Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Влияние технологии осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на качество поверхностного слоя и точность деталей машин 10
1.1 Анализ факторов влияющих на качество деталей при осаждении покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда 10
1.2 Влияние параметров осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на точность деталей машин 12
1.3 Влияние параметров осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на шероховатость поверхности и микротвёрдость покрытия 19
1.4 Анализ моделей осаждения из плазмы вакуумно-дугового разряда и программ для ЭВМ расчёта параметров покрытия 24
Выводы по главе 1 30
Глава 2 Методы и методики экспериментальных исследований 32
2.1 Анализ технических требований к высокоточным деталям с покрытиями 32
2.2 Подготовка образцов 34
2.3 Описание модернизированной установки ННВ 6.6-И1 для плазменно-ассистированного осаждения покрытий 35
2.4 Методика исследования качества поверхностного слоя 36
2.5 Методика исследования точности размеров и формы деталей машин 39
Глава 3 Математическое моделирование роста покрытия, осаждаемого из плазмы ваку умно-дугового разряда
3.1 Разработка модели роста покрытия 41
3.2 Описание детали 42
3.3 Описание движения детали 44
3.4 Описание модели затенения 48
3.5 Описание роста покрытия при осаждении из плазмы вакуумно-дугового разряда 50
Выводы по главе 3 54
Глава 4 Исследование влияния области расположения деталей на качество поверхностного слоя и точность деталей машин 55
4.1 Исследование влияния осаждения покрытия из плазмы вакуумно дугового разряда на точность деталей машин 55
4.1.1 Исследование влияния осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на отклонение формы поперечного сечения цилиндрической поверхности 61
4.1.2 Исследование влияния области расположения деталей при осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на точность 63
4.2 Влияние расположения тонкостенных образцов в вакуумной камере при осаждении покрытия на точность формы 66
4.3 Исследование влияния области расположения обрабатываемой поверхности на шероховатость поверхности и микротвёрдость покрытия, осаждаемого из плазмы вакуумно-дугового разряда 70
Выводы по главе 4 74
Глава 5 Разработка технологии осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на высокоточные детали 75
5.1 Модернизация установки ННВ 6.6-И1 75
5.2 Разработка технологических процессов осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на детали «Стакан» и «Цапфа» .77 5.3 Реализация разработанных технологических процессов осаждения покрытия на детали «Стакан» и «Цапфа» по разработанным
технологическим процессам 80
Выводы по главе 5 82
Заключение 83
Список литературы
- Влияние параметров осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на точность деталей машин
- Описание модернизированной установки ННВ 6.6-И1 для плазменно-ассистированного осаждения покрытий
- Описание роста покрытия при осаждении из плазмы вакуумно-дугового разряда
- Исследование влияния области расположения деталей при осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на точность
Влияние параметров осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на точность деталей машин
Остаточные напряжения сжатия при увеличении расстояния от 22 до 46 см возрастают от 1,8 до 5,5 ГПа в результате деформаций от увеличения удельной поверхности материала покрытия [56], дальнейшее увеличение расстояния до 72 см. приводит к уменьшению остаточных напряжений до 4,5 ГПа. Подобный характер изменения остаточных напряжений приводится в [57].
Таким образом изменение расстояния от источника частиц до поверхности детали приводит к изменению остаточных напряжений и скорости осаждения покрытия. При осаждении покрытия на детали машин необходимо учитывать их конфигурацию и движение в процессе осаждения покрытия.
Осаждение покрытия производится как на неподвижные детали, так и с использованием различных видов вращения деталей. При этом также имеет значение расположение детали на оснастке. Вращение деталей в процессе осаждения покрытия приводит к изменению как условий формирования покрытия, так и расположения обрабатываемых поверхностей относительно источника плазмы. Вращение деталей может быть использовано для осаждения многослойных покрытий требуемого состава [40]. Исследованию влияния конфигурации изделия на параметры покрытия посвящен ряд работ [69]. Установлено, что скорость осаждения покрытия на поверхность образца направленную к потоку частиц превышает скорость осаждения на обратную поверхность в 1,5-2 раза.
Конфигурация изделий может содержать поверхности с различным углом наклона к потоку плазмы, поверхности. Влияние геометрии детали на примере исследования скорости осаждения покрытия на проволочные образцы и исследовалось в работе [73].
Также имеются работы по исследованию скорости осаждения покрытия на внутренние поверхности (полости), на поверхности под различными углами наклона, загруженности вакуумной камеры [48].
Рассмотрим результаты исследований [21], в которых покрытие осаждалось на плоские образцы, расположенные под различными углами к источнику частиц. Анализ влияния угла наклона обрабатываемой поверхности (рисунок 1.6) показывает, что толщина покрытия при угле наклона обрабатываемой поверхности к потоку плазмы 60 уменьшается на 7 %; при угле 30-на 12%, а при угле 0 приводит к уменьшению толщины покрытия более чем в два раза.
Данные показывают, что перемещение обрабатываемой поверхности в процессе обработки приводит к снижению скорости осаждения покрытия до 60 %.
Исследования, приведенные в [69, 77], о влиянии расстояния между деталями малых размеров на скорость осаждения показывают, что скорость осаждения покрытия меняется линейно от 2 до 3 мкм/ч при изменении расстояния от 0,5 до 6,5 мм, при дальнейшем увеличении расстояния скорость стабилизируется.
Таким образом, имеется большое количество исследований влияния режимов осаждения покрытия на скорость осаждения покрытия и точность. Однако вопрос о влиянии технологических режимов осаждения на параметры высокоточных деталей остаётся не исследованным.
В процессе ионной очистки и осаждения покрытий может происходить видоизменение и искажение основного геометрического профиля, полученного при механической обработке.
На шероховатость поверхности оказывает влияние многие факторы: геометрическое и физико-химическое состояние материала покрытия, давление газа [102, 105], условия горения дуги, условия осаждения покрытия, взаимное расположение детали и ускорителя [7, 33].
Таким образом, зная зависимость шероховатости от технологических факторов можно прогнозировать и технологически обеспечивать заданную шероховатость поверхности.
Размеры микрокапельных частиц оказывают существенное влияние на шероховатость поверхности покрытия [3, 16], при этом разлёт капель по объёму вакуумной камеры происходит неравномерно. Угловое распределение толщины покрытия, объема капель, попадающих на единицу объема в единицу времени, а также плотность ионного тока при осаждении покрытия TiN (рисунок 1.7) [71] показывает, что основное количество капель разлетается под углом к оси потока в 20-30. При этом имеет место значительное количество капель в направлении перпендикулярном оси потока плазмы.
При отдалении от источника частиц уменьшается размер микрокапель и снижаются дефекты, возникающие от бомбардировки поверхности детали частицами материала. При расстояниях выше 52 см присутствие капельной фазы оптическими методами не обнаруживается [74].
Неравномерное распределение макрочастиц материала катода приводит к изменению шероховатости поверхности в зависимости от расстояния относительно оси потока рисунок 1.8 [16]. Наибольшая шероховатость получена при углах относительно оси катода «25. а) б) Рисунок 1.7 - Угловые распределения для: а) - скорости роста толщины покрытия; б) - плотности ионного тока j;:l -р= 10 3Па; 2 -р= 0,1 Па; 3 -р= Ша [71] Рисунок 1.8 - Угловые распределения шероховатости молибденовых покрытий, осаждённых при различных расстояниях от поверхности катода R=6,5 мм(1); 11(2); 20(3) [15] Влияние угла наклона поверхности к потоку плазмы на параметры покрытия приведено на рисунке 1.9 [71]. Параметры покрытия в зависимости от угла наклона поверхности к потоку частиц изменяются в широких пределах, что необходимо учитывать при вращении деталей в процессе осаждения. О, та. ел, ,f7HH
Рисунок 1.9 - Зависимость содержания капель в объёме покрытия - 1, плотности покрытия - 2, содержания азота в покрытии - 3 и микротвёрдости покрытий - 4 от угловой координаты а[71]
На шероховатость покрытия оказывает влияние материал катода. Так в работе [20] установлено, что по шероховатости получаемых покрытий, ряд материалов можно представить следующим образом: Ra(Ti) Ra(Cr) Ra(Zr) Ra(Mo).
Влияние вида механической обработки перед нанесением покрытия исследовано в [21, 107] и представлено на рисунке 1.10. Рассмотрены следующие методы обработки образцов: точение, пневмодинамическое упрочнение (ПДУ), шлифование, суперфиниширование (СФ). Осаждение покрытия TiN проводилось при следующих режимах: /р=180 A; Uu = 200 В; Р = 8-10" Па.
Показано, что шероховатость поверхности покрытия зависит как от толщины покрытия, так и от исходной шероховатости и может уменьшаться (при RaHCX 1,6), либо увеличиваться (при RaHCX 1,6). Однако приведенные данные применимы для исходной шероховатости не соответствующего высокоточным деталям.
Описание модернизированной установки ННВ 6.6-И1 для плазменно-ассистированного осаждения покрытий
Высокоточные детали - детали, к поверхностям которых предъявляются следующие требования: точность по 5-7 квалитету, 4-6 степень точности формы, шероховатость поверхности Ra0,04-0,63 мкм. Для таких деталей толщина покрытия (h) численно равна допуску на размер (Т), т. е. Т &h. Таким образом, при нанесении покрытия возникают трудности, связанные с необходимостью обеспечения заданной толщины покрытия при этом размеры детали должны остаться в поле допуска. Высокоточные детали зачастую обладают тонкостенной ажурной пустотелой формой. Контроль размеров и формы таких деталей в серийном производстве затруднён ввиду малых толщин покрытия и их высокой твёрдости. Поэтому для контроля размеров и формы высокоточных деталей необходимо использовать высокоточные средства и методы контроля.
Деталь «Стакан» (рисунок 2.1) является опорой подшипника в составе конструкции вертолетного двигателя. С целью увеличения поверхности контакта детали с подшипником, обеспечения необходимой величины натяга установочные поверхности детали «Стакан» изготавливаются с высокими требованиями к точности размеров (7 квалитет) и взаимного расположения поверхностей (допуск овальности и конусности 8 мкм), шероховатости поверхности под установку подшипника Ra0,8 мкм. Деталь изготавливается из титанового сплава марки ВТ-6.
В процессе работы соединение подшипника с деталью «Стакан» испытывает высокие динамические нагрузки. Износ опорной поверхности детали «Стакан» приводит к возникновению биений, разрушению подшипника и выходу из строя изделия. С целью повышения износостойкости детали «Стакан», увеличения срока службы изделия и периода межремонтного ресурса двигателя техническими требованиями к детали предусмотрено осаждение износостойкого покрытия из нитрида титана толщиной 5 мкм на поверхности под установку подшипника.
Анализ условий работы и конфигурации описанных изделий показывает, что эффективность их работы достигается технологическим обеспечением заданного состава и свойств покрытия при достижении заданной толщины и равномерности. Деталь «Цапфа» (рисунок 2.2) используется в роторе компрессора высокого давления перспективного двигателя ПД-14 планируемого к установке в самолёт МС-21. Материал детали: титановый сплав ВТ8. Деталь имеет поверхности с точностью размеров по 5 квалитету. Шероховатость поверхности шлицев Ra 0,8 мкм.
С целью повышения износостойкости детали «Цапфа», увеличения срока службы изделия и периода межремонтного ресурса двигателя техническими требованиями к детали предусмотрено осаждение износостойкого покрытия из нитрида титана толщиной 2 мкм на шлицы. При этом не допускается осаждение покрытия на другие поверхности. Анализ условий работы и конфигурации описанных изделий показывает, что эффективность их работы достигается технологическим обеспечением заданного состава и свойств покрытия при достижении заданной толщины и равномерности.
Доведение шероховатости поверхности образцов до состояния, поверхности высокоточных деталей перед осаждением покрытия (после обработки шлифованием до RaO,04...RaO,63) производилось на двухдисковом шлифовально-полировальном станке P25FRS Top Tech Machines (рисунок 2.3), обладающего следующими характеристиками:
Для исследования влияния технологии осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на тонкостенные детали изготовлены модельные образцы в виде колец. Кольца получены электроэрозионной резкой. Электроэрозионная резка производилась на модернизированном электроэрозионном копировально-прошивочном станке 4Л721Ф1. При обработке образцов из титанового сплава использовалась приставка для разрушения оксидной плёнки на титане: в начале каждого пакета подавался мощный импульс. Рисунок 2.3 - Двухдисковые шлифовально-полировальные станки P25FRS Top Tech Machines
Модернизированная установка ННВ 6.6-И1 для осаждения покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда Установка ННВ 6.6-И1 предназначена для осаждения упрочняющих одно- и многослойных покрытий на детали диаметром до 200 мм и длиной до 250 мм из плазмы вакуумно-дугового разряда.
Осаждение покрытия на высокоточные детали и обеспечение требуемого качества поверхности на серийной установке ННВ 6.6-И1 затруднительно в связи с недостаточной эффективностью используемого тлеющего разряда, несовершенствами системы дугогашения, приводящими к появлению поверхностных дефектов, а также недостатками системы подачи рабочего газа. Для исключения указанных недостатков была проведена модернизация установки ННВ 6.6-И1, включающая: -разработку, изготовление и установку системы подачи газов для точной регулировки и быстрой смены рабочих газов; -установку плазменного источника «ПИНК», обеспечивающего эффективную очистку обрабатываемых поверхностей потоком Аг при температуре не выше 300С; -установку двухканальной системы напуска газов «ИНЖЕКТ», обеспечивающей стабильность работы плазмогенератора за счёт поддержания давления в камере с точностью до 10" Па.
Описание роста покрытия при осаждении из плазмы вакуумно-дугового разряда
Схема расположения образцов для исследования влияния вида вращения и смещения обрабатываемых поверхностей относительно оси потока частиц на толщину покрытий приведена на рисунке 4.1.
Схема расположения образцов (номерами помечены места крепления) Режимы осаждения покрытия приведены в таблице 4Л. В таблице 4.2 приведены результаты замеров толщины покрытия, а также данные расчета по модели. Таким образом, вращение обрабатываемых поверхностей в процессе осаждения покрытия существенно сказывается на скорости осаждения и толщине покрытия: Таблица 4.1 - Режимы осаждения покрытия для исследования влияния вращения и смещения относительно оси потока
Параллельно потоку 0,7 0,8 0,7 1Д 0,9 - скорость осаждения покрытия на образцы расположенные перпендикулярно и параллельно оси источника частиц отличаются в 2 раза по причине прямого попадания частиц при перпендикулярном расположении и вытягивания частиц из металлической плазмы при параллельном расположении, а также из-за того, что образцы расположенные параллельно направлению потока частиц большую часть времени обращены к источнику; - при расположении образцов перпендикулярно оси потока планетарное вращение приводит к уменьшению скорости осаждения покрытия в 2 раза, вращение на периферии стола в 2,4 раза, вращение вокруг оси стола в центре в 2,46 раза по сравнению с обработкой без вращения образца, расположенного в центре вакуумной камеры (толщина покрытия 4,3 мкм). Это связано с тем, что часть времени образец расположен обратной стороной к источнику частиц; - при расположении образцов параллельно оси потока планетарное вращение приводит к уменьшению скорости осаждения покрытия в 2,3 раза, вращение на периферии стола в 1,9 раза, вращение вокруг оси стола в центре в 3 раза по сравнению с обработкой без вращения образца, расположенного в центре вакуумной камеры (толщина покрытия 2,1 мкм). Это связано с тем, что при вращении происходит «затенение» образцов оснасткой, при этом образцы расположенные на периферии стола большее время находятся обращенными к источнику частиц; - перемещение обрабатываемых поверхностей относительно оси источника частиц приводит к уменьшению скорости осаждения покрытия и полученной толщины покрытия при расположении образцов перпендикулярно оси источника частиц и к увеличению скорости осаждения и толщины покрытия при расположении образцов параллельно оси источника частиц. Это связано с тем, что на образцы, расположенные параллельно оси источника частиц, начинают попадать ионы с источника.
Приведенные данные показывают, что вращение образцов в процессе осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда приводит к уменьшению разницы в толщине покрытия [88, 89], обусловленной постепенным перемещением образцов через области с различной интенсивностью осаждения покрытия. Таким образом, перемещение поверхностей в процессе осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда позволяет уменьшить разнотолщинность покрытия по поверхности. Имеет место разница между расчётными и экспериментальными данными. Это отличие вызвано наличием микрокапельной фазы, полученные данные попадают в диапазон из [74].
На основании анализа экспериментальных данных по осаждению покрытия на цилиндрические втулки, когда оси втулок параллельны потоку плазмы [65] и сравнения с расчётными данными, полученными с помощью программы для ЭВМ (рисунок 4.3) [87], можно сделать вывод, что наибольшее влияние на толщину покрытия оказывает фактор удалённости от катода. Наибольшая разность толщины покрытия проявляется при измерении в двух крайних сечениях. Эта разность составляет на наружном диаметре примерно 1-2 мкм, на внутреннем 2-3 мкм. Толщина покрытия по окружности практически не изменяется. Сравнение экспериментальных и расчётных данных подтверждает адекватность модели реализуемой программой для ЭВМ. Н 1 1 і
Анализ результатов расчёта для экспериментов по осаждению покрытия на цилиндрические втулки, когда оси втулок перпендикулярны потоку плазмы [65] показал (рисунки 4.4-4.5), что основным фактором, вызывающим отклонение формы является неоднородность потока плазмы по сечению. Неоднородность потока увеличивается по мере увеличения тока в катушках магнитной системы, а, следовательно, увеличивается и неравномерность покрытия. При отсутствии тока в магнитной системе на втулках длиной 80... 120 мм неравномерность практически не проявляется. Но с использованием магнитной системы толщина покрытия в местах втулок, приходящихся на центр потока, возрастает.
Исследование влияния области расположения деталей при осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда на точность
Спроектирован участок осаждения покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда, который введен в строй на площадях цеха 4а ОАО «УМПО» (рисунок 5.1). Модернизированная установка ННВ-6.6-И1 позволяет проводить очистку и активацию обрабатываемых поверхностей ионами рабочего газа дуговым разрядом низкого давления, нагрев обрабатываемых деталей для последующего осаждения покрытий потоком электронов, плазменно-ассистированное осаждение покрытий и азотирование поверхностей несамостоятельным сильноточным диффузионным разрядом.
Процесс напыления покрытий основан на сильноточном разряде, горящем в парах материала электродов (катодная форма вакуумной дуги). Плазменный ускоритель служит для генерации металлической плазмы, предварительного ускорения ионов и частичной сепарации капельной фазы. Плазменный ускоритель конструктивно состоит из торцевого катода (из напыляемого материала) и кольцевого анода и представляет собой торцевой холловский ускоритель с развитым анодом. Поджиг дуги осуществляется путем искрового пробоя воздушного промежутка и загорания дуги в парах испаренного материала катода. В установке предусмотрена возможность очистки тлеющим разрядом, очистка и нагрев ионами металла.
Плазменный источник «ПИНК» предназначен для очистки и активации поверхности изделий перед осаждением покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда. «ПИНК» может использоваться также для дополнительной ионизации рабочего газа в процессе напыления покрытий и ассистирования процесса напыления. Использование «ПИНК» позволяет повысить адгезию и получить качественное покрытие на изделиях из металлов и диэлектриков, а также снизить температуру напыления изделий.
Использование термокатода позволяет за счет изменения его эмиссии контролировать ток разряда, реализуя режим несамостоятельного дугового разряда без катодного пятна. Введение полого катода позволило в 2 - 3 раза увеличить ток разряда. Такой разряд, существуя в области давлений 1 - 10"" Па, генерирует газоразрядную плазму с минимальными примесями вещества катода, что весьма важно при использовании его для очистки и активации поверхности материалов и изделий [54].
Плазмогенератор работает следующим образом. После подачи рабочего газа и установления в рабочей камере давления 10" Па включается накал катода и подается напряжение на разрядный промежуток. Происходит зажигание диффузионной дуги низкого давления с накальным катодом.
Деталь «Стакан» изготовлена из титановго сплава BT6 соответствии с чертежом детали «Стакан» (рисунок 5.2) требуется осаждти покрытие из нитрида титана на внутреннюю поверхность 047Н6 - мм (А), длиной 13,5 мм и Б предназначенную под посадку подшипника. Поверхности обработаны шлифованием: скорость вращения детали 40 м/мин; глубина шлифования 0,01 мм/дв. ход, подача поперечная 0,015 мм с шероховатостью Ra 0,63мкм. Допускается осаждение покрытия на всю деталь. К форме поверхности предъявляются требования по точности: допуск овальности и конусообразности 8 мкм. Шероховатость поверхности после осаждения покрытия должна соответствовать Ra0,8 мкм. Толщина стенки составляет 4 мм. Необходимая толщина покрытия 5+ мкм.
При разработке технологии на основе анализа модельных образцов «Кольцо», выбрана схема расположения деталей (рисунок 4.10, б). Для повышения точности формы выбраны многослойные покрытия из нитрида титана с общей толщиной 5 мкм. Схема технологического процесса осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда представлена на рисунке
В соответствии с чертежом детали «Цапфа» (рисунок 5.4) требуется осаждение покрытия из нитрида титана толщиной 2 на фасонные шлицы Эв 127,5 l,5x85S4. Не допускается осаждение покрытия на всю деталь. Шероховатость поверхности после осаждения покрытия должна соответствовать Ra0,8 мкм. Толщина стенки составляет 6 мм. 0.0І5,
По разработанному технологическому процессу обработана партия деталей «Стакан». Осаждение покрытия на детали «Стакан» производилось и учётом данных, полученных с использованием модельных образцов «Кольцо». Покрытие осаждалось по технологии рисунок
Таким образом применение технологического процесса осаждения покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда, основанной на анализе схемы расположения деталей и характера перемещения обрабатываемых поверхностей позволило обеспечить требования чертежа.
В соответствие с разработанным технологическим процессом осаждения покрытия TiN из плазмы вакуумно-дугового разряда обработаны фасонные шлицы детали «Цапфа». Остальные поверхности находились под защитными экранами (рисунок 5.7).
Осаждение покрытия на детали «Цапфа» производилось в соответствии со схемой технологического процесса представленной на рисунке 5.5. Фотографии деталей после осаждения покрытия приведены на рисунке 5.8.
