Диссертация (1025103), страница 19
Текст из файла (страница 19)
и выше, n = 14 (в) [103]127радиусу области напыления устанавливали распределение элементов C, W иCu» [103].«Помимо элементов Cu, W и C, в спектрах РОР наблюдаются такжехимические элементы Si, Ca, O2, Na, входящие в состав силикатного стекла. Сувеличением энергии плазменных импульсов спектр химических элементоврасширяется. Однако при высокой энергии плазменной струи происходитсильное разрушение поверхности стекла, и профили распределения элементовискажаются.Результатыопределенияэлементногосоставапленкинастеклянной подложке, полученные в растровом электронном микроскопе,показаны на Рис.
3.27» [103].«Видно, что основными элементами в пленках являются C, W и Cu; крометого, присутствуют O2, Na, Ca и Si, которые являются компонентамисиликатного стекла (на Рис. 3.24 и Рис. 3.26 не показаны, зато их можно видетьна Рис. 2.19, б в п. 2.11.4.1)» [103].Рис. 3.25. Область напыления пленки на стеклянной подложке при среднейэнергии Еср ≤ 60 отн. ед. 20 плазменных импульсов. Концентрацию C, Cu и Wизмеряли в точках 1–4 [103]«Как видно, под поверхностью стекла на глубине ~20 нм формируетсякомпозитный слой, содержащий C, W и Cu. Содержание элементов в слоесущественно зависит от энергии плазменных импульсов. При значенияхэнергии Еср ≤ 60 отн.
ед. в слое преобладает C (56 ат. %), затем следует W(26 ат. %) и Cu (18 ат. %)» [103].128абвРис. 3.26. Распределение элементов C (а), Cu (б) и W (в) по радиусу областинапыления в точках 1–4 Рис. 3.25: сплошная тонкая линия соответствует точке1 (центру области); пунктирная толстая линия – точке 2; штрихпунктирнаялиния – точке 3; точечная линия – точке 4 (краю области) [103]129«При увеличении энергии импульсов плазмы (Еср ≥ 67 отн. ед.) углеродастановится меньше (30 ат. %), содержание W заметно увеличивается (50 ат %),но содержание Cu изменяется мало (20 ат. %).
При энергии плазменныхимпульсов Еср ≥ 80 отн. ед. содержание C резко падает (8 ат. %), резковозрастает содержание Cu (50 ат. %) при небольшом уменьшении содержанияW (42 ат. %). Отметим, что под тонким поверхностным слоем Cu и W привысоких энергиях формируется более толстый слой толщиной ~135 ÷ 190 нм сповышенным содержанием C (Рис. 3.24, б, в). При энергии плазменногоимпульса Еср ≤ 60 отн.
ед. этот слой отсутствует (Рис. 3.24, а). Эта особенностьхарактерна только для C. Для W и Cu наблюдается постепенное уменьшениесодержания элементов до толщин ~1,5 мкм (Рис. 3.24, в). Заметим, что глубинапроникновения элементов зависит от энергии плазменных импульсов: приЕср ≤ 60 отн. ед. углерод проникает на глубину ~360 нм; Cu и W – на глубину~1250 нм» [103].Рис.
3.27. Элементный состав пленки на стеклянной подложке при ееосаждении через медную трубку: Еср ≥ 80 отн. ед., n = 20,плазмообразующий газ Ar+ [103]130«С увеличением энергии плазменных импульсов до 80 отн. ед. глубинапроникновения элементов увеличивается, соответственно: C (~570 нм),W (~920 нм) и Cu (~1520 нм). Частицы более тяжелых элементов W и Cuпроникают до глубин больше 0,8 ÷ 1,5 мкм. Причина высокой концентрацииуглерода на глубинах ~100 ÷ 200 нм в настоящее время не ясна. Высокоесодержание углерода в плазме, вероятно, связано с эрозией корпуса анода(сталь марки 12Х18Н10Т) и разрушением электрического изолятора изкапролона.
Частично на это указывают элементные спектры (Рис. 3.27). Видно,что с повышением энергии плазмы в спектре появляются Fe и Ni – компоненты,входящие в состав стали марки 12Х18Н10Т. Пленки, напыленные на установкеПФ-4, были диэлектрическими, что связано с проникновением частиц C, W иCu в матрицу стекла (изолятор) и формирование слоев из напыляемыхэлементов под поверхностью стекла. Причиной формирования слоев изэлементов C, W и Cu является высокая скорость плазменной струи (больше105 м/с). Как видно, механизм напыления пленок на установке ПФ-4 отличаетсяот традиционных способов осаждения пленок, где скорость частиц не играеттакой существенной роли» [103].3.10.
Нанесение покрытий в трубках на установке плазменный фокусВ современной технике часто используются изделия, на внутреннихповерхностяхкоторыхкоррозионностойкиенаносятсяпокрытия.Дляразличныеэтихцелейжаростойкиеприменяютиметодыплазменного порошкового напыления, газоциркуляционные методы и др. [126,148, 149]. Однако при использовании этих методов покрытия в длинных иузких щелях, трубках получаются неоднородными по толщине и длине [150].Поэтому поиск новых методов нанесения защитных покрытий в узких идлинных полостях является актуальной задачей.Еще одной задачей, рассматриваемой в этой диссертационной работе,являетсяисследованиевозможностииспользованияустановоктипа131«Плазменный фокус» (ПФ) для нанесения защитных покрытий в длинныхтрубках.
Особенностью установок ПФ является генерация тонких струй плазмывысокой мощности при высокой скорости плазмы [151].абРис. 3.28. Элементный состав покрытия на медной трубке: а – дейтериеваяплазма, Еср > 60 отн. ед; б – аргоновая плазма в магнитном поле,Еср > 80 отн. ед.
(Еср – это оценочное среднее значение энергии плазменногоимпульса для каждого облученного образца, находится как среднее значениевеличины особенности на осциллограмме производной тока за нескольковыстрелов)132Плазмообразующими газами были Ar и D при давлении 1,1 и 1,5 Торрсоответственно.Образцы для нанесения покрытий представляли собой трубки изнеотожженной меди с внутренним диаметром 14 мм и длиной 70 мм. Покрытиявнутренних полостей трубок получали за счет эрозии в плазменном пинчематериала анода установки – Cu и W. Эксперименты проводились как безмагнитного поля, так и в магнитном поле, создаваемом кольцевыми магнитамис индукцией ~0,08 ÷ 0,09 Т, которые устанавливались на концах трубки.Анализ структуры внутренней поверхности выполняли на плоскихобразцах 1,4 × 1,4 см2, вырезанных из Cu трубок после воздействия Ar иD плазмы.
Элементный анализ покрытий проводили на растровом микроскопеEVO-40смикрорентгеновскойприставкойX-Flash(см.п.2.11.2).Микротвердость покрытий и P(H) диаграмму определяли на установке Nanotest(см. п. 2.10.1). Напыление покрытий в Cu трубках выполняли по схеме наРис. 2.13 в п. 2.6.На Рис. 3.28, а, б показан элементный анализ покрытия, полученного привоздействии D и Ar плазмы. Видно, что в покрытии помимо Cu и W содержатсяO2 и C. При небольшом увеличении энергии плазмы (Рис. 3.28, б) в спектрепоявляются Fe и Ni.Распределение элементов: Сu, W, O2 и С вдоль медной трубки показанона Рис. 3.29.
Наибольшая относительная доля от общего содержания элементовпринадлежит Cu, O2 и C. Доля W увеличивается с ростом энергии плазмы(Рис. 3.29, б), при этом растет градиент концентрации вдоль трубки.Структура покрытия во внутренней полости Cu трубки показана наРис. 3.30. Трещины на поверхности вызваны механической деформацией пририхтовке образцов.Видно, что при воздействии D плазмы покрытие имеет полосчатуюструктуру с небольшими скоплениями капель металла. В случае Ar плазмынаблюдаются многоуровневые скопления капель металла в оплавленнойматрице, покрытой беспорядочными трещинами.133абРис.
3.29. Распределение элементов: Сu, O2, С и W в покрытии вдоль трубки:а – дейтериевая плазма, Еср > 60 отн. ед; б – аргоновая плазма в магнитномполе, Еср > 80 отн. ед. Стрелкой показано направление движения плазмы(слева-направо)На Рис. 3.31 представлены типичные зависимости микротвердости (HV)покрытия внутренней полости медной трубки в сравнении с нелегированноймедью. Видно, что вблизи поверхности покрытия имеется «рыхлый» слойтолщиной ~20 ÷ 30 нм.
Для нелегированной меди на этой глубине наблюдаютсянаибольшие значения HV (27 ГПа). После обработки поверхности Ar плазмойзначение НV несколько меньше (25 ГПа). Значительное уменьшение HV имеет134место после обработки поверхности D плазмой (13 ГПа). Как следует из кривыхмикротвердости (Рис. 3.31), толщина слоя покрытия составляет ~650 ÷ 700 нм;это глубина, на которой HV ~1,2 ÷ 1,3 ГПа, что соответствует микротвердостимеди после механической прокатки.абвРис. 3.30.
Структура покрытия внутренней полости медной трубки:а – дейтериевая плазма, Еср 60 отн. ед; б, в – аргоновая плазма вмагнитном поле, Еср 80 отн. ед.Как следует из результатов, представленных на Рис. 3.28, 3.29, покрытияна внутренней полости медных трубок содержат, в основном, Сu, O2 и C.Значительно меньше концентрация W и других элементов (Fe, Ni). Высокоесодержание Cu и O2 связано с присутствием оксида меди (I) Cu2O, которыйвсегда покрывает поверхность медной пластины. Перенос меди с анода даетменьший вклад, на что указывает низкая концентрация W в покрытии.135Рис.
3.31. Микротвердость покрытия во внутренней полости Cu трубкиВысокое содержание C может иметь 3 причины: первая – это повышенноесодержание паров углеводородов в вакуумной камере; вторая – эрозия корпусаанода, изготовленного из стали типа 12X18H10T (Fe 66 %; Cr 17÷19 %;Ni 9÷11 %; Ti 0,6 %; C 0,12 %; Si 0,8 %; Mn 2,0 % и др.), что отчастиподтверждается присутствием Fe и Ni в спектрах; третья – применение вкачестве вакуумного уплотнителя капролона, рабочая температура которого 110 °С [102]. При импульсных токах в сотни килоампер поверхность металларазогревается до значительно больших температур, что приводит к деструкцииматериала с выделением C.Полученные покрытия являются сложным по составу композиционнымматериалом, свойства которого зависят от содержания различных химическихэлементов (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
