лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Основные научные достижения

1. На основе изучения физики вакуумных и сильноточных газовых разрядов низкого давления предложены и созданы однородные эмиссионные структуры с сеточной стабилизацией плазменной границы площадью от 1 см² до 1 м², с плотностью тока эмиссии электронов от 10^-2 до 10² А/см² при длительности импульсов тока от 10^-6 до 10^-3 с и частоте их следования от 1 до 10³ с^-1.
2. На основе плазменных эмиттеров электронов разработаны, созданы и исследованы: эффективные источники низкоэнергетичных (до 25 кэВ) сильноточных (до 1 кА) микросекундных (до 500 мкс) электронных пучков с плотностью тока ускоренных электронов до 100 А/см²; ускорители электронов, обеспечивающие получение выводимых в атмосферу пучков большого (до 1 м²) сечения с широким диапазоном независимой регулировки энергии электронов (50—300 кэВ), амплитуды (до 1 кА), длительности (10^-5—10^-3с) и частоты следования импульсов тока (до 50 с^-1).
3. Предложен и реализован метод энергетически эффективной генерации плотной однородной плазмы в больших (до 1 м³) объемах с помощью стационарных дуговых разрядов низкого давления с полым катодом и полым анодом. На этой основе создан ряд установок технологического назначения для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхности материалов и изделий.
4. Впервые продемонстрирована возможность многократного повышения твердости (до 10 раз) и износостойкости (десятки раз) поверхности образцов силумина (сплав алюминий-кремний) эвтектического состава при облучении субмиллисекундным интенсивным электронным пучком системы «твердое покрытие ZrN/силумин». Синтезированная система перспективна для применения в двигателестроении.
5. Разработана методика и продемонстрирована возможность легирования титана кремнием с образованием многослойного композитного материала Ti (основа)/Ti₅Si₃, (поверхностный слой), представляющего особый интерес как высокотемпературный легкий материал вследствие формирования высокотемпературного (Т_пл = 2400 К) силицида титана состава Ti₅Si₃, синтезируемого в едином вакуумном цикле при воздействии высокоинтенсивного электронного пучка субмиллисекундной длительности на систему «пленка (кремний)/подложка (титан)», сформированную в результате распыления кремния пучком электронов.
6. Вакуумно-дуговым методом с плазменным ассистированием были получены сверхтвердые (до 52 ГПа) покрытия Ti-Cu-N, Ti-Al-N, Ti-Si-N, Ti-Cr-N с нанокристаллической структурой (d=5—20 нм) и низким коэффициентом трения (< 0.3). Исследования, проведенные с помощью рентгеноструктурного анализа с использованием синхротронного излучения in-situ, показали, что деградация многокомпонентных покрытий не начинается вплоть до температуры 800 °C. Исследования на износ покрытий показали, что нанесение на поверхность метчиков, изготовленных из быстрорежущей стали, с покрытием TiN/Ti-Cu-N общей толщиной 3 мкм позволило увеличить их срок службы, более чем в 4 раза.
7. Установлено, что облучение интенсивным импульсным электронным пучком (установка «СОЛО») поверхности образцов титанового сплава ВТ6, полученных методом селективного сплавления металлического порошка (размер частиц 40—100 мкм) в вакууме с помощью непрерывного электронного пучка (установка фирмы Arcam, Швеция), позволяет, вследствие сверхбыстрого плавления поверхностного слоя на глубину нескольких десятков микрометров за один импульс, многократно снизить, за счёт действия сил поверхностного натяжения расплава, пористость и шероховатость поверхностного слоя металлических изделий (шероховатость титанового сплава ВТ6 уменьшилась в ≈ 20 раз) и улучшить прочностные и усталостные свойства образцов.
8. Установлено, что формирование поверхностных сплавов Al-Ti путем электродугового напыления в вакууме и последующего плавления системы «пленка (титан)/(алюминий) подложка» импульсным электронным пучком сопровождается формированием субмикро- и нанокристаллической структуры и многократным повышением твердости и износостойкости модифицированного слоя. Показано, что максимальные значения механических и трибологических свойств достигаются в условиях многоцикловой (20 циклов; толщина пленки титана 0,5 мкм в цикле) «напыление/облучение» обработки: твердость легированного слоя 2,3 ГПа, что превышает твердость поверхности алюминия марки А7 в ≥ 8,5 раз; коэффициент износа 3·10^-4 мм³/(Н·м), что меньше коэффициента износа (выше износостойкость) исходного алюминия в ≈ 50 раз. Это достигается при следующих параметрах облучения: 15 Дж/см², 50 мкс, 10 имп.; общая толщина упрочненного слоя составляет 60 мкм.
9. Показано, что поверхностное легирование керамики на основе диоксида циркония, широко применяемой в аэрокосмической (в качестве высокотемпературных коррозионностойких и теплозащитных покрытий) и военной технике (элементы прозрачной брони), медицине, энергетической промышленности (в качестве электролита для твердооксидных топливных элементов), осуществленное плавлением системы «пленка (Ti)/(ZrO₂+Y₂O₃-керамика) подложка» интенсивным импульсным электронным пучком, сопровождается легированием титаном слоя толщиной ≈ 18 мкм, формированием оксидов состава Ti₃O₅ и Y₂TiO₅, что приводит к пластификации поверхностного слоя керамики (повышению коэффициента текучести в 1,4 раза) и увеличению микротвёрдости модифицированного поверхностного слоя на ≈ 10 %.