Плазменная эрозия относится к деградации материалов, которые часто контактируют с плазмой. Легкие сплавы и другие материалы могут подвергаться химической коррозии, поверхностному растрескиванию, вздутию и охрупчиванию, что может резко сократить срок службы компонентов, используемых в оборудовании для плазменной обработки.
Плазма имеет сотни потенциальных применений. От очистки воды, стерилизации, пассивации поверхности до обработки полупроводников. Но по мере увеличения использования плазмы необходимость сделать эти процессы экономически эффективными и долговечными становится все более важной, а требования к используемым материалам становятся все более жесткими.
Плазменная эрозия — это вид износа, создаваемый именно плазмой. Это происходит, когда поверхности подвергаются коррозии, растрескиваются, вздутия или даже становятся более хрупкими из-за длительного контакта с плазмой. В этой статье мы рассмотрим, почему возникает плазменная эрозия, как ее остановить, а также рассмотрим, как правильное покрытие поверхности может продлить срок службы материалов, контактирующих с плазмой.
Что вызывает плазменную эрозию?
Плазма — это ионизированный газ, в результате которого орбитальные электроны удаляются под действием высокой энергии, например, сильного электрического поля. Плазма обладает высокой проводимостью, обычно горячая и чувствительна к магнитным полям. Для использования плазмы в промышленных целях необходимо высокоспециализированное оборудование. К сожалению, сама природа плазмы означает, что это оборудование имеет тенденцию разрушаться, иногда с поразительной скоростью.
Существует несколько основных причин плазменной эрозии. К ним относятся распыление, униполярные дуги и тепловые импульсы. Эти процессы вызывают испарение поверхности, химическую коррозию, изменение структуры и морфологии поверхности, а также имплантацию атомов из плазмы.
- Распыление — это потеря микроскопических количеств материала из вещества в результате бомбардировки частицами высокой энергии. Ионизированные частицы в плазме сталкиваются с материалом, и энергия, выделяемая при столкновении, может привести к выбросу атомов материала.
- Униполярные дуги могут образовываться в результате разницы электрических полей между плазмой и материалом. Дуги выделяют значительную энергию, которая вызывает локализованную потерю материала в точке взаимодействия дуги с твердым телом. Кратеры часто образуются в структуре поверхности материала.
- Тепловые импульсы генерируются нестабильностями в плазме. Эти интенсивные всплески энергии вызывают локальное плавление и испарение материала. Тепловой импульс также может вызвать внутренние напряжения внутри материала. Потери материала из-за испарения, наряду с плавлением и структурными напряжениями, влияют на эксплуатационные характеристики материала.
- Газовая имплантация происходит, когда ионы и нейтральные атомы плазмы могут поселиться внутри атомной решетки материала. Этот процесс может образовывать межузельные дефекты и изменять структуру поверхности, состав и свойства материала. Если возникает достаточная концентрация межузельных дефектов, они сливаются в мелкие пузырьки или горбы на поверхности материала. Образование пузырей может привести к отслаиванию твердого материала.
- Химическая коррозия/эрозия в основном вызвана высокореактивными химическими веществами, образующимися в плазме. Они реагируют с поверхностью, образуя летучие частицы, что еще больше способствует потере материалов. При более высоких температурах химическая эрозия из-за потери летучих соединений происходит с большей скоростью, чем распыление.
Каково влияние плазменной эрозии?
Для обработки плазмы требуется узкоспециализированное оборудование. Из-за эффектов плазменной эрозии плазменное оборудование обычно имеет короткий срок службы. Например, для отрасли медико-биологических наук это делает стоимость замены и ремонта оборудования дорогостоящей, что вынуждает некоторых рассматривать альтернативные варианты.
Если рассматривать вышеизложенное в контексте, если материал находится в контакте с плазмой во многих промышленных процессах, в которых используется плазма, он может быть серьезно поврежден. Если этот материал используется в критически важном приложении, он может работать неожиданным образом и выйти из строя.
Плазменные процессы используются во многих высокопроизводительных приложениях в таких секторах, как аэрокосмическая промышленность, промышленность и производство потребительских товаров. Понимание плазменной эрозии и ее последствий имеет важное значение для инженеров, использующих материалы, прошедшие плазменную обработку.
Защита легких сплавов от плазменной эрозии
Одним из способов защиты компонентов является обработка их поверхностей подходящим покрытием. Такое покрытие должно:
- Быть чрезвычайно химически стабильным , чтобы противостоять коррозии/эрозии, вызываемой химически активными веществами в плазме.
- Быть термически стабильным , чтобы противостоять воздействию локализованного нагрева и тепловых импульсов.
- Имеют высокую диэлектрическую прочность для защиты от искрения.
- Сопротивляйтесь рассыпанию частиц даже под воздействием частиц высокой энергии.
- Будьте очень чистыми, чтобы избежать возможности попадания каких-либо загрязнений на последующее оборудование.
- Хорошо прилегать к основе, чтобы предотвратить вздутие и отслоение.
Резюме: Защита оборудования от плазменной эрозии
Плазменная эрозия вызывает:
- Потери материала из-за распыления, униполярных дуг, тепловых импульсов, отслаивания и химической эрозии.
- Поверхностное растрескивание в результате химических реакций на поверхности материала, вызванных ионной бомбардировкой, и возникающих в результате межузельных дефектов, изменяющих состав материала.
- Охрупчивание в результате химических реакций, вызванных межузельными дефектами, изменяющими состав материала.
- Вздутие на поверхности материала в результате концентрации межузельных дефектов в подповерхностные пузырьки, которые могут перерасти в отслаивание.
Вышеуказанные эффекты могут стать причиной преждевременного выхода из строя оборудования, используемого при плазменной обработке.
