Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения невозможно без использования технологий поверхностной обработки, ионно-вакуумного нанесения покрытий, лазерной обработки, ионной имплантации, позволяющих радикально изменять свойства поверхностных слоев конструкционных и функциональных материалов. Ионно-вакуумные технологии рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективные для машиностроения, поскольку они позволяют одновременно повышать нзносо- и коррозионную стойкость материала готовых деталей, совмещая тем самым в одном процессе традиционные процессы диффузионного газонасыщения и нанесения гальванических защитных покрытий. При этом ионно-вакуумные покрытия характеризуются более высокими эксплуатационными свойствами, например высокой адгезией, несопоставимой с гальваническими покрытиями, и существенно более низкими температурами процесса по сравнению с диффузионным газонасыщением. Это позволяет повышать свойства поверхностных слоев, избегая ухудшения механических свойств изделия.
Методы вакуумной ионно-плазменной обработки являются также наиболее универсальным и высокоэффективным средством изменения свойств поверхности, вследствие широкого выбора наносимых покрытий и подложек, контролируемости процесса, возможности его автоматизации и экологической чистоты. При этом модифицирование поверхности дает значительное ресурсосбережение как за счет существенного удлинения срока службы изделий, так и за счет экономии дорогостоящих легирующих элементов.
Исследованию структурных, технологических и служебных характеристик ионно-вакуумных покрытий посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых, накоплен большой опыт применения этих покрытий в различных отраслях техники. Эти исследования выявили ряд специфических проблем, сдерживающих более широкое применение ионно-вакуумных технологий в промышленности:
(1)для ряда техпроцессов температура, составляющая 500-600С, вызывает структурные изменения в материале изделия, что приводит к снижению
их механических свойств;
(2) достаточная трудоемкость процесса подготовки поверхности детали
перед нанесением покрытия усугубляется отсутствием объективных
критериев и методов контроля состояния поверхности подложки перед
нанесением покрытия;
(3) реализация технологии для деталей больших размеров и сложной формы
затруднена из-за наличия градиента скорости нанесения покрытий в
различных зонах изделия.
Необходимо подчеркнуть, что эти проблемы имеют еще более выраженный характер для других методов нанесения покрытий, однако только для ионно-вакуумных методов существует принципиальная возможность их решения.
Применяемые современные промышленные установки позволяют обрабатывать лишь ограниченный круг изделий, в основном твердосплавный инструмент и детали авиационной техники из жаропрочных сплавов, которые допускают нагрев до высоких температур. Основная же номенклатура деталей и изделий, поверхность которых требует модифицирования, не допускает нагрева до температур свыше 200-300С из-за возможных изменений структуры. Использование разработанного оборудования и технологии в авиастроительных, машиностроительных и других отраслях промышленности в условиях недостаточно жесткого соблюдения вакуумной гигиены для обработки крупногабаритных изделий и материалов с большой производительностью не представляется возможным вследствие их узкой специализации.
Дальнейший прогресс вакуумных нонно-плазменных технологий во многом определяется решением проблем подготовки и активации обрабатываемых поверхностей, совмещенных с технологическим циклом нанесения покрытий, а также с разработкой методов оценки эффективности этих процессов. Это позволит формировать покрытия высокого качества и стабильно получать высокие значения адгезионной прочности покрытия с подложкой.
Таким образом, проблема установления закономерностей формирования структуры и свойств нонно-плазменных покрытий на сплавах и сталях и совершенствование на этой основе технологических процессов нанесения
функциональных покрытий на детали и изделия машиностроения, а также разработка методов контроля качества покрытий на различных этапах производства, является актуальной.
Цель работы состояла в установлении закономерностей формирования фазового состава, структуры и комплекса физико-механических свойств нонно-плазменных покрытий и совершенствовании на этой основе технологии нанесения покрытий налетали широкого применения и инструмент.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Установить физико-химические закономерности формирования нонно-вакуумных монослойных и многослойных покрытий различного функционального назначения с заданным уровнем и стабильностью эксплуатационных свойств.
-
Разработать эффективный источник газоразрядной плазмы, обеспечивающей низкотемпературную очистку и активацию поверхности деталей в вакуумной камере.
-
Разработать методы и оборудование неразрушающего контроля качества подготовки поверхности подложки и нанесения покрытий.
-
Основываясь на установленных закономерностях изменения структуры и свойств при формировании покрытий различного функционального назначения, разработать технологические процессы нанесения покрытий на широкую гамму конструкционных металлических и диэлектрических материалов, включая цикл с низкотемпературной очисткой и активацией поверхности.
Научная новизна состоит в следующем:
1. Показано, что формирование многослойных нонно-плазменных покрытий, представляющих собой последовательное чередование функциональных и демпфирующих слоев типа Me-MeN-Me-MeN, обеспечивает повышение антикоррозионных свойств сплавов и сталей, обусловленное минимизацией микропор до концентраций 5*10"2 мм"2, устранением структурной неоднородности поверхностных слоев покрытия, уменьшением величины остаточных макронапряжсиий, а также удалением поверхностных дефектов подложки при
ионной очистке и активации поверхности перед нанесением покрытия.
2. Установлено, что максимальная коррознонно-износостойкость многослойных ионно-плазмеиных покрытий Ti-Ti2N-Ti-TiN-Ti-TiN обеспечивается гскстурой с преимущественными кристаллографическими ориентировками (11 20) в первичном слое титана и (111) - в нитриде титана - относительно границы раздела покрытие-подложка. Наличие слоев с ориентировками (11 20)ті // (110)xt2N И О'!) способствует возникновению минимальных термических напряжений на границе раздела фаз и, как следствие, формированию минимальных величин остаточных макронапряжений.
-
Показано, что повышение характеристик малоцикловой усталости, конструкционной прочности и износостойкости деталей из сплавов и сталей с многослойными покрытиями происходит не только за счет устранения микропор и структурной неоднородности, но и за счет создания в покрытиях сжимающих напряжений, величина которых может достигать 10 ГПа.
-
Разработан неразрушающий экспресс-метод определения толщины покрытий на деталях различной формы и размеров с точностью 0,2 мкм, основанный на эффекте поглощения материалом покрытия рентгеновского флюоресцентного излучения, возбужденного в одном из элементов подложки. Этот метод, в отличие от радиационного, позволяет измерять толщины покрытий на сталях, медных и никелевых сплавах, а также твердых сплавах. Модификация метода, основанная на измерении интенсивности флюоресцентного рассеяния на элементах покрытия, позволяет проводить измерения толщины покрытий также на неметаллических подложках.
-
Исследование фазового состава, текстуры, остаточных напряжений и характеристик субструктуры многокомпонентных покрытий позволили установить кристаллохимические закономерности формирования в них нанокристаллических структурных состояний, обладающих высокими коррозионно-износостойкими свойствами: добавление легирующих атомов, дающих фазы внедрения, изоморфные с фазами внедрения основного компонента и отличающиеся параметром решетки менее, чем на 10%, приводит к формированию дисперсной структуры многокомпонентных покрытий. При этом важно, чтобы параметры
решетки фаз внедрения легирующих и основного компонента отличались в ту или другую сторону. На этой основе разработано многокомпонентное покрытие Zr-Nb-N-C с дисперсной структурой (3-5 им), состоящее на 80-90% из фазы с решеткой типа NaCl на основе ZrN, в которой растворены изоморфные фазы: ZrC, NbN и NbC, отличающиеся параметрами решетки на +2, -3,6 и -3,1% соответственно; остальные 10-20% составляют не растворимые в ZrN фазы NbN с гексагональной решеткой. Выдержка после нанесения покрытий в течение нескольких часов приводит к их частичной структурной релаксации, стимулированной высокими сжимающими остаточными напряжениями (8-12 ГПа), которая сопровождается увеличением размера частиц до 6-8 нм, переориентацией частиц в пределах 5-10 и повышением износостойкости покрытий.
-
На основании исследований оксидов исходной поверхности различных сплавов и сталей при технологическом нагреве показано, что в интервале температур 250-400С плотность оксидов нарушается, и наличие таких дефектных оксидов не препятствует формированию диффузионной зоны металл - покрытие. Проведение предварительного нагрева подложки и активации поверхности в интервале температур, обеспечивающих высокую дефектность оксида, позволило более обосновано подойти к выбору температурного режима формирования покрытия, сохраняющего поверхностную структуру исходного материала.
-
На основании проведенных в течение 10 лет испытаний установлено, что высокие сжимающие остаточные макронапряжения в TiN покрытиях способствуют диффузии элементов покрытия в подложку, при этом диффузия атомов титана доминирует, что приводит к снижению его концентрации в покрытии от 58 до 50 ат %. Величина диффузионной зоны за исследованный период увеличилась в 2-3 раза. Наличие на границе подложка/покрытие буферного запирающего слоя из a-Ti препятствует диффузии атомов титана из покрытия, поскольку изменяет на противоположный градиент концентрации атомов титана на границе TiN/Ti, что способствует стабилизации химического состава покрытия.
Практическая значимость работы: На основании проведенных исследований разработаны многослойные композиционные покрытия различного функционального назначения. Коррозийно-износостойкие покрытия на основе Ті -Ti2bl - Ті -TiN с высоким уровнем защитной способности явились базовыми для обеспечения работоспособности стандартизованной арматуры ниппельных соединений и были внедрены в стандарты (ОСТ 1.14027; 1.14520; 1.14521; 1.14522 - 88), а также в 21 стандарт фланцевых, тройниковых, уголковых элементов соединений трубопроводов и соединительных крестовин. Для обеспечения производства данных соединений на базе проведенных исследований были разработаны технологические рекомендации (ТР 1.4.1580-86), а также директивные отраслевые технологии. По результатам исследования защитной способности ионно-вакуумных покрытий совместно с ГНЦ ВИАМ были разработаны методические указания (МУ 7.1814.4010.598), а также технологические рекомендации по удалению дефектных покрытий.
Проведенные исследования формирования низкотемпературных покрытий явились основой для создания класса индикаторных покрытий на мерительный инструмент, где толщина покрытия равна допуску на износ, а нанесение промежуточного буферного слоя позволяет удалять отработанные покрытия без разрушения подложки, обеспечивая многократность ее применения (директивный технологический процесс «Вакуумные ионно-плазменные покрытия. Нанесение индикаторного покрытия нитрида титана на рабочую поверхность мерительного инструмента», 1988).
Разработан и изготовлен прибор для оценки энергетического состояния поверхности на основе метода контактной разности потенциалов. По величине изменения приведенного поверхностного потенциала определена количественная величина технологического воздействия на поверхность при различных этапах формирования покрытий.
Разработанные в ходе исследования приборы и методы оценки качества покрытия позволили широко внедрить в авиационной отрасли ионно-вакуумные покрытия на деталях широкого применения (методические материалы ММ 1.4.2056.2000; ММ 1.4.2057.2000). Разработанный модуль низкотемпературной
очистки и активации поверхности «Плагус» позволил обеспечить нанесение всех видов покрытий на металлы и диэлектрики, и тем самым перевести стандартный метод ионно-ваккумного напыления на установках типа «Булат» в разряд универсальных.
Модуль «Плагус» нашел широкое применение как в России, так и за рубежом.
На базе результатов работы создан руководящий технический материал РТМ 1719-88 «Вакуумные ионно-плазменные методы поверхностной обработки. Нитрид титана. Показатели и нормы качества», 1988 г.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 3-х Международных и 10 Всесоюзных, Российских и отраслевых конференциях и семинарах.
Результаты диссертации нашли отражение в работах представленных на международных авиасалонах МАКС-95,-97, -99 и удостоены бронзовой медали ВДНХ СССР.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 50 работ, получено 8 авторских свидетельств на изобретения.
Объём диссертации и её структура. Диссертация содержит 187 страниц машинописного текста, 95 рисунков, 20 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 190 наименований и приложения.
