Взаимодействие ускоренных потоков металлической плазмы с поверхностью твердого тела Кузнецов, Вячеслав Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность теми. Во многих случаях эксплуатационные свойства деталей определяются состоянием их поверхностного слоя. Это объясняется тем, что поверхностный слой детали при ее эксплуатации подвергается наиболее сильно механическому, тепловому, химическому и другим воздействиям. Поэтому одним из наиболее эффективных способов повышения ресурса и надежности работы деталей является нанесение на их поверхность защитных покрытий. Свойства покрытий в значительной степени определяются технологией их нанесения. Большой научный и практический интерес представляет разработка технологических процессов, основанных на формировании пленочных структур из плазмы наносимого материала, позволяющих наиболее эффективно управлять состоянием поверхностного слоя твердого тела.

Одним из наиболее эффективных генераторов плазменных потоков наносимого материала является вакуумно-дуговой разряд, формирующийся в парах эродируемого материала катодным пятном вакуумной дуги. Исходный материал переводится в плазменное состояние, плазма фокусируется в поток и ускоряется в направлении к покрываемой поверхности, где происходит образование защитного слоя за счет конденсации преимущественно ионов плазмы, дополнительно ускоренных электрическим полем подложки.

Состояние поверхностного слоя твердого тела, а, следовательно, эксплуатационные свойства деталей определяются всеми стадиями технологического процесса- испарением материала, его транспортировкой и осаждением на поверхности.

Комплексное исследование условий формирования покрытий и изучение поверхностного слоя с учетом условий эксплуатации является прогрессивной тенденцией в повышении качества конструкционных материалов, в решении проблемы достижения высокой их конструктивной, прочности и совместимости с окружающей средой. Анализ закономерностей поведения поверхностного слоя твердого тела, как в процессе ионно-плазменной обработки, так и в процессе эксплуатации с целью изучения физической природы взаимосвязи структуры, состава и строения с физико-механическими и химическими свойствами материалов и разработка научных основ управления этими свойс-

твами является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

цель работы. Создание теоретических и технологических основ направленного улучшения свойств поверхностных слоев твердых тел модифицированием ускоренными потоками металлической плазмы для повышения работоспособности и срока службы деталей. Научная новизна.

1. На основе анализа процессов испарения материалов под воздействием вакуумно-дугового разряда, формирования плазменных потоков, осаждения продуктов эрозии на поверхности изделий предложена методология направленного формирования свойств поверхностных слоев твердых тел ускоренными потоками металлической плазмы.

2. Предложена математическая модель и разработаны принципы электромагнитного управления плазменными потоками для формирования покрытий с заданной равномерностью по толщине.

Разработана модель проникновения плазменного потока в цилиндрические полости. Получены аналитические выражения, определяющие неравномерность толщины покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра, в том числе с учетом обтекания плазменным потоком преград.

Впервые учтено влияние на формирование покрытий компрессионных слоев потока металлической плазмы перед механическим барьером.

3. Разработана математическая модель и получено аналитическое выражение для определения скорости потока металлической плазмы с использованием одиночного цилиндрического электростатического зонда.

4. Разработана математическая модель теплового режима стержневого катода, эродируемого под воздействием вакуумно-дугового разряда. На основе аналитических выражений предложены способы стабилизации температуры катода на заданном уровне.

5. Установлены закономерности ионного распыления в условиях вакуумно-дугового разряда простых и многокомпонентных металлов от температуры испаряемого материала, температуры подложки и давления реакционного газа.

6. Для упрощенной физической модели установлена корреляционная связь между тепловым режимом изделия, находящегося в ускорен-

ном потоке металлической плазмы, и технологическими параметрами обработки.

7. Установлены кинетические закономерности фазовых превращений в металлическом покрытии CoCrAlY в зависимости от термической обработки и их влияние на коррозионную и термоусталостную долговечность покрытия. На основе термодинамического анализа возможных химических реакций газового травления различных элементов определены перспективные материалы для работы в условиях высокотемпературной сульфидно-оксидной коррозии для различных диапазонов температур.

8. Предложен комплекс научно-обоснованных мероприятий для равномерного нанесения покрытий на крупногабаритные изделия и изделия сложной формы.

9. На основе методов математического планирования эксперимента разработаны технологические процессы модифицирования поверхности твердого тела с заданными эксплуатационными параметрами.

На защиту выносятся.

методология управления свойствами поверхностных слоев изделий, основанная на учете закономерностей процессов испарения простых и многокомпонентных материалов, транспортировки потоков металлической плазмы, воздействия на поверхность конденсируемых продуктов эрозии испаряемого материала;

закономерности изменения физико-химических и эксплуатационных свойств системы "покрытие-подложка" в зависимости от режимов вакуумно-дугового технологического процесса модифицирования поверхности твердого тела;

закономерности распыления поверхности, конденсации материалов, нагрева испаряемого материала и модифицируемой поверхности под воздействием плазменных потоков, формируемых на основе вакуумно-дугового разряда;

теоретический подход к управлению процессом формирования равномерных по толщине покрытий, в том числе на изделия сложной формы, и математическая модель взаимодействия ускоренного потока металлической плазмы с поверхностью твердого тела;

математическая модель и принципы электромагнитного управ-

ления плазменными потоками;

теоретическая модель и зондовая диагностика скорости потока металлической плазмы- одного из основных факторов, определяющих свойства покрытий.

эксплуатационные и физико-химические свойства различных покрытий на основе чистых металлов, нитридов, карбидов, оксидов и многокомпонентных составов, сформированных технологией вакуумно-дугового нанесения;

технологические процессы вакуумно-дугового нанесения покрытий различного функционального назначения.

Практическая ценность.

1. Установленные принципы проектирования технологических процессов и полученные закономерности позволяют разрабатывать технологии модифицирования поверхности твердых тел с целью повышения эксплуатационных свойств изделий различного назначения.

2. Разработаны экологически чистые, ресурсо- и материалосбе-регающие технологические процессы (с технологическими инструкциями) нанесения защитных покрытий различного назначения, внедренные на промышленных предприятиях, в том числе- НПО Ленинградский завод турбинных лопаток, НПО Ленинградский металлический завод, Ленинградское научно-производственное объединение "Светлана" и других. Турбинные лопатки с вакуумно-дуговыми металло-керамическими покрытиями в 1996 г. установлены в опытную эксплуатацию в ГТ-100 на ГРЭС-3 Мосэнерго и Ивановской ГРЭС, в том числе лопатки, восстановленные по вакуумно-дуговой технологии.

3. Разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию высокопроизводительная установка вакуумно-дугового нанесения многослойных защитных, в том числе керамических, покрытий на крупногабаритные лопатки энергетических стационарных газовых турбин. Техническая и конструкторская документация на установку принадлежит ИПМАШРАН.

4. На базе установки ВУ-1БМ изготовлена экспериментальная имплантационно-напылительная установка, позволяющая реализовать различные варианты комбинированных процессов модифицирования поверхности твердого тела.

5. Предложен ряд конструкций вакуумно-дуговых источников

плазмы с системами отклонения и транспортировки потоков наносимого материала, позволяющих повышать качество формируемых покрытий.

Апробация работ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции "Электронное приборостроение" (Новосибирск, 1988); XXII Всесоюзной конференции "Перспективы развития техники радиовещательного приема, радиовещания, звукоусиления и акустики" (Ленинград, 1988); Всесоюзной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Минск,1989); XI Всесоюзной конференции 'Тенераторы низкотемпературной плазмы" (Новосибирск, 1989); II Всесоюзной конференции "Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента" (Саратов, 1990); семинаре "Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин" (Москва, 1991); семинаре "Проблемы износостойкости и надежности машин" (Санкт-Петербург, 1992); научно-технических конференциях "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий (Запорожье, 1992,1995); Втором собрании металловедов России (Пенза, 1994); Международной конференции Hochvakuum, Grenzflachen/ Dunne Schichten (Dresden, DDR, 1990); первом Российско-китайском симпозиуме "Actual problems of modern materials science" (Moscow-Tomsk, 1992); 9 Международная конференция "Plasma Processes" (Antibes, France, 1993); Международном семинаре 'Тазотермическое напыление в промышленности-93" (Санкт-Петербург, 1993); Международной конференции "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (Суш, Украина, 1994); Международной научно-технической конференции "Напыление и покрытия-95" (Санкт-Петерберг, 1995); Международной конференции "Metallurgical Coatings and Thin Films" (San Diego, USA, 1995); Second International Connference MPSL'96 (Sumy, 1996); 3 Международной конференции "Influence of production engineering on state of the surface layer-SL'96" (Gorzow Wlkp., Polska,1996). Кроме того, материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на ежегодных научно-технических конференциях Санкт-Петербургского электротехнического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, б глав, заключения и содержитЗУЬстраниц машинописного текста, ^рисунков и 2/ таблиц. Список литературы включает ^'/наименовании.