Efterbehandling af plasmahærdning (FPU) er en vakuumløs og rørløs proces med jetplasma-kemisk aflejring af siliciumholdige belægninger fra gasfasen med samtidig plasmaaktivering af gasstrømmen og overfladen, hvorpå belægningen er aflejret.
Udviklerne af denne teknologi er et team af videnskabsmænd og specialister fra Peter den Store St. Petersborg Polytekniske Universitet og forsknings- og produktionsvirksomheden LLC Plasmacenter. De første publikationer om den nye proces udkom i slutningen af firserne og begyndelsen af halvfemserne [1] . Samtidig blev teknologien og de strukturelle elementer af udstyr til FPU overført inden for rammerne af samarbejdet til en række videregående uddannelsesinstitutioner i Rusland og Republikken Hviderusland, hvor der efterfølgende blev udført forskning, og afhandlinger om dette emne blev forsvaret.
Det videnskabelige grundlag for FPU er opsummeret af forfatterne til processen i en monografi udgivet i 2008 og 2013. [2] . Patentrettigheder til de grundlæggende principper for FPU-teknologi tilhører forsknings- og produktionsvirksomheden LLC Plasmacenter [3] .
Navnet på teknologien "afslut plasmahærdning" ( engelsk finish plasma hærdning, finishing plasma styrkelse) er forbundet med dens hovedformål - at øge holdbarheden og pålideligheden af dele på efterbehandlingsstadiet af deres fremstilling eller reparation ved at anvende tyndfilm silicium- indeholdende belægninger. I dette tilfælde ændres de geometriske dimensioner af delene ikke, og overfladen får nye polyfunktionelle egenskaber. Til belægning anvendes en lysbueudladning af en plasmaenergikilde.
FPU bruges til at skabe belægninger på arbejdsflader af maskindele, mekanismer og udstyr, værktøjer, teknologisk udstyr, medicinske produkter, der giver slidstyrke , kemisk inerthed , korrosionsbestandighed, antifriktion , varmebestandighed , varmebestandighed, anti -fastsættelse, modstandsdygtighed over for gnidning korrosion , dielektriske, barriere, biokompatible, bakteriedræbende og andre egenskaber. Plasma-kemisk aflejring af tynd-film silicium-holdige belægninger kan udføres både på metal og polymere materialer.
Effekten af FPU opnås ved at skabe et overfladelag:
- med grundstofsammensætning og struktur svarende til Charpy-reglen eller dispersionsstyrket af nanopartikler [4] ;
- med effektive tribologiske egenskaber - lav friktionskoefficient, indkøringsvarighed, varmeafgivelse under friktion [5] ;
- med optimale fysiske og mekaniske egenskaber til slidbeskyttelse - modstand mod elastisk deformation (plasticitetsindeks), modstand mod plastisk deformation, elastisk genopretning, nærhed af belægningens og underlagets elasticitetsmoduler [6] ;
- med en lav slidkoefficient, målt under forhold med mikroslibende slid [7] ;
- med den optimale adhæsionskoefficient, bestemt ved den sklerometriske metode som forholdet mellem kraften på indrykket ved slutningen af passagen af belægningstykkelsen, og kraften på indenteren, ved hvilken de første revner eller delamineringer opstår [8] ;
- med en rationel belægningstykkelse i forhold til parametrene for substratruheden [9] ;
- med kemisk inerthed, herunder sulfoinerthed [10] ;
- med minimering af zoner med akkumulering af mikroorganismer [11] ;
- med mulighed for bioaktiv fiksering med knoglevæv [12] ;
- med trykrestspændinger [13] ;
- med helede revner og mikrodefekter [14] ;
- med øget olieholdende kapacitet;
- besidder hydrofilicitet;
- med dielektriske egenskaber;
- med korrosionsbestandige egenskaber;
- med en lav varmeledningskoefficient;
- med øget strålingsmodstand.
I overensstemmelse med den internationale klassificering af metoder til påføring af tyndfilmsbelægninger refererer FPU til kemisk dampaflejring af belægninger fra en gas (damp)fase ( engelsk kemisk dampaflejring - CVD) stimuleret af plasma ( engelsk plasma enhanced CVD - PECVD) eller assisteret af plasma ( engelsk plasma assisteret CVD-PACVD). I disse teknologier dannes belægningen ved grænsefladen mellem to faser (gas - fast stof) som et resultat af kemiske heterogene reaktioner, der forekommer nær overfladen, på overfladen og i det nærliggende lag af substratet. Gasfasen ved FPU består af en blanding af dampe af flygtige lavtoksiske organoelementer eller organometalliske og uorganiske flydende forbindelser med argongas, plasmadannende og beskyttende gasser. Processen med kemisk aflejring af belægninger ved hjælp af organometalliske forbindelser i den engelske litteratur kaldes metalorganic chemical vapor deposition ( MOCVD ).
Gasblandingen, der anvendes i FPU'en, kommer ind i en lille DC-jet-elektrisk lysbue-plasma-reaktor, der opererer ved atmosfærisk tryk. I den engelsksprogede litteratur kaldes processer, der i det væsentlige ligner atmosfærisk tryk plasmaforstærket CVD (AP - PECVD), Atmosfærisk tryk plasma assisteret CVD (AP - PACVD), PACVD af kold atmosfærisk plasma (PACVD - CAP), Atmosfærisk- Tryk DC Plasma Jet Reactor (APDCPJR).
Plasmaaktivering under FPU er forbundet med virkningen af et "koldt" lavtemperaturatmosfærisk plasma ( koldt atmosfærisk trykplasma) både på gasfasen og på overfladen, der modificeres under betingelser med fjernplasmagenerering ( fjernplasmaforstærket kemisk dampaflejring - RPECVD) . Samtidig sikrer plasmaaktivering af gasfasen hurtig termisk nedbrydning af de indsprøjtede dampe og en stigning i hastigheden af belægningsaflejring. Plasmaaktivering af overfladen, hvorpå belægningen påføres, tjener til at fjerne adsorberede stoffer, øge overfladelagets kemiske aktivitet og klæbeevne. Brugen af fjerntliggende plasma, under hensyntagen til adskillelsen af dets excitationszoner og væksten af belægningen, minimerer den termiske belastning på substratet.
Belægning på en given overflade med FPU udføres ved at flytte plasmastrålen med en hastighed på 3-150 mm/s, under hensyntagen til dannelsen af overlappende belægningsstrimler 8-15 mm brede. Ved FPU overstiger opvarmning af produkter ikke 60-150 °C. Efter FPU kan parametrene for overfladeruheden af den coatede overflade, afhængigt af de indledende parametre for substratet, endda forbedres.
De vigtigste stadier af FPU set fra den kinetiske model for belægningsdannelse er:
· generering af argonplasma af en jævnstrømsbueudladning med dannelse af ladede energiske (elektroner og ioner) og neutrale kemisk aktive partikler (frie atomer og radikaler);
· tilførsel af dampe af flydende prækursorer (flygtige organoelementer og uorganiske væsker og bæregas) til argonplasmastrømmen dannet i en lille plasma-kemisk reaktor;
· dissociation ved kollision med hurtige elektroner af argonplasmamolekyler af dampe af forstadier med dannelse af ny ladet energi og neutrale kemisk aktive partikler;
· rettet levering sammen med strømmen af argonplasma af kemisk aktive partikler til overfladen af substratet;
· adsorption af kemisk aktive partikler på substratet med samtidig plasmaaktivering af overfladen med argonplasma for at skabe aktive adsorptionscentre;
overfladediffusion af adsorberede molekyler;
indtræde i kemiske reaktioner af adsorberede kemisk aktive partikler med dannelsen af strukturelle enheder af den aflejrede belægning;
fjernelse af reaktionsbiprodukter.
Den engelske version af betegnelsen for FPU-processen i overensstemmelse med ovenstående model for belægningsdannelse er PACVD koldt atmosfærisk trykplasma (PACVD CAPP) eller Atmospheric Pressure DC Plasma Jet Reactor (APDCPJR).
De vigtigste forskelle mellem FPU-processen og den traditionelle CVD-proces er som følger:
1. I CVD-processer placeres produktet til belægning i en stationær strømningsreaktor - et kammer, hvor der tilføres gasser eller dampe fra en eller flere forstadier , som reagerer og/eller nedbrydes på overfladen eller nær overfladen af det opvarmede produkt, mens belægning aflejres på alle dens overflader. Med FPU kan reaktoren, der har en minimumsstørrelse, bevæge sig i forhold til et stationært eller bevægeligt produkt, hvorved det sikres, at belægningen kun påføres en given overflade, det vil sige selektivt.
2. CVD-processer udføres hovedsageligt ved atmosfærisk tryk i lukkede højtemperaturreaktorkamre med termisk aktivering af dele, og giftige gasser anvendes som reaktionsstoffer. I FPU anvendes dampe af flygtige flydende organoelementer og uorganiske prækursorer, som giver et øget niveau af miljøsikkerhed på grund af deres lave toksicitet og eksplosionssikkerhed. I dette tilfælde er det muligt at opnå den nødvendige kemiske sammensætning af belægningen fra materialet af et enkelt stof. Opvarmningstemperaturen for produkter under FPU kan være 60-400 ° C, højtemperaturkamre bruges ikke.
3. Under afsætningen af belægninger ved CVD-metoden kræves et betydeligt forbrug af prækursorer, hvilket fører til en øget dannelse af gasformige biprodukter fra kemiske reaktioner, der fjernes fra reaktoren med en gasstrøm. I FPU, på grund af den lille størrelse af den plasmakemiske reaktoren, bruges den minimale mængde af indførte prækursordampe med fjernelse af et gasformigt biprodukt af en mobil filterventilationsenhed.
4. I CVD-metoden, for at reducere opvarmningstemperaturen af produkter til 450-550 °C, anvendes udover termisk aktivering processen med plasmaaktivering, som udføres i et vakuum. For at generere plasma i vakuum CVD-processer anvendes hovedsageligt glød eller højfrekvente udladninger, som er karakteriseret ved en volumetrisk (fordelt) effekt på det gasformige medium og på hele produktet. I FPU bruges en jævnstrømsbueudladning, genereret ved atmosfærisk tryk uden vakuum, med dannelsen af en højhastigheds plasmastråle, som kun leverer kemisk aktive partikler til et lokalt område af overfladen med dens samtidige aktivering.
5. Reproducerbarheden af egenskaberne af belægninger i CVD-processer bestemmes af temperaturforholdene på overfladen af delen, som afhænger af temperaturen af reaktorvæggene, aflejringen af reaktionsprodukter på dem, hovedsagelig ikke-varmeledende. (sidstnævnte tilstand kræver konstant rengøring af kammeret), placeringen af delene i kammeret i forhold til varmeanordningerne, uoverensstemmelse i dele. Med FPU påføres belægningen lokalt under mere forudsigelige temperaturforhold.
De vigtigste fordele ved FPU-processen er implementeringen af processen uden vakuum og kamre, den minimale integrerede opvarmning af delen, der ikke overstiger 60-150 ° C, muligheden for at påføre belægninger lokalt, på dele af forskellige størrelser, i enhver rumlig position, i svært tilgængelige områder, når du bruger et lille, mobilt og økonomisk udstyr.
Hovedtyperne af belægninger anvendt af FPU-metoden bruges til at øge holdbarheden og pålideligheden af værktøjer, matricer, forme, knive, maskindele og mekanismer, medicinske instrumenter, for at forhindre dannelsen af kulstofaflejringer (sod, lak, slam) forbundet med brændstofforbrænding, med høj temperatur og oxiderende virkninger af oliekomponenter, hvilket sikrer biokompatible og bakteriedræbende egenskaber af implantater og dele til implantation, dentale og andre produkter.
Separate film om den praktiske anvendelse af FPU-processen er lagt på YouTube under søgeordene "finishing plasma hardning".
Flydende prækursorer baseret på organoelementære og uorganiske væsker fra SETOL-familien bruges til belægning i FPU , hvis samlede årlige forbrug under et-skiftsdrift af udstyret er cirka 0,5 liter. Væskeprækursordampe tilføres den plasmakemiske reaktor af en bæregas, der bobler gennem væsken eller passerer over dens overflade og opfanger en vis mængde reagenser. Tilførselshastigheden af flydende reagenser har en ikke-lineær afhængighed af strømningshastigheden og trykket af bæregassen, længden af reagensforsyningsledningen og niveauet af flydende reagenser til beholderne. Belægningerne er amorfe eller amorf-krystallinske på grund af brugen af prækursorer, der indeholder elementer - amorphizers (såsom bor, silicium og andre), og også på grund af de høje afkølingshastigheder af den påførte belægning, svarende til (10 10 -10 12 ) K/ Med.
Belægninger baseret på siliciumforbindelser op til 2 µm tyk aflejret under FPU er transparente. Interferensfarvning af flerlags siliciumholdige belægninger synlige i reflekteret lys, afhængigt af deres tykkelse - fra violet-blå til grøn-rød.
Belægninger kan være flerlagede med en enkeltlagstykkelse på 5-50 nm. For at påføre for eksempel tribologiske belægninger med en lav friktionskoefficient anvendes op til 250 monolag, som kan have enten samme eller forskellig grundstofsammensætning.
Individuelle egenskaber ved de påførte belægninger: øget hårdhed, kemisk inerthed, modstandsdygtighed over for oxidation ved temperaturer op til 1200 °C, høj modstandsdygtighed over for udmattelsesfejl under cykliske belastninger og vibrationer, lav friktionskoefficient (op til 0,03), øget vedhæftning til forskellige underlag , høj specifik elektrisk modstand (i størrelsesordenen 10 6 Ohm∙m).
Belægninger er modstandsdygtige over for stråling, så de kan bruges til at hærde f.eks. skæreværktøjer, der arbejder under påvirkning af hård ioniserende stråling.
For at implementere FPU-processen blev der udviklet installationer som UFPU-110, UFPU-111, UFPU-112, UFPU-113, UFPU-114, UFPU-115, UFPU-BPU-115 osv. 3 typer prækursorer.
Teknologien og udstyret til FPU bruges for eksempel til at hærde skærende værktøjer og værktøjsdele i forskellige russiske og udenlandske virksomheder.
FPU-udstyr til videnskabelige og uddannelsesmæssige formål bruges på 9 universiteter i Rusland, Republikken Hviderusland og Mexico.
FPU-teknologi til forskellige praktiske anvendelser er blevet undersøgt af mange videnskabsmænd og specialister. Følgende er de vigtigste publikationer om disse undersøgelser: