Створення фізико-технічних принципів електронних технологій для отримання наноструктур та їх застосування в плазмово-іонних технологіях зміцнення деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

УДК 539.21: 621.9.02

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Створення фізико-технічних принципів електронних технологій для отримання наноструктур та їх застосування в плазмово-іонних технологіях зміцнення деталей

Спеціальність 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки

Суккарієх Мустафа Еззат

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіційний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Костюк Геннадій Ігорович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», завідувач кафедри робототехніки.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Добротворський Сергій Семенович, Національний технічний університет «ХПІ», професор кафедри технологій машинобудування;

доктор технічних наук, Бєлоус Віталій Арсентійович, Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій, м. Харків, заступник директора.

Захист відбудеться «21» квітня 2011 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можно ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий «18» березня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиЗастела О.М.

наноструктура електрон сплав деталь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перспективи розвитку техніки, пов'язані з унікальними властивостями наноструктур і нанопокриттів, потребують дослідження різних методів їх одержання для визначення найбільш ефективного. В наш час відсутні спроби використання потоків електронів для цих цілей, що свідчить про актуальність дослідження можливості формування наноструктур в електронно-променевій технології. В той же час використання електронних потоків для розмірного оброблення (полірування, травлення, прошиття отворів і прорізання пазів) потребує дослідження теплових, термомеханічних і ерозійних процесів у зоні дії потоків електронів, що підтверджує актуальність досліджень цих процесів.

У багатьох електрофізичних технологіях можна застосовувати потоки електронів як допоміжні для попереднього прогрівання, очищення, полірування, додаткового зміцнення в комбінованих технологіях, що також є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у рамках програми Міністерства освіти і науки України «Нові й ресурсозбережувані технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі» (секція 13 «Аерокосмічна техніка й транспорт»), науково-дослідні роботи ДР 0103U1004034 «Розроблення технологічних основ інтегрованих технологій плазмово-іонного оброблення деталей аерокосмічної техніки» і ДР 0109U001422 «Концепції застосування плазмово-іонних покриттів, комбінованого зміцнення та нанопокриттів для підвищення якісних характеристик деталей АТ й АД», хоздоговірних робіт і договорів про співробітництво.

Мета і завдання дослідження. Дослідити і обґрунтувати застосування електронно-променевих технологій для формування наноструктур, при розмірному обробленні деталей, комбінованих методах оброблення при різних допоміжних операціях. Для досягнення цих цілей були поставлені такі задачі:

1. Створити модель одночасної дії електронів різної енергії на матеріали з метою виявлення можливості реалізації умов для утворення наноструктур.

2. Експериментально перевірити можливість формування наноструктур під час дії заданої кількості потоків електронів.

3. Експериментально дослідити ерозійну дію потоків моноенергетичних електронів на чисті метали і сплави при нормальному й відмінному від нього кутах падіння потоку на поверхню деталі.

4. Розробити систему виміру температури під час дії сканувального потоку електронів на плоску деталь.

5. Розробити принципи створення установок для зміцнення деталей АТ з використанням потоків електронів та оцінити їхню продуктивність.

6. Оцінити можливість створення електронно-променевих установок з виведенням електронного променя у повітряне середовище.

Об'єкт дослідження - електронно-променева технологія для формування наноструктур, а також для їхнього розмірного оброблення й зміцнення.

Предмет дослідження - поля температур і температурних напружень, ерозійні характеристики та вплив на них режимів електронно-променевого оброблення для формування наноструктур, розмірного оброблення й застосування його для зміцнення і як складову частину при комбінованому обробленні.

Методи дослідження. При виконанні роботи використано сучасні методи теоретичного і експериментального досліджень. При моделюванні застосовано модифікований МКЕ, в експериментальних роботах - мас-спектрометричний метод оцінювання ерозійних характеристик (мас-спектрометр МХ 1301); вимірювання густини електронного струму проведено коліматором із циліндром Фарадея, зважування у вакуумі виконано з точністю 0,0001 г, а також використано традиційні методи вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено теоретичну модель одночасної дії на конструкційні матеріали заданої кількості електронів із різними енергіями. Така модель дозволяє визначити поля температур і температурних напружень у зоні їхньої дії, забезпечити високу ступінь заповнення об'єму деталі цими полями, що дає можливість виявити режим з потрібними для утворення наноструктур температурами (500…1000 К), тисками (температурними напруженнями від 10⁷ до 3·10⁸ Н/м²) і швидкостями наростання температур (10¹²…10¹⁵ К/с).

2. Вперше експериментально показано можливість формування наноструктур під час дії заданої кількості потоків електронів.

3. Експериментальне дослідження дії потоку електронів на чисті метали (при густині струму менше першої критичної) дозволило одержати добре узгодження експериментальних результатів із теоретичними, що підтверджує працездатність моделі.

4. Результатами мас-спектрометричних досліджень доведено селективну природу виходу металів із сплавів, коли спочатку видаляється максимальна кількість найбільш летких компонентів, що призводить до змін фізико-механічних властивостей поверхневого шару сплавів.

5. Підтверджено вплив відбиття електронів при кутах падіння, відмінних від нормального (б = 0), на зниження коефіцієнта ерозії.

6. Теоретично доведено можливість створення електронно-променевих установок із виведенням променя у повітряне середовище, його транспортування крізь нього з урахуванням розбіжності й розфокусування.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Показано можливість і визначено режими формування наноструктур під час дії потоків електронів із різними енергіями, що дозволяє використовувати ці режими у практичній роботі.

2. Розроблено систему вимірювання полей температур у плоских деталях при електронно-променевому обробленні.

3. Розроблено принципи й комп'ютерні програми оцінних розрахунків теплообміну в установках на етапах нагрівання деталі електронним променем, очищення іонним розпиленням, полірування (травлення) поверхні газовою плазмою, азотування поверхневих шарів деталі, що можуть бути широко використані при реалізації вказаних етапів роботи в установках.

4. Розроблено методики розрахунку продуктивності електронно-променевого оброблення, що дозволяє з достатнім ступенем вірогідності оцінити продуктивність технології.

5. Теоретичні дослідження можливості створення електронно-променевих установок із виведенням променя у повітряне середовище дозволяють проектувати й практично застосовувати такі установки.

Особистий внесок здобувача.

Усі положення дисертаційної роботи, що виносяться на захист, розроблено особисто здобувачем або за допомогою наукового керівника.

В опублікованих роботах автору належать основні ідеї теоретичного дослідження щодо удосколення теорії формування наноструктур під час дії потоків електронів, а у виконаному об'ємі експериментальних досліджень наведено тільки ті, в яких автор брав безпосередню участь.

Здобувачем розроблено теоретичну модель для вивчення одночасної дії на конструкційні матеріали певної кількості потоків електронів з різним рівнем енергії; за допомогою складених ним необхідних алгоритмів і програм дослідження поля температур і температурних напружень; розроблено модель дії на деякі конструкційні матеріали потоків електронів різної енергії й густини струму; виконано експериментальні дослідження ерозійних процесів, а також установлено селективність видалення компонентів при обробленні сплавів.

Здобувач брав безпосередню участь у створенні наднових основ формування наноструктур при комбінованому обробленні. Ним розроблено фізичні основи методики розрахунку продуктивності досліджуваних електронно-променевих технологій.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи викладено на XVІІІ, XІX і XX міжнародних конференціях «Нові технології в машинобудуванні», Харків - Рибаче, 2008, 2009 і 2010 рр., на наукових семінарах «Електрофізичні технології» Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «ХАІ» та інших семінарах і НТС на заводах ім. Малишева, ДП ХМЗ «ФЕД».

Публікації. Основні результати дослідження відображено в десяти наукових роботах, із них три у виданнях ВАК для публікації матеріалів дисертацій, і п'яти тезах докладів на міжнародних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг дисертації - 254 сторінки, з яких 145 сторінок основного тексту, 62 рисунка, 7 таблиць. Список використаної літератури містить 188 найменувань на 21 сторінках та 7 додатків на 88 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано його мету й задачі, визначено об'єкт, предмет і методи дослідження, викладено наукову новизну та практичну значущість результатів роботи.

У першому розділі виконано аналіз літературних джерел стосовно проблеми формування наноструктур при дії електронних потоків, описано фізико-механічні характеристики (ФМХ) матеріалів, процеси масовинесення і утворення покриттів у результаті діянь потоків електронів. Розглянуто наноструктури і їхні характеристики. Показано, що при плазмово-іонному, іонно-променевому лазерному й комбінованому обробленні можуть бути поліпшені ФМХ, близькі до наноструктур, а методи й технології їх одержання бути відпрацьованими й відтворюваними. Тому в роботі поряд з дослідженнями технологій щодо формування наноструктур розглянуто й інші технології, за допомогою яких можуть бути одержані фізико-механічні характеристики, близькі до характеристик наноструктур.

Другий розділ присвячено дослідженню можливості утворення наноструктур під час дії заданої кількості потоків електронів різних енергій і густини струму.

На основі розробленої моделі взаємодії індивідуальної частки (електрона) з матеріалом, в якій враховувалась особливість передачі тепла від електрона до матеріалу деталі внаслідок електронної й фонної теплопровідності з урахуванням розподілу інтенсивності об'ємного джерела тепла, створюваного електроном:

,(1)

де втрати енергії за глибиною деталі (мішені) визначаються як для електрона з малою, так і з більшою енергією, n - коефіцієнт відбиття.

У цьому випадку задача теплопровідності перетворюється у розгляд теплообміну в елементарному об'ємі деталі й на її межі. Теплообмін в елементарному об'ємі відбувається в результаті теплопровідності, зміщення фронту випаровування та дії індивідуального джерела - частки. Тоді баланс енергії в елементарному об'ємі мішені буде мати вигляд

. (2)

У граничних умовах враховано поверхневе джерело тепла, тепловідведення випаровуванням, тепловим і рентгенівським випромінюванням. Граничні умови на поверхні мішені з урахуванням викладеного мають вигляд

. (3)

Розподіл в тілі мішені об'ємного й поверхневого джерел тепла визначено додатковими умовами.

Було одержано поля температур і температурних напружень у зоні дії індивідуальних електронів, що дозволяють оцінити як температури, так і температурні напруження під час дії потоків електронів із густиною, меншою першої критичної густини струму (коли ї частки поля температур не накладаються одна на одну до закінчення теплової дії).

Аналіз полей температур і температурних напружень показав, що в зоні дії електрона величини температур, температурних напружень і швидкості наростання температур є достатніми для локального утворення наноструктур. Для формування наноструктур необхідно забезпечити дотримання цих умов у достатньому об'ємі поверхневого шару деталі (Т = 500…1500 К) _ТН = 510⁷…510⁹ Па, V_Т = 10¹⁰…10¹⁴ К/с), тобто слід використовувати потоки електронів із різними енергіями, що забезпечують розвиток полів температур за глибиною, та густиною струмів, що дорівнювала першій критичній густині струму.

Розглянуто дію п'яти електронів А з енергією E_eА = 510⁵ еВ, чотирьох електронів В з енергією E_eВ = 510⁴ еВ і чотирьох електронів С з енергією E_eС = 310³ еВ при їхній дії на деталь із сталі. Вивчено розподіл температур за глибиною деталі в зоні дії цих часток під час зіткнення (прийнято, що закінчення теплової дії цих часток відбувається одночасно), відстань між частками відповідала першій критичній густині струму, коли поля температур під дією сусідніх часток не перетинаються. В цьому випадку внаслідок наявності максимальних градієнтів температур мають реалізовуватися максимальні температурні напруження.

На рис. 1 показано розподіл температур за глибиною під час дії часток А, В і C. Видно, що глибина проникнення найбільш високоенергетичних електронів становить близько 1,3л_е, що дорівнює 10^-6 м. Максимальна температура спостерігається на глибині 0,9л_е і становить 4,210⁴ К, для частки А найбільша температура знаходиться на рівні близько 0,9л_еА і дорівнює 1,310⁴ К, а для частки С максимум температури також становить 0,9л_еС і дорівнює близько 1,810³ К.

Рис. 1. Розподіл температур за глибиною під час дії п'яти електронів А (Е_еА = 510⁴ еВ), чотирьох електронів В (Е_еА = 10⁴ еВ), чотирьох електронів С (Е_еА = 310³ еВ), Т_maxА = 4,210⁴ К; Т_maxВ = 1,310⁴ К; Т_maxC = 1,83 К

Поля температур за глибиною вдало доповнюють одне одного й сприяють заповненню об'єму температурним полем. Для того, щоб переконатися в цьому, розглянемо особливості заповнення об'єму на характерних поверхнях , , , _B і (рис. 2). При повному заповненні об'єму полем температур також одержують достатньо високі значення температур, що змінюються від 990 К на поверхні й до 720 К на глибині х=1,1л_еА, причому у фіксованих точках 0,9л_еС, 0,9л_еВ і 0,9л_еА вони становлять відповідно 1,8·10³ К; 1,3·10⁴ К і 4,2·10⁴ К. Цих температур буде досить для формування наноструктур.

Розподіл температурних напружень за глибиною для тих же часток А,В і С приводить до більш повного заповнення елементарного об'єму деталі, причому максимальні значення температурних напружень становлять:

у_А=0,7·10⁸ Н/м²; х=0,9л_еА; у_В=1,4·10⁸ Н/м²; х=0,9л_еВ; у_С=8·10⁷ Н/м²; х=0,9л_еС. Для одержання повної картини заповнення об'єму розглянемо розподіл температурних напружень на тих же поверхнях: х=0; х=0,9л_еС; х=0,9л_еА; 0,9л_еВ і х=1,1л_еА. На цих же поверхнях відповідно утворюються максимальні напруження: 1,4·10⁷ Н/м²; 8·10⁷ Н/м²; 1,4·10⁸ Н/м²; 2,7·10⁸ Н/м² і 6·10⁷ Н/м² (рис. 4). Заповнення об'єму полем температурних напружень є достатньо щільним, що не завжди забезпечує формування наноструктур, однак разом з досягнутими температурами й швидкістю їхнього зростання (10¹²…10¹⁵ К/с) ці умови є достатніми для утворення наноструктур.

Було оцінено інтегральні температури під час дії потоків як суцільного середовища. Однак, хоч температури і є достатніми для формування наноструктури, але швидкості змінення температур не досягають необхідних значень, а скільки-небудь значущі напруження реалізуються на периферії потоку, що є проблематичним для одержання наноструктур.

Рис. 2. Розподiл температур на поверхнях:

х=0 (Т_{max C} =990К); х=0,9л_С (Т_{max C} =1,8·10³ К);

х=0,9л_В (Т_{max В} =1,3·10⁴ К); х=0,9л_А (Т_{max А} =4,2·10⁴ К);

х=1,1л_А (Т_max =720 К)

Рис. 3. Розподiл температурних напружень за глибиною пiд дiєю п'яти електронiв А ( Е_еА= 5·10⁴ еВ), чотирьох електронiв В ( Е_еА= 10⁴ еВ), чотирьох електронiв С ( Е_еА= 3·10³ еВ), у_maxA=2,7·10⁸ Н/м², _maxВ = 1,410⁸ Н/м², _maxC = 810⁷ Н/м²

Рис. 4. Розподiл температурних напружень на поверхнях:

х = 0 (_max = 1,410⁷ Н/м²); х=0,9 _ес (_max = 8 10⁷ Н/м²);

х = 0,9_еВ (_max = 1,410⁸ Н/м²), х = 0,9_еА (_max = 2,710⁸ Н/м²),

х=1,1_еА (_max = 6 10⁷ Н/м²)

Третій розділ присвячено експериментальному дослідженню дiї потоків електронів на матеріали. Вивчено ерозійні характеристики матеріалів мас-спектрометричним і ваговим методами (зразки було розміщено під різними кутами до потоку електронів). Спочатку досліджено розподіл густини електронного потоку відповідно до чотирьох конструкцій електронних гармат. Для однієї з них - конструкції С.Н. Треньової - такий розподіл показано на рис. 5.



Рис.5. Розподiл густини електронного струму за радiусом пучка в зонi взаємодiї з мiшенню (гармата С.Н. Треньової)

Досліджено ерозійні характеристики чистих металів і сплавів. Експерименти проведено з такими чистими металами: оловом, вісмутом, кадмієм, свинцем, алюмінієм, залізом, цирконієм, міддю, молібденом, танталом і вольфрамом, а також з композитними матеріалами: сплавами Розе, молібден-реній (0,56М…0,44Re), бронзою Бр-Б-2, латунню, сталлю 1Х18Н10Т.

У випадку бомбардування мішеней з чистих металів нормальним до поверхні потоком електронів ерозійні характеристики ( залежність коефіцієнта ерозії від енергії часток) при розгляді електрона як індивідуального теплового джерела зображено на рис. 6,а. Кожна експериментальна точка є результатом статистичного оброблення (проведено не менше десяти дослідів). Видно, що коефіцієнти ерозії алюмінію, заліза, цирконію, міді, молібдену, танталу, вольфраму збільшувалися із зростанням енергії електронів ((5…9)10³ еВ), тоді як коефіцієнти ерозії олова, вісмуту, кадмію, свинцю в цьому діапазоні є максимальними.

Аналогічні залежності для композитних матеріалів зображено на рис. 6, б. Спостерігається зростання коефіцієнта ерозії відповідно до збільшення енергії потоку при обробленні мішеней зі сплавів Розе, бронзи Бр-Б-2 й молібден-реній, а максимальний коефіцієнт ерозії в дослідженому діапазоні енергій виявлено на мішенях з латуні Л 68 і сталі 1Х18Н10Т.

Поява максимумів на ерозійних характеристиках металів пов'язана з положеннями найбільших значень інтенсивності об'ємного джерела, створеного електроном, який викликає найбільш ефективне масовиділення у цих умовах. Густина струмів в експериментах була меншою ніж перша критична густина.

аб

Рис. 6. Залежність коефіцієнту ерозії від енергії електронiв при їхній дiї на олово, свинець, вiсмут, кадмій, алюміній, залiзо, цирконiй, мiдь, молiбден, тантал і фольфрам (а) й на сплави Розе, молібден-реній, латунь Л 68 та 1Х18Н10Т(б)

Динаміку виходу маси досліджено мас-спектрометричним методом із застосуванням мас-спектрометра МХ-1301 (діапазон вимірювання масових чисел у робочому режимі - 1…100 а.о., а в оглядовому - 2…200 а.о.). На рис. 7 показано картину змінювання частки іонів кожного з досліджуваних металів згідно з мірою збільшення кількості спрацьовувань електронного джерела. Видно, що частка іонів вісмуту при цій умові зменшується, частка іонів свинцю спочатку зростає, потім скорочується, а частка іонів олова зростає із збільшенням кількості спрацьовувань. Таке змінення видалення маси елементів, що входять до сплаву, пов'язано з тепловими процесами в зоні дії електронів, які спочатку сприяють виходу вісмуту як найбільш леткого металу (дифузія не встигає поповнювати видалення вісмуту). Це збільшує частку атомів свинцю, які видаляються з поверхневого шару й він збіднюється свинцем, далі відбувається більш інтенсивне видалення найменш леткого компонента сплаву - олова. Все це свідчить про селективне видалення компонентів сплаву.

Рис. 7. Залежнiсть частки iонiв вiсмуту, свинцю i олова вiд кiлькостi спрацьовувань електронного джерела

Виконано зіставлення експериментальних і теоретичних результатів щодо коефіцієнту ерозії для певної групи металів. Результати експериментального й теоретичного досліджень змінювання коефіцієнтів залежно від енергії електрона зображено на рис. 8. Видно, що коефіцієнт ерозії на мішенях з вісмуту, олова, кадмію й заліза в дослідженому діапазоні енергій є максимальним (10³…10⁴ еВ), що підтверджено експериментом. Коефіцієнт ерозії решти досліджених матеріалів збільшується відповідно зростанню енергії електронів. Помічено задовільний збіг результатів розрахункового і експериментального досліджень в діапазоні енергій 10³…10⁴ еВ. На жаль, при більш низьких енергіях дослідні дані щодо величини коефіцієнта ерозії є відсутніми. Це пояснюється низькою точністю всіх відомих методів практичного дослідження коефіцієнта ерозії при незначному масовинесенні, а також великою тривалістю експерименту.

Рис. 8. Експериментальніi залежностіi коефiцiєнтiв ерозiї вiд енергiї електронiв при їхній дiї на вiсмут, олово, кадмiй, алюмiнiй, залiзо, мiдь, молiбден, тантал, вольфрам (потiк електронiв спрямовано згiдно з нормаллю)

Було досліджено динаміку полів температур у плоскій заготовці, розроблено систему управління рухом електронного променя й систему вимірювання температур.

Для вивчення можливості формування наноструктур досліджено одночасну дію на мішень зі сталі 50 потоків з такими енергіями: перший - 3, 2 кеВ (j = 9,1·10³ А/м²), другий - 6,9 кеВ (j = 10³ А/м²), третій - 9,9 кеВ (j = 80 А/м²); а також потоком з енергією 69 кеВ (j = 10³ А/м²).

Потоки електронів тривалістю r_a = 180 мкс надходили з частотою f = 5 Гц): перший, другий і третій, а далі послідовність повторювалась. Густину струмів вибирали такою, що дорівнювала першій критичній густині, або була близькою до неї, що дозволяло забезпечувати максимальні значення температурних напружень (у₁ = 3,9·10⁷ Н/м²; у₂ = 5,8·10⁷ Н/м²; у₃ = 8·10⁷ Н/м²) і достатні величини температур для формуванная наноструктур (Т_max1 = 970 К; Т_max2 = 1,2·10³ К; Т_max3 = 3,9·10³ К). Результати такого дослідження показано на рис. 9.

Видно, що в першому випадку (крива 1) реалізується аномально велике значення мікротвердості (близько 50 ГПа), у другому - мікротвердість становить всього 5,7 ГПа, що практично відповідає твердості загартованої сталі 50. Наявність трьох потоків дозволяє цілком заповнити об'єм полями температур і температурних напружень, наявність високоенергетичних електронів (9,9 кеВ) дає можливість одержати дуже високі швидкості наростання температур, при яких швидкість кристалізації є достатньо високою, що сприяє утворенню наноструктур (зерно невеликого розміру (до 10 нм)).

У другому випадку (крива 2) на процес зміцнення впливає інтегральна температура (а не температура в зоні індивідуальних частинок) і, коли вона перевищує температуру точки АС₃ для сталі 50 (1058К), то реалізується закалювання. У першому випадку температури в зоні індивідуальних часток істотно вищіми (до 3900 К), швідкість їх наростання дорівнює 10¹⁰…10¹⁴ к/с, заповнення об'єму полем температур є достатнім, але рівень температурних напружень не досягає потрібного тиску (у_Т4max = 8·10⁷ Н/м² при необхідному значенні близько 10⁹ Н/м²). Наявність хрому в сталі (0,25%) є достатньою для того, щоб він був каталізатором і забезпечував прискорене формування наноструктур. Видно, що аномальна мікротвердість скоріш за все пов'язана з їхнім утворенням. Наявність достатньо високої мікротвердості у перехідному шарі можна пояснити частковим утворенням наноструктур з розміром зерна близько 100 нм, при якому мікротвердість знижується.

У другому випадку формується традиційна структура, що відповідає класичній структурі загартованої сталі 50, а в першому випадку з'являється білий шар, який не можна виявити травленням і його структуру не видно в оптичному мікроскопі.

Рис. 9. Розподiл мiкротвердостi за глибиною при почерговiй дiї потокiв електронiв тривалiстю 180 мкс, частотою 5 Гц (501 iмпульс) з енергiєю: 1 - 3,2 кеВ (j = 9,1·10³ А/м²), 6,9 кеВ (j = 10³ А/м²), 9,9 кеВ (j = 80 А/м²); 2 - 6,9 кеВ (j = 10³ А/м²)

Четвертий розділ 4 присвячено створенню високоефективних установок для зміцнення деталей АТ на етапах:

- нагрівання деталі електронним потоком;

- очищення поверхні виробу іонним розпиленням;

- травлення (полірування) поверхні виробів газовою плазмою;

- азотування поверхневих шарів підкладок;

- напилення тонких плівок.

На цих етапах виконано оцінювання температури, шорсткості поверхонь, одержаних в режимах очищення й травлення, азотування матеріалу підкладки, напилення тонких плівок; наведено описання программ для розрахунку технологічних параметрів на досліджуваних режимах.

Розглянуто фізичні основи й реалізацію методики розрахунку продуктивності процесів електронно-іонного та комбінованого оброблення з використанням електронно-променевої технології. У методиці враховано фактори: розпилювання електронами, іонами, атомами перезарядження; радіаційно-стимульовану дифузію; випарювання, масовинесення з рідкої фази, конденсацію в паровій фазі; термопружне й термічно стомлене руйнування (кластери й блістинг); видалення матеріалу в краплинній фазі; вплив термо-; плазмохімічних реакцій.

Так, наприклад, у випадку дії електронів на мішень зі сталі 40Х результати розрахунку продуктивності показано на рис. 10.

Рис. 10. Залежнiсть швидкостi змiнення геометрiї мiшенi при електронному очищеннi залiза вiд густини струму i енергiї електрона

У додатку описано перспективи створення електронно-променевих установок з виведенням променя у повітряне середовище.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено теоретичну модель одночасної дії заданої кількості потоків електронів з різними енергіями на конструкційні матеріали. Ця модель дозволяє визначити поля температур і температурних напружень у зоні їхньої дії при великому ступені заповнення об'єму мішені цими полями, що дає можливість виявити режими із необхідними для формування наноструктур температурами, величинами тиску (температурних напружень) і швидкостями наростання температур.

2. Одержано температури (500…1000 К), швидкості їхнього наростання (10¹²…10¹⁵ К/с) і значення температурних напружень (10⁷…3.10⁸ Н/м²) практично для всіх досліджених матеріалів (виняток становить свинець при Е = 10⁵ еВ, у_ти = 1,32 10⁹ Н/м², коли є можливість термопружного руйнування) при густині струмів, що дорівнює першій критичній густині. Введення іонів каталізатора може прискорити процес кристалізації, що свідчить про реальність утворення наноструктур в об'ємі мішені.

3. Експериментально підтверджено можливість одержання наноструктур при дії на мішень зі сталі 50 трьох потоків електронів з різною енергією й густиною струмів.

4. Експериментальне вивчення діяння потоку електронів на досліджувані матеріали дозволило одержати залежність коефіцієнта ерозії від енергії електронів при їхній дії на олово, свинець, вісмут, кадмій, алюміній, залізо, цирконій, мідь, молібден, тантал та вольфрам, а також сплави: Розе, молібден-реній, бронзу Бр-Б2, латунь Л68 і Х18Н9Т. Експериментальні результати добре погоджуються з теоретичними, які отримано для чистих металів.

5. При дії електронів на сплави виявлено селективність видалення їхніх елементів: спочатку інтенсивно видаляються найбільш леткі компоненти, а після відповідного збіднення поверхневого шару починають інтенсивно видалятися слабовипарювані елементи (мас-спектрометричні дослідження).

6. Показано, що при збільшенні кута падіння потоку електронів відносно нормального ( б = 0 ) коефіцієнт ерозії зменшується, що пов'язано зі зростанням коефіцієнта відбиття електронів.

7. Розроблено систему вимірювання полів температур у зоні електронно-променевого оброблення і експериментально доведено її ефективність.

8. Розроблено принцип, який покладено в основу створення установок для зміцнення деталей АТ. Розглянуто етапи роботи установки: нагрівання деталей електронним променем, очищення іонним розпилюванням, полірування (травлення) поверхні виробів газовою плазмою, азотування поверхневих шарів деталей, напилення тонких плівок. Наведено програми розрахунку процесів теплообміну в установці.

9. Розроблено фізичні основи методики розрахунку продуктивності електронно-променевого, плазмового, комбінованого оброблення й наведено приклади його застосування.

10. Теоретично доведено можливість створення електронно-променевих установок з виведенням потоку в повітряне середовище, його транспортуванням крізь нього з урахуванням розбіжності й самофокусування пучка електронів.

11. Одержані результати використано у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ».

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Экспериментально-теоретическое исследование возможности получения наноструктур при действии потоков частиц / Г.И. Костюк, В.Н. Павленко, М.Э. Суккариех, К.П. Исяк // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - Вып. 6 (73). - С. 5 - 13.

Здобувач розробив теорію дії заданої кількості потоків електронів різної енергії та густини струму й виконано експериментальне дослідження формування наноструктур аід час дії потоків електронів.

2. Костюк Г.И. Создание наноструктур в объеме детали при электронно-лучевой обработке / Г.И. Костюк, М.Э. Суккариех, Е.А. Воляк // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 3 (63). - Х., 2010.

- С. 8 - 23.

Розробив модель дії на конструкційні матеріали заданої кількості потоків електронів.

3. Костюк Г.И. Наноструктуры в поверхностном слое детали при комбинированной обработке - действие ионов различных сортов, зарядности и энергий на конструкционные материалы / Г.И. Костюк, О.О. Бруяка, М.Э. Суккариех // Вісті: науково-технічний та громадянський часопис Президії Академії інженерних наук України. - 2009.- Вип. 1(38). - С. 201 - 216.

Склав алгоритм і програми розрахунку полей температур і температурних напружень при дії іонів різних сортів зарядності, енергії та густини струму.

4. Костюк Г.И. Особенности эрозионных процессов при действии электронов на материалы / Г.И. Костюк, М.Э. Суккариех // Компьютерные и информационные технологии при моделировании, в управлении и экономике. - 2010. - Кн. 1. - С. 29 - 37.

Брав участь у проведенні експериментів з дослідження ерозійних процесів під час дії електронів.

5. Костюк Г.И. Методика расчета процесса теплообмена в зоне обработки при комбинированном упрочнении на базе электронно-лучевой и плазменно-ионной обработки и ионного азотирования / Г.И. Костюк, М.Э. Суккариех // Компьютерные и информационные технологии при моделировании, в управлении и экономике. - 2010. - Кн.2. - С. 235 - 242.

Довів можливість підвищення ефективності процесів зміцнення завдяки застосуванню потоків електронів.

6. Костюк Г.И. Создание наноструктур в объеме детали при электронно-лучевой обработке / Г.И. Костюк, М.Э. Суккариех, Е.А. Воляк // Новые технологии в машиностроении: тр. ХХ Междунар. конф., Рыбачье, 3 - 8 сентября 2010 г. - Х., 2010. - С. 8.

Розробив модель дії на конструкційні матеріали заданої кількості потоків електронів різної енергії та густини струму.

7. Костюк Г.И. Особенности эрозионных процессов при действии электронов на материалы / Г.И. Костюк, М.Э. Суккариех // Новые технологии в машиностроении: тр. ХХ Междунар. конф., Рыбачье, 3 - 8 сентября 2010 г. - Х., 2010. - С. 20.

Провів експеримент з дослідження ерозійних процесів під час дії електронів на метали та сплави.

8. Костюк Г.И. Принципы получения наноструктур в поверхностном слое детали при комбинированной обработке - действие ионов различных сортов, зарядности и энергий на конструкционные материалы / Г.И. Костюк, О.О. Бруяка, М.Э. Суккариех // Новые технологии в машиностроении: тр. XІX Междунар. конф., Рыбачье, 3 ? 8 сентября 2009 г. ? Х., 2009. ? С. 29.

Розробив принципи формування наноструктур у поверхневому шарі деталі при комбінованому обробленні.

9. Научные основы создания и применения наноструктур и нанопокрытий в машиностроении / Г.И. Костюк, С.Н. Воляк, М.С. Хаки, М.Э. Суккариех // Новые технологии в машиностроении: тр. XІX Междунар. конф., Рыбачье, 3 ? 8 сентября 2009 г. ? Х., 2009. ? С. 72.

Брав безпосередню участь у створенні наднових основ формування та впровадження наноструктур і нанопокриттів.

10. Костюк Г.И. Возможности применения наноструктур и нанопокрытий для повышения микротвердости поверхности и снижения коэффициента трения / Г.И. Костюк, М.Э. Суккариех // Новые технологии в машиностроении: тр. XVІІІ Междунар. конф., 3-8 сентября 2008 г. - Х., 2008. - С. 31.

Виконав добір відомостей щодо мікротвердості матеріалів та коефіцієнтів їхнього тертя.

АНОТАЦІЯ

Суккарієх М.Е. «Створення фізико-технічних принципів електронних технологій для одержання наноструктур і їхнє застосування в плазмово-іонних технологіях зміцнення деталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2011.

Дисертацію присвячено створенню науково обгрунтованих фізико-технічних принципів електронних технологій (ЕТ) для формування наноструктур та їхнього використання у плазмово-іонних технологіях для отримання зміцнених шарів на деталях і при розмірному обробленні.

Дисертація містить результати числових розрахунків полів температур і температурних напружень для оцінювання можливості утворення наноструктур, а також установлено наявність масовиносення під час дії електронів. Експериментально отримано ерозійні характеристики чистих металів (виконано порівняння з теоретичними даними), а також деяких сплавів під час дії на них потоку електронів з енергією до 10 кеВ і різною густиною струмів, виявлено вплив кута падіння електронів на ерозійні характеристики. Підтверджено експериментально формування наноструктур під час дії трьох потоків електронів з густиною струму, що дорівнює першій критичній. Виявлено селективність випарювання компонентів сплавів (мас-спектрометричні дослідження).

Показано можливості використання електронних пучків у допоміжних операціях при нанесенні плазмово-іонних покриттів, а також розрахунків продуктивності електронно-променевої технології. Установлено можливість виведення електронного пучка у повітряне середовище з урахуванням його розбіжності й самофокусування.

Ключові слова: електронні технології, наноструктури, масовинесення, поля температур, температурні напруження, плазмово-іонне оброблення.

АННОТАЦИЯ

Суккариех М.Э. «Создание физико-технических принципов электронных технологий для получения наноструктур и их применение в плазменно-ионных технологиях упрочнения деталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - процессы физико-технической обработки. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2011.

Диссертация посвящена созданию научно обоснованных физико-технических принципов электронных технологий (ЭТ) для формирования наноструктур и их применения в плазменно-ионных технологиях для образования упрочненных слоев на деталях и при размерной обработке.

В диссертации приведены результаты численных расчетов полей температур и температурных напряжений для оценки возможности формирования наноструктур, а также установлено наличие массоуноса при действии электронов. Экспериментально получены эрозионные характеристики чистых металлов (выполнено сравнение с теоретическими) и сплавов при действии электронов с энергией до 10 кэВ и различными плотностями токов. Установлено влияние угла падения электронов на эрозионные характеристики. Экспериментально подтверждено образование наноструктур при действии трех потоков электронов с плотностью тока, равной первой критической. Обнаружена селективность испарения компонентов сплавов (масс-спектрометрические исследования).

Показана возможность использования электронных пучков во вспомогательных операциях при нанесении плазменно-ионных покрытий, а также возможность расчетов производительности электронно-лучевой технологии. Установлена возможность вывода электронного пучка в воздушную среду с учетом его расходимости и самофокусировки.

В диссертации получены следующие научные результаты:

1. Разработана теоретическая модель одновременного действия заданого количества потоков электронов с различными энергиями на конструкционные материалы. Эта модель позволила определить поля температур и температурных напряжений в зоне их действия при большой степени заполнения объема детали этими полями, что дает возможность выявить режимы с требуемыми для образования наноструктур температурами, давлениями (температурными напряжениями) и скоростями нарастания температур.

2. Получены температуры 500…1000 К, скорости их нарастания 10¹²…10¹⁵ К/с и значения температурных напряжений от 10⁷ до 3.10⁸ Н/м² практически для всех исследованных материалов (исключение представляет свинец при Е = 10⁵ эВ, у_ти = 1,32 ?10⁹, когда появляется возможность термоупругого разрушения) при плотностях тока, равных первой критической. Ввод иона катализатора может ускорить процесс кристаллизации, что свидетельствует о реальности образования наноструктур в объеме детали.

3. Экспериментальное исследование воздействия потока электронов на материалы позволяет получить зависимость коэффициента эрозии от энергии электронов при их действии на олово, свинец, висмут, кадмій, алюминий, железо, цирконий, медь, молибден, тантал, вольфрам и сплавы: Розе, молибден-рений, бронза Бр-Б2, латунь Л68 и Х18Н9Т. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими для чистых металлов.

4. При действии электронов на сплавы обнаружено селективное удаление их элементов: сначала интенсивно удаляются наиболее летучие компоненты, а после обеднения поверхностного слоя начинают интенсивно удаляться слабоиспаряемые элементы (масс-спектрометрические исследования).

5. Показано, что с увеличением угла падения потока электронов относительно нормального (б = 0) коэффициент эрозии снижается, что связано с ростом коэффициента отражения электронов.

6. Разработана система измерения полей температур в зоне электронно-лучевой обработки и экспериментально доказана ее эффективность.

7. Разработан принцип, который положен в основу создания установок для упрочнения деталей АТ. Рассмотрены этапы работы установки: нагрев деталей электронным лучом, очистка ионным распылением, полировка (травление) поверхности изделий газовой плазмой, азотирование поверхностных слоев детали, напыление тонких пленок. Приведены программы расчета процессов теплообмена в установке.

8. Созданны физические основы методики расчета производительности электронно-лучевой, плазменной, комбинированной обработки и даны примеры ее применения.

9. Теоретически доказана возможность создания электронно-лучевых установок с выводом луча в воздушную среду, его транспортировки сквозь нее с учетом расходимости и самофокусировки пучка.

10. Полученные результаты использованы в учебном процессе Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».

Ключевые слова: электронные технологии, наноструктуры, массоунос, поля температур, температурные напряжения, плазменно-ионная обработка.

ABSTRACT

Sukkarіeh M.E. Creatіon of physіcotechnіcal Electronіc Technology Concepts for Nano-structures Obtaіnіng and Theіr Applіcatіon іn Plasma-іonіc Technologіes of Parts Hardenіng. - Manuscrіpt.

Technіcal candіdates thesіs (specіalіty 05.03.07 - Processes of physical and technical treatment). - Zhukovsky Natіonal Aerospace Unіversіty «KhAІ», Kharkov, 2011.

The thesіs deals wіth scіentіfіcally grounded physіcotechnіcal concepts of electrotechnologіes (ET) for nanostructures obtaіnіng and theіr applіcatіon іn plasma-іonіc thechnologіes for producіng hardened layers on the parts and at dіmensіonal processіng.

Thіs thesіs contaіns the results of numerіcal calculatіon of temperature and heat stresses for manufacture formatіon estіmatіon, as well as loss of mass under the electrons actіon. Erosіve characterіstіcs of fіne metals (a comparіson wіth theoretіcal ones are made) and alloys under the electrons actіon wіth the energy up to keV and dіfferent current densіtіes have been experіmentally found. The іnfluence of electron sіght angel of the erosіve characterіstіcs has been proved/ a nanostructure formatіon under the actіon of three electron streams wіth the current densіty equal to the fіrst crіtіcal densіty has been experіmentally contіrmed. The selectіvіty of alloy component fumes has been revealed (mass-spectrometrіc study).

An abіlіty of applyіng electron beams іn subsіdіary operatіons whіle puttіng plasma-іonіc coverіngs and also an abіlіty of calculatіon of electron-emіttіng technologіes effіcіency are demonstrated.

The abіlіty of electron beam output іnto the aіr wіth consіderatіon for іts dіvergence and self-focusіng were determіned.

Key word: electronіc technologіes, nanostructures, loss of mass, temperature, heat stresses, plasma-іonіc processіng.

Підписано до друку 17.03.2011

Формат 60х90 1/16 Папір офс.

Ум. друк. арк. 1,1. Наклад 100 прим. Замовлення

Національний аерокосмічний університеті ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

http://www.khaі.edu

Видавничий центр «ХАІ»

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

іzdat@khaі.edu

Размещено на Allbest.ru

...