Finishing plasma hardening (FPU) on tyhjiötön ja putketon prosessi, jossa piipitoisia pinnoitteita suihkutetaan plasmakemiallisesti kaasufaasista, jolloin kaasuvirtaus ja pinta, jolle pinnoite kerrostetaan, aktivoidaan samanaikaisesti plasmassa.
Tämän teknologian kehittäjät ovat Pietari Suuren Pietarin ammattikorkeakoulun ja tutkimus- ja tuotantoyhtiö LLC Plasmacenterin tutkijoiden ja asiantuntijoiden ryhmä. Ensimmäiset julkaisut uudesta prosessista ilmestyivät 80-luvun lopulla ja 1990-luvun alussa [1] . Samanaikaisesti FPU:n laitteiden tekniikka ja rakenneosat siirrettiin yhteistyön puitteissa useisiin korkeakouluihin Venäjällä ja Valko-Venäjällä, missä myöhemmin tehtiin tutkimusta ja puolustettiin aiheesta väitöskirjoja.
FPU:n tieteelliset perusteet tiivistävät prosessin kirjoittajat vuosina 2008 ja 2013 julkaistussa monografiassa. [2] . Patenttioikeudet FPU-tekniikan perusperiaatteisiin kuuluvat tutkimus- ja tuotantoyhtiö LLC Plasmacenterille [3] .
Tekniikan nimi "finish plasma hardening" ( englanniksi finish plasma hardening, finishing plasma vahvistus) liittyy sen päätarkoitukseen - osien kestävyyden ja luotettavuuden lisäämiseen niiden valmistuksen tai korjauksen viimeistelyvaiheessa käyttämällä ohutkalvopii- sisältäviä pinnoitteita. Tällöin osien geometriset mitat eivät muutu ja pinta saa uusia polyfunktionaalisia ominaisuuksia. Päällystykseen käytetään plasmaenergialähteen kaaripurkausta.
FPU:ta käytetään pinnoitteiden luomiseen koneenosien, mekanismien ja laitteiden, työkalujen, teknisten laitteiden, lääketieteellisten tuotteiden työpinnoille, jotka tarjoavat kulutuskestävyyden , kemiallisen inerttiyden, korroosionkestävyyden, kitkanestokyvyn , lämmönkestävyyden , lämmönkestävyyden , tarttumisenesto- , hankauskestävyyden. korroosiota , eristettä, sulkua, bioyhteensopivia, bakteereja tappavia ja muita ominaisuuksia. Ohutkalvopiipitoisten pinnoitteiden plasmakemiallinen pinnoitus voidaan suorittaa sekä metalli- että polymeerimateriaaleille.
FPU:n vaikutus saavutetaan luomalla pintakerros:
- joiden alkuainekoostumus ja rakenne vastaavat Charpyn sääntöä tai dispersiovahvistettu nanopartikkeleilla [4] ;
- tehokkailla tribologisilla ominaisuuksilla - alhainen kitkakerroin, sisäänajon kesto, lämmön vapautuminen kitkan aikana [5] ;
- optimaaliset fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet kulumissuojaa varten - kestävyys elastista muodonmuutosta vastaan (plastisuusindeksi), kestävyys plastista muodonmuutosta vastaan, elastinen palautuminen, pinnoitteen ja alustan kimmomoduulien läheisyys [6] ;
- alhaisella kulumiskertoimella mitattuna mikroabrasiivisen kulumisen olosuhteissa [7] ;
- optimaalisella adheesiokertoimella, joka määritetään sklerometrisellä menetelmällä pinnoitteen paksuuden kulun lopussa olevaan sisennykseen kohdistuvan voiman suhteeksi sisennykseen kohdistuvaan voimaan, jossa ensimmäiset halkeamat tai delaminaatiot ilmaantuvat [8] ;
- rationaalinen pinnoitteen paksuus suhteessa alustan karheuden parametreihin [9] ;
- kemiallinen inertisyys, mukaan lukien sulfoinertisyys [10] ;
- mikro-organismien kerääntymisalueiden minimoiminen [11] ;
- mahdollisuus bioaktiiviseen kiinnitykseen luukudoksella [12] ;
- puristusjäännösjännitysten kanssa [13] ;
- joissa on parantuneet halkeamat ja mikroviat [14] ;
- lisääntynyt öljynpitokapasiteetti;
- jolla on hydrofiilisyys;
- jolla on dielektriset ominaisuudet;
- korroosionkestäviä ominaisuuksia;
- alhaisella lämmönjohtavuuskertoimella;
- lisääntynyt säteilynkestävyys.
Kansainvälisen ohutkalvopinnoitteiden levitysmenetelmien luokituksen mukaan FPU tarkoittaa pinnoitteiden kemiallista höyrypinnoitusta kaasufaasista ( englanniksi kemiallinen höyrypinnoitus - CVD), jota stimuloi plasma ( englanniksi plasma tehostettu CVD - PECVD) tai plasma-avusteinen ( englanniksi plasma-avusteinen CVD-PACVD). Näissä teknologioissa pinnoite muodostuu kahden faasin rajapinnalle (kaasu - kiinteä) kemiallisten heterogeenisten reaktioiden seurauksena, jotka tapahtuvat lähellä pintaa, pinnalla ja lähellä pintaa olevaa substraatin kerrosta. FPU:n kaasufaasi koostuu haihtuvien, vähän myrkyllisten organoelementtien tai organometallisten ja epäorgaanisten nestemäisten yhdisteiden höyryjen seoksesta argonkaasun, plasmaa muodostavien ja suojakaasujen kanssa. Englanninkielisessä kirjallisuudessa pinnoitteiden kemiallista pinnoitusprosessia organometallisia yhdisteitä kutsutaan nimellä metalorgaaninen kemiallinen höyrypinnoitus ( MOCVD ).
FPU:ssa käytetty kaasuseos menee pienikokoiseen DC-jet-sähkökaariplasmareaktoriin, joka toimii ilmakehän paineessa. Englanninkielisessä kirjallisuudessa prosesseja, jotka ovat pohjimmiltaan samanlaisia, kutsutaan nimellä Atmospheric pressure plasma enhanced CVD (AP - PECVD), Atmospheric pressure plasma assisted CVD (AP - PACVD), PACVD by cold atmospheric plasma (PACVD - CAP), Atmospheric- Paine DC Plasma Jet Reactor (APDCPJR).
Plasman aktivoituminen FPU:n aikana liittyy "kylmän" matalan lämpötilan ilmakehän plasman ( kylmän ilmakehän paineen plasman) toimintaan sekä kaasufaasissa että pinnalla, jota modifioidaan kaukoplasman muodostuksen olosuhteissa ( etäplasman tehostettu kemiallinen höyrykerrostus - RPECVD) . Samaan aikaan kaasufaasin plasmaaktivointi varmistaa ruiskutettujen höyryjen nopean lämpöhajoamisen ja pinnoitteen kerrostumisnopeuden lisääntymisen. Pinnalle, jolle pinnoite levitetään, plasmaaktivointi auttaa poistamaan adsorboituneet aineet, lisäämään pintakerroksen kemiallista aktiivisuutta ja tarttumiskykyä. Etäplasman käyttö, kun otetaan huomioon sen viritysvyöhykkeiden erottuminen ja pinnoitteen kasvu, minimoi substraatin lämpökuormituksen.
Tietyn pinnan pinnoitus FPU:lla suoritetaan liikuttamalla plasmasuihkua nopeudella 3-150 mm/s ottaen huomioon 8-15 mm leveiden limittäisten pinnoiteliuskojen muodostuminen. FPU:ssa tuotteiden lämmitys ei ylitä 60-150 °C. FPU :n jälkeen pinnoitetun pinnan pinnan karheuden parametrit voivat substraatin alkuparametreista riippuen jopa parantua.
FPU:n päävaiheet pinnoitteen muodostuksen kineettisen mallin kannalta ovat:
· tasavirtakaaripurkauksen argonplasman tuottaminen, jolloin muodostuu varautuneita energeettisiä (elektroneja ja ioneja) ja neutraaleja kemiallisesti aktiivisia hiukkasia (vapaita atomeja ja radikaaleja);
· nestemäisten esiasteiden (haihtuvien organoelementtien ja epäorgaanisten nesteiden ja kantokaasun) höyryjen syöttäminen pienikokoisessa plasmakemiallisessa reaktorissa muodostuvaan argonplasmavirtaukseen;
· dissosiaatio törmäyksessä nopeiden elektronien kanssa argonplasmamolekyylien esiasteiden höyryjen kanssa, jolloin muodostuu uutta varattua energiaa ja neutraaleja kemiallisesti aktiivisia hiukkasia;
· suunnattu kuljetus yhdessä kemiallisesti aktiivisten hiukkasten argonplasman virtauksen kanssa substraatin pinnalle;
· kemiallisesti aktiivisten hiukkasten adsorptio alustalle samalla kun pinta aktivoidaan plasmassa argonplasmalla aktiivisten adsorptiokeskusten luomiseksi;
adsorboitujen molekyylien pintadiffuusio;
adsorboitujen kemiallisesti aktiivisten hiukkasten kemiallisiin reaktioihin pääsy kerrostetun pinnoitteen rakenneyksiköiden muodostuessa;
reaktion sivutuotteiden poistaminen.
FPU-prosessin nimityksen englanninkielinen versio yllä olevan pinnoitteen muodostusmallin mukaisesti on PACVD cold atmospheric pressure plasma (PACVD CAPP) tai Atmospheric Pressure DC Plasma Jet Reactor (APDCPJR).
Tärkeimmät erot FPU-prosessin ja perinteisen CVD-prosessin välillä ovat seuraavat:
1. CVD-prosesseissa päällystettävä tuote sijoitetaan kiinteään virtausreaktoriin - kammioon, johon syötetään yhden tai useamman esiasteen kaasuja tai höyryjä , jotka reagoivat ja/tai hajoavat kuumennetun tuotteen pinnalla tai lähellä pintaa. pinnoite kerrostuu sen kaikille pinnoille. FPU:lla reaktori, jolla on vähimmäiskoko, voi liikkua suhteessa kiinteään tai liikkuvaan tuotteeseen, mikä varmistaa, että pinnoite levitetään vain tietylle pinnalle, toisin sanoen valikoivasti.
2. CVD-prosesseja suoritetaan pääasiassa ilmakehän paineessa suljetuissa korkean lämpötilan reaktorikammioissa, joissa osia aktivoidaan termisesti, ja reaktioaineina käytetään myrkyllisiä kaasuja. FPU:ssa käytetään haihtuvien nestemäisten organoelementtien ja epäorgaanisten esiasteiden höyryjä, jotka parantavat ympäristöturvallisuutta alhaisen myrkyllisyytensä ja räjähdysturvallisuutensa ansiosta. Tässä tapauksessa on mahdollista saada tarvittava pinnoitteen kemiallinen koostumus yksittäisen aineen materiaalista. Tuotteiden lämmityslämpötila FPU:n aikana voi olla 60-400 ° C, korkean lämpötilan kammioita ei käytetä.
3. Pinnoitteiden pinnoituksen aikana CVD-menetelmällä vaaditaan merkittävää esiasteiden kulutusta, mikä johtaa lisääntyneeseen kemiallisten reaktioiden kaasumaisten sivutuotteiden muodostumiseen, jotka poistetaan reaktorista kaasuvirralla. FPU:ssa plasmakemiallisen reaktorin pienestä koosta johtuen käytetään mahdollisimman vähän syötettyjen esiastehöyryjen määrää kaasumaisen sivutuotteen poistamiseksi liikkuvalla suodatin-ilmanvaihtoyksiköllä.
4. CVD-menetelmässä tuotteiden kuumennuslämpötilan laskemiseksi 450-550 °C:seen lämpöaktivoinnin lisäksi käytetään plasmaaktivointiprosessia, joka suoritetaan tyhjiössä. Plasman tuottamiseen tyhjiö-CVD-prosesseissa käytetään pääasiassa hehku- tai suurtaajuisia purkauksia, joille on ominaista tilavuus (hajautunut) vaikutus kaasumaiseen väliaineeseen ja koko tuotteeseen. FPU:ssa käytetään DC-kaaripurkausta, joka syntyy ilmakehän paineessa ilman tyhjiötä, jolloin muodostuu nopea plasmasuihku, joka toimittaa kemiallisesti aktiivisia hiukkasia vain pinnan paikalliselle alueelle samanaikaisen aktivoinnin kanssa.
5. Pinnoitteiden ominaisuuksien toistettavuus CVD-prosesseissa määräytyy osan pinnan lämpötilaolosuhteiden mukaan, jotka riippuvat reaktorin seinämien lämpötilasta, reaktiotuotteiden, pääasiassa ei-lämpöäjohtavien, laskeutumisesta niihin. (jälkimmäinen tila vaatii kammion jatkuvaa puhdistamista), osien sijainti kammiossa suhteessa lämmityslaitteisiin, osien epäjohdonmukaisuus. FPU:n avulla pinnoite levitetään paikallisesti ennustettavammissa lämpötilaolosuhteissa.
FPU-prosessin tärkeimmät edut ovat prosessin toteuttaminen ilman tyhjiötä ja kammioita, osan integroitu vähimmäislämmitys, joka ei ylitä 60-150 °C, mahdollisuus levittää pinnoitteita paikallisesti, erikokoisiin osiin, missä tahansa tilassa. sijainti vaikeapääsyisillä alueilla, kun käytetään pienikokoista, liikkuvaa ja taloudellista laitetta.
FPU-menetelmällä levitettäviä päällystystyyppejä käytetään lisäämään työkalujen, muottien, muottien, veitsien, koneenosien ja mekanismien, lääketieteellisten instrumenttien kestävyyttä ja luotettavuutta sekä estämään hiilikerrostumien (noki, lakka, liete) muodostumista. polttoaineen palamalla, korkean lämpötilan ja öljykomponenttien hapettavalla vaikutuksella varmistaen implanttien bioyhteensopivuuden ja bakteereja tappavat ominaisuudet sekä implantaatio-, hammas- ja muiden tuotteiden osien.
Erillisiä elokuvia FPU-prosessin käytännön soveltamisesta julkaistaan YouTubessa avainsanoilla "viimeistely plasmakovetus".
Päällystykseen FPU:ssa käytetään SETOL-perheen organoelementaalisiin ja epäorgaanisiin nesteisiin perustuvia nestemäisiä esiasteita , joiden vuosikulutus laitteiston yhden vuorokäytön aikana on noin 0,5 litraa. Nestemäiset esiastehöyryt syötetään plasmakemialliseen reaktoriin kantokaasulla, joka kuplii nesteen läpi tai kulkee sen pinnan yli vangiten tietyn määrän reagensseja. Nestemäisten reagenssien syöttönopeudella on epälineaarinen riippuvuus kantajakaasun virtausnopeudesta ja paineesta, reagenssin syöttölinjan pituudesta ja nestemäisten reagenssien määrästä säiliöihin. Pinnoitteet ovat amorfisia tai amorfisia kiteisiä johtuen alkuaineita sisältävien esiasteiden käytöstä - amorfoijat (kuten boori, pii ja muut), ja myös käytetyn pinnoitteen korkeiden jäähdytysnopeuksien vuoksi, jotka ovat yhtä suuria (10 10 -10 12 ) K/ Kanssa.
FPU:n aikana kerrostettuihin piiyhdisteisiin perustuvat pinnoitteet, joiden paksuus on enintään 2 µm, ovat läpinäkyviä. Monikerroksisten piitä sisältävien pinnoitteiden häiriövärjäys, joka näkyy heijastuneessa valossa niiden paksuudesta riippuen - violetinsinisestä vihreä-punaiseen.
Pinnoitteet voivat olla monikerroksisia, joiden yksikerrospaksuus on 5-50 nm. Esimerkiksi alhaisen kitkakertoimen omaavien tribologisten pinnoitteiden levittämiseen käytetään jopa 250 yksikerrosta, joilla voi olla joko sama tai eri alkuainekoostumus.
Levitettyjen pinnoitteiden yksittäiset ominaisuudet: lisääntynyt kovuus, kemiallinen inertti, hapettumisenkestävyys jopa 1200 °C:n lämpötiloissa, hyvä väsymiskestävyys syklisissä kuormituksissa ja tärinässä, alhainen kitkakerroin (jopa 0,03), lisääntynyt tarttuvuus erilaisiin alustoihin , korkea ominaissähkövastus (luokkaa 10 6 ohm∙m).
Pinnoitteet kestävät säteilyä, joten niillä voidaan kovettaa esimerkiksi kovan ionisoivan säteilyn vaikutuksesta toimivia leikkuutyökaluja.
FPU-prosessin toteuttamiseksi kehitettiin asennuksia, kuten UFPU-110, UFPU-111, UFPU-112, UFPU-113, UFPU-114, UFPU-115, UFPU-BPU-115 jne. 3 tyyppiä esiasteita.
FPU:n teknologiaa ja laitteita käytetään mm. leikkaustyökalujen ja työkaluosien karkaisuun eri venäläisissä ja ulkomaisissa yrityksissä.
FPU-laitteita tieteellisiin ja koulutustarkoituksiin käytetään 9 yliopistossa Venäjällä, Valko-Venäjällä ja Meksikossa.
FPU-tekniikkaa erilaisiin käytännön sovelluksiin ovat tutkineet monet tiedemiehet ja asiantuntijat. Seuraavat ovat tärkeimmät julkaisut näistä tutkimuksista: