CC BY
14
196 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №4 (26), 2019 УДК 621.793.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПАЙКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ СО СТАЛЯМИ
Хамин Олег Николаевич, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе осуществлена замена технологии газофазного осаждения двухслойных покрытий на титановые сплавы для дальнейшего процесса пайки деталей из этих сплавов со сталями на технологию нанесения ион-но-плазменных покрытий. Испытания на разрыв спаянных деталей «титановый сплав-нержавеющая сталь» при нормированной толщине двухслойного покрытия показали, что прочность паяного соединения с использованием ионно-плазменных покрытий возрасла в 2-2,5 раза по сравнению с газофазными покрытиями.
Ключевые слова: пайка, двухслойные покрытия, газофазные покрытия, ионно-плазменные покрытия, метод КИБ, толщина покрытий, прочность паяного соединения.
В настоящее время пайка деталей из различных металлов и сплавов является важным технологическим процессом в различных отраслях промышленности: авиационная, ракетно-космическая, автомобильная, радиотехническая и другие [1]. Пайка имеет ряд преимуществ по сравнению со сваркой: нет существенного изменения химического состава и механических свойств соединяемых деталей, незначительные остаточные напряжения в них и в паяном шве. При изготовлении особо ответственных изделий, в которых паяное соединение формируется из таких материалов, как титановые сплавы со сталями, используют диффузионную пайку. Высокое качество паяного шва и зоны термического влияния достигается за счет взаимной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов и образования в шве твердых растворов или тугоплавких интерметаллидов. При выборе припоя и режимов диффузионной пайки подобных изделий необходимо иметь в виду, что титан и его сплавы образуют хрупкие интерме-таллиды в паяном шве практически со всеми элементами, входящими в припои. Поэтому в качестве основы припоя в этом случае выбирают серебро, которое образует с титаном интерметаллиды менее хрупкие, чем с другими металлами. Согласно [2] рекомендуемыми припоями для пайки титановых сплавов со сталями являются серебряные припои марок ПСр 50 и ПСр 70. Для более полного протекания диффузионных процессов и улучшения условий растекаемости и смачиваемости припоями при пайке на поверхностях деталей перед пайкой формируют несколько слоев из различных металлов, толщиной каждый по 10-15 мкм. Для получения высо-
копрочных паяных соединений (свыше 100 МПа) при диффузионной пайке титановых сплавов со сталями серебряными припоями эффективными являются двухслойные покрытия «молибден-никель». Традиционно эти покрытия получают по технологии газофазного осаждения из карбонилов [3]. Вместе с тем эта технология имеет ряд существенных недостатков, главными из которых, помимо исключительно вредных условий труда, являются сложность регулирования толщины наносимых слоев, их низкая плотность и грубокристаллическое строение. В целом это снижает прочность паяного соединения.
В настоящей работе для нанесения Mo-Ni-покрытия на детали перед пайкой титановых сплавов со сталями используется технология нанесения ионно-плазменных покрытий методом КИБ (конденсация ионной бомбардировкой). Методом КИБ можно получать покрытия из различных тугоплавких металлов простого и сложного состава с заданной структурой, высокой адгезией к основе, с заданной толщиной при значительной скорости осаждения покрытия [4-8]. Возможность плавного регулирования в заданных пределах кинетической энергии конденсирующихся частиц является принципиальным отличием и преимуществом данной технологии от других технологий нанесения покрытий. Характерной особенностью метода КИБ является высокая активность испаряемого материала (молибдена, никеля), обусловленная образованием конденсата при электродуговом испарении материала катода. Ионная бомбардировка в процессе осаждения покрытий оказывает сильное влияние на морфологию получаемых конденсатов, способствуя формированию структур с более плотной упаковкой. В результате резко возрастает подвижность атомов молибдена и никеля на поверхности подложки, происходит активация химических реакций между конденсатом и образующимся покрытием из молибдена и никеля, что обеспечивает высокие адгезионные свойства, значительно превосходящие свойства покрытий, полученных газофазным методом из карбонилов.
Из анализа известных работ по нанесению покрытий из тугоплавких металлов, и в частности из молибдена и никеля, на подложки из различных материалов методом конденсации плазмы вакуумно-дугового разряда установлено, следующее [9-12]:
- все исследования проведены при нанесении покрытий толщиной не более 8 мкм;
- формирование структуры покрытий происходит при одновременном протекании процессов роста и отжига конденсата при доминирующем влиянии на строение термического нагрева, сопровождающего ионную бомбардировку поверхности изделия, а радиционные эффекты влияют лишь на искажение кристаллической решетки и изменения текстуры покрытия;
- для обеспечения высокой прочности покрытий их структура должна иметь форму столбчатых кристаллов с малым поперечным сечением (не более 70 нм);
- практически отсутствуют работы по нанесению двух- и более слойных покрытий никеля и молибдена, а также комбинированных Ni-Mo покрытий;
- при нанесении покрытий толщиной 15-40 мкм возможно существенное изменение технологических параметров и физико-химических свойств покрытий по сравнению с покрытиями толщиной до 10 мкм.
В настоящей работе нанесение ионно-плазменных покрытий Mo-Ni выполнялось на модернизированной вакуумной установке ННВ-6,6-И1 по методу КИБ. Для получения покрытий Mo-Ni были изготовлены катоды испарителей из никеля марки Н1 (99,93 % Ni) и молибдена марки МЧВП (99,95 % Мо). Покрытия наносили на титановый сплав ОТ-4.
Исследования проведены в два этапа.
На первом этапе, с целью изучения влияния технологических параметров ионной очистки и конденсации на свойства получаемых покрытий, последние наносили на плоские образцы размером 30х20х4 мм.
Перед нанесением покрытий образцы подвергались ультразвуковой очистке в моющем водном растворе и в бензине БР-1 с последующей сушкой и протиркой спиртом. После нагрева в сушильном шкафу до температуры 150-200° С образцы помещались в вакуумную камеру.
Исследовали следующие параметры нанесения покрытий:
- скорость конденсации покрытий Mo и Ni;
- влияние давления газа (аргон) в вакуумной камере;
- влияние температуры образцов;
- влияние потенциала подложки (образцов);
- влияние дистанции нанесения покрытий (расстояние от поверхности испарителя до поверхности образцов);
- влияние тока дуги испарителя.
Все исследования выполнены при неподвижном расположении образцов относительно испарителей (перпендикулярно плазменному потоку).
После нанесения покрытий определяли их толщину и исследовали металлографию покрытий.
Послойная толщина покрытия на образцах определялась методом разрезки образцов и измерения на инструментальном микроскопе и составила для наилучшего варианта сочетания выше указанных параметров: Мо - 1618 мкм, Ni - 10-12 мкм.
Исследование структуры и химического состава образцов с покрытием Mo-Ni выполнены методом послойного анализа на комбинированном приборе РЭМ-РМА (растровый электронный микроскоп-рентгеновский микроанализатор) марки Philips SEM 525 M c энергодисперсионным анализатором EDAX. Из анализа полученных микроструктур образцов с покрытием Mo-Ni (рис. 1) установлено следующее:
- имеет место диффузионная зона как и для случая газофазного нанесения покрытия Mo-Ni;
- диффузионная зона для варианта нанесения покрытия Мо-№ методом КИБ составляет не более 2 мкм (для варианта газофазного метода нанесения подобного покрытия диффузионная зона составляет порядка 6 мкм), что согласуется с известными работами в этой области.
V* I' 4 4 * ^ ■ в
I
1Ш: 8«. Й Ш — Р ^ * .. Т.
»• щ1 'л .....
' ' Т
Рис. 1. Микроструктура образцов из титанового сплава ОТ-4 с ионо-
плазменным покрытием Мо-№ х 500
По результатам первого этапа исследований установлены оптимальные параметры нанесения ионно-плазменных покрытий Мо-№ на титановые сплавы с толщиной слоев: по молибдену не менее 15 мкм; по никелю - 10 мкм.
Параметры ионной очистки:
- ток очистки
- напряжение очистки
- ток стабилизирующей катушки
- ток фокусирующей катушки
- температура образцов (изделий)
Параметры нанесения покрытий:
- ток дуги испарителей
- потенциал подложки (образец, изделие)
- давление газа в вакуумной камере
- дистанция нанесения покрытий
- температура (образец, изделие)
- средняя скорость роста покрытия
На втором этапе исследований покрытия Мо-№ наносили на образцы для испытания на разрыв с целью определения прочности соединений после пайки. Цилиндрические образцы из сплава ОТ-4 и стали 12Х18Н10Т
(80-90 А) (1000-1100 В) (2-3 А) (0,3-0,5 А) (700-720 0С)
(70-90 А) (60-80 В) (3-5)*10-1Па (280-300 мм) (не менее 500 0 С) (10-12 мкм/ч)
имели торцевую часть, на которую наносили покрытия и резьбовую часть для крепления спаянных образцов в разрывной испытательной машине.
На торцевую поверхность образцов из сплава ОТ-4 наносили ионно-плазменное покрытие Мо-№ по указанным выше параметрам. На торцевую поверхность образцов из стали 12Х18Н9Т методом КИБ наносили покрытие из никеля толщиной не менее 10 мкм.
Титановые и стальные образцы были спаяны диффузионной пайкой с использованием серебряного припоя марки ПСр 70 (температура пайки 865+10 0 С, время выдержки 15 мин.; вакуум в системе 2-10-1Па) и термо-обработаны (температура отпуска 269+10 0 С, время выдержки 150 мин).
Результаты механических испытаний спаянных образцов показали, что прочность паяного соединения на статическое растяжение составляет 385481 МПа, что в 2,14 раза выше соответствующих параметров при газофазном нанесении покрытия Мо-№ на титановые сплавы для их пайки со сталями (нижний допустимый уровень 180 МПа).
В работе рассмотрены также вопросы, связанные с влияние структуры катодов после их окончательной обработки на свойства покрытий, формируемых по вакуумно-плазменной технологии по методу КИБ. Использованы следующие технологические варианты получения катодов: электроннолучевая вакуумная плавка - горячая прокатка в пруток - механическая обработка до рабочих размеров и состояния поверхности; вакуумная плавка и литье в кокиль - механическая обработка; формирование катода методом порошковой металлургии.
Эксплуатация катодов показала следующее. При эксплуатации №-катода, полученного из литой заготовки, горение электрической дуги по его торцу не обеспечивалось (дуга «сваливалась» на боковые поверхности катода и деталей испарителя). В силу возможных дефектов литой структуры в центральной части катода горение электрической дуги по его торцу было существенно затруднено. Вследствие этого конденсация никеля на поверхность детали практически отсутствовала, что подтвердили результаты измерения толщины покрытия. На слое молибдена практически отсутствуют следы никеля, несмотря на то, что время конденсации составляло 150 мин. Практически подобные результаты получены и при эксплуатации №-катода полученного методом порошковой металлургии. В связи с этим рекомендовано в качестве заготовок для изготовления никелевых катодов использовать горячекатаные прутки никеля.
Таким образом, полученные в настоящей работе результаты свидетельствуют об эффективности использования ионно-плазменных покрытий из тугоплавких металлов для процессов пайки титановых сплавов со сталями с целью получения прочных паяных соединений.
Список литературы
1. Справочник по пайке / Под ред. И.Е.Петрунина. - М.: Машиностроение, 2003.
2. ГОСТ 19738-2015. Припои серебряные. Марки. - Введ. 2017-01-01. - М.: Стандар-тинформ, 2016. - 19 с.
3. Сыркин В.Г. Химическая парофазная металлизация. - М.: Изд-во Наука, 2000. - 496 с.
4. Современные вакуумные процессы ионной обработки поверхности / Мубояджан С. А. // Конверсия в машиностроении. 2004, N4. С. 69-77.
5. Григорьев С.Н., Волосова М.А. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента.Учебное пособие. М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», Янус-К, 2007. - 324 с.
6. Рабочие процессы высоких технологий в машиностроении / Под ред. А.И. Грабченко. - Харьков: ХГПУ, 1999. - 436 с.
7. Хамин О.Н. Гибкий производственный модуль для нанесения высококачественных вакуумно-плазменных покрытий: Высокие технологии в машиностроении: Сб. научн. тр. / Самарский гос. техн. ун-т, Самара: Изд-во СамГТУ, 2002. - с. 3335.
8. Совершенствование технологии нанесения износостойких ионно-плазменных покрытий на режущий нструмент: Высокие технологии в машиностроении: Сб. научн. тр. / Самарский гос. техн. ун-т, Самара: Изд-во СамГТУ, 2005. - с. 185-188.
9. Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена / Шулаев В.М. и др. // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники». 2006, N 1. С. 197-200.
10. Ионно-плазменное напыление покрытий интерметаллических соединений Al-Ni-Cr / Захаров С.М. и др. // Металлофизика и новейшие технологии. 2000, Т.22, N 4. С. 59.
11. Структура высокотвердых покрытий на основе молибдена, полученных при конденсации плазмы вакуумно-дугового разряда / Андреев А. А. и др. // МИТОМ. 1981., N 5. С. 33-35.
12. Формирование структуры покрытий из молибдена при вакуумно-плазменном напылении / Эрлихсон М.Г. и др. // ФиХОМ. 1989, N 5. С. 62-68.
Khamin Oleg Nikolaevich, candidate of technical Sciences, associate Professor Samara State Technical University, Samara, Russian Federation(E-mail: [email protected]) Lavro Victor Nikolaevich, associate Professor Samara State Technical University, Samara, Russian Federation(E-mail: [email protected])
IJN-PLASMA COATING FOR BRAZING TITANIUM ALLOYS WITH STEALS Abstract. In the work of replacement technologies gas-phase deposition of two-layer coatings on various titanium alloys for further brazing process with steals made of these alloys on the technology of applying ion-plasma coatings. Burst test brazed parts of "titanium alloys-steels" when normalized thickness of two-layer coatings showed that the strength of brazed joint with the use of ion-plasma coverings in comparison with gasphase coatings increased in 2-2,5 times
Key words: brazing, two-layer coatings, coatings of gas-phase, ion-plasma coating, method KIB, coating thickness, strength brazed seam.
