Технологические особенности выбора материалов и методов напыления узлов гироприборов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Сведения об авторах

Альберт Матвеевич Скворцов

д-р. техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра проектирования компьютерных систем;

E-mail: [email protected]

Фам Куанг Тунг

аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра проектирования компьютерных систем; E-mail: [email protected]

Рекомендована кафедрой проектирования компьютерных систем

Поступила в редакцию

25.01.08 г.

УДК 621. 793. 18

С. Н. Беляев

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ НАПЫЛЕНИЯ УЗЛОВ ГИРОПРИБОРОВ

Рассматриваются основные принципы выбора материалов покрытий и методов их напыления на узлы гироприборов, исходя из технических требований к изделию, его геометрических и функциональных особенностей, а также в зависимости от физико-механических и теплофизических свойств материала покрытия. Представлены основные параметры процессов нанесения покрытий методами магнетронного напыления и термического испарения в вакууме для различных материалов.

Ключевые слова: тонкопленочное покрытие, магнетронное напыление, термическое испарение в вакууме, датчик положения, гироприбор.

Введение. При разработке современных изделий точного приборостроения, в том числе гироскопических приборов, большое значение имеют технологические процессы нанесения покрытий, реализуемые различными методами напыления. При технологическом проектировании процессов вакуумного напыления определяющим фактором является выбор материалов покрытий, обеспечивающих рабочие характеристики изделия. При этом техническим требованиям, например, по таким показателям, как магнитные или электрические свойства, механические характеристики и т.д., могут соответствовать различные материалы. Очевидно, что выбор материала покрытия должен осуществляться исходя из максимальной технологичности процесса его нанесения.

В настоящей статье рассматриваются результаты исследований, цель которых заключалась в выявлении и систематизации по значимости критериев выбора материала функциональных покрытий и в определении режимов и методов их напыления на прецизионные элементы узлов гироприборов.

Технологические особенности выбора материалов. Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:

— выявление исходных условий и основных принципов выбора материалов и методов напыления, исходя из технических требований к изделию и свойств материала;

— определение и сравнительная оценка основных параметров и характеристик технологических процессов нанесения покрытий для различных конструкционных материалов применительно к конкретным узлам гироприборов.

В качестве наиболее наглядных примеров использования вакуумных покрытий при изготовлении деталей и узлов гироприборов можно привести формообразование массивного армирующего элемента в конструкции ротора бескарданного электростатического гироскопа (БЭСГ) и нанесение тонкопленочных электродов на узлы датчика положения чувствительного элемента гравитационного вариометра (ЧЭ ГВ).

Реализация ротора БЭСГ (рис. 1) осуществляется посредством диффузионной сварки в вакууме охватывающей втулки 2 и охватываемого цилиндра 1 с профилированной кольцевой проточкой, заполненной материалом армирующего элемента 3 путем напыления, с последующим формообразованием сферы ротора 4 диаметром О+А [1].

2

Рис. 1

К данному ротору предъявляется ряд технических требований, основное из которых — обеспечение относительной разности моментов инерции ротора (в), определяемой в диапазоне (0,030—0,034), что и достигается наличием в его составе армирующего элемента. Эта разность определяется как

в =

I -1

ос рад

где 1ос и 1рад — моменты инерции цилиндра вдоль и перпендикулярно оси вращения для армирующего элемента, вычисляемые по соответствующим формулам:

И,

Я2 + г2

1ос =УВе п 2 (( - г4 ) = т 2

И (

1 рад =УВе п 4 (Я2 - г2 )

Я 2 + г 2 + —

3

= т-

Я2 + г2 + И2 3

у

где И — ширина прослойки армирующего элемента; Я и г — внешний и внутренний радиусы кольцевого армирующего элемента; т — масса армирующего элемента; уВе — удельный вес бериллиевого ротора.

Таким образом, для того чтобы подобрать необходимую относительную разность моментов инерции ротора, следует оперировать такими взаимообусловленными параметрами, как ширина И и разность радиусов Я и г (толщина) кольцевого армирующего элемента, а также удельный вес у его материала.

В качестве предполагаемых материалов для армирующего элемента были рассмотрены применяемые в гироскопии такие материалы, как медь, молибден, тантал, титан, ниобий, золото, серебро, вольфрам и хром. Выбор материала определяется по следующим критериям, расположенным в порядке убывания их сравнительной значимости.

1. Температура плавления (Тпл) материала армирующего элемента.

2. Немагнитность материала армирующего элемента.

3. Упругость паров (Р) напыляемого материала армирующего элемента при определенной температуре сварки (Тсв).

4. Удельный вес материала армирующего элемента (с учетом величины превышения удельного веса материала ум над удельным весом бериллия у^).

5. Согласованность материала армирующего элемента и бериллия по значениям термических коэффициентов линейного расширения — ТКЛР (соотношение А).

6. Адгезия материала армирующего элемента к бериллиевой подложке.

7. Наличие и ширина (•) переходных зон твердофазного взаимодействия между бериллием и материалом армирующего элемента при определенном времени сварки (4в).

8. Скорость (у) процесса напыления.

9. Экономичность процесса напыления (стоимость материала — п).

Для наглядного представления о значимости критериев составлена таблица, в которой приведены некоторые свойства материалов и геометрические характеристики армирующего элемента ротора БЭСГ (см. табл. 1) [2, 3]. В табл. 1 для каждого элемента представлены совокупность критериев выбора материалов и данные о геометрической конфигурации проточки под армирующий элемент, которые могут варьироваться в пределах, определяемых геометрией сферы ротора.

Критерии 1—3 (см. приведенный выше перечень) обусловлены однозначно необходимыми требованиями, определяющими принципы работы прибора, и фактически являются ограничительными. При этом упругость паров материала (критерий 3) не должна превышать определенного значения, составляющего примерно 1,3 Па; при этом чем меньшим значением Р обладает материал, тем он предпочтительнее. Очевидно, что при равнозначности представленных в табл. 1 материалов по ограничительным критериям возможно их ранжирование с определением предпочтительности использования по сравнительным признакам, которые характеризуются критериями 4—7. Далее рассматриваются технологические критерии 8 и 9, связанные с особенностями проведения процесса напыления. Эти критерии весьма важны, поскольку обеспечивают возможность практической реализации процесса и характеризуют его производительность, воспроизводимость результатов, а также стоимостно-затратные показатели.

Как показывает анализ свойств рассматриваемых материалов, критериям 1—3 удовлетворяют в той или иной степени все материалы; критерию 4, в порядке предпочтения, — вольфрам, тантал, золото, серебро, молибден и медь; критерию 5 — золото, медь и серебро; критерию 6, в той или иной степени, — титан, серебро и медь; критерию 7 — все материалы; критериям 8 и 9 — медь. (Данные по критериям 8 и 9 представлены в табл. 2.)

По совокупной оценке материалов (см. табл. 1) в качестве наиболее приемлемого материала для формообразования армирующего элемента методом напыления была выбрана медь, которая характеризуется высокой упругостью паров, необходимым удельным весом, хорошей согласованностью с бериллием по ТКЛР, высокой скоростью распыления при минимальных временных затратах и низкой стоимостью.

Технология изготовления датчика положения ЧЭ ГВ включает множество операций, наиболее важной из которых является нанесение электродов посредством напыления на ротор и статор, которые выполнены из корундовой керамики и имеют встречно-ориентированные друг относительно друга рабочие сферические поверхности [4]. Рабочая поверхность ротора представляет собой сплошной электрод, а поверхность статора — три кольцевые дорожки электродов. При этом толщина электродов (^эл), в зависимости от напыляемого материала, может быть различной.

Таблица 1

Материал армирующего элемента т °с 1 пл? ^ Ум, г/см3 Р, Па, при 700...900 °С 5, МКМ, при 7^= 700...900 °С и /св = 1 ч Д при 7^= 800...900 °С К, мм К-г, мм /г, мм е

Си 1083 8,96 10 5—10 3 9—12 1,14 4 0,2 1,3 0,033

Мо 2610 10,22 < ю-15 0,06—0,44 0,35 4,1 0,1 2 0,032

И 1725 4,54 < ю-10 0,04—3,6 0,51 4 0,5 1,45 0,031

Аи 1063 19,32 10 7—10 4 Нет данных 0,90 4 0,1 1,05 0,034

Аё 960 10,5 5-10~4—5-104 Нет данных 1,33 4 0,11 2 0,033

Та 2996 16,6 < 1046 0,9—2,2 0,37 4 0,06 2 0,034

№ 2415 8,57 < ю-17 0,07—0,2 0,44 4 0,28 1 0,033

3400 19,3 <1048 0,1—0,16 0,29 4,1 0,1 0,95 0,033

Сг 1890 7,19 10~8—5-10"5 0,02—2,7 1,79 4 0,2 1,8 0,033

Таблица 2

Материал электрода ов, МПа р, мкОм-м Д при 7;= 300 °с е /гэл, мкм V, мкм/ч* п, руб.

Мо 490—981 0,05 0,93 + 2—3 4 4500

Си 220—400 0,0168 2,52 - 3—4 60 200

Сг 190—200 0,15 1,61 + 1—2 5 300

Т\ 392—539 0,58 1,42 + 2—3 0,5 850

Аё 127—156 0,0160 3,20 + 1—3 3,5 450

Аи 135—140 0,023 2,36 - 1—2 2 19500

№ 470—510 0,15 1,17 + 3—4 1,5 3100

Та 204—349 0,15 1,06 - 2—3 0,9 15100

610—660 0,056 0,72 - 2—3 0,4 3700

Примечание: * — приведены значения ориентировочной скорости процесса при использовании магнетронного метода напыления.

Исходя из совокупности технических требований к электродным покрытиям на статоре и роторе, можно определить следующие основные критерии выбора материала электродов.

1. Температура плавления (Тпл) материала электрода.

2. Немагнитность материала электрода.

3. Удельное электросопротивление материала электрода (р).

4. Согласованность материала электрода и керамики по ТКЛР (соотношение А) при определенной температуре напыления (Тн).

5. Механическая прочность материала (ов).

6. Адгезия материала электрода к керамике, характеризуемая, в том числе, возможностью трехфазного взаимодействия (9).

7. Скорость (у) процесса напыления.

8. Экономичность процесса напыления (стоимость 1 кг пруткового материала (п), по данным 2007 г.).

Аналогично предыдущему примеру приведенные критерии можно разделить на ограничительные (1—3), сравнительные (4—6) и технологические (7, 8).

В табл. 2 представлены параметры материалов, являющиеся критериями их выбора, и характеристики электродов датчика положения ЧЭ ГВ [2, 3]. (Значения Тш и ум приведены в табл. 1.)

Основываясь на анализе приведенных критериев и данных табл. 2, можно отметить, что критериям 1 и 2 удовлетворяют в той или иной степени все материалы; по критерию 3 наиболее приемлемыми, в порядке предпочтения, являются серебро, медь, золото, молибден и вольфрам; по критерию 4 — вольфрам, молибден, тантал, ниобий и титан, по критерию 5 — молибден, вольфрам, титан, ниобий и тантал; по критерию 6 — титан, молибден, ниобий, хром и серебро; по критериям 7 и 8 — медь.

Сравнительный анализ критериев показал, что наиболее предпочтительным материалом для напыления электродов является молибден, который характеризуется сравнительно низким электросопротивлением, удовлетворительной согласованностью с керамикой по ТКЛР, высокой механической прочностью и хорошей адгезией к керамике.

Технологические особенности методов напыления. Для выбранных материалов были определены методы их нанесения. Для напыления медного армирующего элемента использовался метод термического испарения в вакууме, позволяющий получить покрытие сравнительно большой толщины при минимальных затратах материала. Для нанесения молибденовых электродов выбран метод магнетронного напыления, обеспечивающий минимальную разнотолщинность покрытия.

Основные режимы процессов напыления армирующего элемента ротора БЭСГ и электродов датчика положения ЧЭ ГВ, определенные в результате исследований, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Нанесение меди Нанесение молибдена

методом термического испарения в вакууме методом магнетронного напыления

Давление в камере, Па 6,7(±1)-10-2 Давление в камере, Па 2,7(±0,2)-10-3

Ток испарителя, А 250±10 —1-й этап, Давление рабочего газа, Па 1,6(±0,05)-10-1

440±5 —2-й этап Ток разряда мишени, А 4,2±0,1

Напряжение испарителя, В 8±0,5 Напряжение разряда, В 550±5

Температура нагрева детали, °С 400±10 Температура нагрева детали, °С 310±10

Расстояние испаритель —деталь, мм 70±5 Расстояние мишень — деталь, мм 90±5

Время напыления, ч 3±0,2 Время напыления, ч 0,5±0,05

Средняя скорость испарения, мкм/ч 60±0,5 Скорость напыления, мкм/ч 4±0,2

В соответствии с выбранными режимами были изготовлены узлы гироприборов с напыленными покрытиями (рис. 2). На рисунке представлены заготовки ротора БЭСГ под операцию диффузионной сварки (рис. 2, а); шлифы поверхностей роторов в осевом сечении с на-

пыленными армирующими элементами (рис. 2, б); статор датчика положения ЧЭ ГВ с напыленными дорожками электродов (рис. 2, в) и ротор датчика положения с напыленным сплошным электродом (рис. 2, г).

Ь._ _

Рис. 2

Заключение. В результате проведенных экспериментов, исходя из сравнительного анализа свойств и характеристик материалов, а также технических требований к изделиям при нанесении покрытий на конкретные узлы гироприборов, были определены и сгруппированы по ограничительным, сравнительным и технологическим признакам основные критерии выбора материалов с установлением уровня значимости каждого критерия. Для рассмотренных узлов гироприборов были выбраны материалы покрытий и определены наиболее предпочтительные методы их напыления. По разработанным технологиям изготовлены реальные узлы гироприборов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 08-08-12032-офи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Способ изготовления ротора шарового гироскопа / Б. Е. Ландау, А. Я. Буцык, А. Г. Щербак и др. // Заявка № 2005107600/02. Полож. реш. от 17.05.06.

2. Беляев С. Н. Прецизионная технология формообразования тонкопленочных электродов на элементах изделий точного приборостроения // Материалы IV Междунар. конгресса „Машиностроительные технологии". Варна, 2004.

3. Свойства элементов. Справочник / Под ред. М. Е. Дрица. М.: Металлургия, 1985. 672 с.

4. Справочник по вакуумной технике и технологии / Пер. с англ.; Под ред. Ф. Росбери. М.: Энергия, 1972. 456 с.

Сведения об авторе

Сергей Николаевич Беляев — ФГУП ЦНИИ „Электроприбор", Санкт-Петербург;

E-mail: [email protected]

Рекомендована Поступила в редакцию

ЦНИИ „Электроприбор" 19.02.08 г.