CC BY
121
МАШИНОСТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 762
Р. М. КИРЕЕВ
СИНТЕЗ ПОКРЫТИЙ ИЗ НИТРИДОВ И КАРБИДОВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА СИСТЕМ TI-AL КОНДЕНСАЦИЕЙ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ВАКУУМНОЙ ДУГОЙ
Рассматриваются результаты исследований покрытий формируемых с помощью вакуумной дуги с интегрально-холодным катодом. Обсуждаются результаты взаимодействия потоков титана и алюминия на холодных и горячих подложках в среде различных газов. Осажденные покрытия исследовались с помощью рентгеноструктурного и оптического методов исследования. Установлено что покрытия состоят из Т1, А1, интерметаллида Т1—А1, нитридов и карбидов ин-терметаллида Т1—А1. Вакуумные покрытия; интерметаллиды; синтез; фазовый
состав
Интерметаллиды системы Т1—А1 обладают целым рядом уникальных свойств: высокая температура плавления, низкая плотность, высокий модуль упругости, стойкость к окислению и возгоранию, жаропрочность. Область применения указанных соединений обширна и включает в себя: компоненты двигателей, реактивные сопла, элементы обшивки космических аппаратов, сотовые конструкции сверхзвуковых летательных аппаратов и элементы их теплозащитных систем. Существует еще одна область использования ин-терметаллидов: высокотемпературные штампы и формы, зажимные приспособления в высокотемпературных печах, роллеры для прокатки стальных слябов, детали роторов гидротурбин, клапанов для автомобильных двигателей, режущий инструмент.
Основной объем интерметаллидных материалов систем А1—(Т1, Со, N1, Fe), а так же их нитриды и карбиды в настоящее время формируют следующими методами.
1. Посредством спекания под давлением из порошковой смеси чистых элементов при высокой температуре. Интерметаллиды формируются на границах зерен порошков. Объемное содержание полученных интерметал-лидов при спекании зависит от давления, температуры и процентного содержания элементов в зоне обработки [1]. Существенным недостатком является трудность обеспечения однородности состава по всему объему.
2. Интерметаллиды системы А1—Т1 могут быть получены путем внедрения алюминия в титан при ионной имплантации с последу-
ющим отжигом. Интерметаллидное соединение формируется на глубине 100—200 нм при дозе 1,0х1018—7х1017 ион/см и при температуре отжига 600—700°С [2,3,4]. Недостатком метода является малая толщина получаемых слоев и неоднородность химического состава интерметаллидных соединений по толщине слоя.
3. Для синтеза композиции А1—Т1 используется принцип одновременного поатомного напыления слоев, в вакууме при давлении
0,1—5 Па, различных компонентов на охлаждаемую подложку [5]. Температура подложки не превышает 50° С. В качестве материалов подложек используются монокристал-лический кремний и арсенид галлия, а также пластины из полированной нержавеющей стали и оптического стекла. Для получения интерметаллида Т1—А1 требуется кратковременный локальный нагрев, после чего реакция становилась самоподдерживающейся с быстро распространяющимся фронтом, скорость которого составляет примерно 5 м/с.
Существующие методы получения интер-металлидов основаны на двух этапах: 1 этап — получение заготовки путем спекания порошков или нанесением послойного покрытия, состоящего из различных материалов; 2 этап — последующее термическое воздействие или легирование поверхности для синтеза интерметаллидов. Такие методы получения деталей из интерметаллидов требуют, во-первых, существенные материальные затраты на оборудование и обработку и, во-вторых, интерметаллиды трудно обрабатываются ме-
ханически, что затрудняет изготовление деталей со сложно-фасонной поверхностью.
В данной статье рассматривается метод получения интерметаллидов систем А1—Т1, а также их нитридов и карбидов непосредственно на поверхности детали посредством конденсации из плазменных потоков, генерируемых вакуумными дугами. Преимущество данного метода заключается в том, что возможно получать покрытия толщиной до 100 мкм с однородным составом по всему объему и равномерным по всей поверхности детали независимо от ее конфигурации. Данный метод получения покрытий из интерметалли-дов не требует последующей дополнительной термической обработки [6].
Формирование покрытий проводилось с двух ускорителей плазмы в среде различных реакционных газов. Были проведены исследования зависимости получения интерметал-лидов от режимов обработки. Образцы были расположены в различных точках вакуумной камеры. В процессе проведения экспериментов контролировалось положение и расстояние образцов от катода, а также их пространственная ориентация относительно потока плазмы. Проводились исследования двух различных методов: одновременное осаждение из плазмы, генерируемой титановым и алюминиевым катодам и послойное.
6
Рис. 1. Схема проведения эксперимента: 1 — подложка, 2 — экран, 3 — катоды, 4 — аноды, 5 — источник ионов газа, 6 — камера
Исследовались следующие режимы: ток дуги — 40 ... 120 А; давление — 10-1 ... 10 Па; время обработки — 1 60 ми-
нут. Температура подложки варьировалась в
диапазоне 40—300° С. Чтобы сохранять температуру подложки на более низком уровне, применялся радиационный метод охлаждения (рис. 1). Регулировались следующие факторы: температура подложки, ток дуги, давление, скорость вращения образцов относительно собственных осей и осей рабочего стола, угол между осями плазменного потока и поверхности образцов. Рентгеноструктурные исследования проводились на дифрактометре общего назначения Shimadzu XRD 6000.
На первом этапе определялась зависимость распределения скорости прироста материала в различных точках рабочей камеры от режимов обработки. Данные зависимости определялись как для титана, так и для алюминия, при этом поверхность образцов располагалась под различными углами к оси потока плазмы (рис. 2).
Рис. 2. Распределение скорости прироста покрытий, мкм/мин: А1 — 1 — 2,5; 2 — 1,7; 3 — 1,3; 4 — 0,17; 5 — 0,08; Т1 — 6 — 1; 7 — 0,86; 8 — 0,73; 9 — 0,25, • — образцы
Проведенный анализ результатов позволил определить распределение процентного содержания ионов в плазме по объему вакуумной камеры.
При центральном расположении образца (рис. 1) происходило одновременное нанесение покрытия из Т1 и А1. Предполагалось, что на поверхности образца будет образовываться интерметаллиды. Результаты исследование образцов (№ 1—9) показали, что в зависимости от режимов обработки на поверхности образуется покрытие из Т1 или Т1, образование интерметаллидов не происходило (табл. 1). В таблице приведены данные, полученные при нанесении Т1 и А1 в среде аргона (1), азота (2), азота и ацетилена (3).
Т аблица1
Методы обработки и характеристики покрытий
Метод обработки, положение источников Процент объемного содержания элементов, (погрешность 3-5 %)
№ Обр. Ті А1 ТІА1 ТіАЬ ТІАІз ТізАІ ТІ3АІС2 ТізАШ ТіАШ2 ТізАЬК
Одновременный центральный 1 1-7, 9 а
Одновременный центральный + ассистирование 1 8 100, Р
Последовательный асимметричный 1 10 12 а 88
И 10 а 90
Последовательный асимметричный + ассистирование 1 15 21а 79
20 24 а 76
Одновременный асимметричный 1 21 + + + 80 + +
140 + + + 20 52 +
2 105 + + + + + + 19 36 14
106 + + + + + + 12 54 9
3 84 + + + + + + 16 + 42 17
85 + + + + + + 14 + 48 23
Одновременный асимметричный + ассистирование 1 19 + + + 90 + +
145 + + + + 92 +
2 118 + + + + + + 21 42 16
119 + + + + + + 18 53 15
3 35 + + + + + + 15 + 43 24
36 + + + + + + И + 51 25
При последовательном (послойном) нанесении Т и А1 на подложке образовывалось покрытие, состоящее из слоев Т1—А1 (образцы № 10,11,15). Образование интерметаллидов также не обнаружено.
При одновременном нанесении покрытий из Т1, А1 и асимметричном расположении электродуговых испарителей исследовались как различные режимы обработки, так и различное пространственное расположение подложки относительно электродуговых испарителей (рис. 2).
Исследование образцов показало, что при определенных режимах обработки и пространственном расположении на образцах формируется покрытие из интерметаллидов и их нитридов и карбидов.
Анализ результатов фазового состава покрытий на образцах показал, что на процентное содержание интерметаллида, а так же их карбидов и нитридов в покрытии влияет:
пространственное расположение образцов (расстояние до электродуговых испарителей, угол между осью плазменного потока и поверхностью подложки);
дополнительная бомбардировка поверхности подложки ионами реакционного газа;
• режимы обработки (соотношение тока дуги Т и А1 испарителей соответственно, давление, энергии ионов).
Анализ процентного содержания интер-металлидов Т1—А1 в покрытии показал, что увеличение концентрации ионов алюминия в плазме приводил к повышению процентного содержания интерметаллида в покрытии. Дополнительная бомбардировка ионами инертного газа также приводит к повышению процентного содержания интерметаллида в покрытии.
Установлено, что фазовый состав покрытия из карбидов и нитридов интерметаллида Т1—А1 зависит от энергии ионов. Увеличение энергии ионов приводит к образованию выс-
ших нитридов и карбидов TiAl, а уменьшение — к образованию низших нитридов и карбидов TiAl.
ВЫВОДЫ
• Последовательное (послойное) нанесение Ti и Al на подложку не позволяет синтезировать покрытия из интерметаллидов.
При одновременном нанесении Ti и Al, как с ассистированием так и без, на образцах синтезируются интерметаллиды, а так же их нитриды и карбиды.
• На фазовый состав покрытия из карбидов и нитридов интерметаллида Ti—Al влияют: процентное содержание ионов Ti, Al и реакционного газа в плазме, угол между осями плазменных потоков и поверхностью подложки, температура подложки.
• Повышение энергии ионов приводит к увеличению процентного содержания высших нитридов и карбидов Ti-Al в покрытии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Fedorischeva, M. V. Structure of intermetallic Ni3Al syntehized under pressure / M. V. Fedorischeva // Physics and Chemistry of Materials Treatment. 1999. № 5. P. 61-70.
2. Tsyganov , I. A. Formation of the Phases Ti3Al and TiAl by High Dose Implantation of Alu-
minium into Titanium / I. A. Tsyganov // Materials of 5th Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 2000. P. 341—345.
3. Bhattacharya, P. / P. Bhattacharya, K. N. Ishibara, K. Chattopadhyay // Mater. Sci. Eng. 2001. A304-306. P. 250-254.
4. Sampath, S. / S. Sampath, X. Jiang // Mater. Sci. Eng. 2001. A304-306. P. 144-150.
5. Anciferov, V. N. / V. N. Anciferov, S. P. Koso-gorov // Physics and Chemistry of Materials Treatment. 1996.
6. Budilov, V. Intermetallic products formed by joint cold cathode vacuum arc sputtering of titanium and aluminium / V. Budilov, R. Kireev, Z. Kamaloval // Mater. Sci. Eng. 2004. A 375377. P. 656-660.
ОБ АВТОРЕ
Киреев Радик Маратович,
доц. каф. технол. машиностроения. Дипл. инж.-мех. (УГАТУ, 1993). Канд. техн. наук по тепл. двиг. ЛА (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. вакуумных ионноплазменных методов модифицирования поверхности.
