Application of high energy plasma for smart thermal processing

Abstract

Nano-science & technology is one of the most important 4 scientific fields regarding the technological policy in Japan. Material processing is now progressing towards more precise and controllable smart stage. Regarding thermal processing, an important key should be the applied heat source. And plasma is fundamentally the most superior heat source, because of high temperature, high energy density, easy controllable, etc. Therefore more precious plasma system has been expected for smart thermal processing. The gastunnel type plasma system developed by the author has high energy density and also high efficiency. The concept and the feature of this plasma system are explained and the applications to the various thermal processing are described in this paper. One typical application is plasma spraying of ceramics such as Al 2O3 and ZrO2. The characteristics of these ceramic coatings were superior to the conventional ones. The ZrO2 composite coating has the possibility of the development of high functionally graded TBC (thermal barrier coating). Another application of gastunnel type plasma issurface modification of metals. For example the TiN films were formed in a very short time of 5 s. Finally the development of new type of smart plasma system and application of high-energy plasma to the environmental problems are also discussed.

Нано- наука і технологія є одним з чотирьох найбільш важливих напрямків технологічної політики в Японії. Зараз технологія обробки матеріалів виходить на стадію використання більш точних і контрольованих високоякісних методів. З погляду термічної обробки, ключовим елементом повинне бути джерело тепла. Плазма споконвічно є найбільш зручним таким джерелом завдяки своїй високій температурі, високій щільності енергії, легкої керованості і т.п. Тому передбачається використання більш досконалих плазмових систем для високоякісної термічної обробки. Розроблений автором плазмовий пристрій на основі газового розряду тунельного типу характеризується великою щільністю енергії і високою ефективністю. У представленій роботі описана концепція цього пристрою, його особливості і застосування для різних видів термічної обробки. Типовим застосуванням є плазмове розпилення таких керамічних матеріалів, як Al2O3 і Zr2. Завдяки своїм властивостям ці керамічні покриття мають великі переваги в порівнянні зі звичайними покриттями. На основі композитного покриття з Zr2 можна створити багатофункціональне високоякісне покриття, що створює термічний бар'єр. Ще одним застосуванням плазмового пристрою на основі газового розряду тунельного типу є модифікація поверхні металів. Наприклад, плівки TiN формувалися за дуже короткий час - 5 с. На закінчення обговорюються також розробки нових типів високоточних плазмових пристроїв і використання высокоэнергетичної плазми в задачах, зв'язаних з охороною навколишнього середовища.

Нано- наука и технология являются одним из четырёх наиболее важных направлений технологической политики в Японии. Сейчас технология обработки материалов выходит на стадию использования более точных и контролируемых высококачественных методов. С точки зрения термической обработки, ключевым элементом должен быть источник тепла. Плазма изначально является наиболее удобным таким источником благодаря своей высокой температуре, высокой плотности энергии, лёгкой управляемости и т. п. Поэтому предполагается использование более совершенных плазменных систем для высококачественной термической обработки. Разработанное автором плазменное устройство на основе газового разряда туннельного типа характеризуется большой плотностью энергии и высокой эффективностью. В представленной работе описаны концепция этого устройства, его особенности и применение для разных видов термической обработки. Типичным применением является плазменное распыление таких керамических материалов, как Al2O3 и ZrO2. По своим свойствам эти керамические покрытия обладают большими преимуществами по сравнению с обычными покрытиями. На основе композитного покрытия с ZrO2 можно создать многофункциональное высококачественное покрытие, создающее термический барьер. Ещё одним применением плазменного устройства на основе газового разряда туннельного типа является модификация поверхности металлов. Например, плёнки TiN формировались за очень короткое время - 5 с. В заключение обсуждаются также разработки новых типов высокоточных плазменных устройств и использование высокоэнергетической плазмы в задачах, связанных с охраной окружающей среды.