плазменная технология

ПЛАЗМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ - совокупность методов получения и обработки материалов с использованием нагрева исходных продуктов в плазменной струе или их перевода в плазменное состояние.
Наиб. широкое распространение получили атмосферные (при норм. давлении) плазменные методы обработки и получения материалов (резание, наплавка, выращивание монокристаллов, сфероидизация порошков, нанесение покрытий), а также проведения многотоннажных плазмохим. процессов (получение связанного азота и др.). Эти процессы осуществляются с помощью потоков плазмы, генерируемых плазм отроками разл. типов (электродными, высокочастотными). Плазма в этих устройствах выполняет ф-цию высокотемпературного теплоносителя и используется в осн. для нагрева исходных продуктов.
В 1980-х гг. получили эфф. развитие ионно-плазменные технол. процессы, реализующиеся в вакууме с помощью плазменных ускорителей. В качестве рабочих тел могут быть использованы металлы, газы, твёрдые и жидкие диэлектрики. В этих условиях возможны такие процессы, как насыщение поверхностных слоев материала др. веществом с обеспечением необходимой толщины насыщенного слоя или глубины его залегания, высокоэффективное распыление поверхности, конденсация вещества в вакууме из плазменной фазы при обеспечении органич. связи материалов основы и покрытия и необходимых структурных особенностей плазменного конденсата.
Реализация разл. ионно-плазменных технол. процессов, осуществляемых в условиях высокой чистоты, принципиально необходимой для получения мн. спец. материалов, определяется широкими возможностями управления параметрами взаимодействующих плазменных потоков. Это позволяет получать разл. структуры плазменных конденсатов - от аморфных до кристаллических, с разными размерами и формой кристаллитов.
П. т. включает ряд чрезвычайно важных, экономически высокорентабельных процессов нанесения износостойких, жаропрочных, коррозионно-стойких и др. плазменных покрытий. Благодаря этому возможна замена дорогостоящих и редких металлов и сплавов менее дефицитными материалами с нанесёнными на них покрытиями без изменения (или даже со значит. повышением) ресурса работоспособности изделий. Использование П. т. приводит к формированию принципиально новых композиц. материалов, свойства к-рых не определяются простым суммированием характеристик основы и покрытия, а являются качественно новыми.
При формировании покрытий широко используется перевод исходных продуктов в плазменное состояние с помощью вакуумной дуги. Катодные микропятна дугового разряда являются источниками высокоскоростных потоков плазмы, содержащей продукты эрозии катода. Степень ионизации образующегося плазменного потока достаточно велика (от 20 до 90% в зависимости от материала катода.); наиб. долю в нём составляют двухзарядные ионы. Ионные токи дугового разряда аномально высокие - до 10 ампер и более (ок. 10% тока разряда).
Управление потоками плазмы вакуумной дуги (транспортировка, фокусировка, сепарация от нейтральных частиц и макрочастиц катодного материала) осуществляется путём использования дополнит. устройств, действующих на принципах плазмооптики (см. Плазмооптические системы).
При конденсации потоков плазмы тяжёлых металлов (титан, молибден, цирконий и т. п.) в присутствии реактивного газа (азота) синтезируются нитриды этих металлов, к-рые обладают высокими показателями по твёрдости, износостойкости и адгезии к металлич. основе. Осн. параметрами, определяющими свойства образующегося конденсата, являются хим. состав исходного материала (катода), парциальное давление реактивного газа, темп-pa подложки при конденсации, энергия ионов, плотность плазменного потока. При повышении давления азота до оптим. значений увеличивается микротвёрдость формируемых покрытий, что обусловлено образованием твёрдых растворов азота и нитридов с достаточно широкой областью гомогенности. Зависимость свойств образующихся конденсатов от давления реактивного газа позволяет формировать покрытия с заданным градиентом свойств по толщине, а также создавать многослойные покрытия чередованием высокотвёрдых и "мягких" (исходный материал) слоев. Возбуждённое состояние компонентов плазмы обеспечивает протекание плазмохим. реакций образования нптридов тугоплавких металлов (карбидов при использовании углеродсодержащих газов) при сравнительно низких темп-pax подложки, что позволяет наносить эти покрытия на материалы с низкой темп-рой отпуска; традиц. методы получения нитридов и карбидов требуют длит. времени и высоких темп-р (см. также Плазмохимия).
При конденсации потоков углеродной плазмы в вакууме на поверхности охлаждаемых металлпч. подложек получены алмазоподобные покрытия. Ионно-плазменный метод синтеза позволяет получать такие покрытия толщиной до неск. десятков микрон. Физ. свойства алмазоподобных углеродных покрытий близки по свойствам к алмазу. Микротвёрдость плёнок по Виккерсу достигает (1518) х 10³ кГс/мм², плотность - 2,93,2 г/см³, электросопротивление - 10⁸ Ом х см. Плёнки химически инертны к сильным окислителям, как и алмаз. Синтез в предельно неравновесных условиях композиц. высокодефектного углеродного материала, состоящего из смеси высокодисперсных алмазных кристаллитов, упрочнённых второй фазой выделений высокодисперсного графита, позволяет надеяться на получение новых конструкц. материалов с ещё лучшими свойствами, чем свойства известных форм алмазов.
Синтезированные методами П. т. высокотвёрдые, прочные, стабильные покрытия успешно используются в качестве упрочняющих покрытий для режущих инструментов (быстрорежущие стали и твёрдые сплавы) и деталей машин. Это позволяет существенно (в 2 - 8 раз) повысить эксплуатац. ресурс упрочняемых изделий.

Лит.: Падалка В. Г., Толок В. Т., Методы плазменной технологии высоких энергий, "Атомная энергия", 1978, т. 44, с. 476; Дороднов А. М., Технологические плазменные ускорители, "ЖТФ", 1978, т. 48, в. 9, с. 1858; Аксёнов И. И. и др., Высокоэффективный источник чистой углеродной плазмы, "ЖТФ", 1980, т. 50, в. 9, с. 2000; Плазменная металлизация в вакууме, Минск, 1983.

В. Г. Падилка.