Випуски $\rightarrow$ Том 22, випуск 1 (2021)

Застосування плазми жеврійного розряду задля очищення (активації) та модифікування металевих поверхонь для зварювання, лютування та нанесення покриттів

М. Г. Болотов, І. О. Прибитько

Національний університет «Чернігівська політехніка», вул. Шевченка, 95, 14035 Чернігів, Україна

Отримано 23.12.2020; остаточна версія — 15.02.2021 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Відомо, що поверхневі явища відіграють вирішальну роль у процесах утворення міцних міжатомових зв’язків при з’єднанні різнорідних матеріалів, а також осадженні металевих покриттів. Так, наявність на поверхні металів різного роду забруднень, зокрема шарів оксидів, істотно понижує поверхневу енергію металу, перешкоджаючи таким чином перебігу дифузійних процесів у зоні контакту та змочуванню їх рідкою лютою, а також адгезії конденсованих плівок на поверхні субстрату. У зв’язку з цим істотну роль відіграють процеси очищення (активації) металевих поверхонь перед зварюванням або нанесенням на них шару покриття. У ряді випадків металеві поверхні модифікують задля надання їм необхідних властивостей. Останнім часом з метою активації та модифікування поверхонь перед зварюванням і нанесенням покриттів широкого використання набуває газорозрядна плазма жеврійного розряду. Остання уможливлює здійснення оброблянь поверхонь різної конфіґурації, у тому числі й внутрішніх порожнин, та різної площі — від одиниць до десятків тисяч квадратних сантиметрів. Даний огляд містить результати досліджень стосовно очищення та модифікування металевих поверхонь йонами низької енергії (< 10 кеВ), ініційованих у плазмі аномального жеврійного розряду для зварювання, лютування та нанесення покриттів. Зокрема, тут наведено результати досліджень йонного очищення в плазмі жеврійного розряду поверхонь зразків, виконаних з криць 45 і 08кп, ряду активних металів і стопів, а також хромовмісних криць 40Х, 20Х13 та 12Х18Н10Т, що мають на своїй поверхні хемічно та термічно стійкі оксиди Cr2O3. Зазначається вирішальний вплив на ефективність очищення та модифікування металевих поверхонь таких параметрів режиму, як напруга на електродах, густина струму розряду, тиск у робочій камері та час йонної експозиції. При цьому оптимальні значення цих параметрів у більшості випадків визначаються технологічними умовами процесу та коливаються в наступних межах: Ud = 1500–3500 В, Jd = 0.4–1 мА/см2, P = 3.99–7.98 Па, t = 120–300 с відповідно.

Ключові слова: жеврійний розряд, плазма, йонне бомбардування, обробляння поверхні, йонне модифікування, поверхні металу та стопу.

Citation: M. G. Bolotov and I. O. Prybytko, Application of Glow Discharge Plasma for Cleaning (Activation) and Modification of Metal Surfaces while Welding, Brazing, and Coating Deposition, Progress in Physics of Metals, 22, No. 1: 103–128 (2021); doi: 10.15407/ufm.22.01.103

Цитована література   
  1. M.D. Gabovich, N.V. Pleshivtsev, and N.N. Semashko, Ion and Atomic Beams for Controlled Fusion and Technology (Springer: 1989).
  2. A.I. Morozov, Yu.M. Levchenko, and Yu.G. Zeltser, Application of Ion Accelerators for Plasma Cleaning of Steel Strip Surface, 4-th All-USSR Conference on Plasma Accelerators (Moscow: VNTITs: 1978), p. 413 (in Russian).
  3. N.V. Ivanović, The Study of Ar I and Ne I Spectral Line Shapes in the Cathode Sheath Region of an Abnormal Glow Discharge, Atoms, 7, No. 1: 9 (2019); https://doi.org/10.3390/atoms7010009.
  4. S. Grigoriev, A. Metel, and M. Volosova, Improvement of Thin Film Adhesion Due to Bombardment by Fast Argon Atoms, Coatings, 8, No. 9: 303 (2018); https://doi.org/10.3390/coatings8090303.
  5. A. Metel, S. Grigoriev, Y. Melnik, M. Volosova, and E. Mustafaev, Surface Hardening of Machine Parts Using Nitriding and TiN Coating Deposition in Glow Discharge, Machines, 8, No. 3: 42 (2020); https://doi.org/10.3390/machines8030042.
  6. N. Mingolo, Y. Cesa, O.E. Martinez, J.I. Etcheverry, and J.J. Rocca, Enhanced Energy Deposition Efficiency of Glow Discharge Electron Beams for Metal Surface Treatment, IEEE Transactions on Plasma Science, 28, No. 2: 386 (2000); https://doi.org/10.1109/27.848097.
  7. A.S. Stepanovsky, Ion Processing of Materials, Ogarev-online, No. 14 (2013) (in Russian); http://journal.mrsu.ru/arts/ionnaya-obrabotka-materialov.
  8. H. Kersten, J.F. Behnke, and C. Eggs, Investigations on Plasma Assisted Surface Cleaning of Aluminum in an Oxygen Glow Discharge, Contributions To Plasma Physics, 34, No. 4: 563 (1994); https://doi.org/10.1002/ctpp.2150340404.
  9. D.A. Prokoshkin, B.N. Arzamasov, and E.V. Ryabchenko, Obtaining of Coatings on Metals in a Glow Discharge, Protective Coatings on Metals (Kiev: Naukova Dumka: 1970) (in Russian).
  10. I.L. Roikh, L.N. Koltunova, and S.N. Fedosov, Deposition of Protective Coatings in Vacuum (Moscow: Mashinostroenie: 1976) (in Russian).
  11. M.O. Vasylyev, S.I. Sidorenko, S.M. Voloshko, and T. Ishikawa, Effect of Low-Energy Inert-Gas Ion Bombardment of the Metal Surface on the Oxygen Adsorption and Oxidation, Uspehi Fiziki Metallov, 17, No. 3: 209 (2016); https://doi.org/10.15407/ufm.17.03.209.
  12. K.H. Becker, U. Kogelschatz, K.H. Schoenbach, and R.J. Barker, Non-Equilibrium Air Plasmas at Atmospheric Pressure (Boca Raton, FL: CRC Press: 2005); https://doi.org/10.1201/9781482269123.
  13. A.A. Lozovan, S.V. Frangulov, D.V. Chulkov, and A.I. Rodin, Methods for Cleaning the Inner Surface of Small-Diameter Pipes with Glow Discharge Plasma Prior to Depositing Coatings, Welding International, 24, No. 8: 646 (2010); https://doi.org/10.1080/09507111003655580.
  14. G.P. Bolotov, M.G. Bolotov, I.O. Prybytko, and G.K. Kharchenko, Diagnosis of Plasma Glow Discharge Energy Parameters in the Processes of Treatment Small Diameter Long Tubes, 2016 II International Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF) (October 10–14, 2016, Kharkiv) (Kharkiv: 2016); https://doi.org/10.1109/YSF.2016.7753815.
  15. S.F. Brunatto, A. Klein, and J.L.R. Muzart, Hollow Cathode Discharge: Application of a Deposition Treatment in the Iron Sintering, Journal of The Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 30, No. 2: 145 (2008); https://doi.org/10.1590/S1678-58782008000200007.
  16. V. Budilov, R. Agzamov, and K. Ramazanov, Ion Nitriding in Glow Discharge with Hollow Cathode Effect, Metal Science and Heat Treatment, 49: 358 (2007). https://doi.org/10.1007/s11041-007-0065-y.
  17. G.P. Bolotov, M.G. Bolotov, and I.V. Nahorna, Hollow Cathode Glow Discharge as a Heating Source in Welding and Brazing, 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON) (May 29–June 2, 2017, Kyiv) (Kyiv: 2017); https://doi.org/10.1109/UKRCON.2017.8100441.
  18. A.M. Kadyrmetov, N.F. Kashapov, S.N. Sharifullin, A.I. Saifutdinov, and S.A. Fadeev, Efficiency of Surface Cleaning by a Glow Discharge for Plasma Spraying Coating, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 134, No. 1: 012010 (2016); https://doi.org/10.1088/1757-899X/134/1/012010.
  19. I.L. Kaganov, Ion Devices (Moscow: Energiya: 1972) (in Russian).
  20. B.O. Aronsson, J. Lausmaa, and B. Kasemo, Glow Discharge Plasma Treatment for Surface Cleaning and Modification of Metallic Biomaterials, Journal of Biomedical Materials Research, 35, No. 1: 49 (1997); https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4636(199704)35:1%3C49::AID-JBM6%3E3.0.CO;2-M.
  21. M.G. Bolotov and G.P. Bolotov, Elimination of Electric Arc Stabilization in Precision Welding with High-Current DC Glow Discharge, 2019 IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO) (April 16–18, 2019, Kyiv) (Kyiv: 2019); https://doi.org/10.1109/ELNANO.2019.8783845.
  22. G.P. Bolotov, M.G. Bolotov, and S.A. Stepenko, The Ways of Stabilization of High-Current Glow Discharge in Welding, 2018 IEEE 3rd International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS) (10–14 September, 2018, Kharkiv) (Kharkiv: 2018); https://doi.org/10.1109/IEPS.2018.8559580.
  23. J. Malherbe, H. Martinez, B. Fernández, C. Pécheyran, and O. Donard, The Effect of Glow Discharge Sputtering on the Analysis of Metal Oxide Films, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 64, No. 2: 155 (2009); https://doi.org/10.1016/j.sab.2008.11.009.
  24. I.L. Roikh and L.N. Koltunova, Protective Vacuum Coatings on Steel (Moscow: Mashinostroyenie: 1971) (in Russian).
  25. S.A. Pyachin and A.A. Burkov, Formation of Intermetallic Coatings by Electrospark Deposition of Titanium and Aluminum on a Steel Substrate, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 51: 118 (2015); https://doi.org/10.3103/S1068375515020131.
  26. I.L. Roikh, D.M. Rafalovich, A.A. Modzelevskiy, V.A. Gengrinovich, and E.B. Teplyuk, Application of Glow Discharge for the Treatment of Steel before Defensive Coatings Deposition, Ehlektronnaya Obrabotka Materialov, 43, No. 1: 59 (1972) (in Russian).
  27. A.V. Lyushinskiy, Diffusion Welding of Dissimilar Metals (Moscow: Akademiya, 2006) (in Russian).
  28. S.V. Oleksiienko, O.O. Novomlynets, and S.M. Yushchenko, Diffusion Bonding Technique Concerning Production of Microchannel Heat Exchangers, 2016 IEEE 36th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO) (April 19–21, 2016, Kyiv) (Kyiv: 2016); https://doi.org/10.1109/ELNANO.2016.7493009.
  29. G.P. Bolotov, Control of Mass-Transfer Processes in Diffusion Welding of Difficult-to-Weld Metals, Collection of Scientific Papers of Admiral Makarov National University of Shipbuilding, No. 2 (413): 57 (2007) (in Russian).
  30. G.P. Bolotov, Welding and Brazing in a Glow Discharge Plasma (Chernіhіv: Chernihiv Nat. Technol. Univ.: 2016) (in Ukrainian).
  31. V. Zaporojtchenko, J. Zekonyte, and F. Faupel, Effects of Ion Beam Treatment on Atomic and Macroscopic Adhesion of Copper to Different Polymer Materials, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 265, No. 1: 139 (2007); https://doi.org/10.1016/j.nimb.2007.08.040.
  32. M.K. Marakhtanov, V.A. Riazanov, and D.K. Alekseev, Modification of the Electrode Surface in Glow Discharge Plasma with a Hollow Cathode, Journal of Physics: Conference Series, 1281: 012052 (2019); https://doi.org/10.1088/1742-6596/1281/1/012052.
  33. I.O. Misiruk, O.I. Timoshenko, V.S. Taran, and I.E. Garkusha, Non-Self-Sustained Discharge with Hollow Anode for Plasma-Based Surface Treatment, Nukleonika, 61, No. 2: 196 (2016); https://doi.org/10.1515/nuka-2016-0033.
  34. S.N. Grigoriev, A.S. Metel, M.A. Volosova, and Yu.A. Melnik, Surface Hardening by Means of Plasma Immersion Ion Implantation and Nitriding in Glow Discharge with Electrostatic Confinement of Electrons, Mechanics & Industry, 16, No. 7: 711 (2015); https://doi.org/10.1051/meca/2015093.
  35. V.N. Kuskov, R.A. Mamadaliev, and R.Yu. Nekrasov, Technology and Equipment for Physicotechnical and Mechanical Treatment. Tutorial (Tyumen: TIU: 2017) (in Russian).
  36. D.S. Gertsriken, V.M. Tyshkevich, and V.M. Chernikov, Investigation of the Migration of Atoms of Surface Layers of Metals, Stimulated by Ion Bombardment, Cherkasy University Bulletin: Physical and Mathematical Sciences, No. 9: 5 (1999) (in Russian).
  37. V.F. Mazanko, D.S. Gertsriken, A.V. Ryasnyy, V.M. Mironov, and D.V. Mironov, Processes of Interaction of Metals in Conditions Electrospark and Ion-Plasmous Processing, 4-th International Conference ‘Interaction of Radiations with Solids’ (October 3–5, 2001, Minsk, Belarus) (Minsk: BGU: 2001), p. 85 (in Russian); https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:32068645.
  38. V.F. Mazanko, H.K. Kharchenko, T.R. Hanieiev, O.O. Novomlynets, and I.V. Zavalna, The Distinctive Features of Diffusion Interaction of Copper and Molybdenum under Pressure Welding Through the Layers Modified by Ion-Beam Processing, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 37, No. 2: 233 (2015); https://doi.org/10.15407/mfint.37.02.0233.
  39. G.P. Bolotov, M.G. Bolotov, and M.M. Rudenko, Modification of Materials Surface Layers by Low-Energy Ion Irradiation in Glow Discharge, 2016 IEEE 36th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO) (April 19–21, Kyiv, 2016) (Kyiv: 2016); https://doi.org/10.1109/ELNANO.2016.7493031.
  40. O.M. Barabash and Yu.N. Koval, Structure and Properties of Metals and Alloys: The Crystal Structure of Metals and Alloys: A Handbook (Kiev: Naukova Dumka: 1986) (in Russian).
  41. V.V. Budilov, K.N. Ramazanov, and I.S. Ramazanov, Ion Nitriding of Titanium Alloy VT6 in Glow Discharge with Hollow Cathode Effect, Metal Science and Heat Treatment, 57: 36 (2015); https://doi.org/10.1007/s11041-015-9831-4.
  42. V.N. Chernyaev, Physical and Chemical Processes in the Technology of Electronic Radio Equipment (Moscow: Vysshaya Shkola: 1987) (in Russian); https://elib.pstu.ru/vufind/Record/RUPSTUbooks159569.
  43. L.N. Larikov and V.I. Isaichaev, Structure and Properties of Metals and Alloys: Diffusion in Metals and Alloys: A Handbook (Kiev: Naukova Dumka: 1987) (in Russian).

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,