Тезисы доклада Н.Н. Коваля на заседании ОУСа 10 декабря 2009

Разработка нового оборудования и процессов электронно-ионно-плазменной наноструктуризации поверхности твердых тел

Н.Н. Коваль

Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск)

koval@opee.hcei.tsc.ru

Электронно-ионно-плазменная обработка материалов и изделий, в том числе очистка и активация поверхности, создание поверхностных слоев с измененным химическим и фазовым составом, увеличенной твердостью и коррозионной стойкостью, напыление различных функциональных покрытий, получила широкое распространение в науке и промышленности.

К распространенным методам ионно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий можно отнести: ионное травление и активацию, ионно-плазменное азотирование, электродуговое либо магнетронное напыление функциональных, в том числе и наноструктурных, покрытий. Комбинирование вышеупомянутых методов модификации поверхности позволяет существенно улучшить потребительские свойства обрабатываемых изделий и оптимизировать те или иные характеристики модифицированных поверхностей для конкретных конечных требований.

С целью комбинирования различных методов ионно-плазменной обработки в едином технологическом цикле в Институте сильноточной электроники СО РАН были созданы специализированные технологические установки «ДУЭТ», «ТРИО» и «КВАДРО». В данных установках возможна реализация последовательно нескольких различных операций обработки материалов и изделий в едином технологическом цикле. К этим операциям относятся: предварительный нагрев и обезгаживание, ионная очистка, травление и активация поверхности материалов и изделий дуговой плазмой; химико-термическая обработка (азотирование) для формирования на поверхности обрабатываемого изделия диффузионного слоя с использованием плазмы несамостоятельного дугового разряда низкого давления; нанесение электродуговым плазменно-ассистированным методом однослойных или многослойных сверхтвердых (>40ГПа) нанокристаллических покрытий на основе чистых металлов или их соединений (нитридов, карбидов, карбонитридов). Для осуществления этих операций все установки оснащены оригинальными генераторами газовой и металлической плазмы

Кроме того, в докладе рассматриваются процессы электронно-пучковой наноструктуризации поверхности материалов. В ИСЭ СО РАН разработана установка электронно-пучковой обработки поверхности изделий «СОЛО», на которой реализованы процессы электронно-пучковой полировки поверхности металлов и сплавов, а также процессы сверхбыстрой закалки поверхности изделий, что приводит к наноструктуризации поверхностного слоя.

В процессе электронно-пучковой обработки импульсный электронный пучок с энергией 5¸50 Дж/см², попадая на обрабатываемую поверхность, производит сверхбыстрый нагрев(10⁸-10⁹ К/с) (в течение импульса длительностью 50¸200 мкс) до температуры плавления материала подложки. Затем происходит сверхбыстрое (10⁶-10⁸ К/с) охлаждение за счет отвода тепла в более глубокие холодные слои подложки. В результате сверхбыстрой закалки в приповерхностном слое толщиной от нескольких единиц до нескольких десятков микрон формируется улучшенная структура обрабатываемого материала. Очищается поверхность, отжигаются легкоплавкие примеси, в сталях формируется закалочная субмикро- и нанокристаллическая структура, повышается твердость поверхности. Кроме того, в жидкой фазе в вакууме за счет сил поверхностного натяжения происходит выглаживание рельефа поверхности (полировка). Столь существенные изменения структурно-фазового состояния поверхностных слоев приводят к значительному улучшению физико-химических и прочностных свойств материала, недостижимому при традиционных методах поверхностной обработки.

В докладе также приведены примеры комбинированных процессов наноструктуризации поверхностных слоев, в числе которых перспективное направление, электронно-пучковый миксинг системы покрытие/подложка.

Представленное оборудование и реализуемые с его помощью процессы являются основой создания электронно-ионно-плазменных технологий наноструктуризации поверхности материалов и изделий.

Заседание ОУСа 10 декабря 2009 г.