Исследование изменения коэффициента аккомодации энергии

ВИАМ/1994-201515
Исследование изменения коэффициента
аккомодации энергии молекул азота при ионноатомном осаждении циркония на поверхность
конструкционных материалов
В.В. Скворцов
А.А. Успенский
А.Ю. Берсенев
В.Т. Заболотный
А.И. Терновой
Январь 1994
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
журнале «Теплофизика высоких температур», т. 32, № 5, 1994 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
в
Исследование изменения коэффициента аккомодации
энергии молекул азота при ионно-атомном осаждении циркония
на поверхность конструкционных материалов
В.В. Скворцов, А.А. Успенский, А.Ю. Берсенев,
В.Т. Заболотный, А.И. Терновой
Центральный аэрогидродинамический институт,
г. Жуковский, Московская обл.
Всероссийский институт авиационных материалов, г. Москва
Приведено описание методики и результатов экспериментального
исследования изменения коэффициента аккомодации кинетической энергии
молекул азота при ионно-атомном осаждении циркония на поверхность
конструкционных материалов (медь, алюминий, нержавеющая сталь) в
условиях скорости и плотности налетающего на образцы потока, близких к
орбитальным. Установлен эффект снижения указанного коэффициента для
образцов, покрытых цирконием, примерно на 30% при скорости потока
~8 км/с по сравнению с чистыми образцами. Изучена зависимость
коэффициента аккомодации от скорости. Показано, что для нержавеющей
стали и меди эффект устойчив после тепловых воздействий до
температуры 700°С, а для алюминия – до 300–500°С.
Одной из задач современной аэродинамики является разработка методов
уменьшения воздействия набегающего потока молекул атмосферы на
поверхность аппарата, в частности снижение коэффициента аккомодации
кинетической энергии. Одним из путей решения этой проблемы может быть
целенаправленное изменение поверхностных свойств конструкционных
материалов, придающее поверхности новые качества при одновременном
сохранении конструкционных и эксплуатационных свойств матрицы.
М.Н. Коган (ЦАГИ) предложил для этих целей использовать возможности
ионной имплантации. В ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН была разработана
методика ионно-атомного осаждения с применением ионной имплантации,
позволяющая решить проблему осуществления достаточно прочной связи
между матрицей и наносимым покрытием.
В ЦАГИ для проведения исследований взаимодействия молекулярных
потоков с элементами конструкционных материалов при орбитальных
скоростях полета разработан источник потока нейтрального газа на базе
плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов [1], позволяющий
получать натурные значения плотности потока молекул азота для высот
~250 км при плавной регулировке скорости потока в диапазоне 6–15 км/с.
Кроме того, разработан датчик тепловых потоков компенсационного типа,
применение
которого
позволяет
проводить
измерения
коэффициента
аккомодации энергии. В качестве одного из материалов, представляющих
интерес для изменения поверхностных свойств подложки, был выбран
цирконий.
Для модификации поверхности образца (матрицы) ионным облучением
использовался
метод
ионно-атомного
осаждения,
который
позволяет
устранить определенные недостатки двух других известных методов
изменения свойств поверхности с помощью потока ионов. Первый из них
(рис. 1), состоящий в прямой имплантации высокоэнергетичных ионов
материала покрытия 2, не позволяет получать больших концентраций
внедряемых атомов на поверхности из-за распыления материала подложки 1
(максимальная концентрация внедренных примесей в атомных долях не
может быть выше величины, обратной коэффициенту распыления).
Снижение коэффициента распыления можно достичь путем увеличения
энергии ионов, но при этом растет длина их пробега, в результате чего ионы
группируются в основном в глубине образца на некотором удалении от его
поверхности.
Рисунок 1. Способы нанесения покрытия на образцы:
1 – матрица, 2 – ионы материала покрытия, 3 – ионы нейтрального газа,
4 – покрытие, 5 – пары материала покрытия
При использовании другого метода (ионного перемешивания заранее
наносимых слоев покрытия 4 высокоэнергетичными ионами нейтрального
газа 3) концентрация наносимого элемента на поверхности составляет 100%.
Адгезия
обеспечивается
благодаря
тому,
что
происходит
атомное
перемешивание материалов покрытия и подложки и возникает пограничный
переходный слой, однако толщина покрытия не превосходит глубины
проникновения ионов. Для получения покрытия большей толщины надо либо
увеличивать энергию ионов, используя уникальную ускорительную технику,
либо доращивать перемешанное покрытие традиционным способом, т.е.
вводить дополнительную операцию.
В методе ионно-атомного осаждения образование покрытия происходит
при совмещении процесса вакуумного напыления паров материала 5 с
облучением поверхности образца ионами 3 с энергией 1–10 кэВ. В этом случае
толщина наносимого слоя увеличивается постепенно при одновременном
перемешивании с подложкой. Уже первые единичные осажденные атомы
внедряются
в
подложку
за
счет
ион-атомных
столкновений
в
приповерхностном слое. Поскольку возникающие в результате столкновений
выбитые атомы обладают энергией, превосходящей любой потенциальный
барьер в твердом теле, то такое внедрение оказывается возможным и для
элементов, не растворимых в равновесных условиях.
Ионное облучение благотворно влияет на структуру всего покрытия:
происходит диссоциация субмикроскопических пор, которые возникают при
термолизации осаждаемых атомов, сглаживание рельефа, повышается
сплошность покрытия, снижается его дефектность, уменьшается уровень
внутренних напряжений. Толщина возникающего покрытия определяется
только временем напыления и не связана с энергией ионов. Важным
обстоятельством является также и то, что метод не требует радиационной
защиты персонала, жесткие требования к которой сдерживают широкое
использование первых двух направлений ионной модификации поверхности.
В ИМЕТ им. А.А. Байкова был выполнен цикл исследований по
оптимизации метода ионно-атомного осаждения (сорт, энергия и плотность
тока ионов, отношение потоков ионов и осаждаемых атомов, температура
подложки) с целью получения перемешанного слоя, представляющего
метастабильный твердый раствор, который не испытывает термического
распада ни в процессе осаждения, ни при последующей эксплуатации
(наличие такого распада приводит к потере адгезии и отслаиванию покрытия
от подложки). Были выполнены также исследования ряда модельных
образцов с использованием методов обратного резерфордовского рассеяния,
автоионной
микроскопии,
сканирующей
туннельной
микроскопии,
оже-электронной и рентгеновской электронной микроскопии. Результаты
этих исследований позволили выявить основные механизмы, ответственные
за формирование пограничного перемешанного слоя и его термический
распад, и оптимизировать режимы ионно-атомного осаждения покрытий.
Образцы были получены на серийной установке вакуумного напыления с
использованием
штатного
электронно-лучевого
испарителя.
Ионное
облучение покрытия в процессе его формирования производилось с
помощью источника типа Пеннинга. Энергия ионов инертного газа
варьировалась в пределах от 3 до 10 кэВ. При максимальной мощности
испарителя температура образцов составляла 160±20°С. Исследования
проводились с образцами, на которые наносилось покрытие циркония
толщиной 1 мкм.
Определение
проводилось
в
коэффициента
аккомодации
свободно-молекулярном
кинетической
потоке
азота,
энергии
создаваемом
источником, схема которого приведена на рис. 2 [2, 3]. Основным узлом
источника является стационарный плазменный ускоритель с разгоном
ионного потока, его формированием и последующим торможением в зонах с
замкнутым дрейфом электронов, которые возникают в канале источника в
районе магнитных систем M 1 и М 2 . Ионизация рабочего газа происходит в
разряде между анодом А 1 и катодом-компенсатором (К–К), эмитирующим
тепловые электроны. Скорость ионов на выходе из источника определяется
разностью потенциалов ∆U а между основным А 1 и дополнительным А2
анодами. Поток нейтральных молекул образуется в результате перезарядки
выходящих ионов на нейтральных частицах холодного газа.
Рисунок 2. Источник свободно-молекулярного потока
нейтрального газа
В экспериментах использовался источник, у которого осесимметричный
кольцевой канал имел диаметры 56 и 36 мм. Источник размещался под
экраном с выходным отверстием 40 мм. Разрядные токи составляли
~0,6–1,8 А при следующих анодных напряжениях: основного анода – 130 В,
дополнительного – 80–130 В. Для уменьшения паразитных потоков тепла от
нагретых поверхностей источника его стенки охлаждались водой. Напуск
рабочего газа производился под экран. Скорость молекулярного потока и
величина ρv (ρ – плотность потока, v – его скорость) определялись из
совместных измерений насадком полного давления и крутильными весами.
Приемным элементом весов служил полый цилиндр с коническим дном.
Погрешность определения ρv составляла ±4%. В экспериментах скорость
потока
варьировалась
в
диапазоне
8–12
км/с
при
интенсивности
газодинамического потока на уровне 2·1015 см-2 с-1. Поток имел скоростное
отношение S=V 0 /�2kT/M , равное ~6 (оно определялось по методике [4]).
6T10T
При изменении скорости частиц (что, как уже отмечалось, достигалось
изменением разности потенциалов между основным и дополнительным
анодами источника) поддерживалась постоянной суммарная мощность,
вкладываемая в разряд. Она составляла 300–320 Вт.
Коэффициент аккомодации энергии определялся на основе измерений
тепловых потоков с помощью термоэлектрического датчика, схема которого
показана на рис. 3 [4, 5]. Принцип его действия основан на компенсационном
нулевом методе, когда температура приемной поверхности с помощью
термоэлектрического
охладителя
поддерживается
равной
температуре
окружающей среды (∆Т 1 =∆Т 2 =0) и измеряется мощность W, необходимая
для установления этого равенства. При этом определяется поток энергии к
приемной поверхности Q и плотность энергии в потоке q=Q/S', где S' –
площадь приемной пластины датчика. Оценка коэффициента аккомодации
энергии приводилась по следующей схеме: бралась разность плотностей
тепловых потоков (∆q=q v –q 0 ) при некотором значении ∆U a (10 В, 20 В и т.д.,
т.е. при определенных значениях скорости потока) и при ∆U a =0, когда равен
нулю результирующий эффект действия на частицы электрического поля в
ускорителе. Полученные значения ∆q относились к величинам плотности
потоков энергии, вычисленных по формуле q' v =ρv3/2 для скоростей потока,
соответствующих значениям ~∆U a . Отношение ∆q/q' v принималось за
коэффициент аккомодации энергии α e . Тепловой датчик обеспечивал
измерение тепловых потоков с погрешностью не более 5%.
Рисунок 3. Схема полупроводникового термоэлектрического датчика
тепловых потоков: 1 – приемная поверхность; 2 – термоэлементы
Для исследования влияния последствий нагрева материалов на величину
коэффициента α е контрольные с термопарами и испытываемые образцы
размером 8×18 мм, на которые был нанесен цирконий, монтировались на
белой теплоизолирующей плитке, разработанной для ВКС «Буран», вблизи
(~5 мм) кварцевой лампы термического нагрева, причем одновременно
проводился нагрев образцов, имеющих разные матрицы (медь, алюминий,
нержавеющая сталь). Нагрев осуществлялся при давлении ~2⋅10-5 Тор. Время
экспозиции
составляло
1
ч.
После
нагрева
образцы
охлаждались
естественным путем до комнатной температуры и по мере проведения
экспериментов по определению α е монтировались на термоэлектрическом
датчике тепловых потоков.
На
рис.
4–6
представлены
результаты
измерения
коэффициента
аккомодации энергии для образцов из меди (рис. 4), алюминия (рис. 5) и
нержавеющей стали (рис. 6), как чистых, так и имевших на поверхности слой
циркония, полученные до и после нагрева образцов до температуры
200–500°С для алюминия и 200–700°С для меди и нержавеющей стали. По
горизонтальной оси на графиках отложено значение скорости молекулярного
потока в условиях опыта.
Рисунок 4. Зависимость коэффициента аккомодации энергии
от скорости потока для различных температур прогрева для образца из меди:
а – чистый образец, б–з – образец с покрытием из циркония (б – до нагрева, в – после
нагрева до Т н =200°С, г – 300, д – 400, е – 500, ж – 600, з – 700)
Рисунок 5. Зависимость коэффициента аккомодации энергии от скорости потока
для различных температур прогрева для образца из нержавеющей стали:
а – чистый образец, б–е − образец с покрытием из циркония (б − до нагрева,
в − после нагрева до Т н =200°С, г − 300, д − 400, е − 500)
Рисунок 6. Зависимость коэффициента аккомодации энергии от скорости потока
для различных температур прогрева для образца из алюминия: а – чистый образец,
б–з – образец с покрытием из циркония (б − до нагрева, в − после нагрева
до Т н =200°С, г − 300, д − 400, е − 500, ж − 600, з − 700)
Из представленных экспериментальных данных видно, что значения α е
для чистых поверхностей исследованных материалов практически остается
постоянными при изменении скорости частиц и сохраняются на уровне
единицы (±2–4%). Для поверхностей, покрытых цирконием, коэффициент
аккомодации кинетической энергии существенным образом зависит от
скорости частиц. Так, при скорости потока ~8 км/с он составлял ~0,7 и
увеличивался до ~0,9 при скорости ~12 км/с. При более высоких значениях
скорости имеется тенденция к уменьшению α е (в проведенных опытах этот
эффект был особенно заметен для матрицы из алюминия).
Важным результатом измерений α е , проведенных после прогрева
образцов, является также и то, что зависимости α е (v) оказались устойчивыми
к тепловым воздействиям в указанном выше диапазоне температур. Это дает
основание предположить, что конструкционные элементы, изготовленные с
применением указанной технологии, позволят в перспективе снижать
тепловые нагрузки, обусловленные переносом кинетической энергии
частицами.
Необходимо вместе с тем отметить, что визуальный контроль состояния
поверхности образцов выявил возникновение потемнения алюминиевых
образцов, покрытых цирконием, после нагрева до Т≥300°С. У чистых
образцов из алюминия, а также у чистых и у прошедших ионно-плазменную
обработку образцов из меди и нержавеющей стали состояние поверхности
после нагрева в исследованном диапазоне температур осталось неизменным.
Отметим
также,
что
нанесение циркония
меняет степень
черноты
поверхности основного материала. Так, для нержавеющей стали она
увеличивается в 1,2–1,5 раза, для меди – в 2–2,5 раза.
Список литературы:
1. Морозов Л.И., Есипчук Ю.В., Тилинин Г.Н. и др. // ЖТФ. 1972. Т. 42. Вып. 1. С. 54.
2. Скворцов В.В., Успенский А.А. // Уч. зап. ЦАГИ. 1991. Т. 22. №3. С. 123.
3. Skvortsov V.V., Uspensky А.А. // Contrebuted Papers of XX Internat. Conf. on phonomena
in ionized gases. 1991. V. 4. P. 997.
4. Омелик А.И. // Tp. ЦАГИ. 1977. Вып. 1853. С. 3.
5. Жиляев Р.И., Омелик А.И. // ТВТ. 1973. Т. 11. № 2. С. 380.