Характеристики высокочастотного емкостного разряда пониженного давления в процессах обработки материалов

УДК 537.525.7:621.762

И. Р. Сагбиев

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Работа посвящена исследованию характеристик высокочастотного емкостного разряда в процессе обработки материалов при давлении плазмообразующего газа 13.3 - 180 Па, расходе плазмообразующего газа от 0 до 0.3 гс1, потребляемая мощность в разряде от 0.1 до 4 кВт, частоте генератора от 5.28 до 16.64МГц.

ВВЕДЕНИЕ

Плазма высокочастотных (ВЧ) разрядов пониженного давления (р = 13.3 - 133 Па) является эффективным инструментом обработки поверхности различных материалов. В результате ее воздействия возможно улучшение сразу нескольких параметров, например, повышение усталостной прочности одновременно с наведением в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений и уменьшением шероховатости [1, 2].

Образец, помещенный в плазму, изменяет ее характеристики, в связи с чем изменяется согласование генератора и режим плазменного воздействия. Как правило, для обработки чаще всего используется плазма аргона, однако в ряде процессов применяются воздух и смеси аргона с молекулярными газами. Свойства ВЧ разрядов пониженного давления в процессе обработки материалов и в смеси газов изучены недостаточно.

В связи с изложенным, целью настоящей работы является исследование влияния изделия, а также состава плазмообразующего газа на характеристики ВЧ емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давлении с продувом газа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Одними из важнейших показателей эффективности ВЧ плазмотронов являются энергетические характеристики. С точки зрения технологических приложений наибольший интерес представляют мощность, потребляемая установкой РПотр, вкладываемая в разряд, Рр выделяющаяся в струе Рстр, рассеиваемая на аноде генераторной лампы РА.

Установлено, что в диапазоне потребляемой мощности от 2.5 до 19 кВт мощность, вкладываемая в разряд, практически линейно зависит от Рпотр, что позволяет проводить регулировку режима обработки по Рпотр.

Мощность, вкладываемая в разряд, и выделяемая в струе, нелинейно зависит от расхода газа Ог (рис. 1). С увеличением расхода газа мощность, выносимая струей, достигает своего максимального значения при Ог = 0.08 - 0.85 г с-1. При этом максимум Рр несколько смещен в сторону больших расходов. Это связано с газодинамикой разряда и объясняется более интенсивным выносом тепла в этом диапазоне Ог.

С увеличением колебательной мощности оптимальный диапазон Ог также смещается в сторону больших значений расхода газа. При Ог = 0.1 - 0.12 г с-1 отношение Рстр / Рр достигает 50%. Таким образом, в зависимости от размещения обрабатываемого изделия в разряде или плазменной струе, оптимальные условия для обработки изделий достигается при различных Ог.

Рис. 1 - Зависимости Рр (1,2,3), Рст (4), РА (5) от расхода плазмообразующего аргона в ВЧЕ разряде, / = 13.56 МГц, р = 165 Па: 1 - Рпотр = 15 кВт; 2 - Рпотр = 12.5 кВт; 3,

<4, 5 - Рпотр = 7«5 кВт

Одной из основных характеристик плазмы является концентрация электронов (рис. 2). Исследована зависимость Пе в ВЧЕ разряде пониженного давления от напряжения на электродах иэ для различных частот ВЧ генератора (рис. 2а).

а б

с

Рис. 2 - Зависимость концентрации электронов в ВЧЕ разряде пониженного давления от параметров режима (аргон):

а) от напряжения на электродах, частоты генератора и давления газа (Эг = 0.08 г^с"1, Г = 0, 2 = -120 мм): 1 - 3 - р = 120 Па; 4 - 6 - р = 13 Па; 1 - / = 5.28 МГц, 2 -/ = 13.56 МГц, 3 -/ = 16.64 МГц; 4 -/ = 5.28 МГц, 5 -/ = 13.56 МГц, 6 -/ = 16.64 МГц

б) от мощности разряда и расхода газа ( = 13.56 МГц, г = 105 мм, р = 165 Па): 1 -Ьг = 0 г с-1, 2 - Эг = 0.08 г с-1, 3 - Эг = 0.12 г с-1, 4 - Эг = 0.18 г с-1;

в) распределение концентрации электронов вдоль струи (Г = 0 мм, f = 13.56 МГц, РР = 3.8 кВт, образец помещено в точке 2 = 200 мм). 1, 2 - Ог = г с-1; 3, 4 - Ог = 0.1 г с-1; 5, 6 - Ог = 0.07 г с-1; 1, 3, 5 - в присутствии образца; 2, 4, 6 - невозмущенный поток

Установлено, что при малых иэ наблюдается незначительный рост Пе, затем происходит резкое возрастание концентрации электронов при небольшом изменении иэ, и разряд из слаботочного режима переходит в сильноточный. Результаты экспериментальных исследований показали, что напряжение перехода в другой режим горения разряда зависит от давления в разрядной камере (РК) и частоты генератора. Для иэ < 200 В при р = 13 Па и Ог = 0 гс-1 концентрация электронов несколько выше, чем при р = 120 Па и Ог = 0.08 гс-1, что объясняется лучшим согласованием ВЧ генератора с нагрузкой при малых иэ и более низких давлениях и в безрасходном режиме. Увеличение иэ приводит к более существенному возрастанию Пе при р = 120 Па и Ог = 0.08 гс-1. Это также связано с улучшением согласования генератора с плазмой в данных условиях, что приводит к увеличению Рр. По-

8 9 —1

вышение р с 13 до 120 Па увеличивает Vc от 2-10 до 5-10 с , что повышает вероятность ионизации и, следовательно, Пе возрастает.

Установлено, что с ростом давления до 150 - 180 Па концентрация электронов в ВЧ разрядах увеличивается, достигая максимального значения (рис. 2б). При дальнейшем повышении давления Пе уменьшается. Это объясняется тем, что первоначально, по мере увеличения давления, концентрация электронов растет за счет снижения потерь заряженных частиц вследствие их диффузии и повышения частоты ионизирующих столкновений с тяжелыми частицами. После достижения максимального значения концентрация начинает падать, так как при переходе в область больших давлений уменьшаются длина свободного пробега электронов и их энергия.

Зависимости Пе = Пе(Ог) иллюстрируют возможность настройки ВЧ генератора с плазменной нагрузкой на необходимый расход газа, при котором достигаются достаточно высокие концентрации заряженных частиц, что важно при проведении тонких технологических процессов, когда требуется поддержание концентрации на определенном уровне с минимальным отклонением расхода газа.

Сравнение характеристик ВЧ разрядов пониженного давления разного типа показало, что при одинаковой вкладываемой мощности концентрация электронов в емкостном разряде меньше, чем в индукционном.

Введение в плазму образца существенно изменяет параметры плазмы у его поверхности и практически не влияет на характеристики разряда в РК (рис. 2в). В струе ВЧЕ разряда пониженного давления наибольшее увеличение (в 2 — 2.5 раза) концентрации электронов по сравнению со значениями Пе в невозмущенном потоке наблюдается в непосредственной окрестности образца на расстоянии до 50 мм. На выходе из плазмотрона значения в присутствии образца и в невозмущенном потоке практически совпадают. Такое изменение в распределении концентрации электронов вызвано тем торможением потока и возникновением дополнительного разряда между образцом и верхним электродом.

С целью оценки влияния на обработку изделий ВЧ электромагнитного поля измерялась напряженность магнитного поля.

В ВЧЕ разряде пониженного давления с кольцевыми электродами на оси разряда азимутальная составляющая вектора напряженности магнитного поля Нф равна нулю, что объясняется вихревым характером поля (рис. 3а). С увеличением расстояния от оси плазмотрона в поперечном сечении разряда напряженность магнитного поля возрастает, достигает своего максимума, а затем к стенкам РК уменьшается. Наличие максимума графика зависимости Нф(г) связано с распределением по сечению камеры плотности тока. Оценки показали, что при изменении аксиальной составляющей плотности тока разряда ¡г по квадратичному закону ¡г(г) = ¡хо (1 — Г2¡Я,2) (Я — радиус РК), максимальное значение напряженности магнитного поля достигается при Г = 0.82Я. Экспериментальные исследования пока-

зали, что в рассматриваемом случае Нф достигает максимума в диапазоне г = (0.65 -г- 0.85)Я

Н2 , 102 А• м 1 Н 102А-м'1

180 120 60 0

0 4 8 12

Г, мм

а

б

Рис. 3 - Распределение напряженности магнитного поля в плазме ВЧЕ разряда (/ = 13.56 МГц): а) разряд в аргоне в плазмотроне с кольцевыми электродами при Рр = 2.7 кВт, р = 165 Па, х = - 120 мм: 1 - Сг = 0 гс-1, 2 - Сг = 0.18 гс-1; б) разряд в воздухе в плазмотроне с плоскими электродами при Рр = 0.5 кВт, р = 53 Па,

Ог = 0.04 г с-1: 1 - без образца; 2 - с образцом

Для ВЧЕ разряда, генерируемого с помощью плоских электродов, при измерениях составляющие Н и Уф в центре разряда не обнаружены, плазмотроне с плоскими электродами напряженность магнитного поля отлична от нуля по краям разряда (рис. 3б).

Сравнение результатов исследований, проведенных в ВЧИ и ВЧЕ разрядах пониженного давления, показало, что напряженность магнитного поля в индукционном разряде на 1 - 1.5 порядка выше, чем в емкостном, и, соответственно, плотность тока в емкостном разряде ниже, чем в индукционном.

Исследования ВЧЕ емкостных разрядов в аргоне с добавлением молекулярных газов (азот, кислород, воздух, пропан-бутан) показали, что также, как и в ВЧ индукционном разряде, даже небольшие добавки существенно изменяют согласование системы «ВЧ генератор - плазма», концентрация электронов в плазме уменьшается.

Исследования плазменного потока при добавлении в аргон молекулярных газов (азота, кислорода, углекислого газа, пропан-бутана и воздуха) показали, что в смеси разряд горит менее устойчиво, а напряжение зажигания разряда возрастает. При постоянной колебательной мощности с увеличением содержания в смеси молекулярных газов концентрация электронов уменьшается, а мощность, вкладываемая в разряд падает. Это объясняется тем, что энергия электронов, полученная ими от ВЧ поля, расходуется не только на ионизацию атомов аргона, но и на возбуждение и диссоциацию молекул добавок. В результате количество ионов и свободных электронов падает, уменьшается мощность, передаваемая электронами другим частицам.

При введении молекулярных газов вводились в струю плазмы, а не в разряд процентное содержание примесей может быть значительно больше, их влияние на характер разряда значительно слабее. Цвет разряда при таком способе ввода дополнительного газа

не меняется, изменяется только цвет струи изменяется ниже по течению от зоны ввода газа. При этом происходит снижение температуры струи и тела, помещенного в поток.

С точки зрения решения прикладных задач обработки материалов оптимальным соотношением в смеси является 70% аргона и 30% молекулярного газа. При обработке изделий в плазмотроне с кольцевыми электродами наиболее эффективно добавление газа в струю, а не в разряд. При этом характеристики разряда практически не изменяются, а реакции на поверхности тела протекают достаточно эффективно.

Экспериментальная часть

ВЧ плазменная установка создана на базе промышленной установки термовакуумного напыления, дополненной ВЧ емкостным генератором и плазмотронами. Для получения ВЧ емкостного разряда применялись плазмотроны различной конструкции: с кольцевыми электродами, соосными цилиндрической РК и с плоскими электродами, располагаемыми в вакуумной камере (рис. 4). Во всех случаях разряды создавались с продувом газа.

Рис. 4 - Схема ВЧ емкостных плазмотронов: а) с плоскими электродами: 1 — электроды; 2 -медные трубки; 3 - базовая плита; 4 - прижимной фланец; 5 - уплотнительная прокладка; 6 -расширительная камера; б) с плоскими электродами: 1 - плексигласовый барабан; 2 - ВЧ электроды; 3 - колпак вакуумной камеры; 4 - консоль для открытия крышки вакуумной камеры; 5 - вакуумная камера; в) с кольцевыми электродами: 1 — электроды; 2 — разрядная камера; 3 — рубашка охлаждения; 4 — базовая плита; 5 — уплотнительное кольцо; 6 — прижимной фланец

Внутренний диаметр РК для создания струйных ВЧЕ разрядов варьировался от 10 до 70 мм, длина от 120 до 400 мм. Диаметр кольцевых электродов изменялся от 10 до 70 мм, межэлектродное расстояние варьировалось от 15 до 150 мм.

Плазмотроны с плоскими электродами использовались двух видов: прямоугольные размером 20х30 см2 с межэлектродным расстоянием от 3 до 5 см, и круглые диаметром 50 см с расстоянием 50 см между ними. Электроды изготавливались из меди и охлаждались водой.

При исследовании параметров ВЧ разрядов пониженного давления характеристики плазменной установки изменялись в следующих диапазонах: расход плазмообразующего газа от 0 до

0.3 г/с, давление газа от 13.3 до 180 Па, потребляемая мощность в разряде от 0.1 до 4 кВт, частота генератора от 5.28 до 16.64 МГц. В качестве плазмообразующего газа использовались аргон, воздух, а также смеси аргона с азотом, кислородом, пропан-бутаном, углекислым газом, воздухом.

Энергетические характеристики установки определялись на основе энергетического баланса. Мощности, потребляемые установкой и генератором, определялись измерительным комплексом

К-50. Мощности, выделяемые в разряде Рр и в струе Рс определялись калориметрически по методике, описанной в работе [3].

Для измерения напряженности магнитного поля применялся миниатюрный магнитный зонд сечением 1.5 мм , длиной 1 мм. Катушка индуктивности помещалась в экран с прорезью, что позволило увеличить помехоустойчивость и определять направление вектора напряженности магнитного поля. Чувствительность зондовой системы составила 2160 АмВ"1. Погрешность определения напряженности магнитного поля составила 20%.

Для измерения концентрации электронов и эффективной частоты столкновений электронов с атомами и ионами использовались три независимых СВЧ метода: свободного пространства («двух частот» и «по отсечке сигнала») и резонаторный [4]. В исследованиях использованы волны типа Eos-

В экспериментах по исследованию параметров плазменной струи за начало отсчета вдоль потока z = 0 выбран срез разрядной трубки (срез сопла плазмотрона), положительное направление оси совпадает с направлением потока плазмы.

ВЫВОДЫ

Независимо от типа разряда, при помещении в плазму образцов усиливается емкостная составляющая тока. Это говорит о том, что в рассматриваемом диапазоне давлений газа и мощностей разряда изделие, помещенное в плазму, становится дополнительным электродом.

При введении в аргон реакционно-способного газа для поддержания потока ионов на поверхности детали при обработке необходим больший вклад мощности в разряд, что может быть достигнуто, например, увеличением колебательной мощности, изменением давления или расхода газа, а также перемещением изделия вдоль струи (при обработке в струйном ВЧЕ разряде).

Литература

1. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Сагбиев И.Р., Юсупов О.Д. Формирование нанослоев с помощью высокочастотной плазмы пониженного давления. // Харьков. нанотехнол. Ассамблея: Сб. докл. 7-й Междунар. Конф. «Вакуумные нанотехнологии и оборудование». Т. 1. - Харьков, Украина, 2006. - С. 283-285.

2. Абдуллин И.Ш., Кашапов Н.Ф., Кудинов В.В. Изменение структуры и состава поверхности сталей и титановых сплавов под действием высокочастотного разряда низкого давления // Перспективные материалы. - 2000. - № 1. - С. 56 -63.

3. Подгорный Н.М. Лекции по диагностике плазмы. - М.: Атомиздат, 1988. -219 с.

4. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. - М.: Наука, 1968. - 327 с.

© И. Р. Сагбиев - канд. техн. наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КГТУ.