CC BY
17
ложках, обладают близким составом. Проведенный анализ показал, что применение подхода, основанного на использовании данных неразрушающих методов анализа, полученных с различной глубины, позволяет корректно изучать состав покрытий на основе нитрида титана. Показано, что морфология покрытий, сформированных на различных подложках, несколько отличается. Следовательно, при идентичных условиях формирования покрытий их механизмы заметно отличаются. Это позволяет заключить, что, варьируя типом подложки, можно управлять морфологией формируемого покрытия.
В то же время присутствие и распределение карбидов и оксинитридов титана в покрытиях требует дальнейшего изучения, так как они могут существенным образом влиять на эксплуатационных характеристиках покрытий.
Источник финансирования. Благодарности
Данная работа выполнена в рамках НИР ОмГТУ № 19074B. Работа выполнена с использованием оборудования Омского регионального центра коллективного пользования СО РАН.
Список литературы
1. Хамдохов А. З., Тешев Р. Ш., Хамдохов З. М., Хамдохов Э. З., Калажоков З. Х.,. Калажоков Х. Х. РФЭС-исследование пленок нитрида титана, сформированных электродуговым методом // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. № 7. С. 61-65.
2. Fortuna S. V., Sharkeev Y. P., Perry A. J., Matossian J. N., Shulepov I. A. Microstructural features of wear-resistant titanium nitride coatings deposited by different methods // Thin Solid Films. 2000. Vol. 377-378. P. 512-517.
3. Uglov V. V., Anishchik V. M., Danilionak M. M., Khodasevich V. V., Rusalsky D. P., Ukhov V. A. Thermal stability of nitride coatings formed by ion-plasma deposition // Vacuum. 2007. Vol. 81. P. 1345-1347.
4. Орлов П. В., Коротаев Д. Н., Несов С. Н., Корусенко П. М., Поворознюк С. Н. Анализ морфологии и состава покрытий на основе нитрида титана, сформированных методом конденсации с ионной бомбардировкой // Конденсированные среды и межфазные границы. 2018. Т. 20, № 4. С. 630-643.
5. Гончаров В. С. Методы упрочнения конструкционных материалов. Функциональные покрытия: учеб. пособие. Тольятти: ТГУ, 2017. 205 с.
6. Achour A, Chaker M, Achour H, Arman A, Islam M, Mardani M, Boujtita M, Brizoual L. Le., Djouadi M. A., Brousse T. Role of nitrogen doping at the surface of titanium nitride thin films towards capacitive charge storage enhancement // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 359. P. 349-354.
7. Morales M., Cucatti S., Acuna J. J. S., Zagonel L. F., Antonin O., Hugon M. C., Marsot N., Bouchet-Fabre B., Minea T., Alvarez F. Influence of the structure and composition of titanium nitride substrates on carbon nanotubes grown by chemical vapour deposition // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. Vol. 46. Article ID. 155308.
8. Shah S. A., Habib T., Gao H., Gao P., Sun W., Green M. J., Radovic M. Template-free 3D titanium carbide (Ti3C2Tx) MXene particles crumpled by capillary forces // Chem. Commun. 2017. Vol. 53. P. 400-403.
УДК 544.22:621.315.592
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВеРДЫХ РАСТВОРОВ СИСТЕМЫ CdSe-ZnS И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В КАЧЕСТВЕ КОМПОНЕНТОВ «ЭЛЕКТРОННОГО НОСА»
PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF SOLID SOLUTIONS OF THE SYSTEM CdSe-ZnS AND THEIR APPLICATION AS COMPONENTS OF ELECTRON NOSE
В. Е. Леонов
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
V. E. Leonov
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Представлен способ получения твердых растворов системы CdSe-ZnS методом изотермической диффузии в режиме программированного нагрева. Приведены результаты рентгенографического анализа, согласно которым исследуемые объекты идентифицированы как твердые растворы замещения. Представлены результаты исследований кислотно-основных свойств твердых растворов (ZnS)x(CdSe)1-x методами гидролитической адсорбции, механохимического диспергирования и неводного кондуктометрического титрования и адсорбционных свойств статическим методом с применением вакуумной установки. Показана возможность прогнозирования практического применения изучаемых объектов в качестве материалов для сенсоров экологического назначения, входящих в состав мультисен-сорной системы типа «электронный нос».
Ключевые слова: алмазоподобный полупроводник, твердый раствор, сенсор, адсорбция, сверхаддитивность.
Б01: 10.25206/2310-9793-7-1-207-216
I. ВВЕДЕНИЕ
Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов. В него входят сотни соединений. Полупроводниковые свойства присущи как неорганическим, так и органическим веществам, кристаллическим и аморфным, твердым и жидким. При существенных различиях в строении и химическом составе полупроводниковые материалы объединяет одно замечательное качество - способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.
В настоящее время вследствие своих уникальных физико-химических свойств алмазоподобные полупроводники находят широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности в качестве материалов для сенсоров экологического назначения. При этом наибольший интерес представляют бинарные вещества AIIIBV, ^^ и твердые растворы на их основе благодаря своим уникальным свойствам. Например, селенид кадмия CdSe [9, 11] и сульфид цинка [1, 7, 10] вследствие своих оптических свойств используются как люминофоры.
Адсорбция - концентрирование веществ на границе раздела фаз или в порах твердого тела. Адсорбент -более плотная фаза, которая определяет форму поверхности (может быть в жидком или твердом состоянии). Адсорбат - перераспределяющееся на поверхности вещество. Адсорбтив - вещество, которое находится не на поверхности, но способное адсорбироваться. Адсорбат и адсорбтив могут быть в жидком или газообразном состоянии. В зависимости от того, имеет ли место химическое взаимодействие между адсорбатом и адсорбентом, адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). Физическая адсорбция (физадсорбция) - адсорбция, при которой адсорбат и адсорбент химически не взаимодействуют. Хемосорбция - адсорбция, при которой адсорбат и адсорбент химически взаимодействуют [8].
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Твердые растворы системы ZnSe-CdSe с большой долей вероятности могут быть использованы в качестве материалов для входящих в состав мультисенсорной системы типа «электронный нос» сенсоров экологического назначения, потому что обладают уникальными адсорбционными свойствами. Как показано в [5], величина адсорбции аммиака на поверхности твердых растворов системы ZnSe-CdSe с ростом температуры убывает, что свидетельствует о том, что имеет место физадсорбция. В [3] представлены результаты исследования адсорбции водорода и кислорода на поверхности твердых растворов системы ZnSe-CdSe, на основании которых было установлено протекание нескольких форм адсорбции: физадсорбции и двух форм хемосорбции. На данный момент физико-химические свойства твердых растворов недостаточно изучены. В связи с этим была поставлена цель - получить твердые растворы системы CdSe-ZnS и исследовать их свойства.
III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Получение и аттестация твердых растворов. Твердые растворы системы CdSe-ZnS были получены методом изотермической диффузии в режиме программированного нагрева. В вакуумированных и запаянных кварцевых ампулах из порошков CdSe и ZnS при температуре ниже температуры плавления легкоплавкого компонента (CdSe) получен непрерывный ряд твердых растворов замещения. Состав полученных объектов приведен в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1 СОСТАВ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
№ п/п Состав
1 (ZnS)o,2з(CdSe)o,77
2 (ZnS)o,27(CdSe)o,7з
3 (ZnS)o,з9(CdSe)o,6l
4 (ZnS)o,46(CdSe)o,54
По результатам рентгенографического анализа были получены дифрактограммы, по которым были построены штрих-рентгенограммы (рис. 1).
Рис. 1. Штрих-рентгенограммы
Из отсутствия на рентгенограммах соответствующих непрореагировавшим бинарным компонентам дополнительных линий и размытости основных линий следует, что синтез твердых растворов полностью завершен. Исследуемые образцы - твердые растворы замещения с кристаллической структурой типа вюрцита. Параметры кристаллической решетки объектов исследования приведены в табл. 2 [2, 4, 6].
ТАБЛИЦА2
ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЯЧЕЙКИ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (2п8)х(Са8е}1-х
Образец Параметры кристаллической решётки
Параметр а, А Параметр с, А
^п8)о,27^е)о,7з 4,16364о(24) 6,79497(Ю)
^п8)о,з9^8е)о,б! 4,12о83(14) 6,72628(53)
^п8)о,4б^е)о,54 4,о83877(33) 6,667321(98)
Кислотно-основные свойства. Были исследованы следующие свойства исследуемых объектов: рН изо-электрического состояния, зависимость рН от времени и концентрация кислотных центров. Для исследования были применены методы гидролитической адсорбции, механохимического диспергирования и неводного кон-дуктометрического титрования.
рН изоэлектрического состояния (рНизо) бинарных веществ 2п8 и CdSe и твердых растворов (ZnS)x(CdSe)1-x был определен методом гидролитической адсорбции. Значения рНизо исследуемых объектов приведены в табл. 3, график зависимости рНизо от состава - на рис. 2.
ТАБЛИЦА 3
рНизо БИНАРНЫХ ВЕЩЕСТВ ZnS, CdSe И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ
Образец рНизо
CdSe 7,92
^п8)о,2з^е)о,77 6,97
(ZnS)о,27(CdSe)о,7з 6,87
^)о,з9^е)о,61 6,з8
^)о,46^е)о,54 7,о8
ZnS 6,16
Рис. 2. Зависимость рНизо от состава исследуемых объектов
Полученные методом гидролитической адсорбции величины рНизо CdSe, 2и8 и твердых растворов на их основе свидетельствуют о том, что поверхность сульфида цинка и твердых растворов (ZnS)x(CdSe)1_x (х=23, 27, 39% мол.) имеет слабокислый характер, а поверхность селенида кадмия и твердого раствора (ZnS)o,46(CdSe)o,54 -слабощелочной. Следовательно, ZnS и твердые растворы (ZnS)x(CdSe)1_x (х=23, 27, 39% мол.) активны по отношению к основным газам, а селенид кадмия и твердый раствор (ZnS)0,46(CdSe)0,54 активны по отношению к кислотным газам [4, 6].
Зависимость рН от времени была определена методом механохимического диспергирования. В ходе ме-ханохимического диспергирования сульфида цинка, селенида кадмия и твердых растворов (ZnS)x(CdSe)1_x ^=23, 27, 39, 46% мол.) было обнаружено смещение рН в слабокислую область. При этом, по сравнению с результатами гидролитической адсорбции, имеет место подкисление поверхности CdSe и твердых растворов и подщелачивание поверхности ZnS. По результатам механохимического диспергирования был сделан вывод о слабокислом характере поверхности исследуемых объектов. Значения рН объектов исследования приведены в табл. 4, график зависимости рН, полученных в ходе механохимии, от состава - на рис. 3.
ТАБЛИЦА4
рН CdSe, ZnS И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (ZnS)x(CdSe)l_x
Образец pH
CdSe 6
(ZnS)o.23(CdSe)o.77 6,25
(ZnS)o.27(CdSe)o.73 6,47
(ZnS)o,39(CdSe)o,6i 4,67
(ZnS)o,46(CdSe)o,54 6,2
ZnS 6,57
Рн7
4
О ^11IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
О 0.1 0.2 0,3 0.4 0,5 0,6 0.7 0.8 0,9 1 1 1
Мольная доля ZiiS
Рис. 3. Зависимость рН от состава
Концентрация кислотных центров на поверхности CdSe, и твердых растворов ^^^(^Зе^.х была определена методом неводного кондуктометрического титрования. Порошки исследуемых объектов заливали растворителем (метилэтилкетоном), для установления равновесия систему оставляли на один час, затем титровали раствором этилата калия. В процессе титрования фиксировалось изменение электропроводности смесей CdSe, и твердых растворов (ZnS)x(CdSe)1.x и метилэтилкетона в зависимости от объема этилата калия. Концентрация кислотных центров была вычислена по формуле:
„ 1000КЖ
с =-, (1)
т
где т - масса исследуемого образца, г; V - объем этилата калия, пошедшего на титрование, мл; N - нормальная концентрация раствора этилата калия, г-экв/л.
Величины концентраций кислотных центров приведены в табл. 5, график зависимости концентрации кислотных центров от состава - на рис. 4 [6].
ТАБЛИЦА 5
КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОТНЫХ ЦЕНТРОВ НА ПОВЕРХНОСТИ 2и8, CdSe И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (2и8)х^8е)1-х
Образец Концентрация кислотных центров
CdSe 122 860
(ZnS)o.2з(CdSe)o.77 123 089
(ZnS)o.27(CdSe)o.7з 55 406
(ZnS)o.з9(CdSe)o.6l 237 252
(ZnS)o.46(CdSe)o.54 129 500
ZnS 111 888
* 250000
Б 200000 5
I = 150000
=»; 100000 I *
I 50000 д"
Мольная доля ¿п5
Рис. 4. Зависимость концентрации кислотных центров от состава
Адсорбционные свойства. Для рекомендации практического применения в качестве материалов для сенсоров экологического назначения были исследованы адсорбционные свойства сульфида цинка, селенида кадмия и твердых растворов на их основе. Адсорбенты - сульфид цинка 2и8, селенид кадмия CdSe и твердые растворы (ZnS)x(CdSe)1-x. В качестве адсорбата был выбран продукт разложения использующейся в качестве компонента взрывных устройств аммиачной селитры - аммиак. Этот выбор обусловлен основными свойствами аммиака, а также результатами исследований кислотно-основных свойств исследуемых объектов, согласно которым поверхность последних имеет слабокислый характер. Адсорбируясь на поверхности ZnS, CdSe и твердых растворов (ZnS)x(CdSe)1-x, аммиак химически взаимодействует с адсорбентами по донорно-акцепторному механизму. В ходе реакции аммиака с сульфидом цинка, селенидом кадмия и твердыми растворами на их основе неподелённая электронная пара аммиака перемещается на внешние энергетические уровни атомов Zn и Cd. По результатам исследований были установлены зависимости a(NHз)=f(T) (рис. 5-10). Анализ кривых изобар адсорбции показал, что при температуре 323 К имеет место сверхаддитивность для твердого раствора (ZnS)0.27(CdSe)0.73 (рис. 11). Активные центры адсорбции на поверхности ZnS и CdSe - координационно -ненасыщенные атомы Zn и Cd и вакансии 8 и Se. При образовании твердых растворов концентрация активных центров повышается. Этим объясняется сверхаддитивность.
250 260 270 200 290 300 310 320 330 3«) 350 360 370 330 390 400 410 420 430 440 450
Температура, К
Рис. 5. Зависимость величины адсорбции аммиака на поверхности ZnS от температуры
250 2&0 270 230 290 300 310 320 330 340 350 360 370 300 ЗЭО 400 410 420 430 440 450
Температура, К
Рис. 6. Зависимость величины адсорбции аммиака на поверхности CdSe от температуры
250 260 270 200 290 300 310 320 330 340 350 360 370 300 390 400 410 420 430 440 450
Темпфатура, К
Рис. 7. Зависимость величины адсорбции аммиака на поверхности твердого раствора (ZnS)0,23(CdSe)0,77
от температуры
Рис. 8. Зависимость величины адсорбции аммиака на поверхности твердого раствора (2п8)0,27(^8е)0>73
от температуры
Рис. 9. Зависимость величины адсорбции аммиака на поверхности твердого раствора (2п8)0)39(^8е)0>61
от температуры
Рис. 10. Зависимость величины адсорбции аммиака на поверхности твердого раствора (2п8)0>46(^8е)0)54
от температуры
а-104, ммоль м:
1 .........INK.............................................................................ИМ..........
250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450
Температура, К
Рис. 11. Зависимости величин адсорбции аммиака на поверхностях объектов исследования от температуры: 1 - ZnS; 2 - CdSe; 3 - (ZnS)o,2з(CdSe)o,77; 4 - (ZnS)o,27(CdSe)o,7з; 5 - (ZnS)aз9(CaSe)o,6ь 6 - (ZnS)o,46(CdSe)o,54
ТАБЛИЦА6
ВЕЛИЧИНЫ АДСОРБЦИИ АММИАКА НА ПОВЕРХНОСТЯХ СУЛЬФИДА ЦИНКА, СЕЛЕНИДА КАДМИЯ И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ
№ п/п Образец Величина адсорбции аммиака при температуре T
298 К 310 К 323 К 350 К 373 К 400 К
1 ZnS 0,00027 0,0003 0,00034 0,00029 0,00023 0,00017
2 CdSe 0,00032 0,00037 0,00028 0,00022 0,00017 0,00014
3 (ZnS)0,23(CdSe)0,77 0,00057 0,00066 0,0006 0,00049 0,00038 0,00027
4 (ZnS)0,27(CdSe)0,73 0,00055 0,00063 0,00075 0,00047 0,00035 0,00029
5 (ZnS)0,39(CdSe)0,61 0,00052 0,00058 0,00055 0,00043 0,00032 0,00026
6 (ZnS)0,46(CdSe)0,54 0,00049 0,00055 0,00053 0,00045 0,0003 0,0002
Была проведена обработка представленных в таблице 6 данных методом главных компонент с помощью программы Matlab 6.5, Matlab-код которой приведён ниже. В ходе обработки данных были построены графики (рис. 12), на которых показаны данные таблицы 6 в исходных координатах (рис. 12 a) и в координатах главных компонент (рис. 12b). Представленные на рис. 12b данные распределены по шести кластерам, каждый из которых соответствует конкретному исследуемому объекту.
function [T, P] = pcanipals(X, numberPC) [X_r, X_c] = size(X); P=[10]; T=[10]; if lenfth(numberPC) > 0 pc = numberPC{1}; elseif (length(numberPC) == 0) & X_r < X_c pc = X_r;
else
pc = X_c;
end;
for k = 1:pc
P1 = rand(X_c, 1); T1 = X * P1; d0 = T1'*T1;
P1 = (T1' * X/(T1' * T1))'; P1 = P1/norm(P1); T1 = X * P1; d = T1' * T1; while d - d0 > 0.0001;
P1 = (T1' * X/(T1' * T1)); P1 = P1/norm(P1); T1 = X * P1; d0 = T1'*T1; P1 = (T1' * X/(T1' * T1)); P1 = P1/norm(P1); T1 = X * P1; d = T1'*T1;
end
X = X - T1 * P1; P = cat(1, P, P1'); T = [T,T1];
end
Рис. 12. Графическая иллюстрация метода главных компонент
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методом изотермической диффузии по разработанной программе впервые были получены твердые растворы системы CdSe-ZnS. По результатам рентгенографического анализа исследуемые объекты были идентифицированы как твердые растворы замещения.
По результатам измерений рН изоэлектрического состояния было выявлено, что CdSe и твердый раствор (ZnS)0,46(CdSe)0,54 имеют слабощелочную поверхность и потому активны по отношению к кислотным газам. В свою очередь, поверхность ZnS и твердых растворов (ZnS)0,23(CdSe)0,77, (ZnS)0,27(CdSe)0,73 и (ZnS)0,39(CdSe)0,61 слабокислая, следовательно, указанные объекты активны по отношению к основным газам.
Согласно результатам механохимических исследований изучаемые объекты имеют слабокислую поверхность. Поэтому они проявляют активность по отношению к основным газам. Таким образом, CdSe, ZnS и твердые растворы на их основе могут быть использованы в качестве сенсоров экологического назначения.
Статическим методом с применением вакуумной установки были исследованы адсорбционные свойства твердых растворов системы CdSe-ZnS. Установлено, что активными центрами адсорбции являются координационно-ненасыщенные атомы цинка и кадмия и вакансии серы и селена. Была выявлена сверхаддитивность для твердого раствора (ZnS)0,27(CdSe)0,73. В связи с этим данный твердый раствор может быть использован в качестве материала для сенсоров экологического назначения.
Была проведена обработка результатов исследования адсорбционных свойств исследуемых объектов методом наименьших квадратов с помощью программы ММаЬ 6.5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бахметьев В. В. [и др.]. Влияние ударно-волновой обработки на свойства ZnS и люминофоров на его основе // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 9. С. 1002-1006.
2. Кировская И. А., Миронова Е. В., Григан А. А., Леонов В. Е. Новые материалы на основе систем ZnS-CdSe, ZnS-CdS // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2015. № 2. С. 164-168.
3. Кировская И. А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Твердые растворы. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1984. 116 с.
4. Кировская И. А., Миронова Е. В., Леонтьева Н. Н., Леонов В. Е., Блесман А. И., Полонянкин Д. А., Юрьева А. В. Получение и физико-химические исследования новых адсорбентов на основе системы CdSe-ZnS // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2015. № 1 (137). С. 236-240.
5. Кировская И. А. Твердые растворы бинарных и многокомпонентных полупроводниковых систем: мо-ногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. 400 с.
6. Кировская И. А., Миронова Е. В., Косарев Б. А., Григан А. А., Леонов В. Е. The Activity of New Materials Surfaces - ternary Semi-conductors with Cationic and Anionic Substitution // Procedia engineering. 2015. Vol. 113. P. 446-450.
7. Крылов П. Н., Гильмутдинов Ф. З., Романов Э. А., Федотова И. В. Влияние термоотжига на оптические свойства нанокристаллических плёнок сульфида цинка // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45, № 11. С. 1571-1575.
8. Макаревич Н. А., Богданович Н. И. Теоретические основы адсорбции: учеб. пособие Архангельск: Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М. В. Ломоносова (САФУ), 2015. 362 с.
9. Сенокосов Э. А. [и др.]. Катодолюминесценция фоточувствительных слоёв CdSe, выращенных в квазизамкнутом объёме // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 12. С. 1299-1302.
10. Софронов Д. С. [и др.]. Влияние условий осаждения на размер и оптические свойства частиц ZnS // Неорганические материалы. 2014. Т. 50, № 7. С. 703-707.
11. Степанов Е. М. Исследование фотолюминесценции коллоидных квантовых точек на основе халькоге-нидов металлов // Молодой учёный. 2015. № 9. С. 56-60.
УДК 621.793.1
К ВОПРОСУ О МОДЕЛИРОВАНИИ ОСАЖДЕНИЯ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ
НА ПОВЕРХНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ
ON THE ISSUE OF SIMULATING THE DEPOSITION OF THE VACUUM-PLASMA COATING ON THE SURFACE OF PARTS
А. В. Олейник, А. М. Смыслов
Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа, Россия
A. V. Oleinik, A. M. Smyslov
Ufa state aviation technical university, Ufa, Russia
Аннотация. Нанесение вакуумного ионно-плазменного покрытия является одним из перспективных методов модификации поверхности. Использование методов компьютерного моделирования и численных расчетов на основе существующих теорий позволяет значительно сократить время отработки технологии. Это очень актуально при отработке технологического процесса для деталей двигателя нового поколения ввиду их дороговизны. В статье рассмотрен подход к моделированию процесса нанесения вакуумного ионно-плазменного покрытия при помощи программного комплекса ANSYS. Отличие расч^ных результатов от фактических составило 15%.
Ключевые слова: вакуумная ионно-плазменная обработка, численное моделирование, защитное покрытие
DOI: 10.25206/2310-9793-7-1-216-221
I. ВВЕДЕНИЕ
Вакуумные ионно-плазменные покрытия, осажденные на поверхность деталей машин, оказывают благоприятное влияние на их эксплуатационные свойства - сопротивление коррозионному и эрозионному разрушению, фреттинг-стойкости, износу и усталости [1]. При этом обеспечение равномерности толщины покрытия по поверхности детали, имеющей сложный профиль - лопатки компрессора, является актуальной задачей современного двигателестроения.
Как показывает практика, равномерность толщины вакуумно-плазменного покрытия достигается экспериментальным путем, требующим значительных временных и материальных ресурсов. В связи с этим использование методов компьютерного моделирования и численных расчетов на основе существующих теорий позволяет значительно сократить время получения искомого результата.
В настоящее время созданы многочисленные расчетные модели эрозии катодных пятен, в том числе расчет тепловых параметров [2], перемещения [3, 4] или разлета частиц [2, 5], концентрации плазмы в объеме вакуумной камеры [6, 7], осаждения и роста покрытий [7, 8, 9, 10]. Однако модели и расчетные программы, подробно описывающие каждый из процессов, имеют скорее научный, чем прикладной характер.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
В данной работе рассмотрен подход к моделированию процесса осаждения вакуумно-плазменного покрытия Ti-TiN в целях последующего расчета распределения толщины по поверхности подложки в условиях реального технологического времени. Экспериментальные образцы располагались в приемном устройстве вакуумной камеры установки КСРГТ-2 вдоль оси протяженного электро-дугового источника плазмы.
По завершении процесса осаждения покрытия на образцах контролировалась его толщина с использованием микроскопа "Nikon" МА-100 на сферическом шлифе приготовленным на приборе "Calotest", которая сопоставлялась с дальнейшими расчетными значениями.
