Распределение температуры в струе высокочастотного индукционного разряда пониженного давления

УДК 537.525.7:621.762

И. Ш. Абдуллин, М. Ф. Шаехов, А. А. Хубатхузин,

Р. Ф. Шарафеев

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В СТРУЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: струя, плазма, температура.

Проведены исследования распределения температуры по высоте плазменной струи высокочастотного индукционного разряда пониженного давления при ее взаимодействии с обрабатываемым изделием.

Keywords: plasma, stream, temperature.

The paper is dedicated to studying of temperature distribution on RF inductive plasma stream height in interacting with treaded sample.

Большое значение при практическом использовании металлов и сплавов на их основе имеют вопросы повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхности металлических изделий.

Перспективным методом обработки материалов является воздействие высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления, которая позволяет варьировать как температуру обработки, так и характеристики ионного потока, поступающего из плазмы на поверхность обрабатываемого изделия. К преимуществам воздействия ВЧ плазмы пониженного давления можно отнести: практически неограниченный ресурс работы; простое аппаратурное оформление; малую продолжительность процессов обработки; возможность совмещения нескольких технологических операций; высокую плотность покрытий, равную плотности исходного материала и др. Однако в процессе плазменного воздействия образцы нагреваются. В связи с этим проведены исследования термического воздействия потока ВЧ плазмы пониженного давления на поверхность образцов материала.

Эксперименты проводились на ВЧ плазменной установке индукционного разряда (частота генератора 1,76 МГц). Установка позволяет регулировать потребляемую мощность в диапазоне от 0,5 до 5 кВт, рабочее давление от 13,3 Па до 133 Па, расход плазмообразующего газа до 0,12 г/с, в качестве плазмообразующего газа использовался технический аргон [1].

Образец изготавливался из стали 40Х в виде пластины с размерами 50x50 мм и толщиной 5 мм. Пластину устанавливали перпендикулярно потоку плазмы на различных высотах от среза плазматрона 30, 60, 90, 120 мм. Для контроля температуры в центре образца с его тыльной стороны зачеканивалась хромель-алюмелевая термопара. С целью устранения влияния ВЧ наводки на показания прибора, фиксирующего ЭДС термопары, измерения температуры проводили сразу после гашения разряда и прекращения подачи плазмообразующего газа. Таким образом, пластина при минимальном теплообмене, в условиях вакуума, сохраняла свою температуру в начальный момент времени. Результаты исследований представлены на рис. 1. В экспериментах по исследованию распределения температуры плазмы вдоль потока за начало отсчета (z = 0 мм) взят срез плазматрона. Положительное направление оси совпадает с направлением потока плазмы.

Установленные зависимости между входными параметрами установки и параметрами разряда показывают на возможность эффективной и достаточно простой регулировки характеристик струи разряда. Режим обработки можно регулировать, не только изменяя расход, мощность разряда, но и перемещением обрабатываемого тела вдоль струи разряда.

Скорость нарастания температуры и установление её стационарного распределения показано на рис. 2.

Рис. 1 - Зависимость температуры образца от тока анода и высоты расположения пластины

Рис. 2 - Установление температуры образца

Как видно из рисунка, независимо от мощности, вкладываемой в разряд стационарный режим наступает примерно через 5-7 минут после включения плазмы.

Литература

1. Абдуллин, И.Ш. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления./ И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, И.Р. Сагбиев, М.Ф. Шаехов. - Казань: Изд-во Казан. технол. ун-та, 2007. -356 с.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, abdullin_i@kstu.ru; М. Ф. Шаехов - д-р техн. наук, проф. КГТУ, Tkim1@kstu.ru; А. А. Хубатхузин - канд. техн. наук, доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КГТУ, Al_kstu@mail.ru; Р. Ф. Шарафеев - - канд. техн. наук, доц. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, SharafeevRF@kstu.ru.