Проведены экспериментальные исследования сильного локального взаимодействия импульсных микроплазменных разрядов с образцами из стали-45 при возбуждении в разрядах импульсных электрических токов с амплитудами от 100 А до 650 А. В результате микроплазменной обработки на поверхности образцов формируется сплошной переплавленный слой на глубину до 20 мкм с развитым микрорельефом, который характеризуется сильно измененными физическими, микрогеометрическими и триботехническими свойствами металла. Созданный в результате воздействия микроплазменных разрядов на поверхности образцов микрорельеф обладает прочностными свойствами, существенно превосходящими соответствующие свойства стальных образцов, подвергнутых стандартной термической объёмной закалке.
Экспериментально исследованы распространение и структура импульсного микро-плазменного разряда (длительность разряда 100 мкс, амплитуда электрического тока в разряде 200 А), инициируемого на поверхности титанового образца, покрытого тонкой диэлектрической пленкой толщиной около 10 нм, широкоапертурным потоком плазмы c плотность плазмы 21013 см-3 и длительностью импульса 25 мкс. Обнаружено, что свечение микроплазменного разряда визуально в макромасштабе имеет разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен. В результате взаимодействия микроплазменного разряда с образцом титана происходит эрозия его поверхности. При этом эрозионная структура визуально «идентична» структуре свечения разряда и состоит из большого количества отдельных микрократеров с характерными размерами от 0,3 до 10 мкм, локализованных на поверхности металла в пределах области площадью 1 см2. Вся совокупность микрократеров в макромасштабе образует разветвленную структуру типа дендрита. Установлено, что микроплазменный разряд распространяется вдоль поверхности титана, по-крытого тонкой диэлектрической пленкой, со средней скоростью 70 м/с. Причём, распространение микроплазменного разряда имеет «прыжковый» характер: плазма «неподвижных» горящих катодных пятен инициирует возбуждение новых катод-ных пятен на расстояниях локализации 3–30 мкм от них.
Экспериментально исследованы распространение и структура микроплазменного разряда, инициируемого в вакууме импульсным потоком плазмы с плотностью 1013 см–3 на поверхности титанового образца, покрытого тонкой сплошной диэлектрической оксидной пленкой титана толщиной 2–6 нм, при изменении электрического тока разряда от 50 А до 400 А. Интегральное свечение микроплазменного разряда в макромасштабе представляет собой разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен. Возникающая при этом эрозионная структура на поверхности титана «идентична» структуре свечения разряда и состоит из большого количества отдельных неперекрывающихся микрократеров с характерными размерами 0,1–3 мкм, которые образуются в местах локализации катодных пятен на расстояниях до 20 мкм друг от друга. Распространение одиночного микроплазменного разряда по поверхности титана происходит со средней скоростью 15–70 м/с при токах разряда 50–400 А. Распространение микроплазменного разряда в микромасштабе имеет «прыжковый» характер: плазма «неподвижных» горящих катодных пятен, в течение времени их жизни 1 мкс, инициирует возбуждение новых микро-разрядов, которые создают новые катодные пятна на расстояниях локализации от 1 мкм до 20 мкм от первичных катодных пятен. Такой процесс повторяется многократно в течение импульса микроплазменного разряда длительностью от 0,1 мс до 20 мс.
Экспериментально исследована структура свечения микроплазменного разряда, инициируемого в вакууме импульсным потоком внешней плазмы на поверхности титанового образца, покрытого естественной сплошной оксидной пленкой толщиной 2–6 нм. При воздействии плазмы с плотностью около 1013 см–3 и электронной температурой 10 эВ на поверхность образца, с отрицательным потенциалом 400 В относительно потенциала плазмы, внешняя поверхность оксидной пленки приобретает положительный электрический заряд в результате потока ионов из плазмы. При этом внутри диэлектрической пленки возникает сильное электрическое поле около 4 МВ/см. Электрический пробой между заряженной поверхностью пленки и металлом инициирует возбуждение микроплазменного разряда на поверхности титана. Интегральное свечение микроплазменного разряда в макромасштабе представляет собой разветвленную структуру типа дендрита, которая в микромасштабе состоит из большого количества ярко светящихся «точечных» образований – локализованных на поверхности металла катодных пятен и свечения ореола вокруг них. С помощью высокоскоростного фоторегистратора IMACON-468 исследован фрагмент поверхности титана площадью 0,50,4 мм2 в области свечения катодных пятен. На основе анализа оптического свечения катодных пятен на 7 последовательных кадрах фоторегистратора с экспозицией каждого кадра 100 нс и интервалом между кадрами 400 нс рассчитано ожидаемое «время жизни» катодных пятен в интервале значений 0,50,2 мкс. По пространственному распределению свечения микроразрядов определено, что средний диаметр катодных пятен составляет величину около 164 мкм, при этом средний размер светящегося ореола вокруг отдельного катодного пятна достигает значения 100 мкм.
Выполнен расчет электрического поля на поверхности металлического электрода, покрытого сплошной диэлектрической пленкой, и погруженного в плазму, при от-рицательном потенциале электрода , когда параметр e существенно превышает температуру Te электронов ( ). Установлено, что в результате зарядки внешней поверхности пленки толщиной 10–1000 нм потоком положительных ионов из плазмы внутри пленки возникает сильное электрическое поле, величина которого может достигать значений 110 МВ/см при плотности плазмы 10121013 см3 и температуре электронов Te = 10 эВ. В разрывах диэлектрической пленки величина электрического поля соизмерима с величиной поля внутри пленки. На поверхности диэлектрической пленки и на чистой поверхности металла без пленки величина электрического поля в плазме существенно меньше полей внутри пленки. Сильные электрические поля внутри пленки и в ее разрывах могут приво-дить к электрическому пробою внутри пленки или в ее разрывах. Электрический пробой диэлектрической пленки может инициировать униполярные дуги на металлах, возбуждать микроплазменные разряды и образовывать центры взрывной электронной эмиссии на поверхности металлов в плазме.