Экспериментальное исследование взаимодействия плазмы с керамиками

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................................4
ГЛАВА. 1. ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА СТЕНОК РАЗРЯДНОГО КАНАЛА НА РАБОТУ СПД...................................................................16
1.1. Основные процессы генерации плазмы в канале СПД.........................16
1.1.1. Динамика электронной компоненты.......................................20
1.1.2. Формирование потоков плазмы в СПД.....................................27
1;2. Влияние материала стенки на работу- СПД.................................31
1.2.1. Выходные характеристики - тяга, удельный импульс, КПД.................31
1.2.2. Ресурс СПД..............1.............................................36
1.3. Распыление стенок разрядного канала СПД.................................43
1.3.1. Общие закономерности распыления.......................................43
1.3.2. Особенности распыления материалов в плазме СПД........................53
1.4. Материалы, применяющиеся в качестве изоляторов СПД......................55
1.4.1. Методы изготовления технической керамики..............................55
1.4.2. Механическая обработка деталей СПД....................................57
1.4.3. Предполетные механические испытания СПД...............................60
ГЛАВА. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛА СТЕНКИ НА РЕСУРС СПД С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ 62
2.1. Результаты 500 часовых ресурсных испытаний: постановка задачи, поиск методов решения...........................................................62
2.2.Измерение угловой и энергетической зависимости объемного коэффициента распыления керамик на основе нитрида бора - БГП-10 и ВГЧ-05...............70
2.2.1. Особенности измерения объемного коэффициента распыления...............70
2.2.2. Устройство для измерения объемного коэффициента распыления и методика проведения экспериментов...............................................81
2.2.3. Результаты экспериментальных исследований объемного коэффициента распыления керамик на основе нитрида бора - БГП-10 и ВЫ-05...................89
2.2.4. Проверка полученных коэффициентов распыления БГП с помощью полуэмпиричс-ской модели распыления стенки СПД............................................95
2.3. Исследование микрорельефа поверхности стенок разрядного канала СПД; 105
2.3.1. «Нормальная» эрозия, «аномальная» эрозия, «тонкая структура» стенок СПД с высоким удельным импульсом после 500 часовых сравнительных ресурсных испытаний со стенками из БГП и ВЫ-05........................................105
2
2.3.2. Зависимость вида рельефа стенки разрядной камеры от материала, типа двигателя, длительности ресурсных испытаний..............#..........................107
2.4. Измерения параметров плазмы вблизи стенки разрядного канала СПД 122
2.4.1. Методика зондовых измерений параметров плазмы: трудности, результаты экспериментов, оценка погрешности...................................122
2.4.2. Причины близкого ресурса двух СПД со стенками из БГП-10 и BN-05....126
2.4.3. Одномерная стационарная гидродинамическая модель плазмы СПД........129
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭРОЗИОННЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ КЕРАМИК.....................................................133
• I
ЗЛ.Понск перспективных материалов для стенок разрядного канала и других узлов
СПД..................................................................133
3.1.1. Формирование требований к перспективным материалам для стенок разрядного канала СПД..........................................................133
3.1.2. Результаты параметрических и ресурсных испытаний лабораторной модели СПД с мощностью 900 Вт и удельным импульсом свыше 1850 с со стенками разрядного канала, изготовленными из перспективных материалов..................137
3.2. Механическая прочность керамик и поиск методов ее повышения..........146
3.2.1. Результаты механических испытаний перспективных керамик............146
3.2.2. Особенности разрушения хрупких тел с высокой долей h-BN............147
3.2.3. Методы повышения механической прочпости: нанесение покрытий, плазменное распыление, облучение плазмой электронного пучка....................151
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................159
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................160
3
ВВЕДЕНИЕ
Современные тенденции в развитии космических аппаратов выдвигают новые требования к двигателям коррекции орбиты по удельному импульсу (свыше 1800 с) и ресурсу (5... 10 тыс. часов) [1]. Перспективными с этой точки зрения являются холловские двигатели (ХД). В ХД ионы, создающие тягу, ускоряются в скрещенных электрическом и магнитном полях в объеме, ограниченном коаксиальными цилиндрическими стенками в радиальном направлении и кольцевым анодом — с одной из сторон по оси. Через отверстия в аноде подается рабочее тело, как правило, ксенон. Разность потенциалов прикладывается между анодом и катодом-компенсатором, расположенным снаружи двигателя.
ХД принято делить на двигатели с протяженной и короткой зонами ускорения. Первый тип двигателя в технической литературе называют стационарным плазменным двигателем (СПД), а второй - двигателем с анодным слоем (ДАС). Эти двигатели близки между собой но принципу действия и по достигнутым параметрам.
В СПД разрядная камера, выполняется из диэлектрического материала, в ДАС разрядная камера металлическая. Известен также ХД с составной разрядной камерой, основная часть которой выполнена из металла, а диэлектрический материал используется в виде стенок в выходной части канала (общепринятыми названиями этих керамических узлов являются также «кольцо» и «изолятор») [2]. Поскольку разрядная камера содержит как металлические, так и диэлектрические элементы, такой, тип ХД называется холловским двигателем с гибридной схемой разрядного канала. По организации рабочего процесса этот тип двигателя ближе к СПД, но отличается, как минимум, меньшим весом разрядной камеры, более высокой механической прочностью, меньшими стоимостью и сроком изготовления камеры. В данной работе под СПД подразумеваются, как ХД с цельнокерамической, так и с гибридной разрядной камерой.
Опыт, накопленный при отработке ХД, как в России, так и за рубежом, показывает, что одной из основных причин, ограничивающих их ресурс, является эрозия стенок разрядного канала, которая происходит в результате воздействия плазмы ХД. Эрозия вызывает изменение геометрии разрядного канала вплоть до полного износа изоляторов, при котором ионный поток начинает взаимодействовать с элементами магнитопровода, обладающего низкой стойкостью к распылению. Поэтому в большинстве исследовательских работ, посвященных ресурсу ХД, полным ресурсом ХД называют время, после которого начинается интенсивное распыление магнитопровода.
4
Изменение геометрии разрядной камеры и, в меньшей степени, магннтопроводов в ходе работы ХД приводят к перестройке режима работы двигателя и выходу основных его параметров, таких как величина КПД и тяги, за пределы коридора допустимых значений и далее до полной потери работоспособности. Время работы, после которого происходит падение выходных характеристик ниже минимальных заданных техническим заданием, является эффективным ресурсом двигателя.
Рабочим телом летных образцов ХД служит ксенон. В качестве материала стенок разрядного канала на ДАС применяются различные сорта графита [3], на СПД и ХД с гибридной схемой используются керамические композиты: БГП-10 (смесь оксида кремния и нитрида бора с незначительным количеством добавок) [4, 5], нитрид бора высокой чистоты с различными связующими [6, 7], АШ - смесь из нитрида бора и нитрида алюминия [8, 9]. Существующие летные образцы ХД в ходе наземных и космических испытаний демонстрируют значительный ресурс при высоком полном удельном импульсе в широком диапазоне мощности. Например, двигатель PPS-1350 совместной разработки ОКБ «Факел» и компании «SNECMA Motors» мощностью 1350 Вт показал рекордный ресурс в 11,5 тыс. часов в.наземном эксперименте и более 5 тысяч часов ресурса работы в космосе при сохранении работоспособности [10]. Двигатель мощностью 10 кВт, разработанный в научном центре Гленна, [II] успешно отработал в течение 1 тысячи часов. ХД малой' мощности КМ-32 и КМ-45, созданные во ФГУП «Центр Келдыша» прошли 500 и 1000 часовые ресурсные испытания соответственно, и, но оценкам, обладают полным ресурсом не менее 3000 часов. Удельный импульс перечисленных ХД составлял менее 1800 с [12].
Существуют значительные проблемы но достижению ХД малой и средней мощности ресурса величиной несколько тысяч часов при повышении удельного импульса до 1900-2000 с [13]. К числу проблем относятся как быстрая деградация выходных параметров, включая удельный импульс, в первые несколько сот часов работы, так и сокращение полного ресурса двигателя, в силу быстрой выработки стенок разрядного канала.
Удельный импульс тяги ХД является функцией разрядного напряжения. Повышение разрядного напряжения с 300-400 В до 500 и выше обеспечивает рост удельного импульса с 1700 с до 2000 с, и ведет к изменению физики явлений в разрядном канапе, формы и положению слоев в плазме, характерной энергии ионов, температуры электронной компоненты, организации пристеночных процессов. Растет тепловыделение в двигателе, увеличиваются потоки частиц на стенку разрядного канала, интенсифицируются процессы распыления элементов конструкции.
5
I
«
Существует несколько способов решения данных проблем: изменение топологии магнитного поля в разрядном канале СПД [14, 15, 16], оптимизация геометрии разрядной камеры для работы на режимах с повышенным удельным импульсом по принципам, предложенным в [12, 17], поиск материалов повышенной стойкости к плазменно-ионному распылению для стенок разрядного канала [8, 18, 2]. Нынешний уровень аналитических и расчетных моделей плазмы СПД не позволяет предсказывать закономерности формирования распыляющих потоков, описывать деградацию выходных параметров, оценивать полный ресурс с необходимой при разработке двигателей нового поколения точностью. Эти модели позволяют определить тенденции изменения этих величин с ростом разрядного напряжения, которые требуют экспериментальной проверки.
С учетом сказанного выше можно определить цель работы, которая состоит в экспериментальном исследовании процессов распыления стенок разрядного канала СПД с высоким удельным импульсом1 (выше 1800 с) и модификации свойств керамик в результате воздействия плазмой СПД и электронного пучка; в выделении физических механизмов влияния материала стенки на горение разряда в СПД.
Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать энергетические и угловые зависимости коэффициента объемного распыления перспективных керамических композитов ионами ксенона, для чего необходимо создать устройство по измерению объемного коэффициента распыления в плазменной струе СПД.
2. Исследовать локальные параметры плазмы СПД в пристеночной области канала и* скорости уноса керамики стенок для выяснения условий их распыления в двигателе при работе на.режимах с высоким удельным импульсом (свыше 1800 с).
3. Исследовать механизмы влияния состава поверхности стенки и ее рельефа на условия работы СПД для выяснения особенностей процессов переноса заряженных частиц в двигателях с разными материалами стенок разрядного канала.
4. Провести экспериментальные исследования по определению зависимости рабочих параметров СПД от свойств материала стенки для широкого спектра перспективных керамик.
5. Исследовать влияние воздействия плазмы СПД и плазмы концентрированного электронного пучка при атмосферном давлении на изменение механических свойств материала и микрорельефа поверхности.
6
Данная работа выполнялась в рамках научных исследований по совершенствованию ЭРД, осуществляемых в Центре Келдыша под руководством академика А.С.Коротеева и руководителя отдела электрофизики Д.Т.Н., профессора O.A. Горшкова. В проведении работ принимали активное участие к. ф.-м.н. А.А.Шаганда, к. ф.-м.н. Л.С.Ловдов,
Н.В.Блинов, М.Б.Беликов, к.ф.-м.н. Е.Н. Дышлюк, В.И. Ганкин, А.И. Шнырев, Ю.И. Шнырев, Г.Ф. Галкин, И.В. Шпанов и ряд других сотрудников Центра Келдыша.
Всем участникам работ, составивших основу настоящей диссертации, автор выражает искреннюю благодарность. Отдельную благодарность автор выражает работникам лаборатории структурного анализа отдела нанотехнологий Центра Келдыша за помощь в работе с электронным микроскопом.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 170 страниц, включая 87 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 123 наименования.
Материал в работе распределен следующим образом.
Первая глава диссертации^содержит обзор современного состояния исследований в области взаимодействия плазмы с керамиками, применяемыми в качестве материала для изготовления сгенок разрядного каната СГІД.
Рассмотрены такие процессы распыления керамики плазмой как распыление ионной бомбардировкой и эрозия под воздействием высокоэнергетичных электронов. В результате обобщения имеющихся данных принимается, что при энергиях ионов Хе+ менее 1000 эВ, характерных для современных СПД, распыление стенок происходит но сценарию парных взаимодействий и каскадного распыления, а вероятность распыления стенки под воздействием электронной компоненты с характерной температурой до 100 эВ невелика. Рассмотрены результаты распыления различных материалов потоком ионов, полученные к настоящему моменту на различных измерительных установках другими авторами. По результатам рассмотренных работ утверждается, что наиболее стойкими к распылению ионами Хс+ с энергией до 1000 эВ являются керамики с высоким содержанием карбида бора и нитрида бора (отечественные марки БНГП-8, BN-05, СОО, BN-90).
Проанализированы имеющиеся данные по влиянию свойств материала стенки на выходные характеристики СПД. Отмечено, что по результатам экспериментальных и расчетно-теоретических работ основными факторами, определяющими это влияние для керамических материалов, являются коэффициент ВЭЭЭ и рельеф поверхности,
7
изменяющие условия транспорта электронной компоненты плазмы согласно теории «пристеночной проводимости». Рассмотрены имеющиеся работы по измерению коэффициента вторичной электрон-элсктронной эмиссии для керамик и металлов. Указаны достоинства и недостатки некоторых существующих экспериментальных установок, применявшихся при исследовании керамик, предназначенных для использования в СПД.
Обобщены результаты экспериментальных и расчетных исследований распыления стенок разрядного канала СПД. Рассмотрены экспериментальные, полуэмпирические и расчетные модели этих процессов. Указаны физические величины, требующие уточнения для повышения точности этих моделей, а также упрощения, ведущие к понижению точности результатов.
Вторая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям влияния, свойств материала стенки на выходные характеристики и ресурс СПД. В экспериментах использовалась лабораторная модель двигателя, рассчитанного на работу при мощности 900 Вт и напряжении, разряда 500 В: Удельный импульс двигателя в.начальный момент времени составляет не менее 1950 с. Двигатель прошел ресурсные испытания длительностью 500 часов со стенками разрядного канала из БГП-10 и ВМ-05.
В первые 70-80 часов работы внутренняя стенка разрядного канала из ВМ-05 распылялась медленнее, чем из БГП-10. Однако после 100-110 часов работы, скорости распыления сравнялись, и стенка из БГП-10 продолжала распыляться медленнее, чем из ВЫ-05. Сходная картина наблюдалась на наружной стенке, где стенки из БГП-10 и ВМ-05 распылялись одинаково в течении -250 часов, затем стенка из БГП-10 начала распыляться медленнее. При этом на обоих материалах по мере выработки ресурса граница зоны эрозии медленно смещалась к аноду, а выработка ресурса вну тренней стенки была выше, чем наружной. Прогноз ресурса по результатам 500- часовых ресурсных испытаний составил приблизительно 3000 часов, как для БГП-10, так и для ВМ-05. Для обоих материалов основным ограничением ресурса стала выработка внутренней стенки разрядного канала.
По результатам сравнительных 500 часовых ресурсных испытаний установлено, чго осрсдненная по времени величина удельного импульса для СПД с керамикой из ВМ-05 на 100 с выше, чем для СПД с керамикой из БГП-10.
Таким образом, в ходе исследований оказалось невозможным достичь увеличения ресурса СПД только применением более стойкого к ионной бомбардировке материала. Были предложены два возможных подхода к объяснению данного явления:
1. Коэффициенты объемного распыления керамик, использованных для изготовления стенок разрядного канала СПД близки по абсолютным значс1шям, что может быть вызвано:
a. особенностями технологии изготовления ВМ-05, которые, возможно, ведут к снижению коэффициента распыления;
b. формами кривых зависимостей коэффициентов распыления ВМ-05 и БГП-10 от углов падения ионов, такими, что при некоторых углах распыления эти керамики, возможно, распыляются одинаково;
c. болсс сильной зависимостью коэффициента распыления ВМ-05 от температуры, по сравнению с БГП-10 в диапазоне, характерном для температур стенок разрядного канала СДП (450-500 оС).
2. Условия распыления керамик в составе СПД такие, что распыление стенок разрядного канала, изготовленных из БГП-10 и ВМ-05, идет по-разному; в число этих условий входят:
a. в ходе работы на стенках из БГП-10 формируются рельефы, которые ведут к понижению коэффициента распыления;
b. из-за разницы в эмиссионных свойствах керамик, разряд в канале СПД организуется по-разному, что ведет к различной интенсивности распыления.
Для проверки предложенных механизмов были измерены коэффициенты объемного распыления керамик, использованных для изготовления стенок разрядного канала СПД при различных условиях бомбардировки. Были исследованы рельефы поверхности керамик после распыления как в струе СПД, так и в составе стенок разрядного канала, их атомарного состава с помощью оптического и растрового электронного микроскопов. Были измерены параметры плазмы в канале СПД с помощью пристеночных зондов Леигмюра.
Для измерения коэффициента объемного распыления керамик было разработано и изготовлено оригинальное устройство на базе СПД с диаметром средней линии разрядного канала 100 мм. Образцы, представляющие собой диски диаметром 20 мм и высотой 3 мм, подвергались ионной бомбардировке потока ксеноновой плазмы, при этом направление падения потока на поверхность образцов варьировалась от 0 до 70°. Плотность тока ионов в струе контролировалась цилиндром Фарадея, постоянно находящимся на том же диаметре относительно оси двигателя, что и образцы. Испытания проводились на режимах с напряжением разряда 325 В и 500 В. Величина коэффициента
9
I
\
объемного распыления у измерялась в мм3/Кл. Унос вещества образцов определялся взвешиванием образцов до и после экспозиции в плазме. Взвешивания проводились лабораторными весами с погрешностью ~0,5 мг. Во избежание влияния адсорбированного водяного пара на результаты взвешивания взвешивание проводилось для образцов, прокаливаемых до 180-200 °С. В ходе исследований было показано, что материал ВЫ-05 имеет более высокую стойкость (в 1,5-2 раза) по сравнению с БГП-10, особенно при повышенных напряжениях разряда.
Верификация полученных значений объемного коэффициента эрозии БГП-10 была проведена по результатам тепловых расчетов, ресурсных испытаний и измерений параметров плазмы СПД-100 с помощью аналитической модели распыления стенок двигателя. Результаты моделирования потоков тепла оказались близки к полученным в эксперименте.
Исследовались структуры, образующиеся на поверхностях образцов, распыленных в плазме СПД и на стенках разрядного канала СПД. Был исследован качественно химический состав элементов этих структур и показано, что принципиального отличия в величинах объемного коэффициента распылсиии ВИ-05 и БГП-10 в этих условиях нет. Различием распыления в струе двигателя и в составе стенок является формирование двух характерных структур - зубьев «аномальной эрозии» и наноразмерных игл «тонкой структуры». Первая структура вызвана влиянием стоячей волны концентрации электронов, обусловленной взаимодействием аксиального ионного потока с азимутальным током электронов. Вторая - перепыленисм материала стенок друг на друга в условиях постоянного распыления направленным потоком ксеноновой плазмы.
Условия горения разряда в зависимости от материала стенки исследовались с помощью пристеночных зондов Ленгмюра, вмонтированных в наружную стенку разрядного канала СПД. В ходе исследований была показана зависимость осевого положения максимума электронной температуры и электрического поля от первого порога размножения электронов материала стенки. Для материала с меньшей величиной этого порога максимумы зон лежат ближе к аноду. Эта особенность была принята как основное объяснение наблюдаемого явления близости ресурсов для БГП-10 и ВМ-05.
Для получения количественных критериев зависимости положения слоев ускорения и ионизации от свойств материала стенки была разработана одномерная стационарная гидродинамическая модель плазмы СПД. В область расчета модели входил разрядный канал СПД. В модели учитывались однократная ионизация рабочего тела, упругие и нсупругис столкновения электронов с нейтральными частицами, рассеяние электронов и
10
ионов на стенкс с обменом энергией движения. Уравнения неразрывности и сохранения импульса для ионов решались методом Эйлера. В результате были получены осевые распределения параметров плазмы для СПД со стенками из БГП-10 и ВЫ-05. Была отмечена разница в положении зоны ионизации, а также в условиях ускорения ионов для двух различных материалов. Подобная разница объясняется реализацией режима насыщения объемного разряда для стенок из ВЫ-05, в то время как со стенками из БГП такой режим не реализуется. Сильное различие частот столкновений электронов со стенкой для БГП (1 ,8*105Гц) и ВЫ-05 (2,2*105Гц) обуславливает повышенную электронную проводимость для стенок-, из' нитрида бора, смещение максимума частоты ценообразования-и электрического поля к аноду.
Третьи глава диссертации посвящена исследованию влияния1, плазмы СПД и электронного пучка при атмосферном-, давлении на. свойства материала стенки.. Исследуется-также влияние различных материалов-связок и условий изготовления на. механические свойства горячеирессованных керамик, и их функционирование в составе СПД.
Из керамик различных, производителей, технологии изготовления и состава-изготавливались стенки.разрядного канала различных двигателей, после чего проводились параметрические и краткие ресурсные испытания, этих двигателей: В ходе работ было показано, что для. керамик-изоляторов с долей Ь-ВМ. свыше 90% распыление в составе СПД идет одинаково в первые 50-100 часов работы вне зависимости от состава материала либо его пористости. Однако, если пористость материала составляет 30% и выше, то возможно разрушение стенок от воздействия- теплового удара. Показано, что на сегодняшний день единственной отечественной технологией производства керамик для стенок разрядного канала- является горячее: прессование; Были предложены новые материалы, а именно керамики 90% Ь-ВЫ + 10% УгОз и 50% Ь-ВМ+ 50% В4С, способные выступить в качестве замены традиционно используемых пиролитического нитрида бора и графита в составе анодных и катодных блоков СПД.
С целью получения исходных данных о механических свойствах материалов, были проведены измерения предела прочности куба со стороной 5 мм на сжатие ( ), испытания-па изгиб в трех точках ( ), определение ударной вязкости по Шарпи без надреза ( ), измерение поверхностной микротвердости: по Бринеллю (НВ), открытой пористости материала (ф). Результаты механических испытаний представлены, в табл.1. Затем из
11
исследованных материалов изготавливались стенки разрядных каналов СГ1Д мощностью 200 и 500 Вт и проводились параметрические и краткие ресурсные испытания.
Все исследованные керамики вели себя как хрупкие вещества. Было замечено, что при выдающейся стойкости к распылению стенки разрядной камеры из керамик с высоким содержанием h-BN, их стойкость к механическим воздействиям оставляет желать лучшего даже в сравнении с АБН, не говоря о БГП-10 - смесями, из которых изготавливали разрядные камеры летных СПД. Попытки изменить механические свойства материала путем введения дополнительных связок к особым результатам не привели. Исключением является смесь BN-B4C, работа на которой требует конструктивных ухищрений, а главное, принципиально отличается от имеющегося опыта для стенок-изоляторов.
В* ходе исследований было замечено, что, помимо изменения рельефа и состава поверхности, распыление в плазме СПД ведет к повышению механических свойств стенок разрядного канала, изготовленных из керамики.BN-05. Были проведены эксперименты по распылению образца в струе СПД. Образец из материала BN-05 распылялся в течение 5,5 часов при плотности тока 1...5 мЛ/см2 и энергии ионов Хе-ь -300 эВ; Толщина унесенного материала составила -100... 150 мкм. Обработка привела к повышению предела прочности на изгиб в трех точках с 20 до 124 МПа.
Для определения механизма упрочнения была проведена обработка керамики в плазме концентрированного электронного пучка с энергией 100 кэВ при атмосферном давлении. Известно, что при бомбардировке материала электронами происходит разрушение слабых химических связей в поверхностном слое, плазма электронного пучка осуществляет травление поверхности, «подготовленной» первичными электронами. Тепловое воздействие концентрированного пучка приводит к локальным переплаву легкоплавких компонент, снятию остаточных напряжений в детали. При этом интенсивного распыления, сравнимого с бомбардировкой плазмой СПД, ног.
Эксперименты по обработке керамики проводились на установке М-1. Электронный пучок в данной установке формируется в электронной пушке с накальным катодом, откачанной до давления 10-5 Topp. Пучок инжектируется в атмосферу через систему дифференциальной откачки. Обработка проводилась при ускоряющем напряжении 80 кэВ, токе пучка 50 мА. Время экспозиции составило -10 с. Глубину проникновения электронов в материал, с учетом потерь в воздухе, можно оценить, как -20-50 мкм. Обработка поверхности образца из BN-05 плазмой электронного пучка ведет к повышению НВ с 76 до 124.
12
Для проверки влияния насыщения поверхностных слоев образца ВМ-05 переплавленным В203 было проведено глазурирование изделия. Эксперименты были проведены на образцах ВМ-05 с пределом прочности на изгиб 20 МПа. Нанесение глазури из оксида бора привело к повышению этой величины до 73 МПа. Толщина покрытия составила-200...300 мкм.
Таким образом, можно сделать вывод; что повышение прочностных свойств после плазменной обработки вызвано локальным переплавом оксида бора, входящего в ВМ-05. Конкретные механизмы этого повышения прочности требуют дальнейших исследований; Технологические процессы на основе обнаруженных закономерностей были внедрены в технологию изготовления стенок разрядного канала СПД.
Научная новизна. В работе впервые получены следующие результаты:
1. Измерены зависимости коэффициента объемного распыления от энергии и угла падения бомбардирующих ионов . Хе+ для материалов БГП-10 и ВМ-05 для для ускоряющих напряжений холловского источника ионов 325 эВ и 500 эВ и углов 0-70°. Показано,' что для исследованного диапазона энергий и- углов значения коэффициентов распыления ВМ-05 в 1,5-2 раза ниже, чем для БГП-10.
2. Экспериментально показана зависимость осевого положения зоны- максимума электронной температуры и- электрического, поля от коэффициента вторичной электрон-электронной, эмиссии материала стенки разрядного канала СПД. Данная зависимость подтверждена результатами численного моделирования.
3. Обнаружены ранее неизвестные элементы структур «нормальной» и «аномальной» эрозии на стенках из БГП-10, имеющие форму игл с диаметром 50-600 нм и длиной 100-1500 нм. Игольчатая структура занимает от 10 до 30% поверхности стенок разрядного канала СПД, прошедших ресурс 200-500 часов. По результатам аналитических оценок и численного моделирования показано, что возникновение таких игл ведет к затруднению эмиссии вторичных электронов со стенки.
Достоверность полученных результатов подтверждается- путем анализа ншрешностей измерений; сопоставлением, данных, полученных различными экспериментальными способами, сравнением полученных данных с данными других авторов и результатами численного моделирования.
13
Практическая ценность результатов данной работы заключается в следующем:
1. Разработано и испытано устройство для измерения коэффициента объемного распыления керамик, позволяющее за один запуск одновременно подвергнуть воздействию плазмы до 7 образцов с различной ориентацией поверхности по отношению к направлению плазменного потока, при постоянном контроле плотности ионного тока цилиндром Фарадея-и эффективной коллимации данного потока.
2. Полученные зависимости коэффициента объемного распыления ог угла падения ионов позволили повысить достоверность методик предсказания ресурса по результатам укороченных ресурсных испытаний.
3. Показано, что обработка поверхности керамики BN-05 плазмой струи СПД в вакууме или плазмой концентрированного электронного пучка в атмосфере ведет к повышению микротвсрдости образца, его предела прочности на' изгиб в трех точках.
Апробация■ работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 50-ом Международном астронавтическом' конгрессе в 1999 г.; Весенних Встречах Европейского Материаловедческого общества в.2002'и 2004 годах; Межотраслевом научно-техническом семинаре-конференции «Радиационные технологии и установки» в 2004 г.; 30-ой Международной' конференции1 по
электроракетным двигателям в 2007 г.; Научно-технической конференции- - конкурсе молодых ученых, посвященной 75-летию ФГУП «Центр Келдыша» (работа отмечена« дипломом второй степени) в 2008 г.; 18-ой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов РКК «Энергия» в 2008 г. (работы отмечены дипломом второй степени и почетной грамотой); 3-ей Европейской конференции по аэрокосмическим наукам в 2009 г.; 19-ой Международной конференции' по взаимодействию ионов с поверхностью в 2009 г.; научных семинарах Центра Келдыша.
Публикации. Основное содержание и результаты диссертации отражены в 5-ти статьях в реферируемых журналах и 5-ти статьях, вошедших в сборники трудов различных конференций.
На защиту выносятся:
1. Методика измерения коэффициента объемного распыления керамики в струе СПД, устройство, изготовленное для реализации дайной методики, и результаты, полученные на этой установке для материалов BN-05 и БГП-10.
14
2. Результаты сравнительных измерений параметров плазмы СПД со стенками из БГП-10 и В1Чт-05, полученные с помощью зондов Лен гм юра.
3. Результаты исследований микрорельефа стенок разрядного канала двигателей, работающих при различных значениях мощности и удельного импульса, полученные с помощью оптической и электронной микроскопии.
15