CC BY
50
УДК 629.7.023.224
А.А. Смирнов1, С.А. Будиновский1, П.В. Матвеев1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОДЛОЖКИ НА СКОРОСТЬ ОСАЖДЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ЖАРОПРОЧНЫХ ЛИТЕЙНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Проведены исследования влияния величины отрицательного электрического потенциала (напряжения) подложки на скорость осаждения многокомпонентных никелевых покрытий, полученных ионно-плазменным методом нанесения путем осаждения из плазмы вакуумного дугового разряда с поверхности катодов, изготовленных из сплавов на основе никеля с добавлением хрома, алюминия, тантала, рения, иттрия и гафния, на поверхность образцов из различных жаропрочных литейных никелевых сплавов. Показано, что максимальная скорость травления достигается при подаче на подложку потенциала 350 В. Определены пороговые значения напряжения распыления для всех марок жаропрочных материалов, испытанных в работе. Установлено влияние химического состава плазмы, формируемой в вакууме с поверхности катода, в зависимости от содержания хрома и тугоплавких легирующих элементов в катоде, на значение порога распыления.
Ключевые слова: ионно-плазменная технология, ионное травление, жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС).
An impact of a negative electrical potential (voltage) of the substrate on deposition rate of multicomponent Ni-based coatings produced by the cathodic arc physical vacuum deposition from the surface of cathodes made of nickel-based alloys with additives of chromium, aluminum, tantalum, rhenium, yttrium, hafnium on the surface of specimens of various cast heat-resistant nickel alloys was investigated. It was shown that the maximum etching rate could be achieved in case of applying of 350 V potential to a substrate. The threshold values of spray voltage for all compositions of heat-resistant materials tested in this study were determined. An influence of the chemical composition of the plasma formed in vacuum from the cathode surface on the sputtering threshold was stated depending on the content of chromium and high-melting point elements in the cathode.
Keywords: ion-plasma technology, ion etching, high-temperature nickel alloys.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
Введение
Обработка поверхностей деталей ионно-плазменным методом предусматривает использование плазменных потоков вещества с Ei=l-104 эВ и ji=l-106 A/м2. Для генерации и управления этими потоками применяют технологические плазменные ускорители различных типов, возможности которых в научных исследованиях и промышленности рассмотрены в работе [1], и промышленные установки на основе стационарных электродуговых эрозионных ускорителей плазмы с расходуемым катодом [2-5]. Генерация потока плазмы осаждаемого вещества в этих устройствах осуществляется в вакуумном дуговом электрическом разряде с поверхности катода, изготовленного из материала покрытия (чистого металла или сплава) [6]. Катод эродирует под действием катодных пятен вакуумной дуги, плотность теплового потока в которых достигает 109-1010 Вт/м2, в которых присутствуют твердые и жидкие микрочастицы материала покрытия. Степень ионизации плазмы и доля микрочастиц в потоке определяются как теплофизическими свойствами материала катода, так и условиями горения вакуумной дуги на его поверхности (температура поверхности, наличие загрязнений в материале катода, состав и давление остаточных газов в вакуумной камере и т. д.). Формирование покрытия происходит в процессе конденсации продуктов эрозии катода на поверхности подложки.
Использование для обработки поверхности твердого тела потоков вещества в сильно ионизованном состоянии позволяет достаточно просто управлять энергией конденсирующихся ионов. Полная энергия иона, взаимодействующего с поверхностью твердого тела (подложки), может быть представлена в виде:
(1)
где Е0 - энергия иона на границе двойного электрического слоя [7], разделяющего поверхность подложки от плазмы, эВ; Ъ - кратность заряда иона; е - заряд электрона, Кл; и - разность потенциалов (напряжение) между опорным электродом и подложкой, В.
Варьируя величину отрицательного электрического потенциала подложки, с помощью источника напряжения в цепи «подложка-опорный электрод» можно управлять энергией падающего иона и характером процессов, имеющих место на обрабатываемой поверхности (конденсация, распыление, легирование, нагрев). Причем минимальный уровень энергии иона зависит от значения энергии Е§, которая по данным работ [8-10] определяется условиями генерации плазмы на катоде и для большой группы металлов изменяется в пределах от 20 до 70 эВ.
Таким образом, ионно-плазменный технологический процесс благодаря управлению энергией ионов, взаимодействующих с подложкой, при осаждении покрытий из плазмы вакуумного дугового разряда обладает рядом важных преимуществ. В первую очередь - это возможность проводить ионное травление покрываемой поверхности, что затем позволяет наносить покрытия на поверхность, очищенную от загрязнений на атомном уровне.
По данным работы [11] пороговые значения энергии ионов, бомбардирующих поверхность, при которых наблюдается начало ее распыления, составляет ~10 эВ, а интенсивный характер распыление приобретает при энергиях ионов в сотни эВ. При И=0 В энергия ионов составляет несколько десятков вольт и получает незначительное приращение в двойном электрическом слое, отделяющем подложку от плазмы. При подаче на подложку потенциала 30-50 В приращение энергии иона в двойном слое обеспечивает величину полной энергии конденсирующегося иона заметно больше пороговой энергии распыления металлической подложки, что ведет к снижению скорости осаждения вследствие катодного распыления подложки под действием ионной бомбардировки. Существует пороговое значение величины И, при превышении которого происходит переход от осаждения покрытия к ионному травлению подложки.
Цель данной работы - определение пороговых значений отрицательного электрического потенциала для ряда новых жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) и сплавов для нанесения новых покрытий. Данная характеристика необходима для разработки промышленных ионно-плазменных технологических процессов нанесения покрытий на лопатки турбин перспективных ГТД для их защиты от высокотемпературного окисления.
Материалы и методы
Образцы для испытаний изготавливали из отливок с монокристаллической структурой (кроме сплава ВЖЛ21 для равноосного литья) без проведения дополнительной термообработки, составы приведены в табл. 1.
Таблица 1
Состав жаропрочных литейных никелевых сплавов (средние значения)_
Сплав Содержание легирующего элемента , % (по массе) Литературный источник
Сг Л А1 Со Мо № Та Re
ВЖЛ21 8,3 3,5 5,3 9,9 3,8 2,8 - 2,5 - [12]
ВКНА1В 5,5 1,7 8,8 - 3,7 3,6 - - - [13]
ВКНА25 4,9 0,7 8,6 4,5 5 3,6 - - 1,5 [14]
ВИНЗ 3,5 - 8,4 5 17 - 17 —
ЖС32 5 - 6 9 1,1 8,5 1,6 4 4 [15]
ВЖМ5У 4,5 0,8 5,9 9 1,9 I 6 -
ВЖМ4* 2,7 - 6 6 4 - - 4,5 6 [16]
ReneN5** 7 - 6 7 1,4 5 - 7 3 [17]
* Сплав содержит 4% Ru.
** Сплав содержит 0,15% Н.
Исследования по определению пороговых значений распыления в вакууме ЖНС проводились на промышленной ионно-плазменной установке с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП) типа МАП-2, обеспечивающей нанесение широкого спектра защитных высокотемпературных покрытий на изделия из ЖНС [18-29]. Для работ в качестве трубных испаряемых расходуемых катодов в камере ионно-плазменной установки МАП-2 для формирования металлической плазмы использовали экспериментальные сплавы, составы которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
Составы сплавов для трубных катодов_
Условный Содержание элементов, % (по массе)
номер сплава* Сг А1 Та Re У
1 5-8 11-13 - - -
2 10-12 11-13 3-3,5 0,5-1,0 0,2-0,5
3 18-22 11-13 - 0,5-0,8 0,2-0,5
* Сплавы дополнительно легированы гафнием.
Цилиндрические образцы 025*3 мм из ЖНС для проведения ионно-плазменной обработки в плазме катодов составов 1, 2 и 3 устанавливали в специальную оснастку в вакуумную камеру установки. После откачки высокого вакуума до уровня давления ниже 0,05 Па зажигали вакуумную дугу и проводили обработку поверхности образцов при следующих значениях напряжений смещения, подаваемых на образцы: 350, 250, 150 и 50 В. Остальные параметры режимов ионной обработки поверхности образцов
2 4
были неизменными: ток дуги 700 А, давление в камере 2,66 10- Па (2 10- мм рт. ст.). После процесса ионной обработки в течение 60 мин на установке МАП-2 образцы взвешивали с точностью 0,0001 г.
Удельное изменение массы образцов после ионно-плазменной обработки в вакууме (Дmx (г/м ) после испытаний продолжительностью т (ч)) рассчитывали по формуле:
Дmx=(mx-moУS, (2)
где тТ - масса образца после испытаний продолжительностью т (ч), г; Щ) - масса образца в исходном состоянии, г; 8 - площадь поверхности образца в исходном состоянии, м2.
Результаты
Зависимости удельного изменения массы образцов из ЖНС от величины отрицательного потенциала подложки в процессе ионно-плазменной обработки в установке МАП-2 представлены на рис. 1 и 2. По результатам испытаний определены пороговые значения распыления ЖНС в плазме катодов на никелевой основе (табл. 3).
Рис. 1. Зависимости удельного изменения массы образцов из никелевых жаропрочных сплавов ЖС32 (а), ВЖМ4 (б), ВЖМ5У (в) и ВКНА-25 (г) в процессе ионно-плазменной обработки в плазме катодов составов 1 (•), 2 (•), 3 (•) на установке МАП-2
0,12
0,06-
0 -
-0,06
0,12-
0,06-
0 -
-0,06
50
150
250 350 U, B
Рис. 2. Зависимости удельного изменения массы образцов из никелевых жаропрочных сплавов ВКНА-1В (а), ВИНЗ (б), ВЖЛ21 (в) и Rene N5 (г) в процессе ионно-плазменной обработки в плазме катодов составов 1 (•), 2 (•), 3 (•) на установке МАП-2
Таблица 3
Пороговые значения напряжения на подложке при распылении ЖНС _в плазме никелевых катодов_
Сплав (ЖНС) Электрический потенциал (напряжение), В, на подложке при осаждении покрытия в плазме катода из сплава состава
1 2 3
ВКНА-25 225 175 295
ВКНА-1В 245 185 275
ЖС32 220 165 265
ВЖМ5У 225 175 270
ВЖМ4 215 175 260
ВИНЗ 215 195 285
ВЖЛ21 235 185 295
ReneN5 225 175 285
Полученные пороговые значения U начала распыления ЖНС в плазме никелевых катодов необходимы для выбора режимов очистки поверхности деталей ГТД перед нанесением защитных ионно-плазменных покрытий. При величине напряжения смещения, подаваемого на обрабатываемое изделие, выше порогового значения U происходит гарантированное травление поверхности изделия ионами металлов, входящих в состав катода. При уменьшении величины напряжения смещения ниже порогового значения, начинается осаждение ионов металлов и формируется конденсированное покрытие на основе сплава катода.
Наибольшие пороговые значения U получены при использовании катода из сплава 3, в котором количество хрома максимальное среди рассмотренных сплавов для покрытий (до 22%). Возможно, это связано с уменьшением кратности заряда ионов металлов в плазме вакуумного дугового разряда и с катодом из многокомпонентного сплава [8-10].
Обсуждение и заключения
Определены пороговые значения величины электрического потенциала подложки U, при превышении которого происходит переход от осаждения покрытия к ионному травлению подложки из сплавов ЖС32, ВЖМ4, ВЖМ5У, ВКНА-25, ВКНА-1В, ВИНЗ, ВЖЛ21 и Rene N5 в плазме вакуумного дугового разряда трех многокомпонентных никелевых сплавов для перспективных покрытий системы Ni-Al-Cr-Ta-Re-Hf-Y.
Установлено, что величина порогового значения U имеет максимальное значение (-300 В) в случае покрытия с содержанием хрома 18-22%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Плазменные ускорители /Под ред. Л.А. Арцимовича. М.: Машиностроение. 1973. 312 с.
2. Дороднов A.M., Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических
плазменных устройств//Журнал технической физики. 1981. Т. 51. №3. С. 504-524.
3. Григоров А.И., Дороднов A.M., Киселев Н.Д. Некоторые физические основы установки ПУСК 77-1
для нанесения износостойких покрытий //Технология автомобилестроения. 1978. №6. С. 10-15.
4. Падалка В.Г., Толок В.Т. Методы плазменной технологии высоких энергий //Атомная энергия.
1978. Т. 44. №5. С. 476-478.
5. Установка ИЭТ-842 («Булат») //Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. 1980.
№3 (211). С. 15-16.
6. Кимблин С.У. Эрозия электродов и ионизационные процессы в приэлектродных областях вакуум-
ных дуг и при атмосферном давлении /В кн. Экспериментальные исследования плазмотронов.
Пер. с англ. Новосибирск: Наука. 1977. С. 226-253.
7. Шотг Л. Электрические зонды. Пер. с англ. М.: Мир. 1971. С. 459-505.
8. Лунев В.М., Овчаренко В. Д., Хороших В.М. Исследование некоторых характеристик плазмы ваку-
умной металлической дуги. Часть I //Журнал технической физики. 1977. Т. 47. №7. С. 1486-1490.
9. Аксенов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование плазмы стационарного вакуумного дуго-
вого разряда. Часть II. Влияние интегральной температуры катода //Теплофизика высоких температур. 1983. Т. 21. №4. С. 646-651.
10. Лунев В.М., Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование некоторых характеристик плазмы вакуумной металлической дуги. Часть II //Журнал технической физики. 1977. Т. 47. №7. C. 1491-1495.
11. Аксенов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование плазмы стационарного вакуумного дугового разряда. Часть I. Формирование потоков плазмы //Теплофизика высоких температур. 1983. Т. 21. №2. С. 219-223.
12. Петрушин H.B., Оспенникова О.Г., Висик E.M., Рассохина Л.И., Тимофеева О.Б. Жаропрочные никелевые сплавы низкой плотности //Литейное производство. 2012. №6. С. 5-11.
13. Герасимов В.В., Висик Е.М., Бакерин C.B. Изготовление протяженных литых заготовок из сплава ВКНА-1В направленной кристаллизацией //Литейное производство. 2011. №10. С. 36-39.
14. Поварова К.Б., Базылева O.A., Дроздов A.A., Аладьев H.A., Самсонов М.А. Исследование малоцикловой усталости при комнатной температуре сплава на основе интерметаллида Ni3Al типа ВКНА-25 //Металлы. 2012. №6. С. 70-81.
15. Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Гаямов A.M., Косьмин A.A. Жаростойкие ионно-плазменные покрытия для лопаток турбин из никелевых сплавов, легированных рением //МиТОМ. 2008. №6. С. 31-36.
16. Кузнецов В.П., Лесников В.П., Конакова И.П., Петрушин Н.В., Мубояджян С.А. Структура и фазовый состав монокристаллического сплава ВЖМ-4 с газоциркуляционным защитным покрытием //МиТОМ. 2011. №3. С. 28-32.
17. Морозова Г.И., Тимофеева О.Б., Петрушин Н.В. Особенности структуры и фазового состава высо-корениевого никелевого жаропрочного сплава //МиТОМ. 2009. №2. С. 10-16.
18. Каблов E.H., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36-52.
19. Каблов E.H., Мубояджян С. А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 60-70.
20. Матвеев П.В., Будиновский С.А., Мубояджян С.А., Косьмин A.A. Защитные жаростойкие покрытия для сплавов на основе интерметаллидов никеля //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 12-15.
21. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Heat-resistant coatings for the high-pressure turbine blades of promising gtes //Russian metallurgy (Metally). 2012. №1. P. 1-7.
22. Muboyadzhyan S.A., Kablov E.N. Vacuum plasma technique of protective coatings production of complex alloys //МиТОМ. 1995. №2. С. 15-18.
23. Каблов E.H., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Луценко А.Н. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей //Металлы. 2007. №5. С. 23-34.
24. Каблов E.H., Герасимов В.В., Висик Е.М., Демонис И.М. Роль направленной кристаллизации в ресурсосберегающей технологии производства деталей ГТД //Труды ВИАМ. 2013. №3. Ст. 01 (viam-works.ru).
25. Мубояджян С.А., Луценко А.Н., Александров Д.А., Горлов Д.С. Исследование возможности повышения служебных характеристик лопаток компрессора ГТД методом ионного модифицирования поверхности //Труды ВИАМ. 2013. №1. Ст. 02 (viam-works.ru).
26. Мубояджян С. А., Будиновский С. А., Гаямов A.M., Смирнов A.A. Получение керамических теплозащитных покрытий для рабочих лопаток турбин авиационных ГТД магнетронным методом //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 3-8.
27. Каблов E.H., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Помелов Я.А. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей //Конверсия в машиностроении. 1999. №2. С. 42-47.
28. Будиновский С.А., Матвеев П.В., Смирнов A.A. Исследование жаростойкости литейных жаропрочных никелевых сплавов в области температур 1000-1200°С //Авиационная промышленность. 2014. №2. С. 48-52.
29. Смирнов A.A., Будиновский С.А. Анализ эволюции нормальных напряжений в системе «сплав-покрытие» в области температур до 1200°С //Авиационные материалы и технологии. 2014. №2. С. 8-14.
