Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные технологии нанесения покрытий на детали энергетических установок 11
1.1. Современные методы защиты поверхности деталей энергетических установок 11
1.1.1. Эксплуатационные характеристики деталей энергетических установок и применяемые для их изготовления материалы 11
1.1.2. Технологические методы защиты поверхностного слоя деталей энергетических установок 13
1.2. Особенности влияния фазового состава, структуры и " параметров покрытий на их эксплуатационные характеристики 20
1.3. Современные способы нанесения многослойных покрытий в вакууме 34
1.4. Постановка задачи исследования 45
Глава 2. Методики экспериментальных исследований 47
2.1. Объект исследований, механические свойства и химический состав исследуемых материалов и покрытий... 47
2.2. Принцип работы и краткое описание модернизированной установки ННВ 6.6-И 1 51
2.3. Методики исследования свойств вакуумных ионно-плазменных покрытий 56
2.3.1. Вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС) 56
2.3.2. Методика рентгеноструктурного анализа покрытий.. 58
2.3.3. Методика исследования адгезии вакуумных ионно-плазменных покрытий 62
2.3.4. Методика измерения микротвердости 63
2.3.5. Методика коррозионных испытаний 65
3. Ионно-плазменное нанесение многослойных покрытий системы Ti-C-Si в условиях дополнительной ионной бомбардировки 68
3.1. Моделирование процесса формирования и роста многослойного покрытия системы Ti-C-Si 68
3.2. Исследование технологических характеристик графитокремниевого катода 73
3.3. Математическая модель процесса осаждения многослойных вакуумного ионно - плазменного покрытий на основе Ti-(C-Si) с двух электродуговых испарителей 81
4. Исследование свойств многослойных покрытий системы Ti- C-Si 94
4.1. Адгезия осаждаемого покрытия 94
4.2. Результаты масс-спектрального анализа образцов с многослойными покрытиями системы Ti-C-Si 96
4.3. Результаты рентге неструктурного анализа образцов с многослойными покрытиями системы Ті -С-Si 99
4.4. Влияние термической обработки на изменение относительных интенсивностей фаз синтезированного многослойного покрытия Ti-C-Si 106
4.5. Результаты исследования микротвердости образцов с многослойными покрытиями системы Ti-C-Si 109
4.6. Результаты исследования электродного потенциала образцов с многослойными покрытиями системы Ti-C-Si... 116
4.7. Исследование релаксационной стойкости и термостойкости многослойных покрытий системы Ti-C-Si 118
Глава 5. Разработка технологии ионно-пл а змеиного осаждения и термической обработки многослойных покрытий системы 123
5.1. Разработка технологии ионно-плазменного осаждения многослойных покрытий системы Ti-C-Si в условиях плазменного ассистирования и их последующей термической обработки
5.2. Разработка технологического процесса осаждения многослойного покрытия системы Ti-C-Si 131
Основные выводы и результаты работы 135
Список использованных источников 137
- Особенности влияния фазового состава, структуры и " параметров покрытий на их эксплуатационные характеристики
- Методика исследования адгезии вакуумных ионно-плазменных покрытий
- Результаты масс-спектрального анализа образцов с многослойными покрытиями системы Ti-C-Si
- Разработка технологии ионно-плазменного осаждения многослойных покрытий системы Ti-C-Si в условиях плазменного ассистирования и их последующей термической обработки
Введение к работе
/^ ^?
Актуальность темы
При производстве энергетических установок (авиационных газотурбинных двигателей, газотурбинных установок для перекачки нефти и газа, теплоэнергетических станций) все большее применение находят технологии, способные коренным образом улучшить качественные показатели выпускаемых изделий. К таким технологиям, в частности, относятся вакуумные ионно-плазменные методы обработки, позволяющие создавать на поверхности защитные покрытия, обеспечивающие, как следствие, повышение эксплуатационных свойств деталей.
Применяемые в настоящее время защитные покрытия для целого ряда деталей энергетических установок, работающих в условиях высоких температур, нагрузок и агрессивных сред не в полной мере отвечают необходимому комплексу требований по их защите. В связи с чем, продолжается поиск новых способов и процессов нанесения покрытий в направлении создания многослойных композиций, обладающих более высокими эксплуатационными свойствами по сравнению с монослойными.
Карбиды, силициды и карбосилициды металлов обладают уникальным сочетанием высокой твердости, коррозионной стойкости и термодинамической устойчивости, однако получение таких фаз традиционными методами связано с высокой температурой и продолжительностью процесса их синтеза. При этом технологии получения защитных покрытий из таких композиций отсутствуют.
На основе анализа литературных источников и предварительных исследований было высказано предположение (гипотеза) о том, что если осуществить в вакууме ионно-плазменное последовательное осаждение веществ системы Ti-C-Si при их одновременной ионной бомбардировке, то возможно получение многослойного покрытия, содержащего такие фазы как карбиды, силициды и карбосилициды титана, а при последующей термической обработке - регулирование его фазового состава.
Актуальность исследований подтверждается тем, что они включены в Государственную научно-техническую программу академии наук Республики Башкортостан. Это проекты: «Композиционные конденсированные ионно-плазменные покрытия для изделий машиностроения», «Исследование физико-химических закономерностей взаимодействия электронных, ионных и плазменных потоков с поверхностью t*^3"'""4^T*^0^tM*^ffW.1ftTT""<''"'"* и
ся*твмг,, Л
Т*Яиьц
I МММОТСКД | '
» о»
2 разработка проектов электронно-ионно-плазменных технологий», «Многофункциональные ионно-плазменные покрытия для изделий межотраслевого назначения». Исследования выполнялись также по грантам «Ведущие научные школы Российской Федерации» «Исследование и разработка ионно-плазменной технологии создания многофункциональных слоевых покрытий на основе композиции углерод-металл и алюминий — металл» (НШ-294.2003.8) и «Технология ионно-имплантационного модифицирования и ионно-плазменного осаждения покрытий применительно к изделиям новых поколений» (№00-15-99053).
Цель работы: повышение качества поверхностного слоя деталей энергетических установок путем осаждения и термической обработки многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий системы Ti-C-Si.
Основные решаемые задачи:
-
Разработка метода получения многослойных ионно-плазменных покрытий системы Ti-C-Si, содержащих в своем составе карбиды и карбосилициды титана.
-
Исследование химического и фазового состава получаемых многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий.
-
Исследование изменения фазового состава в многослойных ионно-плазменных покрытиях при термической обработке.
-
Исследование свойств многослойных покрытий системы Ti-C-Si, полученных вакуумным ионно-плазменным осаждением и последующей термической обработкой.
-
Разработка технологии осаждения и термической обработки многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий системы Ti-C-Si.
Основные научные результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту
-
Метод и технология ионно-плазменного осаждения многослойных покрытий системы Ti-C-Si в условиях плазменного ассистирования, содержащих карбиды и карбосилициды титана с использованием в качестве катода - графита, пропитанного кремнием и их термической обработки.
-
Математическая модель ионно-плазменного осаждения многослойных покрытий системы Ti-C-Si с двух электродуговых испарителей.
-
Закономерности влияния толщины слоев многослойного покрытия системы T»-C-Si"iia свойства поверхностного слоя.
4. Закономерности изменения свойств поверхностного слоя с многослойными покрытиями системы Ti-C-Si в зависимости от температуры термической обработки.
Научная новизна
-
Впервые разработан метод получения многослойных ионно-плазменных покрытий системы Ti-C-Si, основанный на последовательном осаждении слоев Ті и C-Si из плазмы, генерируемой титановым и графито-кремниевым катодами в условиях дополнительной ионной бомбардировки и их последующей термической обработкой.
-
Впервые установлено, что при осаждении покрытий системы Ti-C-Si методом последовательного осаждения слоев в условиях плазменного ассистирования образуются сложные карбиды и карбосилициды титана.
-
Разработана математическая модель процесса осаждения многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий системы Ti-C-Si с двух электродуговых испарителей, учитывающая положение изделий относительно плазменных потоков.
-
Впервые экспериментально установлено повышение микротвердости, коррозионной стойкости и релаксационной стойкости многослойных покрытий системы Ti-C-Si с уменьшением толщины отдельных слоев до нанометровых значений (30...200 нм). Показано что, изменяя направленным образом параметры покрытия за счет регулирования процесса осаждения, обеспечивается повышение качества поверхностного слоя.
-
Впервые экспериментально установлен диапазон температур термической обработки деталей с многослойными покрытиями системы Ti-C-Si, в котором наблюдается повышение микротвердости, коррозионной стойкости и термостойкости, что объясняется увеличением содержания карбидов и карбосилицидов титана в покрытии и сохранением многослойной композиции. Показано, что регулированием температуры термической обработки позволяет управлять качеством поверхностного слоя.
Методы исследования
В работе использовались методы оценки циклической термостойкости, релаксационной стойкости, измерения электродного потенциала поверхности.
Фазовый состав поверхности образцов с покрытием исследовался методами рентгеноструктурного анализа (дифрактометр ДРОН-4-07), методом вторичной ионной масс-спектроскопии (Полюс-4). Металлографический анализ проводился на микроскопе «METAVAL», измерение микротвердости производилось на приборе ПМТ-3.
Практическая ценность работы
-
Разработан способ вакуумного ионно-плазменного нанесения многослойных композитов, содержащих сложные карбиды (Приоритет № 2004121288 от 12.07.2004).
-
Разработана методика аналитического расчета и выбора технологических характеристик процесса осаждения вакуумного ионно-плазменного покрытия системы Ti-C-Si в зависимости от его толщины и количества слоев.
-
Разработана технология осаждения и термической обработки вакуумных ионно-плазменных многослойных покрытий системы Ti-C-Si применительно к деталям энергетических установок.
-
Разработан и предложен к внедрению технологический процесс нанесения и термической обработки многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий системы Ti-C-Si для защиты лопаток компрессора высокого давления ГТД для ОАО Уфимское моторостроительное производственное объединение. Результаты исследований внедрены в учебный процесс УГАТУ в виде методических указаний к лабораторным работам по специальности 150206 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов».
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской молодежной научной конференции «VI Королевские чтения», Самара - 2001; Пятой международной конференция "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц", Томск -2002; Международной конференции «Материаловедение и современные технологии», Магнитогорск - 2003; Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара - 2003; Международном совещании «Радиационная физика твердого тела», Севастополь - 2004; XI научно-техническая конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Судак - 2004; Региональных научно-технических конференциях, Уфа! - 2000 - 2004 г.г.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и приложений, изложена на 152 станицах, содержит 59 рисунков, 17 таблиц, библиографию из 113 наименований и одно приложение.
Особенности влияния фазового состава, структуры и " параметров покрытий на их эксплуатационные характеристики
Около 75% деталей авиационных двигателей имеют металлические или керамические покрытия для защиты от коррозии, износа и высокотемпературного окисления, а также для специальных целей, например уплотнения.
Выбор материала и способа нанесения покрытия производится с учетом следующих основных положений:
- условия эксплуатации покрываемой детали или узла (температура, условия контакта, среда и др.);
- химическая и металлургическая совместимость материалов покрытия и подложки, которая предполагает образование прочных связей между ними и отсутствие электрохимического взаимодействия. При этом следует учитывать возможность уменьшения прочности сцепления покрытия с подложкой в процессе эксплуатации в связи с возможным выделением на их границе фаз, образованием хрупких соединений, коррозионными процессами и проч;
- возможность нанесения покрытия на данный материал выбранным способом;
- физико-механическая совместимость. Подразумевает близость физических и механических свойств материалов покрытия и подложки, в частности модулей упругости, твердости, коэффициента термического расширения;
- возможность получения структуры покрытия с заданным комплексом свойств;
- возможность нанесения покрытия на деталь данной формы с обеспечением равномерности толщины и свойств. В зависимости от назначения покрытий их заданные функциональные параметры могут быть различными, однако, есть ряд общих характеристик и требований, присущих всем покрытиям.
К таковым относятся [8,11,15,16,18,22,23.29,42,43,75,78,83,92]:
равнотолщинность;
адгезионная и когезионная прочность (хорошее сцепление с подложкой и устойчивость к разрушению по границам кристаллических блоков);
заданный химический и фазовый состав;
размер зерен или блоков, состояние их границ;
ориентация кристаллитов.
Важнейшей проблемой в области защитных покрытий является повышение их физико-механических свойств, что дает возможность поднять эксплуатационные свойства деталей энергетических установок. Это определяет необходимость изучения как закономерностей влияния фазового состава, структуры и параметров покрытия на эксплуатационные характеристики, так и закономерностей изменения структуры покрытий при нагреве.
В зависимости от толщины покрытия могут быть тонкие (до 5 мкм), толстые пленки или покрытия (10 мкм и более), а также- образования промежуточные или средней толщины. Тонкие покрытия в пределе приближаются к двухмерным объектам и их свойства во многом определяются свойствами поверхности и явлениями, на ней происходящими. Толстые покрытия в значительной мере характеризуются объёмными процессами и сходны с монокристаллическими материалами [2,4,7,8,11,14,15,52].
Считается, что преимущество тонких пленок заключается в сочетании высокой прочности и достаточной пластичности в силу меньшего влияния тонкого слоя (из-за масштабного фактора) на свойства подложки и уменьшения вероятности разрушающих напряжений в самом покрытии.
Постоянно обостряющийся дефицит ряда легирующих элементов материалов, применяемых для изготовления деталей энергетических установок диктует необходимость поиска альтернативных материалов [43]. Широкое распространение, например, находят нитридные и карбидные покрытия, что связано с их предельными физико-механическими свойствами и устойчивостью во многих агрессивных средах.
По своим свойствам и строению нитриды весьма похожи на карбиды, однако, между ними существуют определенные различия. Главное различие состоит в сильном снижении связи металл - неметалл из-за уменьшения ковал ентности азота (трехвалентный) по сравнению с валентностью углерода (четырехвалентный) [8,11,16,28,47,57,64,84,102].
Хотя особенность конфигурационного строения нитридов переходных металлов (s р) свидетельствует об их высокой коррозионной стойкости (снижение склонности к твердо- и жидкофазным диффузионным реакциям), необходимо отметить меньшую термодинамическую устойчивость нитридов, по сравнению с карбидами. Практически это означает, что нитриды имеют более низкую по сравнению с карбидами сопротивляемость к высокотемпературному окислению, коррозии. Вместе с тем нитриды имеют и свои преимущества. Они более пластичны и менее хрупки, чем карбиды. Так, например, предел прочности при изгибе TiN равен 240 МПа, а ТІС - 15 МПа [71].
На практике наиболее широко применяются следующие износостойкие покрытия:
Нитрид титана (TiN) - это традиционное, широко применяемое покрытие, наносимое на углеродистую, нержавеющую и быстрорежущую стали, а также на твердые сплавы и керамику (таб. 1.3).
Увеличение толщины наносимого покрытия уменьшает защитные свойства из-за значительных внутренних напряжений.
Области применения: режущий, формообразующий, штамповочный и хирургический инструмент.
Методика исследования адгезии вакуумных ионно-плазменных покрытий
Качество адгезии осажденных покрытий оценивалось косвенно методом изгиба пластин по методике ВИАМ (Всероссийского института авиационных материалов).
Адгезия оценивалась по 4-х-бальной шкале с помощью семикратного увеличительного прибора (рис.2.5):
1. Адгезия отличная - при изгибе пластины под углом 90 не наблюдается разрушение покрытия, не образуются микротрещины.
2. Адгезия хорошая - при изгибе пластины не наблюдается разрушение покрытия, но на изгибаемой поверхности образуются микротрещины.
3. Адгезия удовлетворительная - на изгибаемой поверхности появляются трещины, сколы, возможно частичное отслоение покрытия.
4. Адгезия неудовлетворительная - наблюдается отслоение покрытия по всей изгибаемой поверхности.
Для изучения механических свойств поверхностного слоя образцов проводились исследования микротвердости. Предпочтение этому методу было отдано вследствие того, что он является наиболее точным, простым, не требующим разрушения образцов.
Для испытаний был использован прибор ПМТ-3. Измерения микротвердости проводились путем последовательного вдавливания стандартной 136 алмазной пирамидки (ГОСТ 9450-60)с квадратным основанием нагрузками 0,2, 0,5, 1,0 и 0,20 Н. После приложения к пирамидке нагрузки производили вы 64 держку в течении 5-Ю секунд. Диагонали, полученных таким образом отпечатков, измерялись с помощью 30-кратного эпиобъектива ОЭ-б с апертурой А=0,65 и 15-кратного окуляра-микрометра АМ9-3, обеспечивающим общее увеличение в 485 раз. Значение микротвердости находили по таблицам, зная длину измеренных диагоналей отпечатков и величину прикладываемой нагрузки.
Глубина проникновения индентора рассчитывалась, как отношение половины диагонали полученного отпечатка к половине тангенса 136 (А = 0,5/tg 68, мкм).
Микротвердость образцов измерялась непосредственно на различных участках их поверхности.
Для оценки истинного значения измеряемой величины использовалось среднее арифметическое значение. Для выявления грубых ошибок воспользовались критерием Смирнова, позволяющего производить отбраковку аномальных данных.
Средняя арифметическая величина определяется соотношением:
Если для данного числа измерений п величина % превосходит критическое значение п, то сомнительный результат измерения можно считать грубой ошибкой. В исследованиях вероятность ложной отбраковки анализируемых результатов принималась равной 0,05.
Задачи коррозионных испытаний: получение сравнительных данных о коррозионной стойкости материалов и покрытий в различных средах; изучение кинетики и механизма процессов коррозии [3,50,86,94,104].
О коррозионной устойчивости металлов и сплавов можно судить по их электрохимической характеристике. В ряде случаев определение этой характеристики и характера ее изменения под влиянием коррозионной среды может заменить длительные коррозионные испытания.
Электрохимические свойства металлов изучают в лабораторных условиях за сравнительно короткие промежутки времени, поэтому данный метод можно отнести к ускоренным методам определения коррозионной стойкости материалов в различных средах.
В работе было проведено измерение электродных потенциалов. Определение электродных потенциалов заключается в измерении разности потенциалов между индикаторным электродом и электродом сравнения в отсутствие тока в электрохимической цепи.
Поведение материала в определенном электролите можно охарактеризовать зависимостью образовавшейся силы тока от потенциала металла. Эта зависимость определяется частичными реакциями на аноде и катоде, которые изображаются в форме кривой плотность суммарного тока - потенциал. Такая кривая позволяет сделать вывод о коррозионном режиме различных металлов при изменяющихся условиях в зависимости от потенциала [86,94,104].
Результаты масс-спектрального анализа образцов с многослойными покрытиями системы Ti-C-Si
Исследование фазового состава многослойных покрытий системы Ti-C-Si проводилось на установке «Полюс - 4».
Масс-спектры вторичных ионов, полученные при исследовании материала 12Х2Н4А в исходном состоянии без покрытия, многослойного покрытия Ti-C-Sii с толщиной слоев h = 1-2 мкм и многослойного композита системы Ti-C-Si с толщиной слоев h = 30-100 нм представлены на рис. 4.2 -4.4.
Исследование образцов методом вторичной ионной масс-спектрометрии показало, что пики ионов масс-спектра образцов с многослойным покрытием и многослойным композитом в целом идентичны, но отличаются интенсивностью.
Качественный анализ показал, что в состав покрытия входят фазы как простых соединений - титан, углерод, монокарбид титана, силицид титана, так и сложных карбидов - дикарбид титана, карбосилицид титана.
Количественный анализ масс-спектров (таб.4.1) показал, что интенсивность пиков соответствующих ТІ в покрытии заметно выше, чем интенсивность пиков С. Это может быть связано с большей скоростью напыления Ті по сравнению с C-Si и объясняется большей эрозионной способностью Ті по сравнению с графитом, а также экспериментально установленными оптимальными параметрами процесса напыления покрытия системы Ti-C-Si (Уд=120А(Ті), Уд=50А (C-Si)). Устойчивое горение дуги на титановом катоде обеспечивается при токе 120А, в то время как при Уд 60А на графитокремниевом катоде наблюдается значительное увеличение шероховатости и пористости поверхности вследствие увеличения содержания капельной фазы в продуктах эрозии катода вакуумной дуги, что снижает защитные свойства всего покрытия. По этой причине содержание ионов титана в плазме электродугового испарителя с катодом из титана в несколько раз больше, чем содержание углерода в плазме электродугового испарителя с графито-кремниевым катодом.
Таким образом, при исследовании образцов методом вторично-ионной масс-спектрометрии было получено прямое экспериментальное доказательство образования в поверхностном слое следующих элементов и их соединений: Ті, С , Si, SiC, TiC , TiC2 , Ti2C , TiSi, TiSi2) Ti3SiC2.
Дифрактограммы покрытия Ti-C-Si. Подложка 12X2H4A: a -исходное состояние; б - многослойный композит; в - многослойное покрытие.
На основе полученных дифрактограмм (рис. 4.5 - 4.7) были построены штрихдифрактограммы (рис.4.8) и диаграммы относительной интенсивности фаз покрытия системы Ті - С — Si (рис.4.9), анализ которых показал, что фазовый состав существенно зависит от толщины отдельных слоев и температуры последующей термической обработки (вакуумный отжиг):
- при переходе от многослойного покрытия к многослойному композиту происходит снижение интенсивности ЛИНИЙ, соответствующих Ті, С, SiC и повышение интенсивности линий, соответствующих фазам TiKCz, Тіх8іуСг(рис.4.9).
- присутствие карбосилицида титана свидетельствует о взаимодействии между слоями Ті и C-Si на границе раздела слоев.
— для многослойного композита с ростом температуры термической обработки характерен рост интенсивности линий, соответствующих фазам TixCz, TixSiyCz и снижение интенсивности линий, соответствующих фазам Ті, С, SiC (рис.4.9).
Разработка технологии ионно-плазменного осаждения многослойных покрытий системы Ti-C-Si в условиях плазменного ассистирования и их последующей термической обработки
На основании проделанной работы была разработана технология осаждения многослойного покрытия системы Ti-C-Si, реализованная на модернизированной установке ННВ 6,6-И 1, предназначенной для нанесения покрытий на детали диаметром до 200 мм и длиной до 250 мм.
Сущность предлагаемой технологии осаждения многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий системы Ti-C-Si состоит в том, что в едином операционном цикле предусматривается совмещение дуговых разрядов горящих в парах катодов, выполненных из титана и графита, пропитанного кремнием с несамостоятельным сильноточных разрядом, создаваемым плазменным источником «ПИНК».
Разработанная технология, позволяющая создавать многослойные ионно-плазменные покрытия системы ТІ-C-Si в условиях плазменного ассистирования, основана на следующих физических и химических процессах:
- бомбардировка поверхности несамостоятельным сильноточным диффузионным разрядом производилась с помощью плазменного источника «ПИНК» в среде инертного газа аргона, в результате чего происходит предварительная очистка поверхности;
- дополнительная бомбардировка поверхности несамостоятельным сильноточным диффузионным разрядом;
- испарение материала покрытия в вакууме;
- осаждение ионов на поверхности с формированием слоя покрытия.
Технология предусматривает проведение в одном технологическом цикле предварительную ионную очистку поверхности плазмой несамостоятельного сильноточного диффузионного разряда, нагрев деталей ионами металла, нанесение многослойных покрытий, последующую термическую обработку. Совмещение основных технологических операций, сравнительная простота их реализации в одном вакуумном цикле определяют высокую эффективность ионно-плазменной технологии,
Травление поверхности образцов с целью ее очистки проводится бомбардировкой низкоэнергетическими ионами аргона при давлении 10"1 Па, при отрицательном смещении (1100 В) на подложке. Такой режим аргонного травления позволяет избежать внедрения ионов металлической плазмы на стадии предварительной очистки, исключить привязывание микродуг к поверхности, снизить температуру предварительного нагрева.
Бомбардировка поверхности ионами инертного газа аргона проводится для подготовки поверхности обрабатываемой детали перед нанесением многослойных ионно-плазменных покрытий и заключается в термической активации поверхности и образовании центров зародышеобразования, что в свою очередь обеспечивает высокую адгезионную прочность покрытий.
Напыление многослойных покрытий происходит в процессе последовательного осаждения Ті и C-Si из плазмы, генерируемой электродуговыми источниками, расположенными на боковой поверхности цилиндрической камеры под углом 120 С друг к другу. Следует отметить, что в качестве реагента углерода используется углерод из твердой фазы - графит, в отличие от традиционно используемого ацетилена. Осаждение покрытий осуществляется при одновременном воздействии плазменного источника «ПИНК». В процессе осаждения покрытий осуществляется равномерное планетарное вращение обрабатываемой детали относительно собственной оси и одновременно вокруг оси стола, благодаря чему обеспечивается равномерность распределения толщины формируемых покрытий.
Процесс осаждения слоев на подложку осуществляется при температуре 400 - 450 С. Нагрев обусловлен энергией, приносимой осаждаемыми частицами.
Разработанная технология позволяет получать многослойные композиты с толщинами слоев до 100 нм и многослойные покрытия с микрометровыми слоями, содержащими в поверхностном слое карбиды, силициды и карбосилициды титана. Количество слоев и их толщина задается режимами напыления.
При назначении режимов ионно-плазменного осаждения необходимо учитывать требования, предъявляемые к детали в следующей последовательности:
- параметры режима, обеспечивающие заданные физико-химические свойства покрытий;
- расположение детали и размеры обрабатываемой зоны, обеспечивающие заданную точность;
- при выполнении первых двух условий выбирают режимы с максимальной производительностью;
- коррекция режимов осаждения ионно-плазменных покрытий происходит после проведения пробного запуска установки (для конкретной установки).
Сложность назначения и расчета режимов обработки обусловлена тем, что совместное действие управляющих факторов приводит к большому разбросу параметров покрытий. Точные расчеты возможны только на основе применения ЭВМ. Существующие модели ионного осаждения покрытий, либо не позволяют связать технологические параметры (ток дуги Jd давление реакционного газа Р, потенциал смещения U„, радиус катода, положение детали относительно катода) осаждения покрытий со скоростью роста на локальной поверхности, расположенной в произвольной точке объема вакуумной камеры, либо столь трудоемки, что не позволяют реально применить данные модели. Приведенная в 3 главе математическая модель процесса осаждения многослойных вакуумного ионно-плазменного покрытий системы Ti-C-Si с двух электродуговых испарителей позволяет не только связать технологические параметры (ток дуги J& давление реакционного газа Р, потенциал смещения Un, радиус катода, положение детали относительно катода) с параметрами покрытия, но и производить расчет суммарной толщины осажденного покрытия и толщины слоев, составляющих это покрытие с учетом направленности плазменных потоков и расположения детали.
Зависимости скорости осаждения покрытия от силы тока дуги для титанового и графитокремниего катодов, согласно предлагаемой модели (3.11) представлены на рис. 5.1. Приведенные зависимости позволяют прогнозировать скорость роста покрытия в зависимости от тока дуги электродугового испарителя, что позволяет направленным образом варьировать технологическими параметрами процесса осаждения.
