Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

260

6. В комплекте оборудования для газоплазменной технологии

достаточно иметь компрессор, который можно также использовать для

предварительной пескоструйной обработки поверхности изделия, горелку

и газовые баллоны. Если же имеется источник электроэнергии, то

напыление можно проводить электрическими методами.

7. Небольшая деформация изделий под влиянием процесса. Многие

способы поверхностной обработки изделия требуют нагрева до высокой

температуры всего изделия или значительной его части, что часто

становится причиной его деформации.

8. Возможность использования газотермических технологий для

изготовления деталей машин различной формы. Например, покрытие

наносят на поверхность формы-оправки, которую после окончания

процесса удаляют: остается оболочка из нанесенного материала.

9. Простота технологических операций нанесения покрытий,

относительно небольшая трудоемкость, высокая производительность.

10. Не требуется специальной дорогостоящей обработки (очистки)

продуктов, загрязняющих окружающую среду, в отличие от средств очистки и

нейтрализации, например, при гальванических видах обработки изделии и др.

Недостатки газотермических технологий можно представить таким перечнем.

1. Малая эффективность нанесения покрытий на мелкие детали из-

за низкого коэффициента использования наносимого материала

(отношение массы покрытия к общей массе израсходованного материала).

В таких случаях поверхностную обработку мелких деталей целесообразно

осуществлять гальваническим, химическим, физическим и другими

способами (например, диффузионным насыщением, электролитическим, из

расплавов металлов и пр.).

2. Вредные условия работы операторов во время предварительной

обработки поверхности изделий. Для предварительной подготовки

поверхности перед нанесением используют пескоструйную или

дробеструйную обработку с помощью кварцевого песка, корунда, стальной

или чугунной дроби. Эта операции сопровождается загрязнением рабочего

участка и ухудшает условия работы оператора, обслуживающего установку.

3. Выделение дыма и аэрозолей во время наращивания. Процесс

сопровождается образованием облака мельчайших частиц наносимого

материала, взаимодействие которых с окружающим воздухом сопровождается

образованием различных соединений и дыма. Вредность соединений и дыма

для здоровья людей требует мощных вытяжных устройств.

261

4. Рассматриваемые технологии имеют отличительные особенности,

знание которых необходимо для правильного выбора определенной

технологии нанесения покрытий для каждого конкретного случая. Для

выбора оптимального способа нанесения покрытия необходимо

учитывать форму и размеры изделий; требования, предъявляемые к

точности нанесения покрытия, его эксплуатационным свойствам;

затраты на основное и вспомогательное оборудование, наплавочные

материалы и газы, на предварительную и окончательную обработку

покрытий; условия труда и другие факторы производственного и

социального характера.

5.5 Применение газотермических покрытий

В промышленно развитых странах с целью решения экологических

проблем освоение техники газотермических покрытий происходит путем

вытеснения гальванических "грязных" технологий. Насыщенность этими

технологиями европейской промышленности выше насыщенности

украинских предприятий примерно в 350-400 раз. Ситуация, сложившаяся

в 80-90 гг. и приведшая к распаду промышленности в СНГ, в настоящее

время дает возможность не реанимировать устаревшие технологии, а,

адаптируясь к новым условиям, вместо гальванических методов

использовать новейшие технологии нанесения покрытий методами

газотермического наращивания.

Газотермические покрытия применяют как при ремонте

оборудования, так и при упрочнении рабочих поверхностей новых деталей

и характеризуются широтой технологических возможностей:

 покрытия можно наносить на объекты любых размеров: мосты,

суда, трубопроводы, строительные конструкции, котлы, коленчатые валы,

лопатки турбин и др.;

 толщина покрытия может составлять от 0,01 до 10 и более мм;

покрытия могут иметь заданную пористость (от 0 до 30 и более процентов);

 покрытия могут быть изготовлены из любых материалов,

характеризующихся точкой плавления или интервалом размягчения;

 в качестве подложки можно использовать дерево, стекло,

пластмассы, керамику, композиционные материалы, металлы;

 нанесение покрытий может производиться в широком диапазоне

состава покрытия, температуры и давления – в низком вакууме в

специальной камере с контролируемой инертной атмосферой, в воздухе

при нормальных условиях, под водой;

262

 нанесение металлических и керамических покрытий не вызывает

значительного нагрева поверхности, следовательно, обеспечивается

сохранение геометрических размеров деталей.

Основные свойства и материалы покрытий определяются

требованиями к ним в конкретных условиях эксплуатации.

Износостойкие покрытия. Изнашивание металлов – это процесс

разрушения поверхностных слоев трущихся тел, который определяется

разнообразием условий их нагружения. В зависимости от этих условий

следует выбирать те материалы, которые имеют большее сопротивление

изнашиванию.

Жаростойкие и теплозащитные покрытия. Жаростойкие покрытия

образуют плотную оксидную пленку, которая защищает покрытие и подложку

от окисления. Оксиды алюминия, хрома, кремния имеют плотное строение и

высокую прочность сцепления. Жаростойкими являются сплавы в системах

Ni-Al, Ni-Cr, Ni-Cr-Al, Ni-Co-Cr-Al-X, MoSi

и др.

Теплозащитные покрытия (ТЗП) должны иметь низкое значение

коэффициента теплопроводности и высокую температуру плавления.

Наиболее подходящим материалом для ТЗП является оксид циркония.

В качестве теплозащиты в зависимости от материала подложки и условий

применения следует выбирать керамические материалы с заданной пористостью.

Для лопаток турбины газотурбинного двигателя, например, предпочтительнее

кубическая структура оксида циркония и оксида иттрия или церия.

Коррозионно-стойкие покрытия. Коррозионные разрушения

металлов обусловлены химическими и электрохимическими процессами,

происходящими на поверхности металла при взаимодействии со средой.

Различают коррозию атмосферную, в морской воде, грунтовую, в

агрессивных средах – кислотную, щелочную и т. д., высокотемпературную

газовую (сульфидную, сульфидно-оксидную и т. д.).

Для защиты от атмосферной, морской, подземной коррозии стальных

конструкций, трубопроводов, судов и т. д. широко применяют металлы-

протекторы, имеющие более отрицательный потенциал, чем железо

(анодные покрытия) – Zn, Al. В качестве защитных покрытий катодного

типа применяют коррозионно-стойкие металлы – Рb, Cr, Сu, Тi. Главное

требование к катодным покрытиям – это их сплошность, исключающая

попадание жидкости (электролита) между подложкой и покрытием, в этом

случае будет разрушаться подложка, т. е. защищаемый металл. Такие

коррозионно-стойкие покрытия могут быть изолирующими, что

обеспечивается их плотностью и химическим составом.

263

Покрытия оптического назначения. Покрытия оптического

назначения применяют для корректировки теплового баланса в космосе,

где основной механизм теплопередачи – лучевой. Покрытия с высоким

интегральным коэффициентом черноты Со

, Со

,Сr

, MoSi

имеют

степень черноты е=0,9…0,98 при температуре до 350°С и 0,8...0,9 при

температуре 350...900

С. Покрытия, обладающие высоким интегральным

коэффициентом черноты, более интенсивно поглощают лучистую

энергию, что приводит к нагреванию объекта. Покрытия с высокой

отражательной способностью (солнечные отражатели) способствуют

отдаче тепла. Отражательная способность алюминиевого покрытия – 0,98.

Значение оптических покрытий для регулирования тепла весьма велико.

Такие покрытия заменяют конструкцию системы терморегулирования и

являются конструкционными.

Электропроводные и электроизоляционные покрытия.

Электропроводные (медь), электроизоляционные (оксид алюминия,

алюмомагнезиальная шпинель), нейтронно-поглощающие (гафний и оксид

гафния) покрытия выполняют роль проводников, изоляторов, защитных экранов

в ядерных установках, являются также конструкционными покрытиями.

Уплотнительные покрытия. Уплотнительные покрытия (УП)

применяются взамен вставок из уплотнительных материалов в

газотурбинных двигателях. Назначение – уменьшить зазор между

статором и ротором газогенератора (компрессор и турбина). Особенностью

этих покрытий является их податливость (кромка лопатки или лабиринт

легко врезаются в слой покрытия, которое, однако, достаточно прочно,

чтобы выдерживать напор газового потока при повышенных

температурах.) В качестве твердой смазки используют графит и нитрид

бора. В качестве матрицы с увеличением рабочей температуры –

алюминий, никель, алюминид никеля, оксид циркония.

Декоративные покрытия. Декоративные покрытия (бронзовые

покрытия на силуминовых скульптурах) также можно считать

конструкционными, так как они позволяют экономить более дорогие

медные сплавы. Восстановление скульптурной группы "Квадрига" на

фронтоне Большого театра в Москве производилось напылением медной

проволокой газопламенной и электродуговой металлизацией. Толщина

стенки скульптуры составляла изначально 4 мм, на момент восстановления

– 2 мм. После наращивания толщина стенки была доведена до начальной.

264

Ниже приведены наиболее распространенные области применения

технологии для защиты поверхностей деталей и узлов машин от абразивного,

эрозионного, коррозионного и других видов воздействия рабочей среды.

Автомобильная промышленность: распределительные и коленчатые

валы, валы водяных насосов, шкворни, разжимные кулаки тормозов,

головки поршней, цилиндры, поршневые кольца, диски сцепления,

выхлопные клапаны и т. п.

Авиационная промышленность: сопла ракетных двигателей,

элементы реактивных двигателей, лопатки турбин, различные

переходники, наконечники, листы для облицовки фюзеляжа и т. п.

Электротехническая промышленность: конденсаторы,

отражательные поверхности антенн систем связи и т. п.

Цементная промышленность: лопасти вентиляторов, детали

конвейеров, клапаны и седла клапанов, подшипники и т. п.

Химическая промышленность: клапаны и седла клапанов, валы и крыльчатки

(рабочие колеса) насосов, корпуса насосов химических циркуляционных систем,

плунжеры, цилиндры и кольца кислотоупорных насосов и т. п.

Угольная и металлургическая промышленность: лопасти дымососов,

детали ковшей и черпаков, грохоты классификаторов, детали воздуходувок,

матрицы, пуансоны и другие элементы штампов, пресс-форм и т. п.

Энергетическая промышленность: шнеки питателей для подачи

угля, детали вентиляторов и дымососов для отвода отходящих газов,

паровые клапаны, детали конвейеров и т. п.

Изделия общего назначения: калибры (пробки, скобы), резьбовые

калибры, оправки, детали шлифовальных станков, центры токарных

станков, шпиндели и валы, шнеки экструзионных машин и т. п.

Прочие изделия: подшипники различных конструкций, коленчатые

валы, ролики и валки, зубья шестерен и т. д.

5.6 Вопросы для самостоятельного контроля

1. В чем состоит физическая сущность газотермических технологий

послойного выращивания?

2. Приведите классификацию методов газотермических технологий

выращивания.

3. Сравните технологические возможности газоплазменного и

детонационного методов.

4. Каковы достоинства и недостатки плазменных технологий?

5. Области применения газотермических покрытий.

265

РАЗДЕЛ 6

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МИКРОУРОВНЯ

6.1 Основные понятия

В настоящее время научные достижения позволяют на

принципиально новых основах конструировать поверхность и

приповерхностный слой. Сюда относятся и возможности синтезировать

тонкие слои, названные покрытиями, получаемыми послойным

выращиванием. Речь идет о генеративных технологиях, относящихся к

микроуровню, определяемому микрометрическими толщинами слоев.

По критерию сущности процессов формирования все методы

получения покрытий макроуровня на рабочих поверхностях можно

разделить на три основные группы.

К первой группе относят химико-термические методы (ХТМ)

образования покрытий, основанные на твердофазовом, жидкостном или

газофазовом насыщении поверхностей изделия (ТСVD – Тhеrmо-сhеmісаl

vароr deposition).

Во вторую группу входят методы комплексного формирования

покрытий, когда они образуются в результате химических реакций между

парогазовыми смесями и термодиффузионными реакциями между

конденсатом и материалом изделия (СVD – Сhеmical vароr deposition).

К третьей группе могут быть отнесены вакуумо-плазменные методы

физического осаждения покрытий, которые получили название в мировой

практике РVD (РVD – Physical vароr deposition). При этом процессы РVD

обычно включают вакуумное распыление или испарение (генерацию)

тугоплавкого металла, его частичную или полную ионизацию, подачу

реакционного газа, химические и плазмохимические реакции,

конденсацию слоев покрытия на рабочих поверхностях изделий.

Вакуумо-плазменные методы универсальны по возможности

синтеза широкой гаммы монослоевых, многослойных и композиционных

покрытий на базе нитридных, карбидных, карбонитридных, оксидных,

боридных и других соединений тугоплавких металлов IV-VI групп

Периодической системы элементов. С помощью этих методов можно

осаждать качественные покрытия при низких температурах подложки.

266

Все эти методы реализуют принцип изготовления «снизу-вверх», от

«малого к большому».

Ионно-плазменные технологии синтеза покрытий получили широкое

распространение в мировой практике производства благодаря своей

универсальности, возможности синтеза покрытий разнообразного состава

и конструкции в широком температурном диапазоне (100-1000°С). При

низкой дефектности слоев возможна реализация «теоретической»

прочности материала и получение покрытий, которые обеспечивают

максимальное повышение эффективности и надежности изделий.

Ионно-плазменные процессы позволяют управлять энергией ионов,

осуществлять десорбцию, миграцию поверхностных атомов и химические

реакции, распыленность и имплантацию, соответственно делать

очистку, синтезировать покрытие или модифицировать свойства

поверхностного слоя изделия (табл. 6.1).

Вакуумно-плазменная технология является малоэнергоемкой и

экологически чистой. Установки и технология отличаются высокой

степенью универсальности.

Преимущества методов, которые относятся к третьей группе, а также

их высокая степень управляемости делают вакуумно-плазменные

технологии нанесения износостойких покрытий наиболее

перспективными.

Таблица 6.1 – Влияние энергии ионов на формирование поверхности

изделия

Еі. Эв.

5…12 |30|

12 |30| .10

…10

Явления

Десор-

бция

Миграция поверхн.

атом. хим. реакции

Распыление

Имплантация

50A/Кэв

Послед-

ствия

Очищение

Способ покрытия

распыленными

атомами

Модификация свойств

поверхности

В настоящее время в зависимости от конкретно решаемых

технологических задач применяются различные вакуумные методы

нанесения покрытий, генерируя частички наносимых веществ

термическим испарением, ионным распылением, активированным

реакционным испарением, ионным осаждением, электронно-лучевым

плазменным напылением, конденсацией с ионной бомбардировкой, а

также осаждением покрытий из газовой фазы в вакууме.

267

В табл. 6.2 приведены характерные (ориентировочные) параметры

различных процессов нанесения покрытий. Для сравнения приведены

параметры термовакуумного процесса нанесения покрытий.

В тех случаях, когда с поверхностью твердого тела взаимодействуют

ускоренные ионы, обладающие энергией выше тепловой, будут иметь

место различные процессы, которые в значительной мере определяются

именно кинетической энергией ускоренных ионов.

При энергии менее 5эВ ион либо отражается от облучаемой

поверхности, либо переходит в термодинамическое равновесие с ней, а

затем десорбируется. Важную роль играет потенциальная энергия

поверхностных атомов твердого тела (энергия возбуждения атома или

иона), так как ее значением определяются электронные переходы,

вызывающие эмиссию вторичных электронов или разрыв (восстановление)

химических связей, имеющихся на поверхности сорбированных примесей.

В том случае, когда энергия ионов превышает энергию связи

атомов, атомы решетки под действием налетающих ионов

перемещаются в новые положения, что приводит к поверхностной

миграции атомов (перемешиванию) и поверхностным повреждениям

решетки твердого тела.

При энергиях ионов 12-40 эВ (в зависимости от природы

облучаемого материала) превалирующим процессом становится

выбивание поверхностных атомов мишени, т.е. распыление материала.

При энергиях ионов выше 100эВ они начинают внедряться в верхний

слой кристаллической решетки мишени, причем структура и ориентация

кристаллитов мишени являются важными факторами, определяющими

глубину проникновения ионов.

По мере увеличения энергии ионов глубина внедрения

увеличивается, а поверхностные повреждения кристаллической решетки

уступают место объемным. Вследствие этого начинается ионная

имплантация, и она становится доминирующим процессом.

Системы ионного нанесения покрытий (рис. 6.1), в которых

генерация наносимого материала в газообразном состоянии

осуществляется в результате термического перевода твердого вещества

в парообразное, получили название ионно-термических (среди них

распространение нашли электронно-лучевые системы и системы нанесения

покрытий из плазмы с горячим катодом).

268

Таблица 6.2 – Характерные параметры различных процессов нанесения покрытий

Методы нанесения покрытий

Ионное легирование

(имплантация)

Характерные параметры

процесса

Термическое

нанесение

При помощи

ионного

(катодного)

распыления

Ионно-

термическое

нанесение

Из плазмы

разряда с

горячим

катодом

Из плазмы с

холодным

катодом

ионное

насыщение

ионное

внедрение

При помощи

плазменных

ускорителей

Скорость нанесения

покрытий, мкм/мин

0,5-2,0 0,03-2,5 0,5-1,0 0,5-1,0 0,1-0,5 0,1-0,2 0,5-1,0 0,2-2,0

Толщина покрытий или

глубина легированного слоя,

мкм

2-50 1-10 2-20 2-20 2-20 10-20 0,3-2 2-20

Минимальная температура

подложки, °С

250-500 250-400 250-500 250-500 150-400 50-600 250-400

Площадь обрабатываемой

поверхности, см

500-1000

50-400

(до10

)

50-400 50-400 50-400 10-400 50-400

Мощность установки, кВт 5-75 5-75 5-75 5-70 5-50 5-100 5-40

Напряжение, кВ 0,1 1-5 1 1 1 0,4-2 50-100 1

Процент ионизации 0,1 25 1-20 2-30 80 100 20-95

Энергия прибывающих на

подложку частиц, эВ

0,3 10-50 20 20 20-50

105

269

Методы ионного нанесения покрытий

Ионно-термические

Холодные

С ионизацией пара

Автоэмиссионные

Ионно-лучевое

распыление (при

сопутствующей ионной

бомбардировке растущего

покрытия)

При испарении электронным лучом

При испарении лазерным лучом

С ионизацией пара с внешним

воздействием

Электронным ударом

Плазменным потоком

С ионизацией пара разрядом

Тлеющим

Несамостоятельным

Самостоятельным

Дуговым

Несамостоятельным

Самостоятельным

Из плазмы разряда с

горячим катодом

Из плазмы разряда с холодным катодом

С тлеющим разрядом (при

сопутствующей ионной

бомбардировке растущего

покрытия)

Приложением потенциала

смещения на подложку

Ионным (плазменным

потоком из ионного

источника)

С тлеющим разрядом в

скрещенных НхЕ полях

(магнетронные системы)

С дуговым разрядом

(электродуговое

распыление)

Стационарный

Импульсный

Анодной формы

Катодной формы

С электростатическим

ускорением плазмы

С холловским ускорением

плазмы

Рисунок 6.1 – Системы ионного нанесения покрытий