Ионный пучок: новые возможности по созданию многокомпонентных порошковых изделий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МЕТ^ППООБРАБОТЖА

УДК 621.791.722; 621; 621.762.04

Ионный пучок: новые возможности

по созданию многокомпонентных порошковых изделий

Ю. А. Соколов, Н. В. Павлушин

Рассматривается новый подход к получению композиционных изделий, основанный на методе послойного синтеза ионным пучком. Разработка технологии ионного синтеза и проектирование принципиально нового технологического оборудования открывают новые возможности в создании композиционных изделий из порошков различного химического состава, получении деталей с программированной структурой и заранее прогнозируемыми свойствами. Рассмотрена конструкция специализированной установки для реализации технологии ионного синтеза композиционных изделий, предложены оригинальные конструкторские решения источника ионов (дуаплазматрона).

Ключевые слова: Послойный синтез, композиционные изделия, ионный луч, специализированное оборудование, функции, система управления.

Для дальнейшего развития аддитивных технологий актуально стоит задача быстрого получения композиционных изделий сложной геометрической формы. Изделия с необходимым комплексом прочностных и пластичных свойств могут быть получены сочетанием основного и упрочняющего порошков. В качестве упрочняющего используют порошок химически активных тугоплавких металлов, которые способны реализовать различные многокомпонентные системы: карбиды, бори-ды, нитриды титана, молибдена, вольфрама, гафния, тантала, ниобия.

В настоящей статье рассматривается новый подход к получению композиционных изделий, основанный на методе послойного синтеза ионным пучком (СИП). Разработка технологии СИП и проектирование принципиально нового технологического оборудования открывают новые возможности в создании композиционных изделий из порошка различных химических составов, получении деталей с программированной структурой и заранее прогнозируемыми свойствами.

В отличие от широко распространенной технологии быстрого прототипирования лазерным или электронным лучом новый подход:

• открывает новые возможности в формировании химического состава композиционного изделия; в качестве элементов могут быть использованы ионы различных газов,

которые при бомбардировке металлического порошка образуют новые химические соединения;

• позволяет значительно повысить точность изготовления изделий (размеры кроссовера ионного пучка при ускоряющем напряжении 120-150 кВ достигают 1 мкм, что на два порядка меньше электронного пучка);

• получать многокомпонентные сплавы из порошка различных химических составов;

• использовать при синтезе порошки химически активных тугоплавких металлов, так как процесс реализуется в вакууме;

• формировать структуру изделия непосредственно во время «роста» изделия.

Технология послойного синтеза изделий

ионным пучком

Перечень ионов, которые можно получить из дуаплазматрона, не ограничен. Ионы можно получить не только из однокомпонентных газов (кислород О2, водород Н2, азот N2, аргон Аг, гелий Не и пр.), но и из многокомпонентных газов, таких как углекислый газ СО2 (ионы углерода С+ и кислорода), фтористый бор БЕз (ионы бор В+ и ионы фтора Е-), те-трафторид кремния 81Е4 (ионы кремния 81+ и ионы фтора Е-), фторид фосфора РЕ5 (ионы фосфора Р+ и ионы фтора Е-).

[28

№ 2(86)/2015

7

Рис. 1. Формирование слоя изделия ионным пучком и методом термического испарения:

1 — дуаплазматрон; 2 — проволока; 3 — испаритель; 4 — порошок; 5 — ионный пучок; 6 — пленка; 7 — подложка

1

5

Рис. 2. Формирование слоя изделия ионным пучком:

1 — дуаплазматрон; 2 — ионный пучок; 3 — порошок первого химического состава; 4 — порошок второго химического состава; 5 — подложка

Рассмотрим несколько новых схем формирования композиционного изделия с помощью ионного пучка.

1. Нанесение на поверхность изделия тонкой пленки методом термического испарения с последующей обработкой ионным пучком образовавшейся поверхности, плавление

пленки, заполнение пор между порошком более тугоплавкого металла (рис. 1).

2. Послойная бомбардировка ионами газа металлического порошка (рис. 2). Ионный пучок 2 перемещается по подложке или формируемому изделию со скоростью сканирования Это эквивалентно действию (приложению) периодической тепловой нагрузки с длительностью импульса dо/Vск (йо — диаметр пучка в месте его встречи с поверхностью объекта). К числу параметров оперативного управления во время технологического процесса можно отнести ток пучка /п, скорость сканирования пучка кроссовер (диаметр) пучка do, шаг смещения пучка при сканировании поверхности всм, размеры сканируемой площади хь и уь (угол отклонения ионного пучка).

В качестве примера рассмотрим синтез композиционного изделия из порошков вольфрама W и алюминия А1. Схема формирования химического состава композиционного изделия по технологии СИП аналогична схеме получения бетона: порошок вольфрама при высоких температурах окружен жидким алюминием, который выполняет функцию воды в бетоне — за счет сил смачивания и поверхностного натяжения удерживает порошок вольфрама в исходном положении. Микрокристаллы карбида алюминия (цемент) предотвращают окисление металлов и увеличивают интегральную площадь смачивания алюминием композиции W + А14С3. Такой материал обладает повышенными механическими свойствами, высокой жаропрочностью и жаростойкостью (рис. 3).

При обработке порошка алюминия ионным пучком С+ из дуаплазматрона металл начинает плавиться, происходит образование карбида алюминия А14С3 твердой фазы в ви-

Рис. 3. Схема получения КМ с помощью ионного пучка:

1 — вольфрам; 2 — карбид алюминия; 3 — алюминий

1

2

3

6

4

2

№ 2 (86)/2015

де микрокристаллов. В результате образуется двухфазная смесь чистого расплавленного алюминия А1 с карбидом алюминия АЦС3, который заполняет поры в порошке вольфрама. В результате обработки слоя ионным пучком получают изделие, обладающее следующими свойствами:

• высокая механическая прочность, определяемая наличием порошка вольфрама;

• высокая жаропрочность (способность материала сохранять эксплуатационные свойства при высоких температурах);

• высокая жаростойкость, определяемая процентным содержанием алюминия в материале.

Обработкой порошка вольфрама ионами углерода до подачи алюминия получают карбид вольфрама, обладающий алмазоподобны-ми свойствами. Таким образом, формируется изделие следующего химического состава: вольфрам — карбид вольфрама — алюминий — карбид алюминия — оксид алюминия.

Рассмотренная композиция приведена в виде примера, так как технология СИП является универсальной и позволяет формировать композиционные изделия из различных элементов таблицы Менделеева.

Использование концентрированного потока ионов при СИП позволяет управлять структурой изделия, обеспечить локальное воздействие на элементарную ячейку, формируя тем самым сплав с заданным сочетанием порошков различных химических составов.

Технология СИП позволяет проводить термическую обработку не только поверхностного слоя, но и в процессе «роста» изделия, формируя тем самым программную структуру, например, с упрочняющими фибрами.

Вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения (до 105 °С/с) формируется структура сплава с мелким зерном. Известна следующая зависимость расстояния между дендритными ветвями второго порядка д от скорости охлаждения [1]:

д =

(1)

где а и п — постоянные, определяемые свойствами вещества; иПхл — скорость охлаждения.

Скорость зарождения кристаллов возрастает с ростом скорости охлаждения, что приводит к пропорциональному уменьшению размера зерен.

Свойства композиционных порошковых изделий изменяют путем корректировки ком-

бинации химических элементов, режимов синтеза изделий и термообработки. Влиять на структуру изделия можно, регулируя скорость нагрева и охлаждения.

Управляющими параметрами для получения в каждом слое материала заданной структуры являются ток пучка, скорость сканирования, диаметр пучка в месте встречи с мишенью, время импульса пучка, время паузы. Управление ионным пучком аналогично управлению электронным лучом, отличается малым диаметром кроссовера и может составлять до 1 мкм, что дает возможность формировать изделие с точностью до диаметра порошка.

Техническая реализация установки

Схема специализированной установки УИП-3, предназначенной для реализации технологии послойного синтеза изделий с помощью ионного пучка, представлена на рис. 4. СИП происходит в вакуумной камере, габаритные размеры которой определяются в основном максимальными размерами изделия.

Рабочий стол, предназначенный для размещения подложки и синтезируемого изделия, содержит механизм вертикального перемещения изделия, который обеспечивает в техно-

\

ТГ

5

И

/

Рис. 4. Структурная схема установки УИП-3: 1 — камера вакуумная; 2 — источник ионов (дуаплазматрон); 3 — каретка для нанесения порошка на подложку; 4 — стол; 5 — слой порошка; 6 — изделие; 7 — вакуумная система; 8 — узел водяного охлаждения; 9 — система управления

2

1

7

3

8

4

и

№ 2 (86)/2015

14 13

12 11

1 2

3

4

5

6

7

8 10

Рис. 5. Схема дуаплазматрона с осцилляцией электронов:

1 — полый катод; 2 — нагреватель; 3 — металлическая поверхность; 4 — отверстие катодной камеры; 5 — промежуточный электрод № 1, находящийся под положительным потенциалом; 6 — патрубок подачи рабочего газа; 7 — отверстие в промежуточном электроде; 8 — промежуточный электрод № 2; находящийся под отрицательным потенциалом; 9 — электромагнит; 10 — раздаточная чаша электрода; 11 — анод; 12 — промежуточный электрод; 13 — электрод Венельта; 14 — изолятор

логическом цикле периодическое перемещение подложки на толщину спекаемого слоя.

Один из основных узлов установки — источник ионов с осцилляцией электронов (дуа-плазматрон), схема которого приведена на рис. 5.

Ноль ионного пучка находится на оптической оси дуаплазматрона. Ускоряющее напряжение дуаплазматрона обычно составляет от 120 до 150 кВ и является постоянной величиной в течение всего технологического процесса.

Дуаплазматрон с осцилляцией электронов содержит полый катод 1 с косвенным нагревом (нагреватель 2), промежуточные электроды, катушку электромагнита, регулирующий электрод, анод, патрубок подачи рабочего газа.

При нагреве катода до высокой температуры происходит термоэлектронная эмиссия, в результате которой образуются электронное облако и плазма, возникает двойной электрический слой между плазмой и окружающей ее металлической поверхностью 3, которая

дуаплазматрона составляет 10 1 в рабочей камере установки — 10-5

находится под потенциалом катода. Через отверстие 4 катодной камеры промежуточным электродом 5, который находится под небольшим положительным потенциалом 10-15 В относительно катода, электроны вытягиваются и ускоряются.

Ускоренные электроны ионизируют рабочий газ, который подается через отверстие в промежуточном электроде 5, теряют свою энергию и попадают на поверхность этого электрода. Электроны, которые не столкнулись с атомами, пролетают через отверстие 7 в электроде 5, отражаются электродом 8, находящимся под отрицательным потенциалом относительно электрода 5, и летят в обратную сторону. Электроны и образовавшаяся плазма удерживаются на оси при помощи как электростатических линз, образующихся поверхностями электродов, так и магнитным полем от электромагнита 9.

Полученный электронно-плазменный шнур фокусируется на малом отверстии 7 промежуточного электрода. Давление в катодной части

мм рт. ст., мм рт. ст.

Из-за разности давлений в дуаплазматроне и рабочем объеме камеры установки плазма из шнура выталкивается в раздаточную чашу 10 электрода. Ионы вытягиваются и ускоряются из плазмы анодом 11. Электрод 12 регулирует ионный ток и осуществляет предварительную фокусировку ионов в пучок. Электрод Венельта 13 может оперативно включать и отключать ток ионов. Дуаплазматрон установлен на изоляторе 14.

Вакуумная система установки откачивает воздушную среду из камеры с помощью низко- и высоковакуумного насосов и запорной аппаратуры. Давление в камере и рабочих точках комбинируется вакуумными датчиками. Вакуумная система выполняет следующие технологические операции:

• получение в рабочей камере низкого вакуума;

• подготовка высоковакуумного насоса к работе;

• отключение низковакуумной линии;

• включение высоковакуумного насоса на камеру и получение высокого вакуума;

• отключение высоковакуумной линии по окончании процесса синтеза изделий;

• напуск атмосферного давления в рабочую камеру.

Управление системой откачки и контроль состояния осуществляются в автоматическом

9

№ 2 (8б)/2015

ИАбштка

режиме программируемым контроллером. Программное обеспечение контроллера обеспечивает последовательное управление исполнительными элементами вакуумной системы в соответствии с заданным режимом работы (подготовка вакуумной системы к работе, создание рабочего вакуума, проверка натекания, окончание работы). Электрическое управление включает набор блокировок, гарантирующих безопасную работу и эксплуатацию установки, включая аварийную программу.

Вычислительный потенциал системы управления, реализованный на базе индустриального компьютера, программируемого контроллера, сенсорной панели, обеспечивает интеграцию функций проектирования технологии в машинном масштабе времени и управление процессом спекания (плавления) в реальном масштабе времени.

Функции системы управления установки можно определить через совокупность ее внешних взаимодействий:

• перемещение механизмов стола электромеханического комплекса (геометрическая задача);

• последовательно-параллельное управление дискретными механизмами, элементами вакуумной системы (логическая задача);

• взаимосвязанное управление источником питания дуаплазматрона и приводами перемещений стола (технологическая задача);

• организация интерфейса с оператором (терминальная задача);

• идентификация состояния технологической системы, формирование файлов состояния элементов технологической системы, файлов событий и аварийных ситуаций (диагностическая задача);

• документирование технологического процесса синтеза изделий (архивная задача);

• математическое моделирование технологического процесса (задача оптимизации);

• диспетчеризация приведенных выше задач (системная задача).

Выводы

1. Рассмотрен новый подход для получения порошковых композиционных изделий различных химических составов с программируемой структурой методом послойного синтеза ионным пучком.

2. Предложенный подход позволяет не только создавать принципиально новые композиционные материалы с прогнозируемыми свойствами, которые невозможно получить традиционными способами, но и изготавливать из них изделия сложной геометрической формы. Композиция порошка различных химических составов в каждом горизонтальном и вертикальном слое материала может быть изначально запрограммирована.

3. Приведена схема специализированной установки для реализации технологии ионного синтеза изделий, которая позволяет выполнять различные технологические операции: спекание (плавление) слоя порошка, модификацию поверхности слоя.

4. Предложенные технические решения позволяют увеличить количество методов управления структурой изделия, повысить уровень управляемости и повторяемости параметров технологического процесса, исключить влияние субъективных факторов на процесс синтеза.

Литература

1. Добаткин В. И., Елагин В. И. Гранулируемые алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1981. 176 с.

[32

№ 2(86)/2015