CC BY
19
УДК 537.523.5
А. В. Ершов
МЕХАНИЗМ ТОКОПЕРЕНОСА ПРИ ИОННОИ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ В ПРОЦЕССЕ НАНЕСЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ
Показано, что основная часть разрядного тока при ионно-плазменной активации поверхности в процессе нанесения плазменного покрытия переносится ионами металла, а не эмиссионными электронами пповерхности.
Введение
Ионная активация детали в процессе нанесения плазменного покрытия при атмосферном давлении способствует очистке поверхности от оксидов и повышению прочности сцепления покрытия с деталью [1-3].
Для выбора оптимального режима распыления поверхностных оксидов необходима оценка параметров токопереноса,таких как: плотности токов ионов и электронов из плазмы, тока термоэмиссии поверхности катода, катодного падения потенциала.
Экспериментальные сведения ограничиваются величиной плотности тока, падением напряжения на дуге обратной полярности, силой тока и длиной дуги. Процесс осложняется присутствием дисперсных частиц и паров металла покрытия в плазме смеси аргона и воздуха, а также эмиссией электронов упавшими, но не остывшими металлизаци-онными частицами.
Теоретические модели процесса токопереноса при ионно-плазменной активации подложки в процессе напыления с учетом отмеченных факторов в литературе не рассмотрены. Для разработки физической модели необходим учет специфики отдельных процессов, оценки параметров и взвешенный подход к выбору допущений задачи.
Экспериментальная установка
Нанесение плазменного покрытия с применением ионной активации поверхности выполнялось на установке, представленной на рис. 1.
В режиме холостого хода дуга горит между катодом 1 и анодом 2 при замкнутом контакторе. Для перехода к режиму напыления размыкается контактор и дуга перебрасывается на проволоку-анод, которая подается в зону разряда.
Для ионной активации подложки - 5 используется источник питания дополнительной дуги - идд, который создает несамостоятельный разряд между проволокой и подложкой. Процесс катодного распыления оксидов происходит под воздействием ионной бомбардировки поверхности.
Физическая модель процесса
© А. В. Ершов 2006 г.
Поскольку в процессе токопереноса помимо ионов участвуют термоэмиссионные электроны и обратные электроны газоразрядной плазмы, то задача исследования состоит в определении баланса токов на поверхности подложки. Плотность разрядного тока дается соотношением:
] = Л + ]п
е
(1)
где / - плотность ионного тока;
/тэ - плотность тока термоэмиссии подложки; /ео - плотность тока обратных электронов из плазмы.
Плотность ионного тока из плазмы связана с концентрацией ионов на границе кнудсеновского слоя - п(:
], = -■е■ п,
(2)
где е - заряд электрона;
V = 8 ■ кТе
скорость ионов в зоне сильной
амбиполярной диффузии, которая в соответствии с условием Бома зависит от температуры электронов - Те, а не ионов; т( - масса иона; к - постоянная Больцмана.
Рис. 1. Схема установки для плазменного напыления с
применением ионной активации поверхности: 1 - катод; 2 - анод-сопло; 3 - распыляемая проволока-анод; 4 - покрытие; 5 - подложка
л т
Плотность тока обратных электронов из плазмы определится по формуле:
■ 1 т
]ва = 4 ■ е ■ пе ■ Те ' ехР
е ■ ик к ■ Т
(3)
где пе - концентрация электронов на границе кнуд-сеновского слоя;
те -=18 ■ к!±
скорость теплового движения
электронов;
те - масса электрона;
ии
- катодное падение потенциала.
Разность между ионными и электронными токами, исходя из (2-3), определяется отношением масс, концентраций ионов и электронов, и величиной катодного падения потенциала.
]ео ■
1 пе М
1 —- ---ехр
п,- V те
(
е ■ ик к ■ Те
\
(4)
Средняя плотность термоэмиссионного тока подложки в процессе напыления определяется эмиссией поверхности металлизационных частиц в процессе остывания на поверхности подложки. Металлизациоонные частицы падают на поверхность подложки с температурой, близкой к температуре кипения, однако доля площади поверхности таких частиц, по-видимому, невелика по причине быстрого их остывания. Оценим объем металла, который наносится на поверхность подложки за время остывания металлизационной частицы -
V =
п а2 4
■V« -т = ^-5 ,
(5)
где б - диаметр распыляемой проволоки-анода; \/п- скорость подачи проволоки; т - время остывания металлизационной частицы на подложке;
5Э - площадь эмиссионно-активной поверхности частиц с толщиной равной длине релаксации температурного поля - 5.
Длина релаксации температурного поля частицы металла определяется решением уравнения нестационарный теплопроводности в виде:
5 =
(6)
где
Р-с
- коэффициент температуропроводно-
сти, который зависит от теплопроводности - X, плотности - р, и теплоемкости - с.
Совместное решение (5) и (6) определяет эмис-
сионно-активную площадь поверхности металлизационных частиц, до которой еще не дошел фронт тепловой волны со стороны подложки:
5 =ж-а2 ■ V«5 э 24 ■ а
(7)
При оценке эмиссионно-активной площади подложки по формуле (7) использованы следующие параметры процесса напыления: диаметр проволоки б = 1,4*10-3м; скорость подачи проволоки \п = 0,093 м/с, толщина металлизационных частиц на подложке 5 = 5*10-5м. Коэффициент температуропроводности стали принимался равным а = 8*10-6 м2/с. Расчет эмиссионно-активной площади подложки дает БЭ = 1,6*10-6 м2. Площадь дугового металлизационного пятна при ионной активации подложки составляла Б = 10-4 м2. Плотность термоэмиссионного тока при температуре кипения стали Т = 3160 К, равна = 106 А/м2, а средняя плотность тока термоэмиссии при этом будет меньше на величину соотношения эмиссионно-активной площади и всей площади металлизационного пятна:
■тэ = ■ к ■ ^Т = 16 ■Ю4 , А/м2 .
Взрывная электронная эмиссия, по-видимому, отсутствует ввиду низкой плотности тока в метал-лизационном пятне, которая на два - три порядка ниже, чем плотность тока в дуговых пятнах. Плотность тока дополнительной дуги на подложке составляла (3 + 4)*106 А/м2, [3, 4] что почти в 20 раз превышает среднюю плотность термоэмиссионного тока. Таким образом, в первом приближении плотностью эмиссионного тока подложки можно пренебречь по сравнению с плотностью разрядного тока.
Исходя из уравнения баланса токов (1) разрядный ток создается ионным током из плазмы и частично компенсируется обратным током электронов плазмы. В катодной зоне самостоятельного разряда при температуре электронного газа ~ 24*103К, [5], обратный ток электронов из плазмы соизмерим с током ионов на поверхность катода. Однако в рассматриваемых условиях, при несамостоятельном разряде, температура электронов в катодной зоне не превышает температуры плазменного столба ~ 12*103К, поскольку практически отсутствует поток термоэмиссионных ускоренных электронов в прикатодную зону. При этом отрицательный показатель экспоненты в (3) увеличивается вдвое, а плотность тока обратных электронов снижается на несколько порядков по сравнению со случаем самостоятельного разряда. Исключение составляют, возможно, области эмиссионно-активных зон, однако, как показано выше, их относительная доля невелика.
к т
с
:
X
а =
ISSN1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 107 -
Таким образом, основная часть тока несамостоятельного разряда в прикатодной зоне переносится потоком ионов из плазмы. Однако оценки диффузионного потока ионов аргона при рассматриваемых условиях дают плотность тока (2-3)*104А/м2, [6], что на порядок величины меньше, чем наблюдается в эксперименте. Указанное отличие, по-видимому, возникает вследствие присутствия паров металла в прикатодной зоне. Поскольку, потенциал ионизации железа составляет 7,9 эВ, что вдвое меньше потенциала ионизации аргона, то испарившиеся атомы железа становятся полностью ионизованными.
Устойчивость диффузного несамостоятельного разряда обеспечивается выходящей вольт-амперной характеристикой катодной зоны, [7-9]. Появление катодных пятен в несамостоятельном разряде возможно при низкой степени ионизации плазмы, когда преобладают электрон-атомные, а не электрон-ионные столкновения. Такой режим возникает при удлинении дополнительной дуги и снижении плотности ионного и конвективного потоков ниже критической величины. Поэтому в условиях эксперимента использовалась короткая дополнительная дуга (10-12)*10-3м, что, также, способствовало лучшему использованию струи аргона из сопла плазмотрона, для защиты зоны напыления от воздушной среды.
Выводы
1. Анализ составляющих токоперноса при ионной активации подложки в процессе плазменного напыления показал, что основная часть тока переносится на подложку потоком ионов металла из зоны разряда.
2. Показано, что на подложке существуют эмис-сионно-активные зоны, которые создаются упавшими, но еще не остывшими металлизационными частицами. Однако в рассматриваемых условиях средняя плотность термоэмиссионного тока по пятну разряда в 30 раз ниже разрядной плотности тока.
3. Устойчивость диффузного разряда на подложке обеспечивается при достаточной плотности ионного и конвективного токопереноса, который реализуется при ограниченных значениях длины дополнительной дуги.
Список литературы
1. Сытников Н. Н. Ершов А. В. Роль плазменно-
дуговой активации поверхности подложки в формировании переходной зоны при нанесении покрытий // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуваны, 1998. - №2. -С. 52-54.
2. Ершов А.В., Сытников Н.Н., Быковский О.Г. Влияние катодного распыления оксидов на адгезионную прочность плазменного покрытия //Вестник двигателестроения, 2004. - №3. - С. 28-30.
3. Ершов А.В. Сытников Н.Н. Быковский О.Г. Применение ионной активации подложки для повышения адгезионной прочности плазменных покрытий // Заготовительные производства машиностроения, 2005. - №12 - С. 12-16.
4. Ершов А. В. Сытников Н. Н. Теоретическая оценка прочности сцепления газотермического покрытия с основой //Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуваны, 2001. -№2. - C. 102-105.
5. Пустогаров А.В. Экспериментальные исследования тугоплавких катодов плазмотронов // В кн. Экспериментальные исследования плазмотронов. - Новосибирск: Наука, 1977. - С. 315-340.
6. Ершов А.В. Влияние параметров температурного пограничного слоя на плотность ионного тока на нейтральную стенку и анод плазмотрона //Электротехника и электроэнергетика, 2003. - №2. - C. 5-7.
7. Ершов А.В. Характер перехода к разряду с пятном на аноде аргоновой дуги // Электротехника и электроэнергетика, 2004. - №1.- С. 20-22.
8. Ершов А.В. Интегральный метод оценки устойчивости диффузного разряда в прианодной зоне //Авиационно-космическая техника и технология, 2004. - №2 /10. - C. 39-42.
9 . Ершов А.В., Быковский О.Г. Оценка энергопереноса на анод дугового разряда в инертных газах //Автоматическая сварка. - №6 (614). -C. 11-14.
Поступила в редакцию 28.03.2006 г.
Показано, що основна частина розрядного струму при ¡онно-плазмов1й активацИ'по-верхн1 у процес1 плазмового напилення переноситься ¡онами металу, а не ем1с1йними елек-тронами поверхн1.
It is shown, that the major part of discharged current while ion - plasma activation of a surface during plasma coating is transferred by ions of a metal and not by emission electrons of surface.
