Научный архив: статьи

Проведены экспериментальные исследования возбуждения микроплазменных разрядов на поверхности титановых образцов, помещенных в однородный импульсный плазменный поток. В результате сильного локализованного взаимодействия микроплазменных разрядов с титаном в его приповерхностном слое происходят быстрое плавление и остывание участков поверхности титана микронного размера. В результате такого многократного воздействия микроплазменных разрядов на поверхности титана формируется сплошной переплавленный слой толщиной до 20 мкм, который характеризуется сильноизмененными физическими, структурными и триботехническими свойствами материала.

Проведены экспериментальные исследования возбуждения микроплазменных разрядов на поверхности образцов из алюминиевого сплава В95, помещенных в однородный импульсный поток плазмы. В результате сильного локализованного взаимодействия микроплаз-менных разрядов с алюминием в его приповерхностном слое происходят процессы плавления и быстрого последующего остывания металла в локализованных областях микронного размера. В результате такого многократного воздействия микроплазменных разрядов на поверхности алюминия формируется сплошной переплавленный слой толщиной до 20 мкм, который характеризуется сильно измененными физическими, структурными и триботехническими свойствами металла.

Экспериментально исследовано взаимодействие микроплазменных разрядов с образцами из технического титана ВТ1. Амплитуда импульсного тока микроплазменных разрядов составляла 200 А при длительности импульса 20 мс. Число импульсов микроплазменных разрядов варьировалось от 1 до 10. В результате микроплазменной обработки на образцах титана формируется сплошной переплавленный сильно упрочненный приповерхностный слой толщиной до 10 мкм. По сравнению с исходным состоянием образцов упрочненный микроплазменными разрядами приповерхностный слой титана характеризуется следующими наилучшими параметрами: микротвердость слоя увеличивается в 5 раз, предельно допустимое давление на образцы при трении повышается в 20 раз, интенсивность изнашивания при трении снижается на три порядка, а коэффициент трения уменьшается в 6 раз.

Экспериментально исследован спектр излучения микроплазменного разряда, возбуждаемого на поверхности титанового образца при воздействии импульсного потока плазмы в режиме поддержания разряда импульсным электрическим током амплитудой 200 А и длительностью 20 мс. На основании анализа более 100 характерных линий излучения атомов и ионов титана в интервале длин волн 350—800 нм сделана оценка электронной температуры в микроплазменном разряде, величина которой находится в интервале 0,5—1,3 эВ.

В статье представлены результаты исследования спектра излучения микроплазменного разряда, возбуждаемого на поверхности титанового образца при воздействии импульсного потока плазмы в режиме поддержания разряда импульсным электрическим током амплитудой 100 А и длительностью до 20 мс. На основании анализа соотношений интенсивностей линий излучения атомов и ионов титана в интервале длин волн 390 ─ 525 нм сделана оценка электронной температуры в микроплазменном разряде, величина которой находится в интервале 0,3 ─ 1,5 эВ.

Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия импульсных микроплазменных разрядов с образцами из стали-45 при возбуждении в разрядах импульсных электрических токов с амплитудами от 100 А до 650 А. В результате микроплазменной обработки на поверхности образцов формируется сплошной переплавленный слой на глубину до 20 мкм с развитым микрорельефом, который характеризуется сильно измененными физическими, микрогеометрическими и триботехническими свойствами металла. Созданный в результате воздействия микроплазменных разрядов на поверхности образцов микрорельеф обладает прочностными свойствами, существенно превосходящими соответствующие свойства стальных образцов, подвергнутых стандартной термической объёмной закалке.

Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия микроплазменных разрядов с образцами из стали–45 при возбуждении импульсных электрических токов в разрядах с амплитудами от 100 до 600 А. При этом на поверхности образцов формируется сплошной переплавленный слой, который характеризуется сильно измененными микрогеометрическими, физическими и триботехническими свойствами металла. Определены режимы возбуждения микроплазменных разрядов, в результате воздействия которых на поверхности образцов создается развитый микрорельеф. Его прочностные свойства существенно превосходят соответствующие характеристики стальных образцов после стандартной термической закалки.

Экспериментально исследованы распространение и структура импульсного микро-плазменного разряда (длительность разряда 100 мкс, амплитуда электрического тока в разряде 200 А), инициируемого на поверхности титанового образца, покрытого тонкой диэлектрической пленкой толщиной около 10 нм, широкоапертурным потоком плазмы c плотность плазмы 21013 см-3 и длительностью импульса 25 мкс. Обнаружено, что свечение микроплазменного разряда визуально в макромасштабе имеет разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен. В результате взаимодействия микроплазменного разряда с образцом титана происходит эрозия его поверхности. При этом эрозионная структура визуально «идентична» структуре свечения разряда и состоит из большого количества отдельных микрократеров с характерными размерами от 0,3 до 10 мкм, локализованных на поверхности металла в пределах области площадью 1 см2. Вся совокупность микрократеров в макромасштабе образует разветвленную структуру типа дендрита. Установлено, что микроплазменный разряд распространяется вдоль поверхности титана, по-крытого тонкой диэлектрической пленкой, со средней скоростью 70 м/с. Причём, распространение микроплазменного разряда имеет «прыжковый» характер: плазма «неподвижных» горящих катодных пятен инициирует возбуждение новых катод-ных пятен на расстояниях локализации 3–30 мкм от них.

Экспериментально исследованы распространение и структура микроплазменного разряда, инициируемого в вакууме импульсным потоком плазмы с плотностью 1013 см–3 на поверхности титанового образца, покрытого тонкой сплошной диэлектрической оксидной пленкой титана толщиной 2–6 нм, при изменении электрического тока разряда от 50 А до 400 А. Интегральное свечение микроплазменного разряда в макромасштабе представляет собой разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен. Возникающая при этом эрозионная структура на поверхности титана «идентична» структуре свечения разряда и состоит из большого количества отдельных неперекрывающихся микрократеров с характерными размерами 0,1–3 мкм, которые образуются в местах локализации катодных пятен на расстояниях до 20 мкм друг от друга. Распространение одиночного микроплазменного разряда по поверхности титана происходит со средней скоростью 15–70 м/с при токах разряда 50–400 А. Распространение микроплазменного разряда в микромасштабе имеет «прыжковый» характер: плазма «неподвижных» горящих катодных пятен, в течение времени их жизни 1 мкс, инициирует возбуждение новых микро-разрядов, которые создают новые катодные пятна на расстояниях локализации от 1 мкм до 20 мкм от первичных катодных пятен. Такой процесс повторяется многократно в течение импульса микроплазменного разряда длительностью от 0,1 мс до 20 мс.

Экспериментально исследована структура свечения микроплазменного разряда, инициируемого в вакууме импульсным потоком внешней плазмы на поверхности титанового образца, покрытого естественной сплошной оксидной пленкой толщиной 2–6 нм. При воздействии плазмы с плотностью около 1013 см–3 и электронной температурой 10 эВ на поверхность образца, с отрицательным потенциалом 400 В относительно потенциала плазмы, внешняя поверхность оксидной пленки приобретает положительный электрический заряд в результате потока ионов из плазмы. При этом внутри диэлектрической пленки возникает сильное электрическое поле около 4 МВ/см. Электрический пробой между заряженной поверхностью пленки и металлом инициирует возбуждение микроплазменного разряда на поверхности титана. Интегральное свечение микроплазменного разряда в макромасштабе представляет собой разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен и свечения ореола вокруг них. С помощью высокоскоростного фоторегистратора IMACON-468 исследован фрагмент поверхности титана площадью 0,50,4 мм2 в области свечения катодных пятен. На основе анализа оптического свечения катодных пятен на 7 последовательных кадрах фоторегистратора с экспозицией каждого кадра 100 нс и интервалом между кадрами 400 нс рассчитано ожидаемое «время жизни» катодных пятен в интервале значений 0,50,2 мкс. По пространственному распределению свечения микроразрядов определено, что средний диаметр катодных пятен составляет величину около 164 мкм, при этом средний размер светящегося ореола вокруг отдельного катодного пятна достигает значения 100 мкм.

Найдено аналитическое решение уравнения Пуассона для расчета электрического поля на поверхности электрода, погруженного в однородную неизотермическую бесстолкновительную плазму, состоящую из электронов и однозарядных ионов с зарядом e, с температурой электронов Te, при больших значениях отрицательного электрического потенциала , когда параметр |e| / Te >> 1. Установлено, что размер слоя L плазмы с нарушенной квазинейтральностью вблизи высокопотенциального электрода увеличивается по сравнению с радиусом Дебая rD пропорционально параметру [e / 2Te]3/4 , L = rD [e / 2Te]3/4. Показано, что в лабораторной плазме с плотностью в интервале значений 10101013 см3 и температурой электронов от 1 до 10 эВ при больших значениях потенциала и параметра e/Te >> 1 электрическое поле, рассчитанное по полученной формуле E =  | L вблизи поверхности погруженного в плазму электрода, от 20 до 200 раз меньше значений полей, рассчитанных по классической формуле E =  | rD, полученной при малых потенциала и при значениях параметра e / Te << 1.

На поверхности металлического электрода, погруженного в плазму с электронной температурой Te  10 эВ и плотностью плазмы ne от 1010 см3 до 1013 см3 рассчитывается электрическое поле при значениях отрицательного электрического потенциала 0 электрода при больших значениях параметра |e0|/Te >> 1. Полученная асимптотическая формула для величины поля при |e0|/Te >> 1 существенно отличается от классических формул расчета электрического поля и дебаевской длины экранирования поля вблизи поверхности электрода в плазме, которые справедливы при условии |e0|/Te << 1. Показано, что при |e0|/Te >> 1 вблизи электрода в плазме модифицированный дебаевский слой может на два порядка превышать классическую дебаевскую длину. Для расчета электрического поля на поверхности электрода в плазме предложена в явном виде обобщённая формула, справедливая в широком диапазоне значений параметра 0 < |e0|/Te < 104 при отрицательных значениях потенциала электрода до 10 кВ.