Generation of homogeneous gas-discharge beam-plasma formations in an extended hollow cathode of high current glow discha.pdf Введение Ресурсосбережение и экологичность являются важнейшими требованиями к технологиям в машиностроении, авиакосмической, автомобильной, инструментальной и других отраслях. Одними из наиболее экологичных являются электронно-ионно-плазменные методы модификации поверхности [1, 2]. Использование плазмы разрядов низкого давления позволяет проводить очистку, химическую активацию поверхности материалов, химико-термическую обработку [3] и плазменно-ассистированное напыление сверхтвердых и износостойких покрытий [4]. Совершенствование методов ионно-плазменной обработки активно проводится и на сегодняшний день. Особенно актуальны проблемы обеспечения однородной ионно-плазменной обработки крупногабаритных деталей или садок изделий в камерах относительно большого, более 0.1 м3, объема [5]. Однако в протяженных плазмогенераторах появляются проблемы, связанные с неоднородностью распределения плазмы в объеме рабочей вакуумной камеры [6]. Для решения задач ионно-плазменной обработки крупногабаритных протяженных изделий весьма эффективен метод генерации плазмы в тлеющем разряде с полым катодом с внешней инжекцией электронов [7]. Комплексу требований для наиболее эффективной обработки поверхности металлов и сплавов удовлетворяют пучково-плазменные образования, генерируемые в сильноточном, до нескольких сотен ампер, несамостоятельном тлеющем разряде. Пучково-плазменные образования - это плазма, формируемая в газоразрядной электродной системе, в которую инжектируется пучок энергетичных частиц и которая обеспечивает эффективную утилизацию большей части энергии этих частиц [8]. Благодаря энергии частиц, затрачиваемой на генерацию плазмы, характеристики как несамостоятельного разряда, так и условия генерации плазмы (пучково-плазменного образования) кардинально изменяются. Однако в подобной системе, например, несамостоятельном тлеющем разряде низкого давления с полым катодом, поддерживаемым инжекцией электронов из вспомогательного дугового разряда, представленным в [9], при использовании одного источника электронов неравномерность распределения концентрации плазмы не позволяет решать ряд практических задач ионно-плазменной обработки протяженных изделий. Проблема усугубляется в случае протяженной формы полого катода. Решить задачу повышения однородности пучково-плазменных образований в несамостоятельном тлеющем разряде низкого давления с цилиндрическим полым катодом, характеризующимся значительной величиной отношения длины к диаметру, можно, применив два и более источника электронов, расположенных друг против друга. Цель данной работы - определение особенностей влияния условий горения несамостоятельного тлеющего разряда (рабочее давление, напряжение горения тлеющего разряда) и количества источников электронов на неоднородность распределения концентрации плазмы в полом катоде тлеющего разряда. Генерация плазмы в протяженном полом катоде тлеющего разряда с одним источником электронов Определение влияния условий горения несамостоятельного тлеющего разряда с одним источником электронов на неоднородность распределения плазмы производилось на экспериментальном стенде, представленном на рис. 1. Вакуумная камера стенда откачивалась турбомолекулярным насосом до давления 5∙10-3 Па, затем напускался рабочий газ азот. Камера, в которой проводилась генерация плазмы несамостоятельного тлеющего разряда, была выполнена в виде полого цилиндра диаметром 600 мм, высотой 1200 мм и объемом 0.34 м3. Основной несамостоятельный тлеющий разряд зажигался между полым катодом, роль которого выполняли стенки вакуумной камеры, и плоским анодом. Соотношение площадей анода и катода составляло Sa:Sc = 1:50. Для стабильного зажигания и горения основного несамостоятельного тлеющего разряда использовался источник электронов на основе дугового разряда с интегрально холодным полым катодом [10]. Вспомогательный дуговой разряд инициировался между катодом дугового разряда и анодом вспомогательного дугового разряда в виде конусного сетчатого электрода, электрически соединенного с потенциалом полого катода тлеющего разряда. Электроны, эмитированные через ячейки сетки конусного сетчатого электрода и ускоренные в прикатодном падении тлеющего разряда, осциллировали в полом катоде тлеющего разряда до момента термолизации или ухода на анод тлеющего разряда и производили ионизацию газа. Меньшее основание конусного эмиссионного электрода было закрыто непрозрачной перегородкой. Таким образом электроны инжектировались через боковую поверхность электрода, покрытую эмиссионной сеткой с размером ячейки 0.4×0.4 мм. Рис. 1. Экспериментальный стенд Основной несамостоятельный тлеющий разряд горел в импульсном режиме, все измерения проведены на третьей миллисекунде разрядного импульса длительностью 3.5 мс в квазистационарном режиме на частоте следования импульсов f = 38 Гц с коэффициентом заполнения γ = 13%. Электропитание тлеющего разряда осуществлялось от источника напряжения с параметрами: амплитуда напряжения 30-300 В, импульсный ток 1-550 А при среднем токе до 120 А. Для снижения спада плоской вершины импульсов напряжения и тока на выходе источника питания тлеющего разряда была установлена конденсаторная батарея С емкостью 7.2 мФ. Для определения однородности распределения концентрации плазмы в объеме полого катода использовался плоский зонд с охранным кольцом площадью около 95 мм2 длиной 1 м, который вводился через нижнее основание камеры и вращался вокруг своей оси на расстоянии 18 см от нее. Значение концентрации плазмы связано с плотностью ионного тока по формуле Бома , (1) где - температура электронов; - масса газового иона; - заряд электрона; - концентрация плазмы. Значения температуры электронов для данного типа разряда, измеренные в [6] зондовым методом по объему полого катода с близкими геометрическими параметрами, составили 1-1.2 эВ. Принимая, что в исследуемой системе температура электронов составляет ≈ 1 эВ и масса ионов азота - постоянная величина, будем считать, что значения концентрации плазмы пропорциональны измеренным значениям плотности ионного тока на плоский зонд, а распределения плотности ионного тока на зонд по форме идентичны распределениям концентрации плазмы. Для сравнения распределений плотности ионного тока на зонд был введен коэффициент неоднородности kн, который равен отношению максимального отклонения плотности ионного тока от среднего значения ионного тока к этому среднему значению, т.е , (2) где jn - значение плотности ионного тока на n-м угле поворота зонда с охранным кольцом, jср - среднеарифметическое значение плотности ионного тока. В ходе экспериментов исследовалось влияние таких параметров разряда, как рабочее давление p, напряжение горения тлеющего разряда Ud, ток тлеющего разряда Id, на азимутальные распределения плотности ионного тока на зонд. Азимутальные распределения, полученные на различных расстояниях от эмиссионного электрода (15, 45 и 75 см) для рабочих параметров процесса (p = 0.65 Па; Id = 100 А; Ud = 180 В), представлены на рис. 2, а коэффициент неоднородности - в табл. 1. Рис. 2. Азимутальные распределения плотности ионного тока на зонд при p(N2) = 0.65 Па, Id = 100 А, Ud = 180 В на различном расстоянии от эмиссионного электрода: 1 - 15 см; 2 - 45 см; 3 - 75 см Таблица 1 Параметры азимутального распределения на разных расстояниях от эмиссионного электрода Расстояние от эмиссионного электрода, см Среднее значение плотности ионного тока на зонд jср, мА/см2 Коэффициент неоднородности kн, % 15 9.6 3.5 45 6.6 10 75 4.1 18 Увеличение расстояния от зонда до эмиссионного электрода показывает, что плотность ионного тока уменьшается, свидетельствуя о снижении концентрации плазмы. Вблизи нижнего основания камеры плотность ионного тока снижается более чем в 2 раза, что и является следствием влияния инжекции электронов, которая создает локальную область вблизи эмиссионного электрода, где вероятность ионизации газа значительно выше. Коэффициент неоднородности kн вдоль продольной оси камеры составил 42%. Для определения влияния рабочего давления p на распределения плотности ионного тока сравнивались распределения, полученные при одинаковых мгновенных значениях напряжения горения Ud и тока тлеющего разряда Id. Для определения влияния напряжения горения разряда Ud сравнивались распределения, полученные при одинаковых мгновенных значениях тока тлеющего разряда Id и рабочего давления p. Для определения влияния тока разряда Id на распределения сравнивались результаты измерений, полученные при одинаковых мгновенных значениях напряжения горения разряда Ud и одинаковых рабочих давлениях p. Из результатов обсчета азимутальных распределений, полученных на расстоянии от эмиссионного электрода 45 см при изменении рабочего давления (рис. 3 и табл. 2), напряжения горения разряда (рис. 4 и табл. 3), тока тлеющего разряда (рис. 5 и табл. 4), видно, что увеличение напряжения горения тлеющего разряда, снижение рабочего давления, увеличение тока тлеющего разряда приводят к снижению коэффициента неоднородности азимутального распределения плотности ионного тока. Рис. 3. Азимутальные распределения плотности ионного тока на зонд при Ud = 180 В, Id = 90 А: 1 - p(N2) = 1.2 Па; 2 - p(N2) = 0.65 Па; 3 - p(N2) = 0.2 Па Таблица 2 Параметры азимутального распределения при изменении давления Рабочее давление, Па Среднее значение плотности ионного тока на зонд jср, мА/см2 Коэффициент неоднородности kн, % 0.2 5.55 8.7 0.65 6.55 9.4 1.2 7.4 15.6 Спад плотности ионного тока на зонд в области 0° связан с расположением анода, который находится на расстоянии 45 см от основания эмиссионного сеточного электрода. Этот спад характерен практически для всех азимутальных распределений, полученных в плоскости расположения анода разряда. Рис. 4. Азимутальные распределения плотности ионного тока на зонд при p(N2) = 0.65 Па, Id = 100 А: 1 - Ud = 90 В; 2 - Ud = 180 В; 3 - Ud = 240 В Таблица 3 Параметры азимутального распределения при изменении напряжения горения Напряжение горения, В Среднее значение плотности ионного тока на зонд jср, мА/см2 Коэффициент неоднородности kн, % 90 4.8 12.5 180 6.7 9.9 240 7.22 10 Рис. 5. Азимутальные распределения плотности ионного тока на зонд при p(N2) = 0.65 Па, Ud = 180 В: 1 - Ud = 60 А; 2 - Ud = 100 А; 3 - Ud = 180 А Таблица 4 Параметры азимутального распределения при изменении тока тлеющего разряда Ток тлеющего разряда, А Среднее значение плотности ионного тока на зонд jср, мА/см2 Коэффициент неоднородности kн, % 60 4.5 19.5 100 6.7 11.0 180 11 15.75 Из табл. 4 видно, что коэффициент неоднородности для тока разряда 180 А несколько выше коэффициента неоднородности для тока 100 А. Вероятно, это связано с геометрией электродной системы и процессами отражения потока инжектируемых электронов от стенок полого катода, которые приводят к возникновению области максимальных значений плотности ионного тока при угле по азимуту 40°. Таким образом, исследования показывают, что при использовании одного источника электронов коэффициент неоднородности распределения плазмы вдоль рабочей вакуумной камеры составляет около 42%. Снижение давления рабочего газа, увеличение напряжения несамостоятельного тлеющего разряда и увеличение тока несамостоятельного тлеющего разряда приводят к некоторому снижению неравномерности азимутального распределения концентрации плазмы несамостоятельного тлеющего разряда. Анод, расположенный в области поперечной оси камеры, вносит локальное искажение формы азимутальных распределений. Генерация плазмы в протяженном полом катоде тлеющего разряда с двумя источниками электронов Для снижения степени неоднородности концентрации плазмы вдоль оси полого катода использовалось два источника электронов. В данном эксперименте источники электронов располагались соосно напротив друг друга на продольной оси вакуумной камеры (рис. 6). Во время измерений зонд перемещался от источника электронов 1 к источнику электронов 2. Рис. 6. Схема экспериментальной установки Во всех экспериментах значение давления азота составляло 0.65 Па, напряжения горения тлеющего разряда - 180 В, а тока тлеющего разряда - 100 А при включении одного источника электронов. При совместном включении двух источников электронов ток тлеющего разряда устанавливался 200 А. Плоский зонд перемещался вдоль продольной оси камеры на радиусах R равных 35, 100, 150, 230 мм от центра. Результаты экспериментов представлены на рис. 7. В ходе эксперимента сначала включали источник электронов 1 и получали продольное распределение плотности ионного тока на зонд. Затем источник электронов 1 выключали и включали источник электронов 2, и также получали продольное распределение от источника электронов 2. Затем оба источника электронов включали совместно. Рис. 7. Продольные распределения плотности ионного тока на плоский зонд, помещенный в плазму тлеющего разряда с полым катодом при раздельной (одновременной) работе источников электронов: кр. 1 - при работе источника электронов 1 (ток тлеющего разряда Id = 100 А); кр. 2 - при работе источника электронов 2 (ток тлеющего разряда Id = 100 А); кр. 3 - при одновременной инжекции электронов из источников электронов 1 и 2 (ток тлеющего разряда Id = 200 А) При инжекции электронов только из источника электронов 1 в ходе перемещения зонда от нижней границы диапазона измерений продольного распределения (кривая 1) величина ионного тока спадает почти линейно. При зажигании разряда только в источнике электронов 2 плотность ионного тока наоборот практически линейно возрастает (кривая 2). Продольные распределения плотности ионного тока при раздельном и совместном включении источников электронов подобны на всех выбранных радиусах. При совместном включении двух источников электронов неоднородность распределения резко снижается до значений, указанных в табл. 5. Максимальный коэффициент неоднородности плотности ионного тока характерен для приосевой области полого катода, что, по всей видимости, связано с максимальной плотностью потока инжектируемых электронов в этой области. Таблица 5 Коэффициенты неоднородности распределений плотности ионного тока, полученые при совместном включении двух источников электронов R, мм 35 100 150 235 k, % 18.5 7.5 9.5 8 Газовые пучково-плазменные образования, генерируемые в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда, использовались для азотирования деталей вытяжных пуансонов из инструментальной стали Х12МФ (рис. 8, а). Задача состояла в необходимости обеспечения малой разности температур по высоте обрабатываемых изделий для отсутствия деформации цилиндрических пуансонов длиной 50 см. Проведенный комплекс материаловедческих исследований позволил успешно определить оптимальные режимы нагрева до температуры 520 °С и условия азотирования без нитридного слоя на глубину около 80 мкм в азот-аргоновой плазме поверхности пуансона из стали Х12МФ (рис. 8, б). Разработанные технологические режимы азотирования в пучково-плазменных образованиях при низком давлении использовались для обработки промышленных партий изделий. Рис. 8. Вытяжные пуансоны холодного деформирования в полом катоде генератора плазмы (а) и изображение микроструктуры стали Х12МФ после азотирования в плазме несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления при соотношении аргона и азота в рабочей газовой смеси N2(10%)+Ar (90%) и давлении 1 Па (б) Заключение Таким образом, исследования показывают, что при использовании одного источника электронов коэффициент неоднородности распределения концентрации пучково-плазменного образования вдоль оси полого катода равен около 40%. Снижение давления рабочего газа, увеличение напряжения несамостоятельного тлеющего разряда и увеличение тока несамостоятельного тлеющего разряда приводят к снижению неравномерности азимутального распределения концентрации плазмы несамостоятельного тлеющего разряда. Анод, расположенный в средней части протяженного полого катода, вносит локальное искажение формы азимутальных распределений. При совместном включении двух источников электронов степень неоднородности распределений снижается до значений не выше 18%. Газовые пучково-плазменные образования позволили успешно реализовать в азот-аргоновой газовой смеси режимы азотирования без нитридного слоя штамповой стали Х12МФ на необходимую глубину. Разработанные технологические режимы азотирования в пучково-плазменных образованиях при низком давлении используются для обработки промышленных партий изделий.

Скачать электронную версию публикации