Введение к работе
Актуальность работы. Одним из технологических решений, позволяющих значительно увеличить стойкость стального и твердосплавного режущего инструмента с одновременным увеличением скоростей резания, является нанесение пленочных износостойких покрытий на основе нитридов, карбидов и других тугоплавких соединений. Покрытия из многокомпонентных тугоплавких соединений перспективных составов имеют панокристалличсскую структуру и кратно превосходят покрытия из простых нитридов или карбидов по твердости и стойкости к окислению на воздухе при высоких температурах. Особый практический интерес представляют сложные нитриды (Ti,Al)N и (Ti,Al,Si)N, которые в настоящее время широко используются в качестве покрытий на металлорежущий инструмент и детали машин.
Для осаждения таких ионпо-плазменных покрытий требуется генерировать многокомпонентную плазму однородного в пространстве рабочей камеры и стабильного во времени элементного и зарядового состава. Для генерации многокомпонентной плазмы обычно применяется одновременное распыление двух или нескольких различных по составу мишеней (катодов). Это требует усложнения конструкции оборудования и затрудняет поддержание постоянного состава плазмы из-за пространственно разнесенных по объему камеры нескольких источников. Вращением подложки, установленной в центре камеры, полностью устранить неоднородность не удастся. Покрытие приобретает слоистое строение. Так называемые мозаичные катоды из-за различия скоростей испарения различных элементов и различия в их магнитных свойствах также не обеспечивают стабильности во времени элементного состава плазмы, следовательно, и свойств осаждаемого покрытия. Замена нескольких катодов одним (композиционным), содержащим все необходимые компоненты в нужном соотношении, существенно упрощает конструкцию оборудования, технологический контроль процесса испарения и повышает однородность плазмы но объему камеры. Технологии традиционной металлургии, включающие литье, ковку, прокатку и заключительную обработку резанием, не пригодны для подавляющего большинства многокомпонентных катодов, включая систему тіітпіі-ялюміїїініі, титаїї-алюїміїїііпі-крсміїїій, из-за их высокой твердости и хрупкости.
Для того чтобы элементный состав генерируемой плазмы совпадал с элементным составом распыляемого катода размер структурных элементов катода должен быть меньше размеров катодных пятен вакуумной дуги (около 100 мкм). Такую дисперсную структуру многокомпонентного катода можно обеспечить применением порошковых технологий: горячего прессования, СВС (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза), холодного прессования порошковых смесей с последующим спеканием.
В настоящее время в основном используют катоды, полученные методом СВС. Недостатком СВС метода является то, что он может быть реализован в ограниченном диапазоне концентраций компонентов мишеней, поскольку инициирование и прохождение реакции горения возможно только при составах порошковых смесей, имеющих достаточную термичность. Процесс сопровождается интенсивным газовыделением и порообразованием, для предотвращения которого необхо-
4 димо дополнительное использование горячего прессования, что усложняет технологический процесс производства катодов. Кроме того, из-за быстрого охлаждения после завершения реакции синтеза материал мишени отличается высоким уровнем внутренних напряжений, под действием которых часто происходит самопроизвольное разрушение мишеней. Поэтому в настоящее время задача разработки способов изготовления многокомпонентных порошковых катодов является актуальной.
Альтернативным порошковым методом получения распыляемых мишеней, не имеющим указанных выше недостатков, является холодное прессование с последующим спеканием. Этот метод менее сложный в исполнении и не требует дорогостоящего оборудования. Концентрационный интервал элементного состава порошковых катодов может быть расширен, а их фазовый состав легко прогнозировать, если известны равновесные диаграммы.
Цель работы: изучение закономерностей формирования структуры при спекании и горячем уплотнении холоднопрессованных смесей порошков чистых элементов и промежуточных соединений и разработка способов получения порошковых катодов для ионно-плазменного нанесения нитридных покрытий Ti-Al-N и Ti-Al-Si-N.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать объемные изменения при спекании, микроструктуру и фазовый состав спеченных порошковых прессовок из смесей титана и интерметаллида ТіАІз, а также порошковых материалов, спеченных из порошков двойных интер-металлидов.
-
Исследовать структуру паяных соединений металлургического титана со спеченными порошковыми прессовками.
-
Разработать способ изготовления составных катодов, включающий спекание порошковой рабочей части и ее пайку к тыльной части.
-
Исследовать структурные превращения под воздействием вакуумной дуги на поверхности катодов Ті-Al с различной исходной структурой и фазовым составом.
-
Исследовать порошковые композиты, полученные холодным прессованием порошковых смесей титана, алюминия и кремния с последующей горячей допрес-совкой.
-
Провести исследования и испытания покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением разработанных катодов Ті-Al и Ti-Al-Si.
Научная новизна
-
Впервые на примере системы Ті-Al исследованы особенности формирования структуры при спекании порошковых смесей тугоплавкий металл - двойной ин-терметаллид; описаны и объяснены концентрационные зависимости объемных изменений при спекании.
-
Исследовано межфазное взаимодействие при контактно-реактивной пайке и формирование структуры паяных соединений металлургического титана со спеченным титаном.
-
Исследованы структурные превращения под воздействием вакуумной дуги на рабочей поверхности катодов Ті-Al, изготовленных литьем, спеканием или горячим прессованием и имеющих различную структуру и фазовый состав.
Практическая ценность
" Разработан способ получения катодных заготовок Ti-Al и Ti-Al-Si спеканием порошковых смесей титан - интерметаллид, позволивший уменьшить пористость спеченных материалов по сравнению с материалами, полученными спеканием порошковых смесей титана и алюминия. Предложенный способ защищен Российским патентом № 2454474.
Разработан способ изготовления порошковых катодов Ti-Al и Ti-Al-Si, включающий контактно-реактивную пайку спеченной рабочей части к титановой тыльной части (хвостовику).
Отработаны технологические режимы получения порошковых катодных материалов на основе алюминия методом горячего уплотнения холоднопрессованных заготовок из элементарных порошков.
Проведена опытная эксплуатация экспериментальных катодов при вакуумно-дуговом распылении, доказавшая их работоспособность. Испытания полученных нитридных покрытий на металлорежущем инструменте и в условиях, имитирующих воздействие абразива, окислительной и химически агрессивной среды, показали их повышенную стойкость.
Па защиту выносятся следующие положения:
1. Основной причиной объемного роста при спекании порошковых прессовок из
смесей титана и интерметаллида ТіАЬ является образование и рост на частицах
титана «колец» из моноалюминида титана путем реакционной диффузии.
-
Способ изготовления порошковых композиционных катодов, включающий твердофазное спекание порошковых прессовок Ті+ТіАІ3 (защищен патентом РФ) и их контактно-реактивную пайку к титановому хвостовику.
-
Порошковые катодные материалы со структурой механической смеси алюминия и титана в условиях вакуумно-дугового испарения имеют преимущества (меньшая пористость и большая теплопроводность) по сравнению с материалами интерметаллидного состава.
Апробация работы и публикации. Результаты работы были представлены и обсуждены на следующих конференциях: Третьей Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006), Харьковской нанотехнологической ассамблеи (Харьков, 2006), Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии 2007» (Томск, 2007), Международной конференции HighMatTech, (Киев, 2007), 8-ой Международной конференции «Пленки и покрытия - 2007» (Санкт-Петербург, 2007), 7-ой Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий» (Ялта, 2007), Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007), 9th International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows (Tomsk, 2008), 3-ей Международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2008), Международном симпозиуме «Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка» (Минск, 2009), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009, 2011), IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и
б
экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2009), X Уральской школе-семипаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2009), V Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2010), 11th International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows (Tomsk, 2012).
Результаты работы изложены в 21 публикации, в том числе в 3 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, 1 статье в зарубежном журнале и в патенте РФ.
Место проведения работы, проекты и программы. Работа выполнялась в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» в соответствии с планами госбюджетной тематики, а также по планам НИР в рамках следующих проектов и программ: проект РФФИ № 06-08-00349-а (2006-2008 гг.), проект РФФИ № 08-08-99139 р_офи (2008 г.), проект РФФИ № 09-08-12061 офи_м (2009-2010 гг.), проект РФФИ № 09-08-00225-а (2009-2011 гг.), проект ФЦП «Создание многослойных и градиентных термически стабильных покрытий в едином технологическом цикле» (государственный контракт № 02.513.1.3432, 2008-2009 гг.)
Вклад автора. Проработка литературы по теме диссертации и участие в обсуждении планов экспериментальных исследований. Изготовление и подготовка опытных образцов для экспериментальных исследований. Проведение исследований порошковых материалов методами оптической металлографии, термографии и измерения микротвердости. Обработка результатов рентгеноструктурного и микрорентгеноспектралыюго анализов. Участие в обсуждении полученных результатов экспериментальных исследований, оформление и подготовка их к публикации.
Объем и структура диссертации. Текст диссертации состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка литературы из 138 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 200 страницах, содержит 62 рисунка и 30 таблиц.
