Определение основных теплофизических параметров процессов плазменного напыления Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013 г. Выпуск 2 (29). С. 7-16

УДК 53.083

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, А. В. Долматов Введение

Одним из способов нанесения покрытий и конструирования функционально-градиентных материалов является плазменное напыление [1]. Прочность сцепления между слоями и основой в технологиях напыления в наибольшей степени зависит от температуры и скорости частиц, транспортируемых плазменным потоком [2]. Оптические методы диагностики газоразрядной пылевой плазмы являются наиболее эффективными для определения основных теплофизических параметров процессов плазменного напыления и стабилизации технологических режимов [3-5].

Цель работы: продемонстрировать новые возможности стабилизации теплофизических параметров в технологиях напыления - температуры и скорости частиц в запыленных потоках времяпролетным (йте-оГ-Ш§к1;) методом и методом яркостной пирометрии [6].

Методика определения температуры частицы в потоке напыления включает измерение интенсивности излучения с помощью высокоскоростной видеокамеры ВидеоСпринт и является развитием методов высокоскоростной микропирометрии, изложенной в работах [7-8].

Техника экспериментальных исследований

Для проведения экспериментальных исследований использовался стенд, (см. рисунок 1), основным элементом которого является высокоскоростная видеокамера «Видео Спринт» на базе МДП-фотодиодной матрицы (КМДП), оснащенная электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) с наносекундным оптическим затвором. Видеокамера была предварительно откалибрована по вольфрамовому температурному эталону ТРУ-1100 как показано на рисунке 2.

Рисунок 1. Экспериментальный стенд: камера - 1, компьютер - 2, монитор - 3, клавиатура - 4, поток частиц в плазме - 6, плазмотрон - 5, инвертор - 7

В оптико-электронном тракте с ЭОП оптическое излучение от исследуемого объекта претерпевает каскад преобразований. Оптическое излучение частиц через объектив высокоскоростной видеокамеры «ВидеоСпринт» падает на фотокатод, преобразуясь в поток электронов, который усиливаясь на микроканальных пластинах попадает на люминофор ЭОП и снова преобразуется в излучение. Затем излучение проецируется на светочувствительную

область матрицы КМДП, где происходит его экспозиция от 20 нс до 20 мкс и регистрация видеосигнала в режиме накопления заряда.

Рисунок 2. Калибровочный график (погрешность 2 %) соответствия яркости пикселей изображения температуре

Оцифровка происходит встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) разрядностью 10 бит; запись видеофайлов - 8 бит. После дискретизации и квантования сигнала в АЦП изображение в памяти видеокамеры представляет собой матрицу, каждый элемент которой является пикселем определённой яркости. Сопоставлением температуры эталона ТРУ-1100 с градациями яркости пикселей изображения, была получена калибровочная шкала, связывающая яркость пикселей изображения и температуру светящегося объекта, регистрируемого видеокамерой на заданной экспозиции.

Физика электронно-оптического преобразования

Первоначально оптическое излучение объекта через объектив видеокамеры попадает на фотокатод ЭОП. Электронно-оптический преобразователь представляет собой вакуумный прибор, внутри которого находятся три электрода, расположенных параллельно друг другу.

Рисунок 3. Устройство ЭОП

Первый электрод (фотокатод) нанесён на внутреннюю поверхность входного стеклянного окна. Этот электрод полупрозрачен. В качестве фотокатодов используются сложные полупроводниковые слои. Процесс фотоэлектронной эмиссии включает в себя:

- проникновение фотонов в глубину фотокатода;

- поглощение фотонов электронами, в результате чего энергия каждого электрона, про-взаимодействовавшего с фотоном, возрастает на величину Ъ\;

- движение электрона с избыточной энергией к поверхности;

- прохождение электрона через поверхностный энергетический барьер и выход его в вакуум [7].

Таким образом, энергия фотона расходуется на выбивание электрона из фотокатода и сообщение ему кинетической энергии. Граничная частота, соответствует порогу возникновения фотоэмиссии (работе выхода электрона из вещества покрытия). Величина фототока зависит от освещённости отдельных участков катода, фототок ¡¿-, возникающий за счёт фотоэлектронной эмиссии, пропорционален световому потоку Ф, считая поток Фпостоянным в течении времени накопления заряда : ^ = £Ф, где: £ - чувствительность фотокатода, обычно измеряемая в микроамперах на люмен.

Спектральные характеристики фотокатодов со стороны коротких волн ограничены коротковолновым пределом оптической прозрачности материала входного окна фотоэмиттера. Длинноволновая граница спектральной характеристики фотокатода Х0 определяется порогом фотоэффекта материала и зависит от его энергетической структуры и состояния поверхности [8].

Выбитые излучением из фотокатода электроны эмитируются фоточувствительным слоем с его противоположной поверхности. Таким образом, изображение объекта, проецируемое на фотокатод, трансформировалось в электронное.

За первым электродом расположен канальный вторичный электронный умножитель -микроканальная пластина (МКП), с помощью которой осуществляется перенос изображения с катода на экран. Кроме того, фотокатод / вход в МКП используется в качестве стробоскопического электронного затвора. Микроканальная пластина предназначена для работы в вакууме в качестве усилителя яркости изображения ЭОП. Усиление основано на явлении вторичной электронной эмиссии.

Зависимость выходного сигнала от напряжения

400 600 800

Напряжение, В

Рисунок 4. Зависимость выходного сигнала от приложенного к МК-пластинам напряжения

МКП - это стеклянный диск, который состоит из микроканальной вставки (МКВ) и монолитного обрамления (МО). МКВ представляет собой сотовую структуру из множества (5009

1000) регулярно расположенных и спечённых вместе шестиугольных микроканальных сот (МКС). На канал подаётся напряжение питания и. Напряжённость этого поля направлена по оси канала от выхода к входу, для перемещения электронов в нужном направлении. Влетающий в канал электрон вблизи входа сталкивается с электронами вещества канала. Если столкновение произошло со связанным электроном, находящимся вблизи поверхности, переходят в более высокое энергетическое состояние. Часть таких электронов перемещается в направлении границы с вакуумом, и если их энергия была больше высоты поверхностного потенциального барьера, переходят в вакуум, составляя поток истинных вторичных электронов.

Число выходящих из канала электронов M >> 1 от попадающего в канал одного электрона и есть коэффициент усиления канала.

Последний электрод (экран) представляет собой тонкий слой специального люминофора, нанесённый на стеклянное выходное окно. Между фотокатодом и микроканальной пластиной, а также между экраном и пластиной для ускорения электронов создаются однородные электрические поля. Усиленный поток электронов с выхода МКП, попадая в ускоряющее поле, образованное источником питания и, падает на экран ЭОП и вызывает соответствующее излучение. Благодаря люминесценции экрана из-за бомбардировки его фотоэлектронами электронное изображение преобразуется в видимое. Процесс катодолюминесценции происходит в три стадии: поглощения быстрого электрона кристаллом; переноса и накопления энергии этих электронов в кристалле; превращения накопленной энергии в энергию световых квантов и последующее их излучение.

Зависимость интенсивности I свечения от плотности тока электронного пучка ] и приложенного напряжения и выражается формулой:

I = к ■ / (] )(и - и о) *

Где * - для разных люминофоров принимает значение от 1 до 3 (в нашем случае q принимает значение равное 1, к -константа, зависящая от природы люминофора, /(¡) - функция, выражающая зависимость интенсивности свечения от плотности тока пучка электронов, и0 -минимальное напряжение, необходимое для прохождения электроном поверхностного слоя.

Рисунок 5. Квантовая чувствительность: 1 - фотокатод 8-20; 2 - спектральное распределение излучения люминофора 2п8-2п8сСи ЭОП;

3 - КМДП МТ9М413

Энергетический выход представляет собой отношение энергии, испускаемой люминофором к энергии электронного пучка, возбуждающего люминофор и равен:

b

el p

Е1 - энергия, излучаемая люминофором, P = Ш - мощность, затрачиваемая на возбуждение люминофора, I - ток на выходе из МКП, U - напряжение на аноде.

Световой поток, излучаемый люминофором равен F = цШ, где щ - табличное значение светоотдачи люминофора. Считывание сигнала с экрана ЭОП происходит фоточувствительной областью КМДП - сенсора.

Сенсор изображений состоит из набора фотоприемников - пикселей, которые образуют прямоугольную матрицу, элементарная ячейка (пиксель), которая, главным образом, включает фотодиод, и транзистор М1, работающий в подпороговой области. При обратном (запирающем) включении диода контактная разность потенциалов увеличивается, и ток основных носителей практически прекращается.

Рисунок 6. Функциональная диаграмма КМДП-сенсора МТ9М413 компании Micron Technologies

При освещении фотодиода светом с энергией квантов Eph, превышающей ширину запрещённой зоны собственного полупроводникового материала, в объёме полупроводника генерируются пары неравновесных носителей тока. В контактном электрическом поле p-n перехода образовавшийся заряд претерпевает пространственное разделение пар: основные заряды остаются в объёме той области, где они возникли; неосновные свободно проходят через p-n переход, так как для них контактное поле является ускоряющим.

Таким образом, неосновные заряды создают внутри p-n перехода дополнительный ток (фототок Iph):

Нагрузочный МДП транзистор T работает в слабой инверсии. Из-за экспоненциальной ВАХ в слабой инверсии, выходное напряжение на затворе T2 логарифмически зависит от фототока Iph. Поэтому, полный ток, равный Iph + IS устанавливает на затворе транзистора Т2 напряжение:

VT2 = Vog = Vdd -nTV ln(^) - VT\

где IT1 - ток, соответствующий пороговому напряжению; УБО - напряжение питания; Vt -температурный потенциал; У0Г1 - пороговое напряжение; ^ - ток утечки (ток насыщения обратного смещения). Когда 13 выключен, 12 отсоединен от шины и не влияет на свое напряжение.

Каждый пиксель сенсора МТ9М413 компании Micron Technologies содержит помимо самой оптической матрицы собственный усилитель, АЦП (аналогово-цифровой преобразователь ACD), логические устройства. Все пиксели выбранной строки соединены с их соответствующими шинами столбца. Пиксели столбца последовательно подключаются к общей шине, по которой сигнал поступает в АЦП. После того, как в каждом пикселе (12*12 мкм) КМДП произошла экспозиционная регистрация сигнала ЭОП, сразу выполняется оцифровка данных аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Видеофайл несжатых цифровых данных сохраняется в формате *.avi с разрядностью 8 бит.

Тепловое излучение светящегося объекта, проходя через микроканальную пластину фотоумножителя, на катоде ЭОП превращается в поток электронов, который попадая в люминофор экрана ЭОП возбуждает люминесцентное излучение линейчатого спектра и регистрируемое КМДП сенсором [9]. В итоге, после обработки сигнала в АЦП изображение представляет собой матрицу, цифровой ответ у каждого пикселя (яркость пикселей) которой пропорционален логарифму поверхностной плотности потока излучения - энергетической освещённости х.

Дополнительно логарифмическая зависимость возникает в результате эффекта компрессирования динамического диапазона выходного оптического сигнала при облучении люминофора потоком электронов, известного как у-коррекция, поэтому константа Ь индивидуальна для каждого типа люминофора, а время послесвечения влияет на аддитивный параметр c.

Экспериментальная методика регистрации треков самосветящихся нагретых частиц в плазме основана на применении специализированных высокоскоростных видеокамер с параллельным считыванием сигнала [10].

Для повышения точности измерения времяпролётных данных о движении частиц применялся оптический затвор с наносекундным быстродействием «Nano Gate», а для увеличения чувствительности при малых временах экспозиции использовался фотоумножитель на мик-

Рисунок 7. Активный пиксель светочувствительной области матрицы компании Micron Technologies КМДП МТ9М413

y = round(cUp(Fadc + GadcVADC )) .

yi = a + b • ln(c + xi).

Обсуждение экспериментальных данных

роканальных пластинах. Примеры регистрации треков представлены на рисунках 9 и 10. В режиме т-кратной экспозиции (мультиэкспозиции) с заданным интервалом тепловое излучение летящей частицы фиксируется на одном кадре т раз (рисунок 11).

Рисунок 9. Регистрация потока нагретых частиц в режиме мультиэкспозиции

Экспозиция: 20.00 мкс

Период: 1.00 мс (У 1л02) ЗРМ-2000-1 БиКгег МеЬо.

и...........1...........1...........S.............1.............1...........\

Два инжектора: расход плазмообразующего газа - 0,9 г/с;

расход порошка - 0,24 кг/час; мощность 50 кВт (МЭВ 50)

Рисунок 10. Пример кадра высокоскоростной видеосъёмки двухфазного потока

Это позволяет провести детальный анализ не только динамического параметра ускорения движения, но и нагрева отдельных частиц в плазме [11].

МгД 1111/ИЧ

Лип

_Н Лт . т

Ог-ч^-

I—

О

Рисунок 11. Стробоскопический эффект при регистрации трека отдельной частицы в потоке низкотемпературной плазмы

На рисунках 12 и 13 приведены результаты обработки стробоскопического трека отдельной частицы с аппроксимацией динамических параметров в виде экспоненциальных решений:

( t Л

UP = Uf 1" *

* \

Т = тг - Т - Т 0)

1 - е

где Ц- и Т/ - локальные скорость и температура плазменного потока; р - плотность газа (плазмы) при температуре потока Т/;. Предполагается, что в начальный момент времени скорость частицы равна нулю, а температура - начальному значению Тр0, в одномерном приближении.

Рисунок 12. Определение температуры частицы по треку

Рисунок 13. Определение скорости частицы по её треку

Приведённая методика эксперимента оправдана при анализе отдельных частиц и слабо запыленных плазменных струй, но при увеличении количества конденсированной фазы необходимо учитывать её взаимодействие с потоком плазмы, который имеет ограниченную нагрузочную и пропускную способность, что отражается в виде фундаментальной диаграммы потока.

Основой физической модели коллективного движения частиц в плазме является представление двухфазного потока, показанного на рисунке 5, в виде движения двух взаимопроникающих континуумов газовой фазы и «псевдогаза» частиц конденсированной фазы, для которой справедливо уравнение непрерывности, описывающее движение потока ньютоновской жидкости, чувствительной к ударным волнам:

где: п = Щ^/У- концентрация частиц в малом измерительном объёме V = А1-8, а величина Б - поперечное сечение потока, А1 - длина измерительного объёма в направлении движения потока, V - скорость потока «псевдогаза».

Зависимость интенсивности потока частиц, пересекающих поперечное сечение измерительного объёма V, от плотности частиц в потоке определяет искомую характеристику:

,

где Q(р) - фундаментальная диаграмма двухфазного потока.

Скорость и плотность частиц на единицу длины потока определяются экспериментально [11], следующим образом:

в результате чего одномерное уравнение непрерывности запишется в виде:

4 К, .V) =

Расчёт погонной плотности и интенсивности потока по экспериментальным данным в нескольких выбранных областях А1, в каждой из которых идёт подсчёт числа частиц и рассчитывается их скорость.

Осиова

Рисунок 14. Схема диагностики распределения скорости частиц конденсированной фазы в потоке плазмы

Таким образом, можно найти интенсивность потока частиц, пересекающих поперечное сечение измерительного объёма V, экспериментально определив среднюю скорость частиц в потоке и их погонную плотность. Вид функции Q(р) определяет ряд важнейших параметров тепломассопереноса в процессе плазменного напыления. Так, например, максимальная скорость плазменного потока на холостом ходу или в слабозапыленных струях определяется начальным наклоном фундаментальной диаграммы Q(р), а предельная пропускная способность переноса частиц конденсированной фазы соответствует максимуму этой диаграммы.

Заключение

Введение поправок на движение частиц в плазменном потоке позволило впервые получить реальные оценки фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазматрона МЭВ-50 в режиме постоянной подачи порошка, что создаёт экспериментальную базу и методологическую основу для последующей разработки обобщённой схемы стабилизации технологического режима и системы автоматического управления в процессе напыления потоками низкотемпературной плазмы [12].

ЛИТЕРАТУРА

1. Hydrodynamic features of the impact of a hollow spherical drop on a flat surface / I. P. Gu-lyaev, O. P. Solonenko, P. Yu. Gulyaev [at al.] // Technical Physics Letters, 2009. - Т. 35, № 10. - P. 885-888.

2. Гуляев, П. Ю. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - № 1.1(35). - С. 144-148.

3. Методы оптической диагностики частиц в высокотемпературных потоках [Текст] / П. Ю. Гуляев [и др.] // Ползуновский вестник. - 2012. - № 2/1. - С. 4-7.

4. Долматов, А. В. Диагностика распределения частиц по температурам в технологии плазменного напыления [Текст] / А. В. Долматов, П. Ю. Гуляев, М. П. Бороненко // Ползуновский альманах. - 2010. - № 2. - С. 71-73.

5. Гуляев, П. Ю. Физические принципы диагностики в технологиях плазменного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - Т. 11, № 5(2). - С. 382-385.

6. Гуляев, П. Ю. Автоматизация контроля теплофизических параметров в технологиях детонационного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - № 1.2(35). - С. 230-233.

7. Гуляев, И. П. Разрешающая способность виртуальных приборов контроля температуры частиц в плазменных потоках по суммарному спектру [Текст] / И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан // Ползуновский альманах. - 2008. - № 2. - С. 13-14.

8. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2008. - Т. 51, № 9-3. - С. 79-87.

9. Гуляев, П. Ю. Пирометрия процесса СВС на основе МДП-фотодиодных матриц в режиме накопления заряда [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Калачев // Ползуновский вестник. -2005. - № 4-1. - С. 171-174.

10. Бороненко, М. П. Определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, А. Л. Трифонов // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. -№ 2(25). - С. 16-20.

11. Евстигнеев, В. В. Регистрация скорости конденсированной фазы импульсных струй [Текст] / В. В. Евстигнеев, П. Ю. Гуляев, Е. В. Шарлаев // Ползуновский альманах. -2000. - № 2. - С. 42-45.

12. Гуляев, П. Ю. Обобщенная схема стабилизации режима и система автоматического управления в режиме низкотемпературного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, М. В. Полторыхин // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова. - 1999. - № 2. - С. 81-82.