Obrabotka Metallov 2014 No. 1

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 1 (62) 2014 15 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Введение Одним из наиболее перспективных путей решения проблемы увеличения полного и меж- ремонтного ресурса двигателей внутреннего сгорания и повышения эффективности их экс- плуатации является упрочнение поверхностей деталей, так как именно они определяют изно- состойкость пар трения. В связи с этим в маши- ностроении активно развиваются и эффективно внедряются различные технологии поверхност- ной обработки, связанные с воздействием на по- верхностный слой источниками энергии высокой концентрации для повышения износостойко- сти. В этом направлении в Институте лазерной физики СО РАН в последние годы разработа- ны основы нового высокопроизводительного лазерно-плазменного метода (ЛПМ) упрочнения поверхности металлов [1–4]. Лазерно-плазменный метод основан на при- менении плазмы оптического пульсирующего разряда (ОПР), который зажигается повторяю- щимися с высокой частотой следования (десятки килогерц) лазерными импульсами в фокусе луча СО 2 -лазера в скоростных потоках газов с приме- сями реагирующих компонентов на поверхности обрабатываемого материала. Эксперименталь- ными и теоретическими методами определено [1–6], что плазма ОПР для инициации химиче- ских реакций обладает уникальным сочетанием свойств, недоступных для существующих спо- собов (индукционный сверхвысокочастотный нагрев СВЧ, тлеющий, дуговой и непрерывный оптический разряды, пиролиз, горение): • рекордной (для плазмохимических методов) удельной мощностью энерговыделения в объеме газовой фазы до 5 ГВт/см 3 ; • возможностью получения локально равно- весной (время обмена ~ 10 нс) плазмы при дав- лении 1 атм и более; • высокой температурой (до 20…30 ˚К) и кон- центрацией (10 18 …10 19 см –3 ) частиц; • высоким уровнем ультрафиолетового (УФ) радиационного обмена, благоприятного для дис- социации, ионизации, возбуждения частиц, а также активации осаждаемых нанокластеров и поверхности подложки, что приводит к интенси- фикации синтеза покрытия; • быстрым (за микросекунды) охлаждением плазмы ОПР, что обеспечивает контролируемое гомогенное зародышеобразование без загряз- нений, уменьшение размера образующихся ча- стиц, подавление их роста за счет коалесценции, получение не только наночастиц, но и нанокла- стеров. Наряду с физико-химическими преимуще- ствами ЛПМ отметим общие преимущества для разработки промышленных нанотехнологий, ко- торые состоят в следующем: • процесс может проводиться при давлени- ях газа в зоне реакции больше атмосферного, что позволяет во многих случаях исключить из технологий дорогостоящие вакуумные систе- мы, отказаться от рабочей камеры и проводить обработку крупногабаритных изделий сложной конфигурации автоматизированными манипуля- торами по заданной программе; • эффективный обмен энергией между лазер- ной плазмой и металлом обеспечивает (7–10)- кратное увеличение производительности ЛПМ по сравнению с традиционной лазерной закал- кой и (3–4)-кратное – для технологий наплавки, легирования; • высокие рабочие давления обеспечивают осаждение нанокомпозитных покрытий со ско- ростями синтеза на 2–3 порядка большими, чем в известных PCVD методах (Plasma Chemical Vapor Deposition – плазмохимическое осаждение из газовой фазы); • метод позволяет использовать широкий спектр исходных компонентов (газы, аэрозоли, пары) и выбирать из них наиболее подходящие для промышленной реализации технологии; • широкие диапазоны управления характери- стиками импульсно-периодического излучения, скоростью потока (0…500 м/с), сортом и соста- вом буферного или рабочего газа (Ar, He, Ne, Н 2 , N 2 , O 2 , воздух, СО, СО 2 и др.) обеспечивают воз- можности широкого поиска и оптимизации по эффективности варианта технологии; • возможность проведения направленного синтеза наноматериалов с использованием ис- ходных компонентов в виде стехиометрической смеси аэрозолей (в том числе тугоплавких), что значительно упрощает (и удешевляет) задачу подбора исходных реагентов. 1. Методика и оборудование экспериментального исследования Основой лазерно-плазменной технологичес­ кой установки, определяющей ее технологичес- кие возможности, является импульсно-периоди