Вакуумная ионно-плазменная технология обработки металлов

26.01.2011 | Служба новостей Росфирм

Вакуумная ионно-плазменная технология обработки металлов

В основе такой технологии лежат следующие процессы. В вакуумном объеме испаряют нужное вещество; электрическим разрядом ионизируют его пар - получают плазму, которую с помощью электромагнитного поля фокусируют и ускоряют в направлении обрабатываемой поверхности. Величина направленной скорости ионов плазмы здесь может быть очень высокой. Так, например, ионы титана, ускоренные разностью потенциала всего в 100 В (их энергия составляет 100 эВ), летят со скоростью 20 км/с, то есть со скоростью, почти в два раза превышающей вторую космическую.

Что же происходит, когда ускоренный поток ионов какого-либо твердого вещества налетает на поверхность обрабатываемого изделия? Ионы могут «прилипать» к поверхности - конденсироваться на ней, образуя пленку. Могут внедряться в поверхностный слой (легирование) и, наконец, могут выбивать (распылять) атомы с поверхности - удалять слой материала.

В зависимости от величины энергии ионов преобладает тот или иной процесс (это отражает диаграмма на цветной вкладке). В области энергий от 1 до 10³ эВ конденсация берет верх над распылением, и на поверхности материала наращивается слой, соответствующий по составу ионному пучку, то есть образуется покрытие. Регулируя энергию ионов, можно управлять самой структурой покрытия - размером, формой и ориентацией кристаллитов, а следовательно, получать покрытия с требуемыми свойствами. Так, установлено, что при осаждении ионов углерода при определенных условиях на поверхности материала могут формироваться алмазоподобные пленки высочайшей твердости.

Ионным осаждением можно получать и покрытия сложного химического состава, например, из окислов, нитридов, карбидов металлов. Такие покрытия образуются в результате плазмо-химической реакции, протекающей при смешивании ионных потоков металла и соответствующего реактивного газа (кислорода, азота, ацетилена).

Важнейшее эксплуатационное свойство покрытий, осажденных из ионных пучков, - их исключительно прочная связь с материалом основы.

Если энергия ионов превышает 10³ эВ, то, наоборот, распыление начинает доминировать над конденсацией и происходит удаление поверхностного слоя материала основы. Одновременно чужеродные ионы высокой энергии внедряются в материал, легируя его; при этом оказывается возможным загнать в поверхностный слой чрезвычайно большое количество чужеродных ионов, превышающее предельную, равновесную растворимость, и получить слой пересыщенного сплава. Состав его необычен, необычны и свойства.

При энергиях более 10⁴ эВ и малых дозах облучения можно внедрить ионы уже на довольно значительную глубину, создав там максимум их концентрации - получить захороненный слой. Управляя энергией ионов, от которой зависит глубина внедрения, и дозой облучения, определяющей концентрацию внедренных ионов, удается в широких пределах менять архитектуру такого слоя. Процесс этот нашел широкое применение, в частности для создания р-п переходов в полупроводниковых приборах.

Таковы в общих чертах возможности метода ионной технологии, позволяющего управлять структурой, составом, степенью чистоты металлообработки, химическими и физическими свойствами поверхностных слоев и, следовательно, создавать материалы с требуемыми эксплуатационными свойствами.

Широкое внедрение ионной технологии в промышленности тормозилось из-за того, что не существовало простых и высокопроизводительных устройств, в которых можно было бы получать ускоренные потоки плазмы твердых веществ, и прежде всего тугоплавких.

Казалось бы, проблемы нет. Ведь устройства, в которых ионы рабочего вещества ускоряются под действием энергии электромагнитного поля, так называемые плазменные ускорители, существуют и используются в космической технике и термоядерных исследованиях.

Но для промышленной технологии такие устройства непригодны, так как в них для создания плазмы используются газообразные и легкоплавкие вещества.

Предыдущая | Следующая