Газопроницаемость и газовыделение материалов в вакууме

В статье рассматриваются механизмы газопроницаемости и газовыделения материалов в условиях вакуума, особенности растворения газов, в первую очередь водорода, в металлах. Это позволит учесть факторы, влияющие на работоспособность изделий, выработать меры по снижению газопроницаемости, учесть ошибки при обслуживании вакуумных печей с учетом газовыделения конструкционных материалов.

Понимание этих процессов особенно важно при проектировании и эксплуатации промышленных вакуумных печей (см. раздел «Высокотемпературные вакуумные печи») , где стабильность предельного давления, чистота атмосферы и повторяемость термических процессов напрямую связаны с газовыделением конструкционных элементов камеры и оснастки.

Поэтому при разработке вакуумных печей особое внимание уделяется выбору конструкционных материалов, обработке внутренних поверхностей и тепловым режимам, что позволяет снизить газовыделение уже на стадии эксплуатации.

Физическая природа газопроницаемости и газовыделения

Нет конструкционных материалов абсолютно газонепроницаемых, так же нет материалов, хотя бы в какой-то мере не насыщенных газами и не способных отделять их в среднем и высоком вакууме. Нет также и совершенно неиспаряемых материалов при известных температурных условиях в вакууме, поскольку любое вещество обладает ненулевым давлением насыщенного пара, которое возрастает с повышением температуры.

Сорбция, десорбция и влияние температуры

Все материалы, кроме того, имеют способность сорбировать газы, с которыми они соприкасались, и отдавать (десорбировать) их в вакууме. При этом десорбция газов в вакууме протекает с разной интенсивностью при различных температурных условиях и различных давлениях. Следует учитывать, что при понижении давления механизм удержания газа может переходить от объемного растворения к поверхностной адсорбции, а при нагреве резко возрастает скорость термостимулированной десорбции. Именно этим объясняется необходимость вакуумной тренировки печи перед ответственными технологическими процессами. Подробнее о режимах подготовки оборудования — в материале «Вакуумная тренировка печи».

Особую роль в начальной стадии откачки играют водяной пар и углеводороды, адсорбированные на поверхности металла и внутренних элементах камеры. Состояние поверхности (наличие оксидной пленки, загрязнений, шероховатость) существенно влияет на интенсивность газовыделения, что необходимо учитывать при обслуживании и модернизации оборудования.

Растворение и диффузия водорода в металлах

Водород легче других газов растворяется в металлах и проникает через металлические стенки. В реальных условиях растворение молекулярного водорода возможно только после его диссоциации на поверхности металла на атомы. Поэтому внедрение водорода в металл происходит при взаимодействии поверхности металла с атомарным водородом, который может образовываться в результате термической диссоциации, каталитических процессов на чистой металлической поверхности или в условиях ионизированной среды.

Из всех элементов, растворяясь в железе и сталях, атом водорода обладает наибольшей диффузионной подвижностью вследствие своего чрезвычайно малого размера и способности занимать междоузлия кристаллической решетки. Это объясняет его способность быстро распространяться по объему металла даже при умеренных температурах и выделяться в вакууме при нагреве.

Переход молекул через поверхность внутрь металла возможен только после диссоциации молекул водорода на атомы. В связи с этим состояние поверхности и режимы предварительной обработки оказывают существенное влияние на интенсивность водородного газовыделения и на достижимый уровень вакуума в камере. Практические аспекты влияния водорода рассмотрены в статье «Водородная болезнь камер вакуумных установок».

Практический учет указанных факторов при проектировании вакуумных камер, подборе материалов, выборе режимов вакуумной тренировки и термической обработки позволяет повысить стабильность технологических процессов и увеличить ресурс оборудования.

Газовая нагрузка в различных диапазонах вакуума

При эксплуатации промышленных вакуумных печей важно учитывать, что часть газовой нагрузки формируется не из внешней среды, а за счет внутренних конструкционных элементов. Конструктивные решения, применяемые в современных вакуумных печах производства ТУЛА-ТЕРМ, направлены на снижение газовыделения, оптимизацию теплообмена и обеспечение стабильного предельного давления в рабочем объеме.

Федин В.С.

Отдел технолога

ТУЛА-ТЕРМ

От редактора

Практическое значение для эксплуатации вакуумных печей

Важно понимать, что рассматриваемые эффекты, как правило, не являются определяющими в области низкого вакуума. При работе в форвакуумном диапазоне современное насосное оборудование обеспечивает высокую эффективную скорость откачки, и вклад газовыделения конструкционных материалов обычно не лимитирует достижимое давление.

Однако в области высокого и особенно сверхвысокого вакуума именно газовыделение и газопроницаемость начинают определять предельные параметры системы. На практике это часто проявляется в росте давления при выходе на температуру. Здесь проявляются ограничения эффективной скорости откачки, влияние проводимости вакуумной системы, тип загрузки, состояние поверхностей, качество обслуживания и даже погрешности измерительной аппаратуры.

При работе в диапазоне от среднего к высокому вакууму (10⁻³–10⁻⁵ мбар) вклад газовыделения становится сопоставимым с внешней газовой нагрузкой. Именно в этом диапазоне чаще всего возникают сложности. Поэтому при проектировании высоковакуумных систем особое значение приобретают конструктивные решения, направленные на снижение собственной газовой нагрузки оборудования.

Рекомендуемый дополнительный материал:

• Водородная болезнь камер вакуумных установок.
• Вакуумная тренировка печи.
• Высокотемпературные вакуумные печи.