Современные способы упрочнения поверхности и технологии нанесения покрытий

5.3.1. Конденсация испаренного материала в вакууме (дуговой, магнетронный, электронно-лучевой методы).Одним из современных и наиболее перспективных способов нанесения покрытий является конденсация испаренного материала в вакууме. По международной классификации эти процессы называют PVD (Physical Vapour Deposition). Эта технология позволяет наносить многокомпонент­ные покрытия из различных материалов - металлов, сплавов, металлокерамик (карбидов, нитридов, боридов, силицидов металлов, алмазоподобных структур), предназначенных для защиты рабочих поверхностей де­талей ГТД от износа и эрозии, воздействия внешней среды, для повыше­ния жаростойкости и т.д.

Технология основана на следующих физических и химических процессах:

- испарение материала покрытия в условиях глубокого вакуума;

- ионизация образующихся паров электрическим разрядом;

- перемещение образовавшихся ионов в электростатическом или элек­тромагнитном поле к деталям, на которые наносится покрытие;

- бомбардировка ионами поверхностей деталей, в процессе которой происходит очистка последних;

- плазмохимические реакции образования ионов химических соедине­ний (нитридов, карбидов или оксидов металлов), для чего в рабочую ка­меру подается реактивный газ (азот, метан или кислород);

- осаждение (конденсация) ионов на поверхности с формированием по­крытия требуемого состава.

Для нанесения покрытий конденсацией испаренного материала в ва­кууме используются три основные группы методов, отличающиеся спо­собом испарения наносимого материала:

- дуговое испарение;

- магнетронное распыление;

- испарение электронным лучом.

Способ дугового испарения нашел наиболее широкое применение. Он используется на специальных установках (ВПТ-А, ВПТ-12, «Пуск», «Бу­лат», МАП-1 и др.). На рис. 5.11 приведена схема установки типа «Булат». Принцип ее работы следующий. В камеру на стол устанавливают детали, подлежащие напылению. Камера закрывается (герметизируется), и в ней создается вакуум с давлением порядка 10³ Па. Между анодом, поджи­гающим электродом и катодом, выполненным из наносимого материала, подается напряжение.

Поджигающий электрод служит для зажигания электрической дуги. Это действие производится кратковременным касанием поджигающего электрода поверхности катода. Возникшая между анодом и катодом дуга устойчиво горит в парах материала катода при напряжении 20 ... 30 В и силе тока 150 ... 300 А. Испарение материала производится из области катодных микропятен вакуумной дуги. Для ионизации и ускорения ионов плазмы на детали подается отрицательный потенциал. В случае высокого отрицательного потенциала (1 ... 1,5 кВ) происходит эффективная ион­ная очистка поверхностей. После очистки значение потенциала снижает­ся до 100 В, и в этих условиях производится процесс нанесения (конден­сации) покрытия.

Работает один или несколько катодов, которые могут быть изготовлены из различных материалов. Если требуется получить покрытие из кар­бидов, нитридов или оксидов металлов, в камеру подается реактивный газ. Получаемые покрытия имеют высокую прочность сцепления с под­ложкой, дисперсную структуру и малую пористость.

 

 

Рис. 5.11. Схема нанесения покрытий способом дугового испарения

 

Этот метод широко используется для упрочнения режущего и штампового инструмента (покрытия TiN, TiC, ZrN и др.), нанесения алмазных износостойких и антифрикционных покрытий. Для нанесения на рабочие лопатки турбин ГТД жаростойких многокомпонентных покрытий систе­мы Ni - Сг - А1 - Y и др. применяется установка МАП-1 (рис. 5.12).

Установка представляет собой цилиндрическую вакуумную камеру объемом около 0,7 м³ с системой откачки. В камере размещается трубчатый катод 7, выполненный из материала покрытия. На одной оси с като­дом расположен анод 2, изготовленный из нержавеющей стали. В полос­ти охлаждения анода находится электромагнитная катушка 9. Вращение 24 лопаток 6 осуществляется планетарным механизмом 10. На нижнем основании вакуумной камеры расположен механизм зажигания дугового разряда 72, состоящий из поджигающего электрода и тягового электро­магнита. Катод 7 размещен на водоохлаждаемой оправке 3. В полости оправки находится трехсекционный электромагнитный фиксатор катод­ных пятен вакуумной дуги 4, перемещающийся вдоль оси. Оправка 3 от привода 5 совершает возвратно-поступательное движение, что обеспечи­вает равномерную эрозию катода 1. Питание вакуумной дуги осуществ­ляется трехфазным регулируемым выпрямителем 13. Установка имеет регулируемый источник постоянного тока 8, подающий отрицательный электрический потенциал на лопатки 6 относительно экрана 7, и источ­ник питания электромагнитных катушек.

Установка работает следующим образом. Лопатки турбины, предва­рительно подготовленные к нанесению защитного покрытия, устанавли­ваются в кассеты, которые помещаются в гнезда планетарного механиз­ма. Камера вакуумируется до остаточного давления не выше 10^-1 Па. По­сле включения привода 11 лопаткам сообщается планетарное вращение относительно собственной оси и одновременно вокруг катода 7, который от привода 5 совершает возвратно-поступательное движение со скоростью 0,01 мм/с. С помощью замыкания и размыкания контакта поджигающего электрода с катодом в условиях кратковременного пропускания тока меж­ду катодом 1 и анодом 2 инициируется вакуумный дуговой разряд. Горение разряда при токах вакуумной дуги 1000 ... 1200 А и напряжении 40 ... 45 В обеспечивается выпрямителем 13. Катод эродирует под дейст­вием катодных пятен вакуумной дуги, плотность теплового потока в ко­торых достигает 10⁹ ... 10^ю Вт/м². Пятна являются источником потоков ионизированной металлической плазмы, в которых присутствуют пары и капли материала покрытия. Покрытие формируется в процессе конденса­ции продуктов эрозии катода на поверхности пера лопатки.

 

Рис. 5.12. Схема промышленной установки МАП-1 для ионно-плазменного осаждения защитных покрытий на рабочие лопатки турбины:

1 – катод; 2 – анод; 3 – водоохлаждаемая оправка; 4 – электромагнитный фиксатор катодных пятен вакуумной дуги; 5 – привод перемещения катода; 6 – покрываемые лопатки; 7 – экраны; 8 – регулируемый источник постоянного тока; 9 – электромагнитная анодная катушка;

10 –планетарный механизм вращения покрываемых лопаток; 11 – электропривод механизма вращения лопаток; 12 – механизм зажигания дуги; 13 –выпрямитель;

14 - коммутатор

Магнетронное распыление производится путем создания высокого напряжения в разряженной газовой среде (обычно в аргоне) для образования плазмы тлеющего разряда.

При распылении ионы плазмы бомбардируют мишень из материала наносимого покрытия и выбивают атомы, сообщая им энергию, достаточную для перемещения к покрываемой детали и осаждения на ней. Производительность распыления резко увеличилась за счет использова­ния планарных магнетронов, разработанных в 60-х годах прошлого сто­летия. В этой технологии магниты локализуют плазму тлеющего разряда на отдельных участках распыляемой мишени. При этом увеличивается плотность ио­нов, бомбардирующих поверхность. Схема магнетронного распыляюще­го устройства приведена на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема магнетронного распыления

 

 

Рис. 5.14. Форма магнитного поля и зон распыления в случае использования магнитов профилированных (а) и непрофилированных (б)

Процесс магнетронного распыления может быть использован для на­несения покрытий как из проводящих материалов, так и диэлектриков (пластиков, керамик и др.). Профилированием постоянных магнитов до­биваются оптимальной формы магнитного поля (рис. 5.14) с целью эф­фективного регулирования процесса распыления, что достаточно сложно осуществить другими методами. В настоящее время в магнетронных сис­темах используют профилированные постоянные магниты, в частности из Nb-Fe-B, которые на 30 % мощнее традиционных.

Для обеспечения высокой адгезии предусматривается предваритель­ная очистка поверхности изделий источником ионов газов. Для нанесе­ния покрытий магнетронным распылением используются установки «Мир», ВПТ-50 и др.

Испарение электронным лучом(EB-PVD) имеет ряд существенных преимуществ, например возможность нанесения покрытий из непрово­дящих и тугоплавких материалов (керамики, W, Re, Та и т.д.). Способ разработан в Институте электросварки им. Е.О. Патона (установки УЭ175 и УЭ137). Схема установки для нанесения покрытий электронно-лучевым испарением приведена на рис. 5.15. Для увеличения прочности сцепления покрытий поверхности деталей, устанавливаемых на горизонтальном ма­нипуляторе или подвешиваемых на вращающемся диске, очищают ионной бомбардировкой. Нагрев деталей производится электронным лучом, ион­ной бомбардировкой или радиационным способом. Процесс нанесения покрытия проводится в вакууме при давлении не ниже 8,75 • 10^-3 Па. В на­стоящее время этот способ является наиболее эффективным способом нанесения керамических термобарьерных покрытий на лопатки газовых турбин.

Рис. 5.15. Схема установки вакуумного напыления с испарением наносимого материала электронным путем

Установка имеет шесть электронных пушек, размещенных в вакуумной камере. Четыре пушки используются для испарения материала, а две – для предварительного нагрева детали, что способствует увеличению прочности сцепления покрытия с подложкой. Электронные лучи высокой энергии -45 кВт каждый – фокусируются на стержнях испаряемых материалов. Для обеспечения равномерности покрытия детали перемещаются в облаке ис­паренного материала. Стержни могут быть из различных материалов. В этом случае после испарения происходит перемешивание паров и состав покрытия определяется долями испаренных материалов. Возможно также многослойное нанесение покрытий. Процесс характеризуется относитель­но высокой, по сравнению с другими методами, скоростью нанесения по­крытий. Покрытия обладают высокой плотностью и стабильностью струк­туры при достаточно низкой шероховатости. Для очистки поверхностей деталей можно использовать бомбардировку ионами (ионная очистка) ионной пушкой. Ионный пучок обеспечивает также возможность текстурирования поверхности. Предварительно детали нагреваются радиацион­ным способом графитовыми элементами до температуры ~1000 °С.

Основными параметрами EB-PVD являются: температура подложки, наносимые материалы, скорость вращения деталей в облаке испаренного материала, скорость и время нанесения покрытия, мощность электрон­ных пушек. При нагреве испаряемого материала электронной пушкой температуры могут превосходить 3300 °С.