A befejező plazma keményítés (FPU) a szilíciumtartalmú bevonatok gázfázisból történő sugárplazma-kémiai leválasztásának vákuum nélküli és cső nélküli folyamata a gázáram és a bevonat felvitelére szolgáló felület egyidejű plazmaaktiválásával.
Ennek a technológiának a fejlesztői a Nagy Péter Szentpétervári Műszaki Egyetem tudósaiból és szakembereiből, valamint az LLC Plasmacenter kutató- és gyártóvállalatból álló csapat. Az új eljárásról az első publikációk a nyolcvanas évek végén és a kilencvenes évek elején jelentek meg [1] . Ezzel egyidejűleg az FPU berendezéseinek technológiáját és szerkezeti elemeit az együttműködés keretében számos oroszországi és fehéroroszországi felsőoktatási intézménybe szállították át, ahol ezt követően kutatásokat végeztek, és értekezéseket védtek meg ebben a témában.
Az FPU tudományos alapjait a folyamat szerzői a 2008-ban és 2013-ban megjelent monográfiában foglalják össze. [2] . Az FPU technológia alapelveire vonatkozó szabadalmi jogok az LLC Plasmacenter kutató és gyártó céget illetik [3] .
A "finish plasma hardening" technológia elnevezése ( angolul finish plasma hardening, finishing plasma erősítés) a fő céljához kapcsolódik - az alkatrészek tartósságának és megbízhatóságának növelése a gyártás vagy javítás befejező szakaszában vékonyréteg szilícium felhordásával. bevonatokat tartalmazó. Ebben az esetben az alkatrészek geometriai méretei nem változnak, és a felület új polifunkcionális tulajdonságokat kap. A bevonáshoz plazmaenergia-forrás ívkisülését használják.
Az FPU-t gépalkatrészek, mechanizmusok és berendezések, szerszámok, technológiai berendezések, orvosi termékek munkafelületeinek bevonatainak létrehozására használják, amelyek kopásállóságot , kémiai tehetetlenséget, korrózióállóságot, súrlódásgátlót , hőállóságot , hőállóságot, beragadásgátlót, kopásállóságot biztosítanak . korróziós , dielektromos, záró, biokompatibilis, baktericid és egyéb tulajdonságok. A vékonyréteg szilícium tartalmú bevonatok plazmakémiai leválasztása elvégezhető fémen és polimer anyagokon egyaránt.
Az FPU hatása egy felületi réteg létrehozásával érhető el:
- a Charpy-szabálynak megfelelő elemi összetételű és szerkezetű, vagy nanorészecskékkel diszperziósan megerősített [4] ;
- hatékony tribológiai jellemzőkkel - alacsony súrlódási tényező, bejáratási idő, hőleadás a súrlódás során [5] ;
- a kopásvédelem szempontjából optimális fizikai és mechanikai tulajdonságokkal - rugalmas alakváltozással szembeni ellenállás (plaszticitási index), képlékeny alakváltozással szembeni ellenállás, rugalmas visszanyerés, a bevonat és az aljzat rugalmassági modulusainak közelsége [6] ;
- alacsony kopási együtthatóval, mikrokopás körülményei között mérve [7] ;
- az optimális tapadási együtthatóval, amelyet szklerometriás módszerrel határoznak meg a bevonat vastagságának áthaladásának végén a bemélyedésre ható erő és a bemélyedésre ható erő arányaként, amelynél az első repedések vagy leválások megjelennek [8] ;
- az aljzat érdesség paramétereihez képest racionális bevonatvastagsággal [9] ;
- kémiai tehetetlenséggel, beleértve a szulfoinertséget is [10] ;
- a mikroorganizmusok felhalmozódási zónáinak minimalizálásával [11] ;
- csontszövettel történő bioaktív rögzítés lehetőségével [12] ;
- nyomómaradék feszültségekkel [13] ;
- begyógyult repedésekkel és mikrohibákkal [14] ;
- megnövelt olajtartó kapacitással;
- hidrofilitás;
- dielektromos tulajdonságokkal;
- korrózióálló tulajdonságokkal;
- alacsony hővezetési együtthatóval;
- fokozott sugárzásállósággal.
A vékonyréteg-bevonatok felvitelének módszereinek nemzetközi osztályozása szerint az FPU a bevonatok kémiai gőzfázisú leválasztását jelenti gáz (gőz) fázisból ( angolul chemical vapor deposition - CVD), amelyet plazma stimulál ( angolul plasma enhanced CVD - PECVD), ill. plazma segítségével ( angolul plasma assisted CVD-PACVD). Ezekben a technológiákban a bevonat két fázis (gáz-szilárd) határfelületén jön létre a felület közelében, a felületen és az aljzat felületközeli rétegében végbemenő kémiai heterogén reakciók eredményeként. Az FPU gázfázisa illékony, alacsony toxikus organoelemek vagy fémorganikus és szervetlen folyékony vegyületek gőzeinek keverékéből áll argongázzal, plazmaképző és védőgázokkal. A bevonatok kémiai leválasztásának folyamatát fémorganikus vegyületek felhasználásával az angol szakirodalom metalorganic chemical vapor deposition ( MOCVD ) néven nevezi.
Az FPU-ban használt gázkeverék egy kis méretű, egyenáramú, légköri nyomáson működő elektromos íves plazmareaktorba kerül. Az angol nyelvű szakirodalomban a lényegében hasonló folyamatokat Atmospheric pressure plasma enhanced CVD (AP - PECVD), Atmospheric pressure plasma assisted CVD (AP - PACVD), Atmospheric pressure plasma assisted CVD (AP - PACVD), PACVD by cold atmospheric plasma (PACVD - CAP), Atmospheric- Pressure DC Plasma Jet Reactor (APDCPJR).
A plazma aktiválása az FPU során egy "hideg" alacsony hőmérsékletű légköri plazma ( hideg légköri nyomású plazma) hatásával jár mind a gázfázisban, mind a távoli plazmatermelés körülményei között módosítandó felületen ( távoli plazma fokozott kémiai gőzlerakódás - RPECVD) . Ugyanakkor a gázfázis plazmaaktiválása biztosítja a befecskendezett gőzök gyors termikus bomlását és a bevonat lerakódási sebességének növekedését. A bevonatot felhordott felület plazmaaktiválása az adszorbeált anyagok eltávolítását, a felületi réteg kémiai aktivitásának és tapadóképességének növelését szolgálja. A távoli plazma használata, figyelembe véve a gerjesztési zónáinak elválasztását és a bevonat növekedését, minimalizálja az aljzat hőterhelését.
Adott felület FPU-val történő bevonása a plazmasugár 3-150 mm/s sebességű mozgatásával történik, figyelembe véve a 8-15 mm széles átfedő bevonócsíkok kialakulását. FPU-nál a termékek melegítése nem haladja meg a 60-150 °C-ot. Az FPU után a bevont felület felületi érdességének paraméterei a hordozó kezdeti paramétereitől függően akár javulhatnak is.
Az FPU fő szakaszai a bevonatképzés kinetikai modellje szempontjából a következők:
· egyenáramú ívkisülés argonplazma létrehozása töltött energetikai (elektronok és ionok) és semleges, kémiailag aktív részecskék (szabad atomok és gyökök) képződésével;
· folyékony prekurzorok (illékony szerves elemek és szervetlen folyadékok és vivőgáz) gőzeinek betáplálása a kisméretű plazmakémiai reaktorban kialakított argon plazmaáramba;
· disszociáció a prekurzorok gőzeinek argon plazma molekuláinak gyors elektronjaival való ütközéskor, új töltött energia és semleges kémiailag aktív részecskék képződésével;
· irányított szállítás a kémiailag aktív részecskék argonplazmájának áramlásával együtt a hordozó felületére;
· kémiailag aktív részecskék adszorpciója a szubsztrátumon, a felület egyidejű plazmaaktiválásával argonplazmával, aktív adszorpciós központok létrehozása érdekében;
adszorbeált molekulák felületi diffúziója;
az adszorbeált kémiailag aktív részecskék kémiai reakcióiba való belépés a lerakódott bevonat szerkezeti egységeinek kialakulásával;
reakció melléktermékeinek eltávolítása.
Az FPU eljárás jelölésének angol változata a fenti bevonatképzési modellnek megfelelően PACVD hideg atmoszférikus nyomású plazma (PACVD CAPP) vagy Atmospheric Pressure DC Plasma Jet Reactor (APDCPJR).
A fő különbségek az FPU folyamat és a hagyományos CVD folyamat között a következők:
1. A CVD-eljárások során a bevonásra szánt terméket egy stacioner áramlású reaktorba helyezik - egy kamrába, ahol egy vagy több prekurzor gázait vagy gőzeit táplálják, amelyek a fűtött termék felületén vagy annak közelében reagálnak és/vagy lebomlanak. minden felületén bevonat rakódik le. Az FPU-val a minimális méretű reaktor egy álló vagy mozgó termékhez képest el tud mozogni, ezzel biztosítva, hogy a bevonat csak egy adott felületre kerüljön fel, azaz szelektíven.
2. A CVD folyamatokat főként atmoszférikus nyomáson hajtják végre zárt, magas hőmérsékletű reaktorkamrákban, az alkatrészek termikus aktiválásával, és reakcióanyagként mérgező gázokat használnak. Az FPU-ban illékony folyékony szerves elemek és szervetlen prekurzorok gőzeit használják, amelyek alacsony toxicitásuk és robbanásbiztonságuk miatt fokozott környezeti biztonságot nyújtanak. Ebben az esetben lehetséges a bevonat szükséges kémiai összetételének elérése egyetlen anyag anyagából. A termékek fűtési hőmérséklete az FPU során 60-400 ° C lehet, magas hőmérsékletű kamrákat nem használnak.
3. A bevonatok CVD módszerrel történő leválasztása során jelentős prekurzor-felhasználásra van szükség, ami a kémiai reakciók gázhalmazállapotú melléktermékeinek fokozott képződését eredményezi, amelyek gázárammal távoznak a reaktorból. Az FPU-ban a plazmakémiai reaktor kis mérete miatt a bevezetett prekurzor gőzök minimális mennyiségét használják fel a gáznemű melléktermék mobil szűrő-szellőztető egységgel történő eltávolításával.
4. A CVD módszernél a termékek melegítési hőmérsékletének 450-550 °C-ra csökkentése érdekében a termikus aktiválás mellett a plazmaaktiválás folyamatát alkalmazzák, amelyet vákuumban hajtanak végre. Vákuumos CVD-eljárások során plazma előállítására elsősorban izzító vagy nagyfrekvenciás kisüléseket használnak, amelyekre jellemző a gáz-halmazállapotú közegre és a teljes termékre kifejtett térfogati (elosztott) hatás. Az FPU-ban egyenáramú ívkisülést használnak, amelyet légköri nyomáson, vákuum nélkül állítanak elő, nagy sebességű plazmasugár kialakításával, amely kémiailag aktív részecskéket csak a felület helyi területére szállít, egyidejű aktiválásával.
5. A bevonatok tulajdonságainak reprodukálhatóságát a CVD-eljárásokban az alkatrész felületén uralkodó hőmérsékleti viszonyok határozzák meg, ami a reaktorfalak hőmérsékletétől, a rajtuk lévő reakciótermékek, főleg nem hővezetők lerakódásától függ. (utóbbi állapot a kamra folyamatos tisztítását igényli), az alkatrészek elhelyezkedése a kamrában a fűtőberendezésekhez képest, az alkatrészek inkonzisztenciája. Az FPU-val a bevonat helyileg, kiszámíthatóbb hőmérsékleti viszonyok között kerül felhordásra.
Az FPU-eljárás fő előnyei a vákuum és kamrák nélküli folyamat megvalósítása, az alkatrész minimális integrált melegítése, legfeljebb 60-150 °C, a bevonatok lokális felhordásának lehetősége, különböző méretű részeken, bármilyen térben. helyen, nehezen elérhető helyeken, kis méretű, mobil és gazdaságos berendezés használatakor.
Az FPU módszerrel felvitt főbb bevonattípusok szerszámok, szerszámok, öntőformák, kések, gépalkatrészek és mechanizmusok, orvosi műszerek tartósságának és megbízhatóságának növelésére, a kapcsolódó szénlerakódások (korom, lakk, iszap) kialakulásának megelőzésére szolgálnak. tüzelőanyag égetéssel, olajkomponensek magas hőmérsékletű és oxidáló hatásával, biztosítva az implantátumok és a beültetési, fogászati és egyéb termékek biokompatibilis és baktericid tulajdonságait.
Az FPU folyamat gyakorlati alkalmazásáról külön filmek kerülnek fel a YouTube-ra „plazma keményedés befejezése” kulcsszavak alatt.
FPU-ban történő bevonáshoz a SETOL család szerves elemi és szervetlen folyadékain alapuló folyékony prekurzorokat használnak, amelyek teljes éves fogyasztása a berendezés egy műszakos működése során kb. 0,5 liter. A folyékony prekurzor gőzöket egy vivőgáz juttatja a plazmakémiai reaktorba, amely átbuborékol a folyadékon, vagy áthalad a felületén, és megfog bizonyos mennyiségű reagenst. A folyékony reagensek adagolási sebessége nem lineárisan függ a vivőgáz áramlási sebességétől és nyomásától, a reagenstápvezeték hosszától és a folyékony reagensek mennyiségétől a tartályokban. A bevonatok amorfok vagy amorf-kristályosak az elemeket tartalmazó prekurzorok - amorfizálók (például bór, szilícium és mások) használata miatt, valamint a felvitt bevonat nagy hűtési sebessége miatt, amely egyenlő (10 10 -10 12 ) K/ -val.
Az FPU során leválasztott, legfeljebb 2 µm vastag szilíciumvegyület-alapú bevonatok átlátszóak. Többrétegű szilícium tartalmú bevonatok visszavert fényben látható interferencia színezése vastagságuktól függően - lila-kéktől zöld-pirosig.
A bevonatok többrétegűek lehetnek, 5-50 nm közötti egyrétegvastagsággal. Például alacsony súrlódási együtthatójú tribológiai bevonatok felhordásához legfeljebb 250 egyrétegű réteget használnak, amelyek azonos vagy eltérő elemösszetételűek lehetnek.
A felvitt bevonatok egyedi jellemzői: fokozott keménység, kémiai tehetetlenség, oxidációval szembeni ellenállás 1200 °C-ig, nagy ellenállás a kifáradásnak ciklikus terhelések és rezgések hatására, alacsony súrlódási együttható (0,03-ig), fokozott tapadás különböző aljzatokhoz , nagy fajlagos elektromos ellenállás (10 6 Ohm∙m nagyságrendű).
A bevonatok ellenállnak a sugárzásnak, így például kemény ionizáló sugárzás hatására működő vágószerszámok keményítésére használhatók.
Az FPU-folyamat megvalósításához olyan telepítéseket fejlesztettek ki, mint az UFPU-110, UFPU-111, UFPU-112, UFPU-113, UFPU-114, UFPU-115, UFPU-BPU-115 stb.. 3 féle prekurzor.
Az FPU technológiáját és berendezéseit például vágószerszámok és szerszámalkatrészek edzésére használják különböző orosz és külföldi cégeknél.
A tudományos és oktatási célokra szolgáló FPU berendezéseket 9 oroszországi, fehéroroszországi és mexikói egyetemen használják.
A különféle gyakorlati alkalmazásokhoz szükséges FPU technológiát számos tudós és szakember tanulmányozta. Az alábbiakban felsoroljuk a tanulmányokkal kapcsolatos legfontosabb publikációkat: