Materials. Technologies. Design

Модернизация безвакуумного электродугового реактора для синтеза порошка на основе карбида бора

Юлия Захаровна Васильева — 2023-12-12

В работе описан безвакуумный метод получения порошка на основе карбида бора с использованием модернизированного электродугового реактора. По результатам рентгенофазового анализа в продукте синтеза доминирует фаза карбида бора В4С, что обеспечивается за счет применения специального углеродного экрана, отделяющего зону инициирования и горения дугового разряда от зоны синтеза. При использовании модернизированной схемы разрядного контура электродугового реактора удалось снизить отношение интенсивности главного максимума графитовой фазы к главному максимуму фазы карбида бора в 12 раз: ранее IС/IB4C = 3,617,
в данной работе IС/IB4C = 0,285. Кроме того, в работе исследованы энергетические характеристики процесса синтеза, определено количество подводимой энергии (~372 кДж за время синтеза ~60 с), средняя мощность разряда (~6 кВт); составлен массовый баланс системы. С помощью вольфрам-рениевой термопары проведено измерение температуры в реакционной зоне реактора: измерения осуществлялись как с применением теплоизоляционного слоя, так и без него. Определено, что использование газобетонного блока марки «Сибит» в качестве теплоизоляции позволило снизить потери массы графитового тигля в 2 раза и повысить температуру в реакционной зоне реактора с 1508 °C до 1642 °C при использовании графитового тигля без исходной смеси.

Оценка и расчет параметров систем генерации пучково-плазменных образований, синтезированных в сильноточном несамостоятельном тлеющем разряде с полым катодом

Владимир Викторович Денисов — 2023-12-12

В работе представлены методы оценки и расчета параметров систем генерации пучково-
плазменных образований (ППО) для технологического использования в процессах ионно-плазменной обработки поверхности конструкционных и инструментальных материалов. Основными количественными параметрами, обеспечивающими необходимые эксплуатационные параметры и характеристики создаваемых источников плазмы и электронно-ионно-плазменного оборудования в целом, являются концентрация газоразрядной плазмы, а также связанные с ней плотность ионного тока и плотность электронного тока. Системы генерации пучково-плазменных образований, используемые в технологических целях обработки поверхности материалов и изделий, удобно рассчитывать исходя из требуемого значения плотности тока ионов, ускоряемых к поверхности обрабатываемых изделий. В работе представлены схемы и конструкции экспериментальных образцов систем генерации пучково-плазменных образований (ППО)
на основе сильноточного несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом низкого давления, рассчитанные и созданные на основе описанной методики расчета.

Металлокерамические покрытия, полученные вакуумно-дуговым методом при испарении высокоэнтропийного сплава

Юрий Фёдорович Иванов — 2023-12-12

Сформированы многослойные металлокерамические покрытия на основе высокоэнтропийного сплава элементного состава TiNbZrTaHf путем осаждения на твердотельную подложку в вакууме из многокомпонентной газо-металлической плазмы, созданной вакуумно-дуговым испарением многоэлементного катода в режиме с плазменным ассистированием в среде смеси газов азот-аргон. Показано, что покрытия являются нанокристаллическим (2,5–4 нм) материалом. Методами рентгенофазового анализа показано, что керамический слой является двухфазным (TiNbZrTaHf)N + Ta4N). Нитрид (TiNbZrTaHf)N имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку с параметром решетки а = 4,4465 Å (D = 22 нм; Δd/d = 7·10–3).
Нитрид Ta4N имеет тетрагональную кристаллическую решетку с параметрами решетки
а = 6,8272 и c = 4,1697 Å (D = 10 нм; Δd/d = 7·10–3). Металлический слой имеет объемно-
центрированную кубическую кристаллическую решетку (а = 0,33396 нм). Выявлено формирование переходных слоев между подложкой и металлическим слоем, между металлическим и керамическим слоями. Твердость покрытия составила 36,7 ГПа, модуль Юнга 323 ГПа, параметр износа покрытия k = 2,9·10–5 мм3/Н·м, коэффициент трения μ = 0,71. Стоит отметить перспективность использования покрытий на основе ВЭС в качестве защитных покрытий для инструмента и деталей широкого круга применений.

Влияние формы полого катода на параметры плазмы несамостоятельного тлеющего разряда с внешней инжекцией электронов

Данил Юрьевич Игнатов — 2023-12-12

Данная работа посвящена исследованию процессов генерации низкотемпературной плазмы в протяженных и сложных полых катодах. Система генерации плазмы представляет из себя двухразрядную систему, где основной разряд зажигается внутри полого катода, с одного торца которого расположен анод основного разряда, а с противоположного торца установлена сетка, через которую происходит инжекция дополнительных электронов из плазмы вспомогательного разряда. В работе показана возможность генерации однородной плазмы внутри изогнутого (под 90°) полого катода и внутри двух полых катодов, расположенных параллельно. Длина катодов составляла 300 мм с внутренним диаметром 25 мм. Давление в разрядной системе составляло до 1 Па при напряжении до 300 В и токе до 10 А. Параметры плазмы основного разряда измерялись с помощью двойных зондов Ленгмюра, установленных вдоль полых катодов. Результаты измерений показали, что коэффициент неоднородности концентрации плазмы составляет ±23% в изогнутом полом катоде, и до ±35% вдоль каждой полости в разрядной системе с двумя катодами, расположенными параллельно, а отклонение от среднего значения величины концентрации плазмы в сравнении двух параллельных полых катодов составило до ±11%. Полученные результаты могут быть полезны для создания систем генерации низкотемпературной плазмы для реализации процессов ионно-плазменной обработки внутренней поверхности протяженных металлических изделий сложной формы с целью кратного увеличения их срока службы.

Комплексная электронно-ионно-плазменная обработка силумина

Ольга Васильевна Крысина — 2023-12-12

В работе представлены исследования, направленные на выявление влияния комплексной электронно-ионно-плазменной модификации поверхностного слоя силумина эвтектического состава на его свойства, элементный и структурно-фазовый состав. Комплексная обработка включала предварительное импульсное электронно-пучковое облучение силумина с целью выглаживания его поверхности, залечивания пор и увеличения адгезии нитридного покрытия к силуминовой подложке, осаждения твердого покрытия нитрида титана вакуумно-дуговым методом и повторное облучение электронным пучком субмиллисекундной длительности без значительного разрушения нитридного покрытия. Получены закономерности модификации поверхностного слоя при электронно-пучковом воздействии в разных режимах облучения на систему «нитридное покрытие (0,25–2,0 мкм) / подложка из силумина». Были проведены исследования структурно-фазового состояния, микротвердости, шероховатости, коэффициента трения и параметра износа модифицированного слоя. Установлены зависимости свойств модифицированного слоя от основных параметров облучения электронным пучком: плотности энергии, длительности импульса воздействия, количества импульсов. Выявлены оптимальные режимы электронно-пучковой обработки силумина с покрытием нитрида титана без или с незначительным его разрушением, при которой модифицированный слой обладает высокими твердостью, износостойкостью, адгезионной прочностью, низкими шероховатостью и коэффициентом трения.

Распределение плотности поверхностной плазмы при скиновом взрыве медных цилиндрических проводников

Наталья Анатольевна Лабецкая — 2023-12-12

Проведены исследования крупномасштабных неустойчивостей плазмы, возникающих
при скиновом взрыве цилиндрических медных проводников в быстронарастающих сильных магнитных полях с индукцией до 400 Т. Эксперименты проводились на сильноточном генераторе МИГ при амплитуде тока до 2,5 МА и времени его нарастания 100 нс. Радиальное распределение вещества взорванного проводника и внутренняя структура неустойчивостей исследовались по рентгенограммам, полученным с помощью зондирования рентгеновским излучением, сформированным в «горячей точке» Х-пинча. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для верификации одно- и двумерных магнитогидродинамических моделей поведения вещества в экстремальных условиях.

Сравнительный анализ кратеров, образующихся на катодных и анодных пятнах искрового разряда в воздухе на железных электродах

Артем Дмитриевич Максимов — 2023-12-12

В статье описывается процедура быстрой обработки снимков электродных пятен колебательного и униполярного искрового разряда на плоскую поверхность железного электрода в атмосфере воздуха. Снимки сделаны с помощью интерференционного микроскопа – анализатора поверхности NewView 5010. Диаметры кратеров измерялись с помощью программы для измерения размера частиц нанопорошков. Производился сравнительный статистический анализ распределений диаметров с использованием тестов сравнения выборок, а также дисперсионного анализа, входящих в пакет Excel. В качестве факторов служили энергия разряда (номер пятна) и условия опыта (катод, анод, колебательный разряд). Показано, что характеристики распределения диаметров кратеров слабо или даже незначимо зависят от энергии конденсатора. В то же время они весьма значимо зависят от условий разряда. Показано также, что максимальные высоты рельефа и глубины кратеров в случае колебательного разряда в несколько раз превышают их значения для униполярного разряда.

Принцип сложения концентраций заряженных частиц в пучково-плазменном образовании, сформированном в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления

Евгений Владимирович Островерхов — 2023-12-12

Проведено исследование закономерностей процессов генерации пучково-плазменного образования в полом катоде объемом около 0,3 м3 несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления с инжекцией электронов из двух симметрично расположенных источников электронов. В работе проверяется возможность применения принципа алгебраического сложения распределений концентрации заряженных частиц в плазменном образовании, полученных при отдельной работе источников электронов. Полученные распределения параметров плазмы при токах дугового разряда 20 и 45 А и при токах тлеющего разряда до 200 А свидетельствуют, что при повышении токов дуговых разрядов в источниках электронов примерно в 2 раза,
с 20 до 45 А, что соответствует увеличению токов инжекции электронов с 9 до 20 А, точность выполнения принципа сложения снижается. Максимальная степень неоднородности концентрации заряженных частиц в пучково-плазменном образовании при работе двух источников электронов с разрядными токами 20 А в продольном направлении составила 25%, в радиальном – 52%, максимальное отклонение коэффициентов неоднородности для экспериментального распределения и распределения, полученного в результате сложения данных, полученных при раздельной работе источников электронов, составила 8%. Результаты исследования позволяют использовать принцип сложения для прогнозирования распределений концентрации заряженных частиц в пучково-плазменных образованиях, формируемых в полых катодах большого объема в несамостоятельном тлеющем разряде низкого давления, и имеют практическую ценность для проектирования и создания оборудования для упрочнения поверхности материалов и изделий. В созданной системе генерации пучково-плазменных образований определены оптимальные режимы азотирования тежелонагруженных пуансонов.

Оценка плазменного пиролиза сероводорода в высоковольтном плазмотроне переменного тока

Сергей Дмитриевич Попов — 2023-12-12

Сероводород образуется в больших количествах в процессах нефтепереработки. Общепринятым методом его утилизации является переработка в элементарную серу и далее в серную кислоту. Структура промышленного использования серной кислоты претерпевает существенные изменения, что создает необходимость пересмотра процессов его переработки. Были проведены термодинамические расчеты плазменного пиролиза сероводорода в высоковольтном плазмотроне переменного тока, работающего на широком спектре плазмообразующих смесей. В этом случае образуется дополнительный ценный химический компонент, водород, который может быть использован в химическом синтезе или в качестве топлива. Рассчитаны энергозатраты для получения водорода: для смеси Ar/H2S = 1/1 – 373,0 МДж/кг произведенного водорода, а для N2/H2S – 534,6 МДж/кг произведенного водорода.

Газо-металлические пучково-плазменные образования для нанесения упрочняющих покрытий

Михаил Викторович Савчук — 2023-12-12

Вакуумно-дуговой метод напыления покрытий – один и из наиболее распространенных методов нанесения нитридных тонкопленочных покрытий. В данной работе методом эмиссионной спектроскопии проводилось исследование состава газо-металлического пучково-плазменного образования, сформированного в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда при одновременной работе вакуумно-дуговых испарителей. Также приводятся результаты напыления в двух разрядных схемах: классической схеме вакуумно-дугового напыления с плазменным ассистированием и полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда с внешней инжекцией электронов. В обеих схемах в качестве генераторов металлической плазмы используются два электродуговых испарителя. В качестве материалов катодов используются алюминиевый и титановый катоды. В работе проведено сравнение результатов напыления композиционного покрытия системы (ZrTiBSiNi)N. Согласно результатам измерений, значения твердости составили 41 ГПа при осаждении в классической разрядной схеме и 47,8 ГПа при осаждении в газо-металлическом пучково-плазменном формовании, сформированном в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда.

Вакуумная установка для ионно-плазменного осаждения электролита твердооксидных топливных элементов.

Вячеслав Аркадьевич Семенов — 2023-12-12

Традиционными, хорошо изученными и широко применяемыми на практике методами формирования электролита твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) являются различные порошковые технологии. Несмотря на простоту и дешевизну, они имеют ограниченное применение в разработках, направленных на повышение удельной мощности ТОТЭ за счет минимизации толщины электролита. Перспективным решением этой проблемы является метод магнетронного осаждения тонких пленок. К его достоинствам можно отнести возможность регулирования различных параметров процесса осаждения, получения покрытий одинаковой толщины на подложках большой площади с необходимыми эксплуатационными характеристиками и структурой. В связи с этим была разработана автоматизированная вакуумная установка «Электролит 1.0» для нанесения тонкопленочного ZrO2:Y2O3 (YSZ) электролита и барьерного слоя Ce0,8Gd0,2O2 (GDC) на аноды ТОТЭ планарной конструкции методом реактивного дуального магнетронного распыления. В состав установки входят вакуумная камера, система безмасляной вакуумной откачки, системы охлаждения, газораспределения, позиционирования подложек, нагрева и контроля температуры, контроля толщины наносимых слоев, дуальные магнетронные распылительные системы с Zr/Y и Ce/Gd мишенями, источник ионов с закрытым дрейфом электронов, источники электропитания питания и система управления. Технологический процесс нанесения двухслойного электролита YSZǀGDC полностью
автоматизирован.

Компьютерное моделирование тепловых полей в системе Cr-Mo-Zr с помощью низкоэнергетического сильноточного электронного пучка

Андрей Вениаминович Соловьев — 2023-12-12

В работе представлены результаты расчетов температурных полей в системе пленка(Cr)/пленка(Mo)/подложка(Zr) при импульсном электронно-пучковом воздействии. Были рассчитаны толщины расплавов элементов системы в зависимости от плотности энергии НСЭП
для толщин пленки Cr 0,5, 1,0, 2,0 и 3,0 мкм и толщины промежуточной пленки Mo 1,0 мкм.
В работе исследуется влияние энергетических характеристик электронно-пучкового воздействия на толщину и время жизни расплава. Получено, что время жизни расплавов пленок Cr, Mo и подложки Zr в значительной степени зависят от плотности энергии НСЭП и толщины пленки хрома.

Дуговое напыление покрытий на основе оксида алюминия в элионном режиме

Владимир Викторович Шугуров — 2023-12-12

Проведены эксперименты по синтезу покрытия на основе оксида алюминия с использованием электродугового осаждения и бессеточной системы ускорения ионов. Исследования проводились на экспериментальном стенде на базе установки ННВ-6.6-И1 с использованием двух генераторов плазмы: ПИНК для генерации газовой плазмы и дугового испарителя с катодом из алюминиевого сплава А7 для генерации газометаллической плазмы. Температуру подложки задавали с помощью элионного режима работы плазмофизических устройств. Показана возможность нанесения непроводящего покрытия на основе оксида алюминия при поддержании заданной температуры за счет использования элионного режима работы системы. Проведено исследование фазового состава полученных пленок и его изменение в зависимости от температуры подложки и других условий напыления. Важно отметить, что во время осаждения к подложке не прикладывалось отрицательное смещение. Температура подложки влияла на фазовый состав получаемого покрытия.

Влияние тормозного излучения на тепловой баланс высокотемпературной плазмы

Artem Georgievich Polyansky — 2023-12-12

Тормозным излучением в тепловом балансе высокотемпературной плазмы является мягкое рентгеновское излучение, которое не может быть непосредственно преобразовано в электричество, как это возможно в случае энергии заряженных частиц или циклотронного излучения. Тормозное излучение является основным механизмом излучения при температурах
в несколько кэВ. Для рабочих температур реакторов на альтернативном топливе были выполнены расчеты тормозного излучения релятивистских электронов и получены аппроксимирующие формулы. Потери на излучение приведены в зависимости от радиуса плазмы
и температуры.