Товажнянский Л.Л., Грабченко А.И. и др. Интегрированные технологии ускоренного прототипирования и изготовления

Подождите немного. Документ загружается.

Информатика принятия решения о выборе технологии нанесения

покрытий

Информационная

база данных

М етодики

принятия

решений

Информационная база знаний

База знаний о

макродетали

Оценка качества изделия с послойно вырощенными покрытиями

Р еализация принятого решения о выборе технологии нанесения

покрытий

Т ехни ческая и

технологическая

оснащ ен ность процесса

наращ и ван ия п окры тия

Ф изико-химический

механизм

взаимодействия

покры ти я с подлож кой

Вы ходн ы е парам етры

процесса наращ и ван ия

покры ти я

Справочн ая

технологическая

база дан ны х и

научно-м етодичес-

кое обеспечени е

качества и

технико-экономич е

ски х показателей

технологии

нанесени я

покры ти я

Оболочка для

принятия решения

Д анны е входного

контроля

Условия работы

М атери ал

(субстрата)

Ф изико-механичес-

ки е характеристики

Т ехнологич ность

конструкции

Вид нагруж ения

Вид фин иш н ой

обработки

Н азначени е

покры ти я

П арам етры и

свой ства

Разм ер п артии

макродеталей

Т и п прои зводства

Т ехни чески е

услови я

Рабоч ий чертеж

макродетали

Н еобходим ый

ресурс

Рисунок 16 - Структурно-логическая схема принятия решения о

выборе технологии наращ ивания покрытий и оценки качества

изделия

Рис. 17. Причинно-следственная диаграмма определения основных

факторов, влияющ их на качество нанесенного покрытия:

1 - качество наращ иваем ого покры тия; 2 - свойства покры тия;

3 - остаточные напряжения; 4 - износостойкость и характеристики

трения; 5 - усталостная прочность; 6 - структура; 7 - механические

св ой ства ; 8 - ф изи чески е св ой ства ; 9 - за щ итн ы е свойства ;

10 - ра сп ределени е на пр яж ени й; 1 1 - зн ач ен ия на пр я ж ени й;

12 - микротвердость; 13 - напряжения сжатия; 14 - наличие капель;

15 - наросты; 16 - модуль упругости; 17 - коэффициент Пуассона;

1 8 - п р оч но ст ь п о к р ы т и я п р и р ас т яж е н и и ; 1 9 - п р о ч н о ст ь

сцепления покрытия с подложкой; 20 - плотность; 21 - пористость;

22 - Размер пор; 23 - растрескиваемость; 24 - факторы процесса;

25 - отслоение; 26 - подготовка поверхности; 27 - совместимость

материала подложки и покрытия.

4 5 6

1617

(рис. 16), а для оценки факторов, влияющих на качественные

характеристики наращиваемого покрытия – причинно-

следственной диаграммой (рис. 17).

Таким образом, ионно-плазменный синтез и другие

сходные технологии обладают всеми признаками

генеративных технологий и по своей сути являются

составными частями нового интенсивно развивающегося

направления, в совокупности обладающего мощным

потенциалом для ускорения создания изделий с заранее

заданными функциональными свойствами, определяющими

их высокую конкурентоспособность на рынке.

3.4. Генеративные технологии наноуровня

Генеративные технологии наноуровня развиваются в

соответствии с новой парадигмой «снизу – вверх» и все

больше вытесняют технологии, соответствующие уходящей

парадигме изготовления «сверху – вниз».

Частица «нано» (от греческого «nanos» – карлик)

означает миниатюрную часть чего-либо и используется в

самых различных словосочетаниях – нанонаука,

нанотехнология, наноматериалы, нанообъекты,

наноизмерения, нанометрология, нанопроизводство,

нанофазные материалы, нанокристаллические материалы,

консолидированные наноматериалы, нанопокрытия и т. д.

К нанообъектам относят такие, которые хотя бы по

одной координате имеют размеры, соответствующие

нанометрическому диапазону. Выращиваемые покрытия

(пленки) соответствуют этому критерию.

При таких размерах материал нанопокрытия имеет

целый ряд особенностей и свойств, которые не наблюдаются

в макрообъектах, а именно:



дискретную атомно-молекулярную структуру;



размеры кристаллитов до нескольких нанометров;



размеры конгломератов атомов и органических молекул

не более нескольких мкм;



квантовые закономерности поведения;



предпосылки к минимизации изделия;



предпосылки к снижению энергоемкости и

материалоемкости;



более высокий потенциал быстродействия, высоких

скоростей протекания в них различных процессов;



содержание в тонком приповерхностном слое большей

доли поверхностных атомов и т.д.

Если объект имеет атомарный масштаб в одном, двух

или трех измерениях, то его свойства могут резко отличаться

от прочностных, упругих, демпфирующих, тепловых,

электрических, трибологических, магнитных, диффузионных

и др. свойств объемных объектов из того же материала

(табл. 2).

Как видно из таблицы, пленки TiN, TiB

, TiN/ZrN,

Ti(B, N, C)

при размере кристаллитов 1



10 нм и толщине



4 мкм имеют твердость, равную твердости алмаза после

динамического прессования.

Однако заметное распространение в мировой практике

производства получили ионно-плазменные технологии

синтеза покрытий из-за своей универсальности, возможности

синтеза покрытий различного состава и конструкции в

широком температурном диапазоне (100



1000



С). Толщина

каждого из слоев таких покрытий может достигать всего

несколько нанометров, поэтому при низкой дефектности

слоев возможна реализация «теоретической» прочности

материала и получение покрытий, обеспечивающих

максимальное повышение эффективности и надежности

изделий.

В табл. 3 приведены значения прочности пленок чистых

металлов Ni, Ca, Ag и конструкционных и легированных

сталей.

Таблица 3 – Прочность металлических тонких пленок

Материал



, МПа

Материал



, МПа

Никель 2000 Сталь 45 1200

Медь 1700 Сталь 65Г 1600

Серебро 1200 Сталь ШХ15 2000

Таблица 4 – Характеристики защитных покрытий [63]

Состав

покрытия

Микро–

твердость,

ГПа

Окалиностойкость

(предельная

температура

поверхности), ºС

Коэффициент

трения

TiN 19,30-22,00 600 0,5

TiC 28,00-30,00 400 -

TiCN 30,00 400 0,4

TiAlN 30,00-35,00 540 0,4

TiAlCrN 35,00 920 0,4

TiAlCrYN

27,00 950 -

CrN 16,50-21,50 700 0,5

21,00-30,00 1200 -

ZrN 28,00 600 0,6

MoS

15,00 - 0,02

WC/C 15,00 300 0,2

Таблица 5 – Характеристики многослойных защитных

покрытий [63]

Состав

покрытия

(промежуточ-

ный слой)

Переме-

щение

инден-

тора, нм

Нагрузка

на

индентор,

мН

Глубина,

нм

Модуль

упругости

Е, ГПа

Твердость

Н, ГПа

TiN (Co) 200,2 30,0 150,0 717 43,05

TiCN (Co) 203,3 30,0 147,5 622 44,25

TiAlN (Co) 225,5 30,0 170,5 511 33,24

TiN-TiC (Co)

236,0 30,0 180,0 470 30,62

Обратим внимание на высокие значения твердости

чистых металлов, мягких в макрообъектах: медь превышает

по прочности легированную сталь.

Огромные новые возможности открываются в области

конструирования граничных слоев покрытий [37, 74]. Речь

идет о нанотехнологии и атомной производственной

технологии, позволяющей целенаправленно наращиванием

создавать поверхностные мельчайшие структуры на атомном

уровне. Особое практическое значение эти технологии имеют

для таких областей, как передача и хранение информации,

функциональные атомные системы покрытия и основания

(подложки, субстрата), атомные механические компоненты и

системы, а также химические, биологические и

фармакологические системы, то есть тех областей, где

важную роль играет трехмерная атомная структура

поверхности. Структурирование граничного слоя дает новые

возможности технологическим путем формировать

трехмерную топографию, требуемые физические, химические

и др. свойства поверхности изделий [74].

Управление технологическими параметрами процесса

наращивания пленок позволяет не только регулировать их

толщину, но и управлять структурой и ориентацией

кристаллитов. На рис. 5 схематически представлен

граничный слой многослойного покрытия с заданной

ориентацией кристаллитов, примыкающих к его физической

поверхности. Это означает, что создавая ту или иную

текстуру, можно управлять не только свойствами

приповерхностного слоя, но и собственно поверхности. Как

следует из табл. 6, для анизотропных материалов возможно

управление значениями интенсивности съема, поверхностной

энергией, трещиностойкостью, коэффициентом трения в

достаточно широком диапазоне.

Все это показывает, что генеративный принцип

применительно к нанообласти обладает огромным

потенциалом и в этом плане эта технология органично

вписывается в понятие нанотехнологии. Области применения

чрезвычайно широки – от нанопленочных компонентов

микроэлектроники до биосовместимых имплантантов.

Таблица 6 – Анизотропия физико-механических свойств

алмазных покрытий

Грань

1 2

Куба

{100}

Октаэдра

{111}

Ромбо–

додекаэдра

{110}

Интенсивность съема,

мм

/мин

6 10 1

Поверхностная энергия,

Дж/м

18,4 10,6 13

Трещиностойкость,К

1с

МПа·м

1/2

27 - 40 8,5 9,9

Коэффициенттрения 0,120 0,050 0,075

Модуль Юнга, ГПа 1050 200 160

Относительная скорость

окисления

1,5 1,8 1,0

Микротвердость, ГПа 50 90 - 100 80

Напряжение сдвига, ГПа 283,5 163,8 199

По мнению многих экспертов последствия

нанотехнологического наступления будут обширнее и

глубже, чем уже всем известные результаты тотальной