Содержание к диссертации
Введение 4
Глава I Состояние вопроса 8
1.1. Современные тенденции «конструирования» вакуумных ионно-плазменных покрытий 10
1.1.1. Комплексные методы нанесения покрытий 10
1.1.2. Многокомпонентные покрытия 13
1.1.3. Многослойные покрытия
1.2. Оборудование для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхности 26
1.3. Методы контроля качества покрытий 35
1.4. Параметры технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки 38
1.5. Эксплуатационные свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий различного назначения 42
1.6. Влияние технологических параметров формирования покрытий на их служебные свойства 48
1.7. Заключение по литературному обзору и постановка задач исследования 56
Глава II Объекты и методы исследования 59
2.1. Объекты исследования 59
2.2. Методы исследования
2.2.1. Метод измерения контактной разности потенциалов 60
2.2.2. Методы рентгеноструктурного анализа 64
2.2.3. Методика измерения остаточных напряжений 66
2.2.4 Методика измерения микротвердости тонких покрытий 66
2.2.5. Рентгеновский метод определения толщины покрытия 69
2.2.6. Химический анализ по глубине состава покрытия и подложки 72
2.2.7. Спектрометрия ядерного обратного рассеяния (ЯОР)... 72
Глава III Исследование эффективности процессов очистки и активации поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов
3.1. Выбор метода оценки состояния поверхностного слоя на этапах очистки и активации при вакуумной ионно-плазменной обработке 75
3.2. Исследование изменения состояния поверхности на технологическом этапе предварительной очистки 79
3.3. Исследование изменения структуры и свойств поверхности при очистке в тлеющем разряде и ионной бомбардировке активной металлической плазмой 85
3.4. Оптимизация процесса удаления оксидов при активирующем нагреве поверхности 94
Глава IV Исследование влияния параметров технологического нагрева и конденсации газовой и металлической плазмой на процессы модифицирования поверхности и формирование
покрытий 102
4.1. Модифицирование поверхности образцов из сталей и титановых сплавов активной газовой плазмой 102
4.2. Модифицирование поверхности образцов из жаропрочных никелевых сплавов активной металлической плазмой 115
4.3. Исследование процессов формирования поверхностных структур при конденсации покрытий активной металлической плазмой 121
Глава V Практическая реализация технологий вакуумной ионно-плазменной обработки деталей авиационной техники 131
5.1. Комплексная система обеспечения качества вакуумной ионно-плазменной обработки 131
5.2. Обеспечение износостойкости деталей типа «втулка» из титанового сплава ВТ6 135
5.3. Оптимизация режимов нанесения многослойных покрытий на поверхность деталей из сталей 145
5.4. Комбинированная вакуумная ионно-плазменная обработка поверхности деталей из стали 12Х18Н10Т 160
Выводы по работе 173
Список литературы 175
Приложение 1
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из направлений повышения работоспособности изделий авиационной техники является использование покрытий различного служебного назначения для защиты рабочих поверхностей деталей. При этом реализуется новый комплекс физико-химических и эксплуатационных свойств, не свойственный материалу основы. Значительный интерес, проявляемый к исследованиям и разработкам покрытий, объясняется кроме того тем, что они позволяют обеспечить как работоспособность поверхностных слоев изделий в экстремальных условиях эксплуатации, так и ремонтоспособность изделий.
Вакуумные ионно-плазменные технологии рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективные технологии при производстве изделий авиационной техники. Они позволяют создавать сложные композиции различных видов покрытий, а также осуществлять комплексную обработку с предварительным диффузионным модифицированием. Это в свою очередь позволяет создавать градиентные структуры поверхностных слоев со специальными свойствами без ухудшения механических свойств в объеме изделий. При этом модифицирование поверхности дает значительный положительный эффект как за счет повышения ресурса работы изделий, так и за счет снижения затрат на мероприятия по повышению несущей способности основного материала, включая дополнительное легирование и совершенствование технологий производства полуфабрикатов и изделий.
Однако имеющиеся проблемы сдерживают широкое применение вакуумных ионно-плазменных технологий в производстве ответственных деталей авиационной техники.
Прежде всего, это проблема оптимизации технологии подготовки поверхности деталей перед вакуумной ионно-плазменной обработкой. Эта технология должна быть достаточно универсальной и обеспечивать высокую эффективность очистки поверхности деталей после любой предшествующей технологической операции. Кроме того, для сохранения микроструктуры в объеме детали, нагрев поверхности при очистке не должен превышать 200-300°С.
Вторая проблема связана с необходимостью сохранения исходного комплекса механических свойств материала детали. Это делает необходимым разработку таких технологических режимов, которые не только не снижают, но в ряде случаев даже повышают служебные характеристики материала детали за счет создания на поверхности композиционной структуры. Для эффективного решения этой проблемы необходимо создание основ метрологической системы оценки уровня служебных свойств и структурного состояния материалов, подвергнутых различным видам поверхностной обработки. Это позволит обеспечить воспроизводимость свойств поверхностных слоев материалов в технологических процессах.
Таким образом, исследования, направленные на решение проблемы применения экологически чистых вакуумных ионно-плазменных комплексных технологий модифицирования поверхности и нанесения покрытий для деталей авиационной техники, обеспечивающие гарантированный уровень эксплуатационных свойств, являются актуальными.
Цель работы состояла в установлении закономерностей формирования структуры и комплекса свойств поверхностных слоев деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов при вакуумном ионно-плазменном модифицировании поверхности, нанесении покрытий и оптимизации на этой основе комплексных технологий обработки поверхности деталей авиационной техники.
Для достижения постановленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Установить закономерности формирования структуры и комплекса свойств поверхностных слоев образцов из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов на различных этапах вакуумной ионно-плазменной обработки с использованием серийных установок типа «Булат» и определить пути оптимизации вакуумных ионно-плазменных технологий;
2. Разработать технологические способы повышения эффективности этапов очистки и активации поверхности перед модифицированием и нанесением покрытия;
-6 3. Разработать методику оценки качества подготовки поверхности и эффективности проведения различных этапов технологического процесса модифицирования и нанесения покрытий;
4. На основе установленных закономерностей разработать структурную схему установок нового поколения и комплекс аппаратурных и технологических мероприятий, обеспечивающих воспроизводимость структуры поверхностных слоев и высокий уровень эксплуатационных свойств.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработан метод очистки и активации поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов ускоренной ионной газовой плазмой, обеспечивающий полное удаление оксидов без внесения макро- и микроструктурных дефектов. Показано, что для поверхностей с параметром шероховатости Ra 0,3 мкм энергия ионов не должна превышать 200 эВ, а для поверхностей с Ra 0,3 мкм - 400 эВ.
2. Разработана комплексная система оценки эффективности этапов технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки и качества формируемой поверхности изделий из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов. В рамках этой системы предложены:
- метод количественной оценки эффективности процессов очистки и активации поверхности по изменению величины поверхностного потенциала;
- рентгеновский флюоресцентный метод неразрушающего контроля толщины покрытия.
3. Установлены закономерности влияния энергетических параметров металлической плазмы на структурное состояние поверхностного слоя при модифицировании, а также на структуру, кристаллографическую текстуру и когерентность границ слоев при формировании многослойных покрытий.
Практическая значимость работы.
1. На базе серийной установки «Булат 6Т» разработана компоновочная схема универсальной установки модульного типа, которая позволяет реализовать комплексные технологии, сочетающие модифицирование и нанесение покрытий на поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов, применяемых в авиастроении.
2. Разработаны методические материалы «Комплексная оценка качества формирования ионно-вакуумных покрытий и диффузионного модифицирования поверхности деталей и изделий машиностроения» (ММ 1-3430-4-2002), которые используются в производстве деталей авиационной техники в ОАО «НИАТ» и ОАО «ОКБ Сухого» и учебном процессе при подготовке магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов» и специалистов по специальности «Материаловедение и технология материалов и покрытий» в «МАТИ»-Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского.
3. Установлен количественный критерий выбора оптимальной температуры ионной очистки, при которой наибольшая дефектность поверхностных оксидов соответствует максимальной величине потенциала поверхности. Обоснованы и рекомендованы температуры ионной очистки поверхности ( 400°С для титановых сплавов и 350°С для сталей), обеспечивающие удаление оксидов с обрабатываемой поверхности при минимальном уровне энергетического воздействия плазмы на поверхность, что гарантирует сохранение исходной микрогеометрии поверхности и микроструктуры материала изделия.
4. На основе установленных закономерностей реализована технологическая схема модифицирования поверхности тормозных колодок из стали 12Х18Н10Т для авиационных шасси, включающая ионное азотирование и нанесение ZrN многослойных покрытий в едином технологическом цикле. Разработана и реализована комплексная технология обработки ниппельных соединений трубопроводов авиационной техники из титановых сплавов, сочетающая низкотемпературную очистку и активацию поверхности с вакуумным ионно-плазменным нанесением многослойных покрытий, позволяющая получить на поверхности многослойные эррозионностойкие градиентные структуры.
