CC BY
225
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2007. - 184 с.
5. Суслин В.П., Джунковский А.В., Шутер М.Г. Новый метод определения геометрических параметров объектов при измерениях на малых областях // Законодательная и прикладная метрология. 2008. №6. с.39-42.
6. Суслин В.П., Джунковский А.В. Применение метода регуляризации для решения плохо обусловленных задач координатных измерений // Измерительная техника. 2009. №7.
7. Суслин В.П., Джунковский А.В. Регуляризация плохо обусловленных задач в геометрических измерениях // Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. М., МГТУ «МАМИ», №2(8), 2009, с.214-219.
Исследование свойства наноструктурированных вакуумных ионно-
плазменных покрытий
к.т.н. доц. Шехтман С.Р., к.т.н. доц. Киреев Р.М.
Уфимский государственный авиационный технический университет
+ 73472730 763
Аннотация. В работе рассматриваются результаты исследований свойств наноструктурированных покрытий. Приведены исследования электродного потенциала образцов с покрытиями, исследована коррозионная и релаксационная стойкость, проведены испытания на термоциклирование. Приведенные результаты исследования позволяют оценить преимущества наноструктурированных покрытий перед многослойными и однослойными покрытиями.
Ключевые слова: наноструктура, ионно-плазменная обработка, покрытия
Введение
Детали энергетических установок работают в условиях высоких и быстроменяющихся температур, агрессивных сред; одновременно материал деталей подвержен воздействию высоких статических и динамических напряжений, амплитуда и частота которых изменяются в широких пределах, частая и быстрая смена температуры (тепловой удар) приводит к возникновению дополнительных термических напряжений, кроме того они изготавливаются ажурными, пустотелыми и тонкостенными.
Современные требования к эксплуатационным свойствам поверхности деталей энергетических установок энергомашиностроения могут быть обеспечены осаждением на поверхности изделий различного вида защитных покрытий.
Вакуумные ионно-плазменные технологии характеризуются возможностью получения поверхностных слоев со специальными физико-механическими свойствами, практически полной универсальностью технологического процесса, высокой скоростью нанесения покрытий, высокой воспроизводимостью параметров на каждой операции и практически полной отсутствием экологических проблем, что делает их предпочтительными с точки зрения перспективности применения.
Наиболее перспективными среди них являются многослойные покрытия, в том числе многослойные ионно-плазменные покрытия, полученные конденсацией вещества в вакууме с одновременной дополнительной ионной бомбардировкой [1, 2]. Сложность разработки технологии нанесения защитных многослойных покрытий связана с недостаточной разработкой методов осаждения слоевых композиций.
Защитные покрытия позволяют не только получать новые свойства изделий энергетических установок за счет образования композиций, сочетающих высокую долговечность (износостойкость, специальные свойства и т.д.) с достаточной надежностью (трещиностой-кость), но и повышать эксплуатационную стойкость деталей.
Особенностями вакуумного ионно-плазменного метода получения покрытий является
возможность получения не только чистых материалов, но и осуществление плазмохимиче-ского синтеза соединений, широко применяемых в качестве упрочняющих и защитных покрытий. При этом, изменяя направленным образом параметры потока, удается управлять свойствами конденсата и достигать улучшенных эксплуатационных характеристик.
Технология получения защитных покрытий включает: подготовку поверхности основы под напыление; предварительную очистку поверхности и предварительный нагрев; формирование на поверхности подложки слоя материала титана; формирование слоя (или множества слоев); выдержку осажденного покрытия в вакуумной камере в течение заданного времени. При необходимости технология включает последующую термическую обработку с целью повышения эксплуатационных характеристик деталей.
В настоящее время достаточно широкое применение нашли методы вакуумного ионно-плазменного осаждения покрытий, использующие электродуговые испарители и плазменные ускорители для получения квазинейтральных потоков плазмы. Плазмогенератор придает значительные дополнительное ускорение ионам плазмообразующего газа, также способствует ускорению диффузионных процессов в приповерхностных слоях подложки.
Метод позволяет локально и дозированно осуществлять нанесение нанослоев различных веществ на поверхность образца (детали). За счет изменения скорости вращения и числа оборотов образца (детали) вокруг оси приспособления и вращения приспособления вокруг оси вакуумной камеры при прохождении поверхности образца через пучки заряженных частиц нескольких источников ионов возможно нанесение слоев различных толщин с различным химическим составом.
Синтез наноструктурированных покрытий системы ^^^ осуществлялся на модернизированной промышленной установке ННВ6,6-И1. На образцы, выполненные из материала 13Х11Н2ВМФ, наносилось многослойное (8 слоев), трехслойное и наноструктурированное покрытие. Осаждение многослойных вакуумных ионно-плазменных покрытий осуществлялось с двух электродуговых испарителей с титановым и графито-кремниевым катодами в условиях плазменного ассистирования с использованием несамостоятельного сильноточного диффузионного разряда генерируемого плазменным источником «ПИНК» в среде инертного газа аргона.
Толщина покрытия и его слоев задавались режимами напыления. Толщина трехслойного покрытия и многослойного покрытия и наноструктурированного покрытия определялась весовым методом и микроструктурными исследованиями и составляла 5 - 6 мкм.
Покрытия, осажденные по предлагаемой технологии, обладают высокой адгезией к исходному материалу, что было проверено путем изгиба образцов-свидетелей, то есть оценки их скалываемости при загибе на угол 90°. Микротвердость наноструктурированных покрытий находится в пределах 3,5 - 3,86 ГПа при твердости основы 2,34 - 2,51 ГПа. Замеры выполнились на микротвердомере ПМТ-ЗМ и на №ЮРОТ-2,1 с нагрузкой 0,50 Н.
Рисунок 1 - Образцы с покрытиями после испытания на коррозионную стойкость: подложка 13Х11Н2ВМФ: а - трехслойное покрытие Т1-(С-8Г)-Т1; Ь - наноструктурированное покрытие, с - исходное состояние
Для исследования защитных свойств покрытий были проведены исследования их коррозионной стойкости. Образцы с покрытием помещались в камеру тропического климата при температуре 300°С в 3%-ный раствор и выдерживались в течение 9 циклов.
а
Ь
с
Визуальный осмотр поверхности (рисунок 1) после коррозионных испытаний показал, что на поверхности образца с трехслойным покрытием наблюдается наличие точечной коррозии, тогда как образцы с наноструктурированным покрытием не имеют точечной коррозии. На поверхности образца с наноструктурированном покрытием наблюдается изменение цвета покрытия, цвета побежалости.
Результаты исследования коррозионной стойкости образцов с покрытиями показали, что площадь поражения коррозией у образцов с трехслойным покрытием больше, чем у образцов с наноструктурированным покрытием.
В работе было проведено исследование коррозионной стойкости образцов с покрытиями весовым методом. Скорость коррозии определялась по изменению массы образца в результате действия коррозионной среды. Результаты исследования скорости коррозии приведены в таблице 1. По результатам, приведённым в таблице 1 (средние значения по трем образцам), можно сделать вывод, что наибольшую защиту от коррозии обеспечивает наност-руктурированное покрытие, нанесенное методом плазменного ассистирования.
Таблица 1
_Скорость коррозии образцов с покрытиями
Тип покрытия
Масса до испытания, г
Масса после испытания, г.
Площадь
образцов,
2
м
Скорость коррозии, г/м2-ч
Исходный
4,3936
4,3863
0,022238
3-слойное покрытие
4,5886
4,5820
Многослойное покрытие
3,7624
3,7564
Наноструктурированное _покрытие_
00
о о
0,020106
0,018430
4,3976
4,3925
0,015536
Анализ исследования коррозионной стойкости образцов с покрытиями показал, что скорость коррозии у наноструктурированного покрытия на 22 % меньше, чем у образцов с трехслойным покрытием и на 30 %, чем у образеца без покрытия. Для определения эффективности использования наноструктурированного покрытия системы Ti-C-Si в качестве защитных покрытий проводились исследования его электродного потенциала.
Определение электродных потенциалов заключалось в измерении разности потенциалов между индикаторным электродом и электродом сравнения в отсутствии тока в электрохимической цепи. Поведение материала в определенном электролите можно охарактеризовать зависимостью образовавшейся силы тока от потенциала металла. Эта зависимость определяется частичными реакциями на аноде и катоде, которые изображаются в форме кривой плотность суммарного тока - потенциала. Такая кривая позволяет сделать вывод о коррозионном режиме различных металлов при изменяющихся условиях в зависимости от потенциала.
Для установления химических свойств образцов проводилось наблюдение изменения их электродного потенциала во времени по общепринятой методике с использованием блока универсального вольтметра с диапазоном от 7 до 35 В. В качестве электролита был использован 5% раствор NaCl. Электродом сравнения служил хлорсеребряный (AgCl) полуэлемент, погруженный в насыщенный раствор KCl. Определение потенциала коррозии системы осуществляется путем прямого измерения потенциала рабочего электрода по отношению к электроду сравнения.
Электродный потенциал наноструктурированного покрытия, осажденного на образцы из стали 13Х11Н2ВМФ, ниже на 20 - 25 % по сравнению с многослойным покрытием. Следовательно, поверхность наноструктурированного покрытия в большей степени пассивна, что косвенно свидетельствует о ее более высокой коррозионной стойкости (рисунок 2).
1:, мин
Рисунок 2 - Электродный потенциал: подложка 13Х11Н2ВМФ: 1 - исходное состояние; 2 - многослойное покрытие; 3 - наноструктурированное
покрытие
Анализ образцов с покрытиями системы ТьС-Б1, полученными вакуумным ионно-плазменным методом, показал что покрытия, осажденные с использованием плазменного ассистирования и имеющие наноструктурированную структуру, обеспечивают большую защиту от коррозии.
Повышение коррозионных свойств наноструктурированного покрытия по отношению к многослойному покрытию достигается за счет увеличения числа границ между слоями, что препятствует проникновению коррозионного воздействия внешней среды вглубь покрытия, тормозит коррозионные процессы на границе среда-металл.
Кроме того, повышение коррозионных свойств может быть объяснено увеличением плотности покрытия, структурой покрытия, меньшим содержанием капельной фракции и снижением внутренних напряжений в покрытии.
Одними из важнейших эксплуатационных характеристик для деталей энергетических установок являются релаксационная стойкость и термостойкость осажденных защитных покрытий.
Анализ экспериментальных работ показал, что вакуумные ионно-плазменные покрытия на основе карбидов металлов способны сохранять свое функциональное назначение, твердость, прочность и др. только до определенных температур, при повышении которых они теряют свое функциональное назначение. В данном исследовании температурное воздействие на покрытие определяем тремя факторами: уровнем температуры, длительностью воздействия и скоростью изменения температуры.
Для определения релаксационной стойкости (по твердости) покрытий образцы с покрытиями нагревались в печи до температуры 600°С и выдерживались в течение 4, 8 и 16 часов. На рисунке 3 представлено изменение микротвердости покрытий от времени нагрева при Т=600°С.
Исследования релаксационной стойкости покрытий системы ТьС-Б1 на материалах ВТ6, ЭИ961-Ш, ЭП718 ИД (температура нагрева 400, 600, 800 °С, времени выдержки - 4, 8, 16 часов) показали, что наноструктурированное покрытие обладает более высокой теплостойкостью по сравнению с многослойным покрытием. Например, микротвердость наност-руктурированного покрытия после выдержки при температуре 600 °С в течение 16 часов уменьшается на 10 %, в то время как микротвердость многослойного покрытия уменьшается на 25 - 30 % (рисунок 3).
Наноструктурированное покрытие, обладающее повышенными эксплуатационными свойствами благодаря чередующимся тонким слоям переменной твердости и различного фазового состава, чрезвычайно эффективно.
□ 4 3 12 16
I час
Рисунок 3 - Зависимость микротвердости от времени нагрева при температуре 600°С: подложка ЭП718 -ИД: 1- трехслойное покрытие, 2- исходное состояние, 3 - наноструктурированное покрытие
Таким образом, по данному разделу можно сделать следующие выводы: в вакуумных ионно-плазменных покрытиях системы ТьС-Б1, полученных последовательным осаждением Т и (С-Б1) при дополнительной ионной бомбардировке, синтезируются соединения - карбо-силициды титана.
Исследования адгезионной прочности многослойных покрытий для различных материалов показали, что осажденные покрытия обладают высокой адгезией.
Заключение
Установлено, что осаждение Т1, чередующегося с осаждением С и в условиях дополнительной бомбардировки ионами Аг, приводит к формированию многослойного покрытия, содержащего титан, углерод, карбиды титана и кремния, силициды титана, карбосилициды. При переходе от многослойного покрытия к наноструктурированному покрытию, вследствие взаимодействия между слоями Т и С-Б1, на границе раздела слоев происходит снижение содержания Т1, С и повышение содержания карбида и карбосилицида титана.
Установлено, что с ростом температуры отжига происходит снижение содержания Т1, С и повышение содержания карбида и карбосилицида титана в наноструктурированном покрытии, что обусловлено более активным протеканием межслоевых диффузионных процессов.
Установлено, что по сравнению с многослойным покрытием микротвердость наност-руктурированного покрытия выше на 20 - 50 %, электродный потенциал ниже на 20 - 25 %, релаксационная стойкость выше на 30%, что связано с увеличением содержания карбида и карбосилицида титана в наноструктурированном покрытии.
Установлено, что вакуумный отжиг наноструктурированного покрытия при температуре 200 - 300°С и т = 20 мин. приводит к повышению микротвердости на 20 - 40 %, понижению электродного потенциала поверхности на 30-35 %, повышению релаксационной стойкости на 25 - 30 %. Это объясняется тем, что в процессе термической обработки происходит более активное протекание межслоевых диффузионных процессов, обеспечивающих увеличение содержания карбида и карбосилицида титана в наноструктурированном покрытии.
Литература
1. Будилов В., Киреев Р.М., Шехтман С.Р. Технология вакуумной ионно-плазменной обработки. - М.: МАИ, 2007. -155 с.
2. Мухин В.С., Шехтман С.Р. Поверхность технического объекта: физика, химия, механика, нанотехнология модифицирования / Вестник УГАТУ. - Уфа: -2007. - Т. 9., №1 (19). С. 84 - 91.
