Întărirea cu plasmă de finisare (FPU) este un proces fără vid și fără tuburi de depunere chimică cu jet cu plasmă a acoperirilor care conțin siliciu din faza gazoasă cu activarea simultană cu plasmă a fluxului de gaz și a suprafeței pe care este depusă acoperirea.
Dezvoltatorii acestei tehnologii sunt o echipă de oameni de știință și specialiști de la Universitatea Politehnică Petru cel Mare din Sankt Petersburg și compania de cercetare și producție LLC Plasmacenter. Primele publicații despre noul proces au apărut la sfârșitul anilor optzeci și începutul anilor nouăzeci [1] . În același timp, tehnologia și elementele structurale ale echipamentelor pentru FPU au fost transferate în cadrul cooperării către o serie de instituții de învățământ superior din Rusia și Republica Belarus, unde s-au efectuat ulterior cercetări și au fost susținute disertații pe această temă.
Fundamentele științifice ale FPU sunt rezumate de autorii procesului într-o monografie publicată în 2008 și 2013. [2] . Drepturile de brevet asupra principiilor de bază ale tehnologiei FPU aparțin companiei de cercetare și producție LLC Plasmacenter [3] .
Denumirea tehnologiei „finish plasma hardening” ( întărirea cu plasmă de finisare în engleză , întărirea cu plasmă de finisare) este asociată cu scopul său principal - creșterea durabilității și fiabilității pieselor în etapa de finisare a fabricării sau reparației lor prin aplicarea de siliciu subțire- care conțin acoperiri. În acest caz, dimensiunile geometrice ale pieselor nu se modifică, iar suprafața capătă noi proprietăți polifuncționale. Pentru acoperire, se folosește o descărcare cu arc a unei surse de energie cu plasmă.
FPU este utilizat pentru a crea acoperiri pe suprafețele de lucru ale pieselor de mașini, mecanisme și echipamente, unelte, echipamente tehnologice, produse medicale care asigură rezistență la uzură , inerție chimică, rezistență la coroziune, antifricțiune , rezistență la căldură , rezistență la căldură, anti -gripare, rezistență la fretting coroziune , dielectric, barieră, biocompatibil, bactericide și alte proprietăți. Depunerea chimică prin plasmă a straturilor subțiri care conțin siliciu poate fi efectuată atât pe materiale metalice, cât și pe materiale polimerice.
Efectul FPU este obținut prin crearea unui strat de suprafață:
- cu compoziție și structură elementară corespunzătoare regulii Charpy sau întărită în dispersie de nanoparticule [4] ;
- cu caracteristici tribologice efective - coeficient scăzut de frecare, durată de rodare, degajare de căldură în timpul frecării [5] ;
- cu proprietăți fizice și mecanice optime pentru protecția la uzură - rezistență la deformare elastică (indice de plasticitate), rezistență la deformare plastică, recuperare elastică, apropierea modulelor de elasticitate a stratului și substratului [6] ;
- cu un coeficient de uzură scăzut, măsurat în condiții de uzură microabrazivă [7] ;
- cu coeficientul optim de aderență, determinat prin metoda sclerometrică ca raport dintre forța asupra indentatorului la capătul trecerii grosimii acoperirii, la forța asupra indentorului, la care apar primele fisuri sau delaminații [8] ;
- cu o grosime rațională de acoperire în raport cu parametrii rugozității suportului [9] ;
- cu inerție chimică, inclusiv sulfoinertie [10] ;
- cu minimizarea zonelor de acumulare a microorganismelor [11] ;
- cu posibilitate de fixare bioactivă cu țesut osos [12] ;
- cu tensiuni reziduale de compresiune [13] ;
- cu fisuri vindecate si microdefecte [14] ;
- cu capacitate crescută de reținere a uleiului;
- posedă hidrofilitate;
- cu proprietati dielectrice;
- cu proprietati rezistente la coroziune;
- cu un coeficient scăzut de conductivitate termică;
- cu rezistenta crescuta la radiatii.
În conformitate cu clasificarea internațională a metodelor de aplicare a acoperirilor cu peliculă subțire, FPU se referă la depunerea chimică de vapori a acoperirilor dintr-o fază gazoasă (de vapori) ( în engleză chemical vapor deposition - CVD) stimulată de plasmă ( în engleză plasma enhanced CVD - PECVD) sau asistat de plasmă ( în engleză plasma assisted CVD-PACVD). În aceste tehnologii, acoperirea se formează la interfața dintre două faze (gaz - solid) ca urmare a reacțiilor chimice eterogene care au loc în apropierea suprafeței, la suprafață și în stratul apropiat de suprafață al substratului. Faza gazoasă la FPU constă dintr-un amestec de vapori de organoelement volatil sau de compuși lichizi organometalici și anorganici volatili cu gaz argon, gaze formatoare de plasmă și gaze protectoare. Procesul de depunere chimică a acoperirilor folosind compuși organometalici în literatura engleză se numește depunere chimică metalorganică în vapori ( MOCVD ).
Amestecul de gaz utilizat în FPU intră într-un reactor de plasmă cu arc electric cu jet de curent continuu de dimensiuni mici, care funcționează la presiunea atmosferică. În literatura de limba engleză, procesele care sunt similare în esență sunt numite CVD cu plasmă la presiune atmosferică îmbunătățită (AP - PECVD), CVD asistată cu plasmă la presiune atmosferică (AP - PACVD), PACVD prin plasmă atmosferică rece (PACVD - CAP), Atmospheric- Reactor cu jet de plasmă DC cu presiune (APDCPJR).
Activarea plasmei în timpul FPU este asociată cu acțiunea unei plasme atmosferice „rece” la temperatură joasă (plasmă la presiune atmosferică rece) atât pe faza gazoasă, cât și pe suprafață fiind modificată în condițiile generării de plasmă la distanță (depunerea de vapori chimici îmbunătățită cu plasmă la distanță - RPECVD) . În același timp, activarea cu plasmă a fazei gazoase asigură descompunerea termică rapidă a vaporilor injectați și o creștere a ratei de depunere a acoperirii. Activarea cu plasmă a suprafeței pe care se aplică acoperirea servește la îndepărtarea substanțelor adsorbite, la creșterea activității chimice și a capacității de adeziv a stratului de suprafață. Utilizarea plasmei la distanță, ținând cont de separarea zonelor sale de excitare și de creșterea acoperirii, minimizează sarcina termică pe substrat.
Acoperirea pe o suprafață dată cu FPU se realizează prin deplasarea jetului de plasmă cu o viteză de 3-150 mm/s, ținând cont de formarea de benzi de acoperire suprapuse cu lățime de 8-15 mm. La FPU încălzirea produselor nu depășește 60-150 °C. După FPU , parametrii rugozității suprafeței suprafeței acoperite, în funcție de parametrii inițiali ai substratului, se pot chiar îmbunătăți.
Principalele etape ale FPU din punctul de vedere al modelului cinetic de formare a acoperirii sunt:
· generarea de plasmă de argon a unei descărcări cu arc de curent continuu cu formarea de particule energetice încărcate (electroni și ioni) și particule neutre active din punct de vedere chimic (atomi liberi și radicali);
· alimentarea cu vapori de precursori lichizi (organoelement volatil și lichide anorganice și gaz purtător) fluxului de plasmă de argon format într-un reactor plasma-chimic de dimensiuni mici;
· disocierea la ciocnirea cu electronii rapizi ai moleculelor de plasmă de argon a vaporilor precursorilor cu formarea de noi energii încărcate și particule neutre active chimic;
· livrare dirijată împreună cu fluxul de plasmă de argon a particulelor active chimic către suprafața substratului;
· adsorbția particulelor active chimic pe substrat cu activarea plasmatică simultană a suprafeței de către plasmă de argon pentru a crea centre de adsorbție activi;
difuzia de suprafață a moleculelor adsorbite;
intrarea în reacții chimice a particulelor active chimic adsorbite cu formarea de unități structurale ale învelișului depus;
îndepărtarea subprodușilor de reacție.
Versiunea în limba engleză a denumirii procesului FPU în conformitate cu modelul de mai sus de formare a acoperirii este plasmă la presiune atmosferică rece PACVD (PACVD CAPP) sau Reactorul cu jet de plasmă DC cu presiune atmosferică (APDCPJR).
Principalele diferențe dintre procesul FPU și procesul tradițional CVD sunt următoarele:
1. În procesele CVD, produsul pentru acoperire este plasat într-un reactor cu flux staționar - o cameră în care sunt furnizate gaze sau vapori ai unuia sau mai multor precursori , reacționând și/sau descompunându-se la suprafața sau în apropierea suprafeței produsului încălzit, în timp ce acoperirea se depune pe toate suprafețele sale. Cu FPU, reactorul, având o dimensiune minimă, se poate deplasa în raport cu un produs staționar sau în mișcare, asigurând astfel că acoperirea este aplicată numai pe o suprafață dată, adică selectiv.
2. Procesele CVD se desfășoară în principal la presiunea atmosferică în camere-reactor închise la temperatură înaltă cu activare termică a pieselor, iar gazele toxice sunt utilizate ca substanțe de reacție. În FPU, se folosesc vapori de organoelement lichid volatil și precursori anorganici, care asigură un nivel crescut de siguranță a mediului datorită toxicității scăzute și siguranței la explozie. În acest caz, este posibil să se obțină compoziția chimică necesară a acoperirii din materialul unei singure substanțe. Temperatura de încălzire a produselor în timpul FPU poate fi de 60-400 ° C, camerele de temperatură înaltă nu sunt utilizate.
3. În timpul depunerii acoperirilor prin metoda CVD este necesar un consum semnificativ de precursori, ducând la o formare crescută de subproduse gazoase ale reacțiilor chimice care sunt îndepărtate din reactor cu un flux de gaz. În FPU, datorită dimensiunii reduse a reactorului chimic cu plasmă, cantitatea minimă de vapori de precursori introduși este utilizată cu îndepărtarea unui subprodus gazos de către o unitate mobilă de filtru-ventilație.
4. În metoda CVD, pentru a reduce temperatura de încălzire a produselor la 450-550 °C, pe lângă activarea termică, se utilizează procesul de activare a plasmei, care se realizează în vid. Pentru a genera plasmă în procesele CVD în vid, se folosesc în principal descărcări strălucitoare sau de înaltă frecvență, care se caracterizează printr-un efect volumetric (distribuit) asupra mediului gazos și asupra întregului produs. În FPU, se utilizează o descărcare cu arc de curent continuu, generată la presiunea atmosferică fără vid, cu formarea unui jet de plasmă de mare viteză, care livrează particule active chimic doar într-o zonă locală a suprafeței cu activarea sa simultană.
5. Reproductibilitatea proprietăților acoperirilor în procesele CVD este determinată de condițiile de temperatură de pe suprafața piesei, care depind de temperatura pereților reactorului, de depunerea produselor de reacție pe aceștia, în principal a celor neconductoare de căldură. (aceasta din urmă condiție necesită curățarea constantă a camerei), amplasarea pieselor în cameră în raport cu dispozitivele de încălzire, inconsecvență în părți. Cu FPU, acoperirea este aplicată local în condiții de temperatură mai previzibile.
Principalele avantaje ale procesului FPU sunt implementarea procesului fără vid și camere, încălzirea minimă integrală a piesei, care nu depășește 60-150 ° C, posibilitatea aplicării de acoperiri local, pe piese de diferite dimensiuni, în orice spațiu spațial. poziție, în zone greu accesibile, atunci când se utilizează un echipament de dimensiuni reduse, mobil și economic.
Principalele tipuri de acoperiri aplicate prin metoda FPU sunt folosite pentru a crește durabilitatea și fiabilitatea uneltelor, matrițelor, matrițelor, cuțitelor, pieselor și mecanismelor de mașini, instrumentelor medicale, pentru a preveni formarea depunerilor de carbon (funingine, lac, nămol) asociate cu ardere a combustibilului, cu efecte de temperatură ridicată și de oxidare a componentelor uleiului, asigurând proprietăți biocompatibile și bactericide ale implanturilor și pieselor pentru implantare, produse dentare și alte produse.
Filme separate despre aplicarea practică a procesului FPU sunt postate pe YouTube sub cuvintele cheie „finishing plasma hardening”.
Precursorii lichizi pe bază de lichide organoelementale și anorganice din familia SETOL sunt utilizați pentru acoperirea în FPU , al cărui consum total anual în timpul funcționării într-un singur schimb a echipamentului este de aproximativ 0,5 litri. Vaporii de precursori lichizi sunt furnizați reactorului chimic cu plasmă printr-un gaz purtător care barbote prin lichid sau trece pe suprafața acestuia, captând o anumită cantitate de reactivi. Viteza de alimentare cu reactivi lichizi depinde neliniar de debitul și presiunea gazului purtător, de lungimea conductei de alimentare cu reactiv și de nivelul de reactivi lichizi către recipiente. Acoperirile sunt amorfe sau amorf-cristaline datorită utilizării de precursori care conțin elemente - amorfizatori (cum ar fi bor, siliciu și altele), precum și datorită vitezei mari de răcire a acoperirii aplicate, egale cu (10 10 -10 12 ) K/ Cu.
Acoperirile pe bază de compuși de siliciu de până la 2 µm grosime depuse în timpul FPU sunt transparente. Colorarea de interferență a straturilor multistrat care conțin siliciu vizibile în lumina reflectată, în funcție de grosimea lor - de la violet-albastru la verde-roșu.
Acoperirile pot fi multistratificate cu o grosime monostrat de 5-50 nm. Pentru a aplica, de exemplu, acoperiri tribologice cu un coeficient de frecare scăzut, se folosesc până la 250 de monostraturi, care pot avea fie aceeași compoziție elementară, fie diferită.
Caracteristici individuale ale straturilor aplicate: duritate crescută, inerție chimică, rezistență la oxidare la temperaturi de până la 1200 °C, rezistență ridicată la eșec la oboseală sub sarcini ciclice și vibrații, coeficient scăzut de frecare (până la 0,03), aderență crescută la diferite substraturi , rezistență electrică specifică mare (de ordinul a 10 6 Ohm∙m).
Acoperirile sunt rezistente la radiații, astfel încât pot fi folosite pentru a întări, de exemplu, sculele de tăiere care funcționează sub influența radiațiilor ionizante dure.
Pentru implementarea procesului FPU au fost dezvoltate instalații precum UFPU-110, UFPU-111, UFPU-112, UFPU-113, UFPU-114, UFPU-115, UFPU-BPU-115 etc.. 3 tipuri de precursori.
Tehnologia și echipamentele pentru FPU sunt utilizate, de exemplu, pentru a întări sculele de tăiere și piesele de scule în diferite companii rusești și străine.
Echipamentele FPU în scopuri științifice și educaționale sunt utilizate în 9 universități din Rusia, Republica Belarus și Mexic.
Tehnologia FPU pentru diverse aplicații practice a fost studiată de mulți oameni de știință și specialiști. Următoarele sunt cele mai importante publicații despre aceste studii: