ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................ 8
Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ ОБЪЕМНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ТЛЕЮЩИХ РАЗРЯДАХ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПОЛЫМ КАТОДОМ ....................................... 25
1.1 Генерация плазмы в тлеющих разрядах с полым катодом.................................... 26
1.2 Влияние инжекции электронов на однородность плазменного образования, формируемого в тлеющем разряде с полым катодом ........................... 40
1.3 Разрядные системы для формирования потоков электронов и плазмы ............... 48
1.4 Моделирование систем генерации плазменных образований в тлеющих разрядах с полым катодом .......................................................................... 54
1.5 Пучково-плазменные образования с повышенной степенью ионизации ............ 55
1.6 Основные закономерности процессов азотирования ............................................. 57
1.7 Выводы и постановка задач исследований ............................................................. 69
Глава 2 ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В СИЛЬНОТОЧНОМ НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОМ ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ ................. 72
2.1 Оценка и расчет параметров систем генерации объемно-однородных пучково-плазменных образований на основе несамостоятельного тлеющего разряда ............................................................................................................ 72
2.1.1 Оценка и расчет параметров систем генерации газовых пучково-плазменных образований на основе требуемого значения плотности ионного тока ..................................................................................................................... 73
2.1.1.1 Расчет параметров системы генерации технологического газового ППО в полом катоде на основе вакуумной камеры объемом 0,2 м3 .......................... 73
2.1.1.2 Методика расчета конфигурации системы генерации пучково-плазменного образования и параметров систем электропитания ............... 77
2.1.2 Оценка и расчет параметров систем генерации эмиссионных пучково-плазменных образований на основе требуемого значения плотности электронного тока ......................................................................................... 87
2.1.2.1 Расчет параметров системы генерации эмиссионного газового пучково-плазменного образования в протяженном полом катоде ............................. 89
2.1.2.2 Методика расчета конфигурации и электрических параметров систем генерации эмиссионных газовых пучково-плазменных образований при низком давлении на основе протяженного полого катода ................................... 93
2.2 Вспомогательные источники электронов на основе дуговых разрядов низкого давления ............................................................................................................. 97
2.3 Описание экспериментальных стендов и генераторов ППО .............................. 102
2.3.1 Генератор газовых пучково-плазменных образований с объемом полого катода 0,2 м3 и экспериментальный стенд на его основе ............................. 103
2.3.2 Генератор газовых пучково-плазменных образований с объемом полого катода протяженной формы 0,3 м3 .................................................................. 106
2.3.3 Генератор газовых пучково-плазменных образований с протяженным цилиндрическим эмиттером электронов ..................................................................... 110
2.3.4 Генератор газо-металлических пучково-плазменных образований ................ 114
2.4 Системы зондовых измерений параметров ППО и методика измерений.......... 116
2.4.1 Автоматизированная система зондовых измерений параметров пучково-плазменных образований в генераторе ППО с объемом полого катода 0,2 м3 ................................................................................................................... 117
2.4.2 Методика обработки результатов зондовых измерений ................................... 120
2.4.3 Методика измерения азимутальных распределений плотности ионного тока на зонд в генераторе ППО с объемом полого катода 0,2 м3 .............. 120
2.4.4 Особенности зондовых измерений параметров пучково-плазменных образований в генераторе ППО с объемом полого катода протяженной формы объемом 0,3 м3 ............................................................................................................... 122
2.4.5 Особенности зондовых измерений параметров пучково-плазменных образований в генераторе ППО с протяженным цилиндрическим эмиттером электронов ................................................................................................... 126
2.5 Метод эмиссионной спектрометрии ...................................................................... 127
2.6 Методики материаловедческих исследований ..................................................... 128
2.7 Средства моделирования процессов генерации пучково-плазменного образования и распределения параметров плазмы в объеме полого катода ........... 133
4
2.7.1 Условие существования тлеющего разряда в несамостоятельном режиме горения .............................................................................................................. 133
2.7.2 Дрейфово-диффузионная модель генерации плазмы ....................................... 136
2.7.3 Моделирование несамостоятельного тлеющего разряда ................................. 138
2.8 Выводы по главе ...................................................................................................... 139
Глава 3 ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ОДНОРОДНОСТИ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ, ФОРМИРУЕМЫХ В НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОМ ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПОЛЫМ КАТОДОМ ..................................................................................................... 141
3.1 Особенности зажигания и горения несамостоятельного тлеющего разряда в субкилоамперном диапазоне токов .......................................................................... 141
3.1.1 Тлеющий разряд при низких напряжениях горения ......................................... 144
3.1.2 Основные характеристики тлеющего разряда ................................................... 148
3.1.3 Ограничение диапазона рабочих токов несамостоятельного тлеющего разряда .......................................................................................................... 152
3.2 Влияние условий горения и параметров импульсного тлеющего разряда с полым катодом на однородность радиальных и азимутальных распределений плотности ионного тока насыщения из газового ППО ............................................. 160
3.2.1 Режимы измерения параметров ППО ................................................................. 160
3.2.2 Влияние рабочего давления на распределение плотности ионного тока ....... 164
3.2.3 Влияние напряжения горения на однородность распределения плотности ионного тока ................................................................................................ 166
3.2.4 Влияние тока тлеющего разряда на распределение плотности ионного тока ................................................................................................................... 169
3.2.5 Влияние соотношения площадей анода и катода на азимутальное распределение плотности ионного тока ...................................................................... 173
3.2.6 Оптимальная форма сеточного анода источника электронов .......................... 174
3.2.7 Влияние формы и расположения анода несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом относительно центра инжекции электронов на азимутальные распределения .............................................................. 185
5
3.2.8 Моделирование влияния формы и расположения анода, а также геометрии эмиссионного электрода на распределение концентрации заряженных частиц в ППО ........................................................................................... 187
3.3 Исследование влияния условий горения и параметров тлеющего разряда с полым катодом на однородность распределения концентрации плазмы в протяженном полом катоде тлеющего разряда ....................................................... 189
3.4 Принцип суперпозиции распределений концентрации плазмы ......................... 194
3.4.1 Результаты экспериментальных исследований распределений концентрации заряженных частиц в ППО, генерируемых в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда....................................................................... 195
3.4.2 Моделирование процессов генерации ППО в полом катоде тлеющего разряда .......................................................................................................... 210
3.5 Особенности генерации ППО в импульсном режиме горения при высокой степени ионизации ППО ........................................................................ 221
3.6 Динамика изменения концентрации заряженных частиц в ППО в импульсно-периодическом режиме горения разряда ............................................. 230
3.7 Выводы по главе ...................................................................................................... 232
Глава 4 СИСТЕМА ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ С ПРОТЯЖЕННЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ПРОТЯЖЕННЫМ СЕТЧАТЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОНОВ ............................ 236
4.1 Исследование влияния условий горения вспомогательного дугового разряда на степень неоднородности вспомогательной плазмы и плазмы основного тлеющего разряда ....................................................................... 236
4.1.1 Влияние параметров электродной системы и условий горения вспомогательного дугового разряда на степень неоднородности плазмы вспомогательного разряда ............................................................................................ 237
4.1.2 Моделирование процессов генерации пучково-плазменного образования в протяженном сетчатом аноде дугового разряда ...................................................... 243
4.2 Влияние величины аксиального магнитного поля во вспомогательном дуговом разряде и диаметра выходной апертуры источника дуговой плазмы на степень неоднородности плазмы в протяженном полом сетчатом аноде .......... 248
6
4.3 Влияние обрабатываемых изделий на степень неоднородности плазмы по длине полого катода ................................................................................................. 253
4.4 Рекомендации к построению системы генерации ППО на основе тлеющего разряда с протяженным сеточным плазменным эмиттером ................... 255
4.5 Выводы по главе ...................................................................................................... 257
Глава 5 ИОННО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ В ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЯХ ....................................................... 259
5.1 Способ изменения ширины прикатодного падения потенциала для обработки изделий сложной формы ..................................................................... 259
5.1.1 Особенности обработки поверхности сталей и сплавов в пучково-плазменном образовании с повышенной концентрацией заряженных частиц ........................................................................................................ 259
5.1.2 Азотирование малоразмерных зубчатых передач из конструкционных сталей ....... 262
5.2 Закономерности эволюции фазового состава, структуры модифицированного слоя стали, сформированного после азотирования в газовом ППО ............................................................................................................... 266
5.3 Особенности азотирования конструкционных сталей в плазме несамостоятельного тлеющего разряда....................................................................... 275
5.4 Азотирование титана в плазме импульсного тлеющего разряда ........................ 279
5.4.1 Особенности эксперимента ................................................................................. 279
5.4.2 Результаты азотирования титана ВТ1-0 ............................................................. 283
5.4.3 Исследования эмиссионных спектров плазмы .................................................. 289
5.5 Генерация объемно-однородных газо-металлических пучково-плазменных образований для реализации процессов плазменно-ассистированного напыления покрытий ................................................. 293
5.5.1 Осаждение многослойных нитридных покрытий на основе Ti и Al в газо-металлическом ППО .......................................................................................... 293
5.5.2 Исследование многокомпонентного жаростойкого покрытия (Zr+TiBSiNi)N, сформированного в газо-металлическом ППО ............................... 299
5.6 Выводы по главе .................................................................................................... 302
7
Глава 6 УСТАНОВКИ ГЕНЕРАЦИИ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ....................................................................................................................... 305
6.1 Ионно-плазменная установка для обработки поверхности материалов и изделий в объемно-однородных газовых ППО ....................................................... 305
6.2 Установка генерации газовых пучково-плазменных образований ИПУ-1 для ионно-плазменного упрочнения поверхности сталей и сплавов ....................... 311
6.3 Установка вакуумно-дугового плазменно-ассистированного напыления функциональных покрытий на основе газо-металлических ППО............................ 319
6.4 Системы электропитания и управления для создания генераторов ППО и установок на их основе .............................................................................................. 325
6.4.1 Источник питания тлеющего разряда ................................................................ 326
6.4.2 Источник питания вспомогательного дугового разряда с накаленным и полым катодами ................................................................................. 330
6.5 Выводы по главе ...................................................................................................... 332
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................................. 334
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................................. 342
Приложение А .................................................................................................................... 360
Приложение Б ..................................................................................................................... 383
