Finishing plasma härdning (FPU) är en vakuumlös och tublös process för jetplasmakemisk avsättning av kiselhaltiga beläggningar från gasfasen med samtidig plasmaaktivering av gasflödet och ytan på vilken beläggningen avsätts.
Utvecklarna av denna teknik är ett team av forskare och specialister från Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University och forsknings- och produktionsföretaget LLC Plasmacenter. De första publikationerna om den nya processen dök upp i slutet av åttiotalet och början av nittiotalet [1] . Samtidigt överfördes tekniken och de strukturella delarna av utrustning för FPU inom ramen för samarbetet till ett antal högre utbildningsinstitutioner i Ryssland och Republiken Vitryssland, där forskning därefter genomfördes och avhandlingar om detta ämne försvarades.
De vetenskapliga grunderna för FPU sammanfattas av författarna till processen i en monografi publicerad 2008 och 2013. [2] . Patenträttigheterna till FPU-teknikens grundläggande principer tillhör forsknings- och produktionsföretaget LLC Plasmacenter [3] .
Namnet på tekniken "finish plasma härdning" ( engelsk finish plasma härdning, finishing plasma förstärkning) är förknippat med dess huvudsyfte - att öka hållbarheten och tillförlitligheten hos delar i slutskedet av deras tillverkning eller reparation genom att applicera tunnfilms kisel- innehållande beläggningar. I det här fallet ändras de geometriska dimensionerna på delarna inte, och ytan får nya polyfunktionella egenskaper. För beläggning används en ljusbågsurladdning från en plasmaenergikälla.
FPU används för att skapa beläggningar på arbetsytor av maskindelar, mekanismer och utrustning, verktyg, teknisk utrustning, medicinska produkter som ger slitstyrka , kemisk tröghet, korrosionsbeständighet, antifriktion , värmebeständighet , värmebeständighet, anti -kärvning, motstånd mot nötning korrosion , dielektriska, barriär, biokompatibla, bakteriedödande och andra egenskaper. Plasmakemisk avsättning av tunnfilms kiselhaltiga beläggningar kan utföras både på metall och polymera material.
Effekten av FPU uppnås genom att skapa ett ytskikt:
- med elementär sammansättning och struktur som motsvarar Charpy-regeln eller dispersionsförstärkt av nanopartiklar [4] ;
- med effektiva tribologiska egenskaper - låg friktionskoefficient, inkörningstid, värmeavgivning under friktion [5] ;
- med optimala fysiska och mekaniska egenskaper för slitageskydd - motstånd mot elastisk deformation (plasticitetsindex), motstånd mot plastisk deformation, elastisk återhämtning, närhet till elasticitetsmodulerna för beläggningen och substratet [6] ;
- med en låg förslitningskoefficient, mätt under förhållanden av mikroslipande förslitning [7] ;
- med den optimala vidhäftningskoefficienten, bestämd med den sklerometriska metoden som förhållandet mellan kraften på intryckaren vid slutet av passagen av beläggningstjockleken, och kraften på intryckaren, vid vilken de första sprickorna eller delamineringarna uppträder [8] ;
- med en rationell beläggningstjocklek i förhållande till parametrarna för substratets grovhet [9] ;
- med kemisk tröghet, inklusive sulfoinerthet [10] ;
- med minimering av zoner för ackumulering av mikroorganismer [11] ;
- med möjlighet till bioaktiv fixering med benvävnad [12] ;
- med återstående tryckspänningar [13] ;
- med läkta sprickor och mikrodefekter [14] ;
- med ökad oljelagringskapacitet;
- besitter hydrofilicitet;
- med dielektriska egenskaper;
- med korrosionsbeständiga egenskaper;
- med en låg värmeledningskoefficient;
- med ökat strålningsmotstånd.
I enlighet med den internationella klassificeringen av metoder för applicering av tunnfilmsbeläggningar avser FPU kemisk ångavsättning av beläggningar från en gas (ång)fas ( engelsk chemical vapour deposition - CVD) stimulerad av plasma ( English plasma enhanced CVD - PECVD) eller assisterad av plasma ( engelska plasmaassisterad CVD-PACVD). I dessa teknologier bildas beläggningen vid gränsytan mellan två faser (gas - fast) som ett resultat av kemiska heterogena reaktioner som inträffar nära ytan, på ytan och i substratets ytnära skikt. Gasfasen vid FPU består av en blandning av ångor av flyktiga lågtoxiska organoelement eller organometalliska och oorganiska flytande föreningar med argongas, plasmabildande och skyddande gaser. Processen för kemisk avsättning av beläggningar med användning av metallorganiska föreningar i den engelska litteraturen kallas för metallorganisk kemisk ångavsättning ( MOCVD ).
Gasblandningen som används i FPU:n kommer in i en liten DC-jet-elektrisk ljusbågsplasmereaktor som arbetar vid atmosfärstryck. I den engelskspråkiga litteraturen kallas processer som i huvudsak liknar Atmospheric pressure plasma enhanced CVD (AP - PECVD), Atmospheric pressure plasma assisted CVD (AP - PACVD), PACVD by cold atmospheric plasma (PACVD - CAP), Atmospheric- Tryck DC Plasma Jet Reactor (APDCPJR).
Plasmaaktivering under FPU är associerad med verkan av ett "kallt" lågtemperaturatmosfäriskt plasma ( kallt atmosfäriskt tryckplasma) både på gasfasen och på ytan som modifieras under förhållanden med fjärrplasmagenerering ( avlägsen plasmaförstärkt kemisk ångavsättning - RPECVD) . Samtidigt säkerställer plasmaaktivering av gasfasen snabb termisk nedbrytning av de injicerade ångorna och en ökning av beläggningsavsättningshastigheten. Plasmaaktivering av ytan på vilken beläggningen appliceras tjänar till att avlägsna adsorberade ämnen, öka ytskiktets kemiska aktivitet och vidhäftningsförmåga. Användningen av fjärrplasma, med hänsyn till separationen av dess excitationszoner och tillväxten av beläggningen, minimerar den termiska belastningen på substratet.
Beläggning på en given yta med FPU utförs genom att flytta plasmastrålen med en hastighet av 3-150 mm/s, med hänsyn tagen till bildandet av överlappande beläggningsremsor 8-15 mm breda. Vid FPU överstiger inte uppvärmning av produkter 60-150 °C. Efter FPU kan parametrarna för ytjämnheten hos den belagda ytan, beroende på de initiala parametrarna för substratet, till och med förbättras.
Huvudstadierna av FPU från den kinetiska modellen för beläggningsbildning är:
· generering av argonplasma av en likströmsbågarladdning med bildning av laddade energiska (elektroner och joner) och neutrala kemiskt aktiva partiklar (fria atomer och radikaler);
· tillförsel av ångor av flytande prekursorer (flyktiga organoelement och oorganiska vätskor och bärargas) till argonplasmaflödet som bildas i en liten plasmakemisk reaktor;
· dissociation vid kollision med snabba elektroner av argonplasmamolekyler av ångor av prekursorer med bildning av ny laddad energi och neutrala kemiskt aktiva partiklar;
· riktad leverans tillsammans med flödet av argonplasma av kemiskt aktiva partiklar till ytan av substratet;
· adsorption av kemiskt aktiva partiklar på substratet med samtidig plasmaaktivering av ytan av argonplasma för att skapa aktiva adsorptionscentra;
ytdiffusion av adsorberade molekyler;
inträde i kemiska reaktioner av adsorberade kemiskt aktiva partiklar med bildandet av strukturella enheter av den avsatta beläggningen;
avlägsnande av reaktionsbiprodukter.
Den engelska versionen av beteckningen på FPU-processen i enlighet med ovanstående modell för beläggningsbildning är PACVD kallt atmosfäriskt tryckplasma (PACVD CAPP) eller Atmospheric Pressure DC Plasma Jet Reactor (APDCPJR).
De huvudsakliga skillnaderna mellan FPU-processen och den traditionella CVD-processen är följande:
1. I CVD-processer placeras produkten för beläggning i en stationär flödesreaktor - en kammare där gaser eller ångor från en eller flera prekursorer tillförs , som reagerar och/eller sönderdelas på ytan eller nära ytan av den uppvärmda produkten, medan beläggning avsätts på alla dess ytor. Med FPU kan reaktorn, som har en minimistorlek, röra sig i förhållande till en stationär eller rörlig produkt, och därigenom säkerställa att beläggningen appliceras endast på en given yta, det vill säga selektivt.
2. CVD-processer utförs huvudsakligen vid atmosfärstryck i slutna högtemperaturreaktorkammare med termisk aktivering av delar, och giftiga gaser används som reaktionsämnen. I FPU används ångor av flyktiga flytande organoelement och oorganiska prekursorer, vilket ger en ökad nivå av miljösäkerhet på grund av deras låga toxicitet och explosionssäkerhet. I detta fall är det möjligt att erhålla den erforderliga kemiska sammansättningen av beläggningen från materialet av ett enda ämne. Uppvärmningstemperaturen för produkter under FPU kan vara 60-400 ° C, högtemperaturkammare används inte.
3. Under avsättningen av beläggningar med CVD-metoden krävs en betydande förbrukning av prekursorer, vilket leder till en ökad bildning av gasformiga biprodukter från kemiska reaktioner som avlägsnas från reaktorn med ett gasflöde. I FPU, på grund av den lilla storleken på den plasmakemiska reaktorn, används den minsta mängden införda prekursorångor med avlägsnande av en gasformig biprodukt av en mobil filterventilationsenhet.
4. I CVD-metoden, för att minska uppvärmningstemperaturen för produkter till 450-550 °C, används förutom termisk aktivering processen för plasmaaktivering, som utförs i vakuum. För att generera plasma i vakuum CVD-processer används främst glöd eller högfrekventa urladdningar, vilka kännetecknas av en volymetrisk (fördelad) effekt på det gasformiga mediet och på hela produkten. I FPU används en likströmsbågeurladdning, genererad vid atmosfärstryck utan vakuum, med bildandet av en höghastighetsplasmajet, som levererar kemiskt aktiva partiklar endast till ett lokalt område av ytan med dess samtidiga aktivering.
5. Reproducerbarheten av egenskaperna hos beläggningar i CVD-processer bestäms av temperaturförhållandena på ytan av delen, vilket beror på temperaturen på reaktorväggarna, avsättningen av reaktionsprodukter på dem, huvudsakligen icke-värmeledande sådana. (det senare tillståndet kräver konstant rengöring av kammaren), placeringen av delarna i kammaren i förhållande till värmeanordningarna, inkonsekvens i delar. Med FPU appliceras beläggningen lokalt under mer förutsägbara temperaturförhållanden.
De främsta fördelarna med FPU-processen är implementeringen av processen utan vakuum och kammare, minsta integrerade uppvärmning av delen, som inte överstiger 60-150 ° C, möjligheten att applicera beläggningar lokalt, på delar av olika storlekar, i alla rumsliga position, i svåråtkomliga områden, när du använder en liten, mobil och ekonomisk utrustning.
Huvudtyperna av beläggningar som appliceras med FPU-metoden används för att öka hållbarheten och tillförlitligheten hos verktyg, formar, formar, knivar, maskindelar och mekanismer, medicinska instrument, för att förhindra bildning av kolavlagringar (sot, lack, slam) associerade med bränsleförbränning, med hög temperatur och oxiderande effekter av oljekomponenter, vilket säkerställer biokompatibla och bakteriedödande egenskaper hos implantat och delar för implantation, dentala och andra produkter.
Separata filmer om den praktiska tillämpningen av FPU-processen läggs ut på YouTube under sökorden "finishing plasma härdning".
Flytande prekursorer baserade på organiska och oorganiska vätskor från SETOL-familjen används för beläggning i FPU , vars totala årliga förbrukning under en-skiftsdrift av utrustningen är cirka 0,5 liter. Flytande prekursorångor tillförs den plasmakemiska reaktorn av en bärargas som bubblar genom vätskan eller passerar över dess yta och fångar upp en viss mängd reagens. Tillförselhastigheten för flytande reagens har ett icke-linjärt beroende av flödeshastigheten och trycket hos bärargasen, längden på reagenstillförselledningen och nivån av flytande reagens till behållarna. Beläggningarna är amorfa eller amorfa kristallina på grund av användningen av prekursorer som innehåller grundämnen - amorfiseringsmedel (som bor, kisel och andra), och även på grund av den applicerade beläggningens höga kylningshastigheter, lika med (10 10 -10 12 ) K/ Med.
Beläggningar baserade på kiselföreningar upp till 2 µm tjocka avsatta under FPU är transparenta. Interferensfärgning av flerskikts kiselinnehållande beläggningar synliga i reflekterat ljus, beroende på deras tjocklek - från violettblått till grönrött.
Beläggningar kan vara flerskiktiga med en monolagertjocklek på 5-50 nm. För att applicera till exempel tribologiska beläggningar med låg friktionskoefficient används upp till 250 monolager, som kan ha antingen samma eller olika grundämnessammansättning.
Individuella egenskaper hos de applicerade beläggningarna: ökad hårdhet, kemisk tröghet, motståndskraft mot oxidation vid temperaturer upp till 1200 °C, hög motståndskraft mot utmattningsbrott under cykliska belastningar och vibrationer, låg friktionskoefficient (upp till 0,03), ökad vidhäftning till olika underlag , hög specifik elektrisk resistans (i storleksordningen 10 6 Ohm∙m).
Beläggningar är resistenta mot strålning, så de kan användas för att härda till exempel skärverktyg som arbetar under påverkan av hård joniserande strålning.
För att implementera FPU-processen utvecklades installationer som UFPU-110, UFPU-111, UFPU-112, UFPU-113, UFPU-114, UFPU-115, UFPU-BPU-115 etc. 3 typer av prekursorer.
Tekniken och utrustningen för FPU används till exempel för att härda skärande verktyg och verktygsdelar i olika ryska och utländska företag.
FPU-utrustning för vetenskapliga och utbildningsändamål används vid 9 universitet i Ryssland, Republiken Vitryssland och Mexiko.
FPU-teknik för olika praktiska tillämpningar har studerats av många forskare och specialister. Följande är de viktigaste publikationerna om dessa studier: