вакуумно-дугового осаждения на установках типа ННВ и Platit / В. В. Береговский [и др.] // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2008. № 4. С. 29 - 32.
5. Береговский В. В., Духопельников Д. В., Щуренкова С. А. Параметры капельной фазы в покрытиях полученных вакуумно-дуговым методом на установке Platit -80 // Вакуумная техника, материалы и технология:
Материалы III международной научно-технической конференции. М., 2008. С.
34-35.
6. Щуренкова С. А., Мелик-Парсаданян А. К. Сравнительный анализ капельной фазы в покрытиях, полученных методом вакуумно-дугового осаждения при различных величинах внешнего тангенциального магнитного поля. // Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем: Материалы XVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Королев, 2010. Ч. 2. С. 127-129.
7. Береговский В. В., Духопельников Д. В., Щуренкова С. А. Влияние тока разряда на объемную долю капельной фазы // Электровакуумная техника и технология: Материалы 30-го заседания международного постоянно действующего научно-технического семинара. М., 2008. С. 33-36.
8. Береговский В. В., Комаров Н. В., Щуренкова С. А. Промышленная вакуумно-плазменная установка NanoARCmaster для ионного осаждения защитных и триботехнических покрытий // Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики: Материалы VII международной научнотехнической конференции. М., 2011. С. 77-80.
9. Духопельников Д. В., Кириллов Д. В., Щуренкова С. А. Влияние температуры катода на долю капельной фазы в покрытиях Ti, TiN // Электровакуумная техника и технология: Материалы 34-го заседания международного постоянно действующего научно-технического семинара. М., 2012. С. 57-60.
10. Зависимость параметров капельной фазы в покрытиях от скорости движения катодного пятна вакуумной дуги / В. В. Береговский [и др.] // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика:
Материалы 14-й международной научно-практической конференции. СПб., 2012. С. 22Ц27.