Модификация свойств материалов методами поверхностной плазменной металлургии

ТЕМА НОМЕРА

представляют там свои разработки, устанавливают контакты. В этом коммуникационном пространстве мы этакие «научные цыгане», кочующие по странам мира, открывающие полы своего пиджака и предлагающие различные технологические новшества. Это умение сродни искусству. По Интернету успеха не достичь, лишь личные встречи обеспечивают выгодные сделки.

- Решение каких вопросов для института вы считаете первоочередным?

- Все, чем занимается ИТМО: прикладные исследования, продажа оборудования

и технологий - служит развитию фундаментальной науки. Это главное. Но перед нами стоит серьезная задача диверсификации рынков. Конечно, предпочтительнее иметь в числе заказчиков крупные корпорации, со своими исследовательскими центрами. С ними можно заниматься деятельностью, близкой к научной. Так, мы много лет сотрудничали с компанией «Дженерал электрик», французской «Эа Ликвид», но всему приходит конец. Меняются люди. В нашем деле все очень персонифицировано. Хорошо бы иметь в портфеле еще несколько американских, европейских или азиатских компаний, около 5-6. И с ними работать, что обеспечило бы необходимый приток ежегодных заказов и позволило более-менее прогнозировать собственную деятельность на некую перспективу. Это наш вектор движения. Вторая канва - сотрудничество с компаниями и государственными организациями за рубежом. Но и там, кстати, сейчас все ждут готовых решений, и в этом смысле довольно сложно что-то предлагать, поскольку речь идет об инжиниринге, требующем привлечения конструкторов, дизайнеров. В системе ИТМО в советские времена были СКБ и завод, теперь остались конструкторские подразделения, которые выполняют лишь конструкторские и инженерные задачи. Благо мы не разучились это делать. Институт не выпускает ничего стандартного, что позволяет нам находить заказчиков в таких странах, как Россия, Китай, Корея, Чехия, Саудовская Аравия, Бразилия. Географию наших контактов и рынков сбыта мы намерены активно расширять. СИ

Жанна КОМАРОВА

Модификация

свойств

материалов

методами

поверхностной

плазменной

металлургии

Валентин Асташинский,

замдиректора по научной работе и инновационной деятельности Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, член-корреспондент, доктор физико-математических наук

Практически во всех сферах человеческой деятельности научно-технический прогресс связывается как с созданием новых, так и с существенным улучшением эксплуатационных характеристик уже широко используемых в промышленном производстве материалов. Интенсивно ведется поиск новых способов изменения состояния поверхности материалов, способных придать им требуемые свойства, так как возможности традиционных методов химико-термической обработки практически исчерпаны. Поэтому в современном материаловедении активно применяются концентрированные потоки энергии, в качестве которых используют ионные и электронные пучки, лазерное излучение и плазменные потоки.

Наиболее перспективны высокоэнергетические компрессионные плазменные потоки, генерируемые квазистационарными ускорителями нового поколения, разработанными

8

и созданными в НАН Беларуси (рис. 1). Такие системы, реализующие ионно-дрейфовое ускорение замагниченной плазмы, позволяют получать высокоэнергетические компрессионные потоки заданного состава, по совокупности параметров (скорость плазмы - 50^200 км/с, температура и концентрация заряженных частиц плазмы - (4^50) • 104 К и 1016^1018 см-3 соответственно, длительность разряда -100^500 мкс) превосходящие все имеющиеся типы плазменных ускорителей [1, 2].

Первые же эксперименты по их воздействию на материалы показали высокую эффективность в использовании для модификации поверхностных свойств углеродистых сталей. Такое воздействие дает возможность упрочнить поверхность с необходимыми для практического применения глубиной (-0,1^0,3 мм) и микротвердостью (-10000 МПа) модифицированного слоя [3]. Дальнейшие исследования, проводимые совместно с учеными кафедры физики твердого тела БГУ (завкафедрой - доктор физико-математических наук профессор В. Улов), позволили разработать новые методы эффективной структурно-фазовой модификации поверхностных свойств различных классов материалов, обеспечивающие существенное улучшение их эксплуатационных характеристик и основанные на воздействии на вещество высокоэнергетическими компрессионными плазменными потоками, нагруженными специально вводимыми в плазму мелкодисперсными упрочняющими частицами [4-7].

Были установлены закономерности формирования глубокого (до 50 мкм) модифицированного слоя в образцах конструкционных сталей при воздействии на них компрессионных плазменных потоков (плазмообразующий газ - азот) с легирующими добавками титана, циркония, молибдена и хрома. Показано, что

оно приводит к увеличению концентрации внедренного азота и синтезу упрочняющих нитридов легирующих металлов. Изменения структурно-фазового состояния модифицированного слоя сопровождаются увеличением микротвердости и уменьшением коэффициента трения поверхности до 3-4 раз (рис. 2). При этом твердость и износостойкость слоя оказываются сравнимыми с характеристиками высоколегированных сталей.

Воздействие компрессионным плазменным потоком на поверхность широко используемой в промышленности быстрорежущей инструментальной стали Р6М5 с предварительно нанесенным слоем в 1 мкм циркония позволило сформировать в поверхностном слое многозонные структуры, обеспечивающие существенное улучшение эксплуатационных характеристик модифицированных образцов (увеличение изностойкости и твердости поверхности) за счет формирования нитрида циркония, диспергирования зеренной структуры и других эффектов, связанных со сверхбыстрой закалкой, и расширение диапазона термической стабильности до 600-800 °С.

Было показано, что при воздействии компрессионным плазменным потоком на пластины твердого сплава Т15К6 формируется полностью проплавленный поверхностный слой глубиной до 10 мкм, представляющий собой обогащенный вольфрамом твердый раствор

Рис. 1.

Газоразрядный магнито-плазменный компрессор (А) и воздействие компрессионного плазменного потока

на образец

Рис. 2.

Модификация и легирование углеродистых сталей атомами А - микрофотография поперечного сечения модифицированного слоя; Б - микротвердость модифицированного слоя

Steel 3 13 Дж/см2 20Дж/см2 35Дж/см2 40Дж/™2

9

I

ТЕМА НОМЕРА

Рис. 3. Модификация и легирование титана атомами Сг: А - микрофотография поперечного сечения модифицированного слоя;

Б- микротвердость поверхности модифицированного слоя

Рис. 4. Модификация и легирование алюминия атомами Мо: А - микрофотография поперечного сечения модифицированного слоя;

Б- микротвердость поверхности модифицированного слоя

Глубина индентирования, мкм

(Ш, Т1)С с ячеистым концентрационным распределением металлов, за которым следует образовавшаяся область контактного плавления зерен карбидов. Проведенные на ЗАО «Амкодор-Уникаб» производственные испытания инструмента, изготовленного из этого сплава и используемого в токарно-винторезных станках с ЧПУ, показали увеличение его работоспособности более чем в 7 раз: стандартный инструмент обрабатывает 30 деталей до выхода инструмента из строя, а обработанный компрессионным плазменным потоком - 216.

При плазменном воздействии на образцы титана ВТ 1.0 с предварительно нанесенным тонким слоем хрома получено существенное улучшение трибологических свойств поверхности, заключающееся в увеличении ее твердости в 1,5-2,5 раза и уменьшении коэффициента трения до 4,5 раза при глубине легированного слоя 15-20 мкм (рис. 3). Показано, что использование азота в качестве плазмообразующего вещества компрессионного потока обусловливает насыщение поверхности титана атомами азота и формирование упрочняющих нитридов, а повышение плотности поглощенной образцом энергии ведет к увеличению толщины легированного хромом слоя.

и +

«

Были установлены основные закономерности существенного улучшения эксплуатационных характеристик поверхности алюминия и его сплавов при воздействии на них компрессионными плазменными потоками с добавками титана и молибдена. Показано, что такое воздействие приводит к формированию в модифицированном слое упрочняющих фаз - нитридов и интерметаллидов, позволяющих повысить микротвердость поверхностного слоя в зависимости от режимов обработки в 3-6 раз (рис. 4).

Влияние компрессионных плазменных потоков на полупроводниковые материалы открывает принципиально новые подходы к разработке элементной базы следующего поколения для микро- и оптоэлектро-ники (интегральных микросхем, элементов памяти, устройств обработки и отображения информации). Так, впервые при воздействии компрессионным плазменным потоком на пластины кремния на его поверхности синтезированы регулярные объемные самоорганизующиеся структуры различной конфигурации диаметром 100^700 нм и длиной до 500 мкм (рис. 5).

Их формирование связано с процессами быстрой кристаллизации расплава на фоне развития ряда неустойчивостей в присутствии электромагнитных полей, наведенных выносными токами компрессионного потока.

Также впервые при влиянии на пластины кремния компрессионным плазменным потоком, нагруженным металлическими мелкодисперсными частицами (N1, Си), в течение длительности одного разряда (~100 мкс) маг-нитоплазменного компрессора синтезированы поверхностные объемные субмикронные структуры и покрывающие их наноструктури-рованные металлические кластеры, представляющие собой сферические образования диаметром 50-200 нм, состоящие из наночастиц размером 10-30 нм (рис. 6).

Осаждение сформированных в приповерхностном плазменном слое металлических кластеров происходит на заключительной стадии разряда при завершении кристаллизации расплавленного слоя кремниевой подложки, что в совокупности и приводит к возникновению наноструктурированных металлических покрытий на уже синтезированные цилиндрические структуры.

Воздействие компрессионным плазменным потоком на пластины кремния с предварительно нанесенным тонким покрытием титана приводит к появлению глубокого

легированного слоя толщиной до ~10 мкм, содержащего силициды титана, широко востребованные в микро-, опто- и наноэлектронике, в том числе наиболее низкоомный дисилицид титана Т1812- Наряду с этим в модифицированном слое синтезированы дендриты двух видов, состоящие из кремния и Т15813 (рис. 7).

Рассматриваемый подход в отличие от других методов не имеет термодинамических ограничений на спектр формируемых силицидных фаз и позволяет получать достаточно однородное их распределение по глубине модифицированного слоя.

Анализ полученных результатов по модификации поверхностных свойств различных материалов под воздействием компрессионных плазменных потоков позволил выявить основные физические факторы, приводящие к глубоким структурно-фазовым преобразованиям в модифицированном слое, которые обеспечиваются высокоскоростным нагревом поверхности до температур, превышающих точку плавления легирующих элементов и материала подложки вследствие термализации кинетической энергии компрессионного плазменного потока при его торможении на мишени; жидкофазовым перемешиванием легирующих частиц с элементами подложки в расплавленном слое под действием высоких градиентов давления и температуры компрессионного плазменного потока; поддержанием необходимого уровня температур и давлений в течение времени, достаточного для завершения физико-химических превращений в расплавленном слое, обеспечивающих синтез новых структурно-фазовых элементов; высокоскоростным охлаждением модифицированного слоя материала в присутствии электрических и магнитных полей, наведенных выносными токами компрессионного плазменного потока.

Совокупность обозначенных процессов, сопровождающих воздействие высокоэнергетических компрессионных плазменных потоков на вещество, характеризует собой физические принципы нового научного направления - поверхностной плазменной металлургии, реализация которых и позволяет осуществлять глубокую структурно-фазовую модификацию свойств поверхности материалов, что недоступно для других методов обработки. СИ

http://innosfera.by/2017/11/plasma_metallurgy

ЛИТЕРАТУРА

1. Astashynski V.M., Min'ko L. Ya. Physical processes in quasistationary plasma accelerators with ion current transfer // The Physics of Ionized Gases.- Belgrade, 1999. P. 285-303.

2. Astashynski V.M., Ananin S.I.,Askerko V.V. et al. Studies and characterization of quasi-stationary compression plasma flows generated by gas-discharge and erosive plasma accelerators // Publications of the Astronomical Observatory of Belgrade. 2007. V. 82. P. 23-33.

3. Ananin S.I., Astashynski V.M., Astashynski V.V. et al. Modification of multi-profile surfaces by

compression plasma flows action of quasista of Atomic Science and Technology. 2000. N

nary high-current plasma accelerator // Problems eries: Plasma Physics (6). P. 152-154.

4. Kuraica M.M., Astashynski V.M., Dojcinovic I. et al. Modification of solid surface by a compression plasma flow // Physics of Laser Crystals. 2003. Chapter 16. P. 245-255.

5. Углов В.В., Черенда Н.Н., Анищик В.М. и др. Модификация материалов компрессионными плазменными потоками.- Минск, 2013.

6. ЛасковневА.П., Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А. и др. Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой.- Минск, 2013.

7. Асташинский В.М., Углов В.В., Черенда Н.Н., Шиманский В.И.Структурно-фазовая модификация титана при воздействии компрессионными плазменными потоками.- Минск, 2016.

Рис. 5. Объемные структуры на поверхности пластин кремния

Рис. 6.

Металлические наноструктуриро-ванные покрытия на поверхности пластин кремния

Рис. 7.

Дендритные структуры в модифицированном слое кремния