Нагрев частиц при плазменном напылении

При плазменном напылении материал покрытия вводят в струю плазмы столба дуги, где он нагревается и ускоряется по направлению к основе.

Плазма – высокоионизированное состояние газа. Носителем зарядов являются электроны и положительно и отрицательно заряженные ионы. Плазма подчиняется большинству газовых законов и во многих случаях ведет себя как газ. Отличается от газа электропроводностью и взаимодействием с магнитными полями. Плазму считают квазинейтральной (как-бы…) системой, суммарный заряд составляющих которой равен 0. Квазинейтральная плазма – плазма, в среднем электрически-нейтральна в достаточно больших объемах или за достаточно большие промежутки времени [1, 11].

Для нанесения покрытий применяют, так называемую, низкотемпературную, неидеальную плазму, сформированную при атмосферном давлении и представляющую высокотемпературный газ с относительно низкой степенью ионизации. Т_плазмы составляет ~ 1 (10³…10⁵) К , т.е. несколько электронвольт (1 эВ ~ 11600 К ). Достоинством такой плазмы являются ее хорошие технологические свойства: высокая энтальпия (теплосодержание) и высокая способность передавать температуру и скорость распыляемым частицам.

Ввиду различия энергии электронов, ионов и др. частиц в плазме различают температуры: Т_е - температура электронов; Т_i - температуру ионов; Т_о - атомную температуру. Обычно Т_е >> Т_i > Т_о . Большая разница между Т_е и Т_i характерна для большинства форм газового разряда и объясняется различием массы электронов и ионов. В плазмотронах используется плазма в диапазоне давлений, определяемых из уравнения[9]:

Р_пл.стр = (1…10) 10⁵ Па

В интервале температур

Т_пл.стр = (2…30) 10^{3 0}К.

Критерием сохранения идеальности плазмы является:

КТ >> U_о ,

где U_о - средняя энергия взаимодействия атомов;

К - постоянная Больцмана (1,381 х 10^-23 Дж/⁰К);

Т - абсолютная температура, ⁰К.

Энергию (температуру плазмы) выражают и в электрон-вольтах:

Т^п_э.в. = (КТ/е), э.в ,

где е - заряд электрона, тогда 1 э.в. соответствует температуре:

Идеальность плазмы (полностью ионизированный газ) обеспечивается при условии:

n << [ R T (z²e²)] ,

где п – число частиц в единицах объема;

z - зарядовое число.

Характер распределения температур в различных зонах плазменного потока приведен на рис. 4.

Рис. 4 – Распределение температур в плазменном потоке

Для параметров плазменной дуги при I_g = 400 А и расходе газа аргона (Ar) максимальная температура в катодной области составляет 32000…3000 К, на выходе из плазмотрона 12000 К и в зоне контакта струи с поверхностью 5000…2000 К.