История развития вакуумной техники

     Экспериментальные исследования испарения и конденсации, поверхностных явлений, некоторых  тепловых процессов, низких температур, ядерных и термоядерных реакций  осуществляются в вакуумных установках. Основной инструмент современной ядерной физики — ускоритель заряженных частиц — немыслим без вакуума. Вакуумные системы применяются в химии для изучения свойств чистых веществ, изучения состава и разделения компонентов смесей, скоростей химических реакций.

     Техническое применение вакуума непрерывно расширяется:

     1. В электровакуумных приборах вакуум является конструктивным элементом и обязательным условием их функционирования в течение всего срока службы. Низкий и средний вакуум используется в осветительных приборах и газоразрядных устройствах. Высокий вакуум — в приемно-усилительных и генераторных лампах. Наиболее высокие требования к вакууму предъявляются при производстве электронно-лучевых трубок и сверхвысокочастотных приборов. Для работы полупроводникового прибора вакуум не требуется, но в процессе его изготовления широко используется вакуумная технология. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионного травления, электронолитографии обеспечивают получение элементов электронных схем субмикронных размеров.

     2. В металлургии плавка и переплав металлов в вакууме освобождает их от растворенных газов, благодаря чему они приобретают высокую механическую прочность, пластичность и вязкость. Плавкой в вакууме получают безуглеродистые сорта железа для электродвигателей, высокоэлектропроводную медь, магний, кальций, тантал, платину, титан, цирконий, бериллий, редкие металлы и их сплавы. В производстве высококачественных сталей широко применяется вакуумирование. Спекание в вакууме порошков тугоплавких металлов, таких, как вольфрам и молибден, является одним из основных технологических процессов порошковой металлургии. Сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики изготавливаются в вакуумных кристаллизационных установках. Сплавы с любым соотношением компонентов могут быть получены методами вакуумной молекулярной эпитаксии. Искусственные кристаллы алмаза, рубина, сапфира получают в вакуумных установках. Диффузионная сварка в вакууме позволяет получать неразъемные герметичные соединения материалов с сильно различающимися температурами плавления. Таким способом соединяют керамику с металлом, сталь с алюминием и т. д. Высококачественное соединение материалов с однородными свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка в вакууме. В машиностроении вакуум применяется при исследованиях процессов схватывания материалов и сухого трения, для нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент и износостойких покрытий на детали машин, захвата и транспортирования деталей в автоматах и автоматических линиях.

     3. Химическая промышленность применяет вакуумные сушильные аппараты при выпуске синтетических волокон, полиамидов, аминопластов, полиэтилена, органических растворителей. Вакуум-фильтры используются при производстве целлюлозы, бумаги, смазочных масел. В производстве красителей и удобрений применяются кристаллизационные вакуумные аппараты.

     4. В электротехнической промышленности вакуумная пропитка как самый экономичный метод широко распространена в производстве трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов и кабелей. Повышаются срок службы и надежность при работе в вакууме переключающих электрических аппаратов.

     5. Оптическая промышленность при производстве оптических и бытовых зеркал перешла с химического серебрения на вакуумное алюминирование. Просветленная оптика, защитные слои и интерференционные фильтры получают напылением тонких слоев в вакууме.

     6. В пищевой промышленности для длительного хранения и консервирования пищевых продуктов используют вакуумную сушку вымораживанием. Расфасовка скоропортящихся продуктов, осуществляемая в вакууме, удлиняет сроки хранения фруктов и овощей. Вакуумное выпаривание применяется при производстве сахара, опреснении морской воды, солеварении. В сельском хозяйстве широко распространены вакуумные доильные аппараты. В быту пылесос стал нашим незаменимым помощником.

     7. На транспорте вакуум используется для подачи топлива в карбюраторах, в вакуумных усилителях тормозных систем автомобилей. Имитация космического пространства в условиях земной атмосферы необходима для испытания искусственных спутников и ракет.

     8. В медицине вакуум применяется для сохранения гормонов, лечебных сывороток, витаминов, при получении антибиотиков, анатомических и бактериологических препаратов.

 

     

     4. Виды ВИПТ технологий  применяемые в современной промышленности.

     Современное машиностроение вступило в новую  стадию развития, характеризующуюся  системным комплексным подходом к решению технологических и производственных задач. Это заставляет по-новому подходить к прогнозированию развития и внедрения, вакуумных ионно-плазменных технологий со значительной степенью формализации критериев подхода и применением новых методов решения технологических задач.

     Анализируя  опыт промышленного применения вакуумной  ионно-плазменной (ВИП) технологии в производстве ГТД, можно отметить существенное отставание технологии вакуумной ионно-плазменной обработки от потребностей практики. Это находит свое проявление в невысоком качестве проектирования технологических процессов с применением ВИП - обработки, в отсутствии инженерных методик расчетов ее режимов, загрузки деталей, ожидаемой точности и т.д. [2] 

     4.1 Общая характеристика методов  ВИПТ[5].

     Под вакуумной ионно-плазменной технологией (ВИПТ) понижается совокупность методов  обработки с использованием трех необходимых условий:

     - наличие вакуума в качестве  защитной среды,

     - наличие вещества в плазменном  состоянии,

     - ускорение плазменных потоков  и пучков заряженных частиц  с помощью электрических и  магнитных полей.

     Указанные необходимые условия обеспечивают следующие принципиальные преимущества методов ВИНТ по сравнению с другими методами защиты поверхностей, конструкционных материалов:

     - чистота процессов (при≤10-2 ПА  содержание кислорода в вакуумной  камере на два порядка меньше, чем в аргоне),

     - протекание химических реакций прямого синтеза при смешивании плазменных потоков с газами (получение карбидов, нитридов, карбонитридов металлов),

     - получение веществ, которые не  могут бить получены другими  методами,

     - получение потоков частиц с  практически любой энергией от 102 до 105 эВ.

     ВИПТ  удовлетворяет практически всем критериям прогрессивности технологического процесса:

     - универсальность, т. е. возможность  создания (или замены) защитных покрытий  любого назначения (коррозионно-стойкие,  эрозионно-стойкие, жаростойкие, износостойкие) для большинства деталей ГТД с помощью идентичных технологических приёмов;

     - высокая скорость нанесения покрытий, возможность интенсификации процесса;

     - высокая воспроизводимость  параметров  на каждой операции и практически  100%  выход  годных изделий,

     - возможность составления алгоритма  каждого технологического перехода  и управления всем технологическим  процессом с помощью ЭВМ;

     - возможность быстро перенастраивать  оборудование для изготовления  изделий без существенных затрат;

     - обеспечивает повышение производительности труда;

     - обеспечивает сокращение трудовых  и материальных затрат при  заданном качестве деталей;

     - практически полное отсутствие  экологических проблем, гигиеничность  и комфорт производства.

     В настоящее время ВИПТ позволяет  решать следующие актуальные задачи технологии производства ГТД :

     - изменение химического состава  поверхностного слоя детали (ионное  легирование, изменение стехиометрии  поверхности сложного состава  и т.д.);

     - удаление поверхностных слоев  с деталей практически любой конфигурации (очистка поверхности тлеющим разрядом,  ионным пучком) перед нанесением покрытия;

     - нанесение защитных покрытий  любого заданного состава и  толщины (нанесение многокомпонентных  сплавов, карбидов и нитридов  металлов, химических соединений);

     - полировка поверхности с помощью  ионов низкой энергий;

     - нанесение декоративных покрытий  с высокими потребительскими  свойствами (внешний вид, высокая  коррозионная стойкость,  долговечность);

     - защита материалов барьерными  слоями и многофункциональными  многослойными покрытиями с регулярной структурой;

      -создание новых методов - прецизионной  обработки труднообрабатываемых  материалов (ионное полирование,  ионное травление);

         Отметим ряд приоритетных направлений, которые позволили бы реализовать преимущества ВИПТ.  Совершенствование защитных покрытий в первую очередь неразрывно связано с необходимостью разработки мало операционных технологий. Совмещение нескольких операций в едином объеме вакуумной камеры (очистка, активация, модификация поверхности, нанесение покрытий, последующая термообработка) позволяет разрешить практически все задачи по обеспечению заданных эксплуатационных свойств покрытий. При проектировании технологических процессов целесообразно объединить родственные по физическим принципам режимы операций в ряд групп, которые должны выполняться в одном технологическом модуле.

     Наиболее  перспективна в этом отношении вакуумная  ионно-плазменная обработка, которая  позволяет в одном объеме изменять энергию частиц, род частицы, состав среды и использует в качестве технологического инструмента плазму газового разряда, ионные пучки, плазму в парах металла, тлеющий разряд, электронные лучи, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, лазерный луч и их комбинации. Необходимо создание принципиально нового оборудования, в котором реализуется, принципы интеграции технологических операций в одном пространстве и времени, в результате, протекания нескольких физико-химических процессов (например, одновременно с ионной имплантацией или напылением проводится диффузионный отжиг).

     Рассмотрим  наиболее часто применяемые виды ВИПТ обработки: 

     4.2 Ионная имплантация [6].

     Ионной  имплантацией называется процесс внедрения  в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования.

     Налажено  серийное производство в виде финишной обработки лопаток компрессора  методом усовершенствованной методом  усовершенствованной ионной имплантации  на Уфимском моторостроительном производственном объединении.

     Сущность  ионной имплантации (ионного легирования или ионно-имплантационной металлургии) заключается в бомбардировке имплантируемым веществом подложки (поверхности детали);  при этом ионизированные атомы или молекулы легирующего вещества, внедряясь в приповерхностный слой, застревают в кристаллической решетке мишени, образуют твердые растворы или новые химические соединения. Таким образом, оказалось возможным создавать композиционные системы с уникальными структурами и свойствами, существенно отличными от свойств основной массы детали. Технология имплантационного модифицирования позволяет внедрить в поверхность определенное (заданное) количество практически любого химического элемента на заданную глубину; таким образом можно сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, или легировать одно вещество другим в пропорциях, которых невозможно достичь даже при использовании высоких температур.

     По  сущности протекающих процессов  метод ионного легирования не зависит от пределов химической растворимости, от температуры в процессе имплантации и от концентрации химических элементов (в том числе имплантируемого вещества) на поверхности мишени. Распределение концентрации внедренных атомов по глубине поверхностного слоя в общем случае подчиняется закону Гаусса, характеризуемому средним пробегом и стандартным  отклонением.

     С технологической точки зрения метод  ионного легирования (имплантации) обладает рядом преимуществ:

     - менее длителен процесс легирования  при однородности распределения  имплантированного вещества по поверхности;

<