WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Выявлены общие закономерности влияния технологических факторов (плотность тока, опорное напряжение, парциальное давление газа в камере, температура подложки и состояние ее поверхности) на структуру поверхностных слоев, определяющую служебные свойства деталей и изделий изготавливаемых из различных материалов.

Анализ применяемых в настоящее время методов контроля свойств покрытий определил необходимость создания дополнительных методов их оценки качества на каждом из этапов технологического процесса. Для физических методов формирования покрытий и модифицированных поверхностных слоёв можно выделить несколько наиболее перспективных направления использования поверхностной обработки с целью повышения работоспособности деталей:

- низкотемпературное получение износостойких и коррозионностойких покрытий толщиной 5-10 мкм и твердостью (Hv) 20-30 ГПа из нитридов, карбидов и карбонитридов металлов, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств изделий;

- получение модифицированных поверхностных слоев методами ионновакуумного поверхностного легирования газовой и металлической плазмой позволяющими снизить температуру и продолжительность процесса, а по сравнению с химическими методами формирования покрытий решить проблемы адгезионного сцепления с подложкой;

- формирование различного рода барьерных защитных покрытий на лопатках турбины и компрессора газотурбинных двигателей для стационарного и авиационного применения.

Применение для вышеперечисленных целей физических методов поверхностной обработки в настоящее время ограничено технологическими трудностями и недостатками серийно выпускаемого оборудования в части слабой управляемости формированием потоков газовой и металлической плазмой в рабочем объёме вакуумной камеры.

Поэтому установки с электродуговым способом формирования плазменного потока, обладающие наибольшей первичной энергией ионов, предназначены в основном для упрочнения лезвийного инструмента и штамповой оснастки и недостаточно приспособлены для нанесения функциональных покрытий на другие изделия.

Показано, что в последние годы проводятся работы по модифицированию поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных сплавов с целью повышения их коррозионной стойкости, однако широкое использование методов вакуумной ионно-плазменной обработки в авиационной технике сталкивается с рядом трудностей: новые эффективные технологии вакуумной ионно-плазменной обработки требуют оборудования с более широкими технологическими возможностями; применяемое оборудование должно обеспечивать проведение в одном технологическом цикле процессов модифицирования поверхностных слоёв газовой или металлической плазмой и нанесения покрытий.

Не получили достаточного развития неразрушающие методы контроля энергетического, структурного и напряженного состояния поверхностных слоев на различных технологических этапах формирования модифицированных слоев и покрытий, что в конечном счете негативно сказывается на стабильности уровня эксплуатационных свойств.

На основании выполненного анализа литературы поставлены задачи исследования.

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Исследования проводили на промышленных титановых сплавах ВТ1-0, ВТ6, ВТ23, ферритной (13Х11Н2В2МФ) и аустенитной (12Х18Н10Т) нержавеющих сталях, а также на стали 30ХГСА, никелевом жаропрочном сплаве ЖС26У и алюминиевым сплаве Д16. Для исследований использовали полуфабрикаты в виде листов и прессованных прутков сплавов в состоянии поставки. Исследования формирования потоков газовой и металлической плазмы в рабочем объёме вакуумной камеры, а также процессы модифицирования и нанесения покрытий осуществляли на установке «ННВ-6.6».

Оценка энергетического воздействия газовой и металлической плазмы на подложку осуществлялась путём измерения величины потенциала поверхности в исходном состоянии и после воздействия ионного потока. Плотность ионного потока оценивалась по эффективной скорости конденсации покрытия на основе прецизионного измерения его толщины.

Микротвердость, модифицированных слоев и покрытий, измерялась на микротвердомере ПМТ-3, при нагрузках от 0,2 до 1,5 Н, а также на приборе Micromet 5101. Измерения с различными нагрузками производились для оценки глубины упрочненных слоев.

Фазовый состав диффузионных слоев после проведения процессов модифицирования исследовался с помощью рентгеновского дифрактометра Дрон-407 с использованием излучений FeK, CoK, CuK и MoK.

Для определения толщины покрытий TiN и (Ti, X)N, где X= Zr, Nb, Al, Cr, использовался рентгеновский флюоресцентный метод. Для покрытий на сталях использовался эффект ослабления в материале покрытия флуоресцентного излучения Fe, возбужденного в подложке или измерение интенсивности флуоресцентного излучения Ti, возбужденного непосредственно в материале покрытия. Для измерения толщины покрытий на титановых сталях применялся метод измерения интенсивности структурной линии подложки.

Толщина модифицированных слоев на титановых сплавах оценивалась неразрушающим методом на основе анализа специфических дифракционных эффектов, характеризующихся возникновением дополнительных максимумов со стороны малых углов дифракции для рефлексов от плоскостей решетки, близких к плоскости базиса ГП решетки титана. Их формирование обусловлено тем, что в поверхностных слоях, дающих наибольший вклад в интегральную интенсивность, имеет место наиболее высокая концентрация модифицирующих элементов и соответственно более высокие значения параметра «с» ГП решетки титана.

Распределение элементов по глубине покрытия и подложки определялось с помощью оптико-эмиссионного спектрометра тлеющего разряда (glow discharge OES SA2000 LECO) в лаборатории «ЛЕКО-ИМЕТ» и методом Оже-электронной спектроскопии.

Исследование состояние поверхности на различных этапах очистки и активации осуществлялось с помощью сканирующего туннельного микроскопа НТК «УМКА».

Измерение величины поверхностного потенциала производилось методом контактной разности потенциалов (КРП) с помощью прибора и методики, разработанной в «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского и ОАО «НИАТ».

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ГАЗОВОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ В главе приведены экспериментальные исследования влияния параметров различных стадий технологического процесса вакуумного ионно-плазменного напыления методом конденсации с ионной бомбардировкой на функциональные свойства покрытий. Установлено, что функциональные свойства покрытий определяются химическим и фазовым составом покрытия, его микроструктурой и кристаллографической текстурой, остаточными напряжениями. Они, в свою очередь, зависят от параметров технологического процесса напыления: плотности тока, опорного напряжения, парциального давления газов в камере, конфигурации потока газовой и металлической плазмы в рабочем объёме вакуумной камеры, а также от температуры нагрева подложки и состояния её поверхности.

Проведенный анализ метода контроля поверхностей в исходном состоянии и после нанесения покрытий, показал необходимость, создания методов контроля качества формирования покрытий, на каждом этапе технологического процесса. Для оценки состояния поверхности, особенно на стадии предварительной её отчистки и активации, был предложен метод контактной разности потенциалов (КРП), позволяющий по изменению величины поверхностного потенциала (), измеренной до и после технологического воздействия, судить об эффективности данного воздействия на изменение свойства поверхности. Разработанное и изготовленное устройство – переносной анализатор состояния поверхности (ПАСП) (рис. 1) по измеряемой величине позволяет оценить степень изменения свойств поверхности после каждого технологического воздействия на поверхность. Установлено, что технологические воздействия на поверхность конструкционных материалов оказывают различное влияние на величину, формируемую на поверхности. Так величина титанового сплава ВТ 6 (лист 2 мм) в исходном состоянии лежит в диапазоне от -400 мВ до -950 мВ, а после осуществления технологического этапа очистки и активации составляет (+500мВ…+800мВ). Аналогичное изменение величины от состояния исходной поверхности наблюдается у сплава ЖС26У (+130мВ литое состояние,+250мВ шлифованное), наличие на литой поверхности загрязнения снижает величину до +50мВ, а процесс обезжиривания восстанавливает до значения +121мВ - +230мВ. При этом на исследуемой литой поверхности наблюдается значительный разброс значения величины. Наличие на поверхности материалов различных загрязненной цеховой атмосферы (пыль, пары масел, СОЖ и т.д.) существенно изменяет величину у стали 30ХГСА (от +200мВ - вакуумный отжиг до -200 мВ – обработка органическими моющими средствами).

Аналогичная картина изменения величины потенциала от загрязнений наблюдается и у стали 12Х18Н10Т и 13Х11Н2В2МФ (рис. 2). Такое изменение величины указывает на наличие существенных барьерных слоев, препятствующих получению качественных бездефектных покрытий с высоким уровнем адгезионных свойств.

Так наличие барьерных слоев в виде оксидов с различными загрязнениями приводит к существенному изменению значений величины поверхностного потенциала покрытия ТiN по сравнению с покрытием сформированным на чистой поверхности (рис. 3).

а) б) в) Рис. 1. Переносное устройство «ПАСП-МК03» контроля качества состояния поверхности: а) общий вид устройства, б) торировочный график изменения контактной разности поверхностного потенциала пары «эталон - подвижный электрод» ( Au-Au), в) график изменения контактной разности поверхностного потенциала пары «образец с покрытием - подвижный электрод» (TiN-Au) Рис. 2. Изменение величины поверхностного потенциала () поверхности образцов из сталей, подвергнутых различным видам технологических загрязнений после вакуумного отжига: 1 – вакуумный отжиг; 2 – обработка СОЖ; 3 – обработка охлаждающей эмульсией; 4 – обработка волокнистым материалом; 5 – обработка пылью; 6 – декапировка Рис. 3 Изменение значений величины поверхностного потенциала покрытия TiN, сформированного на подложке с различными видами загрязнений, полученных на предварительной стадии обработки: 0 – ультразвуковая обработка; 1 – УЗО + АМГ;

2 – УЗО + СОЖ (специальная охлаждающая жидкость); 3 – УЗО + веретенное масло;

4 – УЗО + обтирка волокнистым материалом; 5 – УЗО + обработка пылью; 6 – УЗО + декапировка; 7 – УЗО + эмульсия.

Исследования изменения величины позволили установить наиболее эффективный способ очистки поверхности, включающий предварительную ультразвуковую очистку и ионную очистку ускоренной газовой плазмой.

Применение ускоренного потока газовой плазмы позволило полностью сохранить структуру исходной поверхности, сохранить её геометрические параметры и избежать чрезмерного нагрева поверхности (температура подложки не более+70 С).

Восстановление значения величины поверхности стали 30ХГСА загрязненной органическими охлаждающими средствами, в процессе её очистки потоком ионной газовой плазмы, до исходного значения ( = +200 мВ) указывает на высокую эффективность данного способа очистки и активации поверхности, что является основанием для применения разработанного метода контроля на этапе подготовки поверхности перед напылением. Применение в изделиях сплавов типа ЖС26У, имеющего на поверхности высоколегированную оксидную плёнку, требует больших энергий плазменного газового потока для её очистки и активации. Используя поток газовой плазмы с высокой энергией можно очистить и активировать поверхность, однако при этом наблюдается повышение температуры (рис. 4).

Рис. 4. Изменение значения величины поверхностного потенциала лопатки из сплава ЖС26У после режимов очистки: а) очистка шлиф.бумагой №=0, б) ионная очистка "Плагусом", в) ионное травление (Т=350 С) Используя метод измерения величины, была исследована эффективность процесса очистки поверхности подложки путем бомбардировки ионами металлической плазмы (циркония, титана, алюминия, меди, а также плазмой сложного состава Fe – Cr – Ni). Показано, что максимальное энергетическое воздействие наблюдается по центру катода и характер его воздействия зависит от элементного состава катода. Так максимальное изменение величины наблюдается после ионной бомбардировки поверхности подложки ионами меди (+500 эВ), а минимальное значение наблюдается после обработки поверхности ионами алюминия (-800 мВ). При обработке поверхности ионами титана и циркония составляет (-200мВ) и (-150 мВ) соответственно. Проведенные исследования формируемого фазового состава поверхности после воздействия на неё ионами активных металлических плазм показали зависимость получаемого состава от элемента плазмы Воздействие активной плазмы металла на поверхность изделий при ионной бомбардировке сопровождается не только разогревом поверхности и удалением оксидов, а также взаимодействием ионов плазмы с подложкой. Исследования с помощью Оже-спектрометра показали, что при ионной бомбардировке в поверхностном слое подложки происходит диффузия элементов плазмы вглубь обрабатываемого материала. В случае бомбардировки поверхности ионами титана глубина диффузионного слоя составила 30 нм, а применение ионов алюминия привело к образованию диффузионного слоя глубиной 40-50 нм.

Таким образом, процесс ионной бомбардировки активной металлической плазмой носит сложный характер и состоит из нагрева поверхности, ионного травления, изменения фазового состава поверхности и диффузионного модифицирования. Все эти процессы в той или иной степени влияют на качество и стабильность свойств формируемых покрытий.

Учитывая неравномерность воздействия ионов на исходную поверхность и зависимость энергетического её состояния, от энергии ионов необходимо добиваться равномерного их распределения по поверхности, как гаранта последующего равномерного формирования свойств. Так при снижении ускоряющего опорного напряжения от -1000 В до -700 В изменение величины составляет всего 200 мВ, а величина диапазона разброса поверхностного потенциала изменяется от 25% до 10%.

Полнота процесса очистки и активации конструкционных материалов путем бомбардировки их обрабатываемых поверхностей ионами активной плазмы металлов зависит от их энергии и плотности ионного потока. Однако, известно, чем выше энергия ионов металла, тем выше температура разогрева подложки и соответственно выше дефектность поверхности. Это, в свою очередь, влияет на дефектность формируемого покрытия, что, в ряде случаев, особенно для коррозионно-стойких покрытий, недопустимо. Кроме того, высокие температуры поверхности при ионной очистке недопустимы и для ряда сплавов, в частности алюминиевых (Al – Li), и сплавов, содержащих цинк.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»