Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Вакуумная ионно-плазменная обработка

Формирование свойств оксидных слоев при активирующем нагреве газовой плазмой

Полнота удаления оксидов зависит от энергии воздействия газовой плазмы, а также от температуры процесса очистки, которая характеризует стабильность оксидов. Оптимальная температура процесса удаления оксида может быть установлена по результатам исследования изменения приведенного поверхностного потенциала Vn оксидов, образующихся на различных подложках при ее нагреве. Как правило, оксиды представляют собой плотные соединения с высокими диэлектрическими свойствами, что затрудняет формирование бездефектных покрытий с высокой адгезией. Если в процессе ионной очистки удалить существующие на исходной поверхности оксиды, появятся необходимые условия для реализации адгезионной связи металл—покрытие на уровне когезионной.

При нагреве приведенный поверхностный потенциал Vn оксидов различных сплавов существенно изменяется. Например, при нагреве титановых сплавов ВТ6 и ВТ23 до 100 °С Vn изменяется на —100 мВ, что обусловлено ростом толщины естественной оксидной пленки вследствие диффузии кислорода через оксид на поверхность границы металл—оксид (рис. 4.16). Дальнейшее повышение температуры нагрева приводит к увеличению Vn, что обусловливает возрастание дефектности оксидной пленки и изменение механизма ее образования, в котором наблюдается диффузия титана через оксид на поверхность создаваемого композита титан—оксид. Максимальное значение поверхностного потенциала Кп = 100 мВ наблюдается при температуре нагрева до 400 °С, что указывает на максимальную дефектность оксида при этой температуре (для других исследованных сплавов).

Для оценки реального поведения металла в условиях окисления необходимо иметь конкретные данные о скорости процесса и влияния на нее различных внутренних и внешних факторов [11].

В соответствии с ионно-электронной теорией окисления Вагнера в оксидной пленке протекает встречная диффузия ионов металла и кислорода. Так как оксиды имеют не точный стехиометрический состав, а характеризуются некоторым избытком или недостатком ионов, то в структуре оксидов содержатся ионы либо в междоузлиях решетки, либо в незанятых ионами узлах — дырках. Каждому ионному дефекту решетки соответствуют электронные дефекты, так что в решетке присутствуют катионы с повышенной и пониженной валентностью по сравнению с обычной, а в междоузлиях решетки — избыточные электроны.

Зависимость приведенного поверхностного потенциала образцов

Рис. 4.16. Зависимость приведенного поверхностного потенциала образцов: а — из титанового сплава ВТ6 от температуры нагрева и времени выдержки; 6— из титанового сплава ВТ23 от температуры нагрева (время выдержки при каждой температуре нагрева 30 мин); / —120 мин; 2—60 мин; 3— 30 мин

Согласно теории Вагнера, при постоянном давлении кислорода произведение концентраций дефектов обоих типов постоянно и к ним применим закон действующих масс. В ок-

Зависимость приведенного поверхностного потенциала образцов из стали от температуры нагрева (время выдержки т = 30 мин)

Рис. 4.17. Зависимость приведенного поверхностного потенциала образцов из стали от температуры нагрева (время выдержки т = 30 мин)

сидной пленке существует градиент концентрации дырок по толщине пленки вследствие неравномерного распределения вакантных мест. В результате этого возникает направленная диффузия ионов через оксидную пленку, причем в зависимости от типа дефектов диффундируют либо анионы кислорода, либо катионы металла. Для сохранения электрической ней-

Зависимость приведенного поверхностного потенциала сплава ЗОХГСА

Рис. 4.18. Зависимость приведенного поверхностного потенциала сплава ЗОХГСА

от температуры нагрева:

а — на воздухе (время выдержки т = 30 мин); б — в вакууме (Р= 3 10_3 Па); 1-5 мин;

2— 10 мин; 3—30 мин

тральности оксида диффузия ионов сопровождается диффузией электронов, поэтому Вагнер в зависимости от температуры нагрева рассматривает оксидную пленку как гальванический элемент, в котором оксидная пленка служит одновременно и электролитом, и внешней цепью.

Скорость окисления металла определяется скоростью диффузии катионов (или анионов) через оксидную пленку, которая в свою очередь пропорциональна концентрации соответстмВ

Зависимость поверхностного потенциала сплава Д16 от температуры нагрева на воздухе (время выдержки т = 30 мин)

Рис. 4.19. Зависимость поверхностного потенциала сплава Д16 от температуры нагрева на воздухе (время выдержки т = 30 мин)

Зависимость приведенного поверхностного потенциала от ускоряющего напряжения для стали

Рис. 4.20. Зависимость приведенного поверхностного потенциала от ускоряющего напряжения для стали:

а — 30ХГСА без подогрева; б— с предварительным подогревом 300 °С; / — исходное состояние; 2— после ионной очистки вующих дефектов решетки. Для снижения скорости окисления металла необходимо уменьшить число дефектов. Это может быть достигнуто введением в решетку оксида катионов с иной, чем у металла оксида, валентностью. Если образуются оксиды с избытком атомов металла, то для легирования целесообразно использовать металл с большей валентностью, и наоборот. Оксид легирующего элемента должен быть растворим в оксиде основного металла.

Для сталей максимальное значение Va оксида, равное + 150 мВ, наблюдается в интервале температур 300—400 °С (рис. 4.17).

При нагреве в вакууме (10_3 Па) при недостатке кислорода дефектность оксида возрастает, что благоприятно для образования дефектной зоны оксида на границе раздела металл—покрытие (рис. 4.18).

Зависимость шероховатости стали марки 30ХГСА от опорного напряжения

Рис. 4.21. Зависимость шероховатости стали марки 30ХГСА от опорного напряжения:

а — без подогрева; б—с предварительным подогревом 300 °С; 1 - исходное состояние;

2- после ионной очистки

Для алюминиевого сплава Д16 максимальная дефектность оксида находится в интервале температур 350—450 °С (рис. 4.19, б) и при нагреве активирующей газовой плазмой свойства оксидного барьерного слоя изменяются, что способствует повышению эффективности процесса удаления оксидных и адсорбированных слоев.

Применение предварительного нагрева существенно повышает эффективность удаления оксидов с обрабатываемой поверхности (рис. 4.20, 4.21, табл. 4.1).

Таблица 4.1. Приведенный поверхностный потенциал конструкционных материалов после ионного травления газовым потоком Аг с энергией 200 эВ (в числителе приводится Ип исходной поверхности, в знаменателе - поверхности после ионного травления)

Материал

Приведенный поверхностный потенциал Vn, мВ

Оксид

Оксид + адсорбирование

Оксид + полирование

30ХГСА

—50/+100

—200/+100

—800/+10

40Х

—30/+150

-150/120

—600/+50

12Х18Н10Т

-300/+100

—450/+80

—400/+20

13X11Н2В2МФ

—200/+150

—350/+100

—450/+40

Р6М5

—400/+50

—500/+80

—400/+20

ВТ 1-0

—200/+200

—500/—50

— 1000/—200

ВТ6

—150/+100

-450/-100

—800/—30

0ВТ22

—250/—70

-500/-100

-700/-100

ВТ23

—200/—60

—400/—50

—750/—80

Д16Т

—800/—500

— 1000/—450

— 1500/—480

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  • 1. Опишите строение поверхностного слоя металлических материалов.
  • 2. Как осуществляется контроль энергетического состояния поверхностного слоя?
  • 3. Зачем вводится приведенный поверхностный потенциал?
  • 4. Как состояние поверхности влияет на величину приведенного поверхностного потенциала?
  • 5. Как изменяются свойства поверхностного слоя при ионном травлении газовой плазмой аргона? При воздействии потока металлической плазмы?
  • 6. Как изменяются свойства оксидных слоев при активирующем нагреве плазмой аргона?
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы