WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Как правило, оксиды представляют собой плотные соединения с хорошими диэлектрическими свойствами, затрудняющими формирование бездефектных покрытий с высокой адгезией. Поэтому удаление существующих на исходной поверхности оксидов при осуществлении этапа ионной очистки создает необходимые условия для реализации адгезионной связи металл-покрытие на уровне когезионной.

Исследование изменения величины оксидов различных конструкционных материалов при технологическом нагреве показало, что исходная величина при нагреве существенно изменяется. Например, после нагрева титановых сплавов ВТи ВТ23 до +100оС происходит увеличение на 100 мВ (исходное состояние -100мВ, после нагрева -200мВ), что обусловлено ростом толщины естественной окисной пленки, вследствие диффузии кислорода через оксид на поверхность границы металл-оксид. Дальнейшее увеличение температуры нагрева приводит к повышению величины, что связано с возрастанием дефектности оксидов, вследствие изменения механизма образования оксида путем диффузии ионов титана через оксид на его поверхность. Такое изменение механизма окисления приводит к изменению не только величины, а и к изменению знака, что связано с возрастанием пористости оксидов и потерей ими диэлектрических свойств.

Максимальное значение +280 мВ наблюдается при нагреве до температуры ~о С, указывает на максимальную дефектность оксида при этой температуре. Такая же закономерность изменения величины оксидов от температуры наблюдается и для других исследованных материалов.

Для сталей максимальное значение оксида равное +300 мВ наблюдается в о интервале температур 300-400 С, а оксид алюминиевого сплава Д16 теряет о устойчивость в интервале температур 300-500 С при значении -380 мВ.

Проведение очистки поверхности в интервале температур, при которых наблюдается максимальное значение оксида, позволило более обоснованно подойти к выбору температурного режима нанесения покрытия и при этом обеспечить реализацию высокого уровня адгезионной связи.

Таким образом, реализация оптимальных параметров каждого технологического этапа позволяет формировать покрытия высокого качества и с оптимальной структурой. Отклонения от оптимальных температурных режимов приводят к образованию пористых и неоднородных покрытий. Так неполное удаление загрязнений на этапе очистки и активации поверхности приводит к образованию дефектных покрытий.

Наиболее существенными видами дефектов покрытий является капельная фаза, состоящая из капли металла катода, открытая пористость и несплошность формируемого покрытия, а также дефектные кристаллы, образование которых, повидимому, связано с выходом на поверхность винтовых дислокаций. Рост такого кристалла происходит с большой скоростью и, образующиеся значительные внутренние, напряжения приводят в итоге к его разрушению и образованию характерных кратеров.

Глава IV. ИССЛЕДОВАНИЕ РАВНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ В РАБОЧЕМ ОБЪЁМЕ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК Как показали проведённые исследования (глава III), формируемые потоки газовой и металлической плазмы в процессе вакуумной ионно-плазменной обработки, воздействуя на поверхность конструкционных металлических материалов, могут существенно изменять структуру и свойства их поверхностного слоя. Однако распределение плазменных потоков в рабочем объёме вакуумной камеры зависит от многих факторов и прежде всего от конструкции самих источников газовой и металлической плазмы, наличия магнитных и электрических полей. Размещение плазменных источников в вакуумной камере относительно друг друга, направление движения плазменных потоков относительно обрабатываемых поверхностей, размер катода дугового испарителя и скорость перемещения катодного пятна по его поверхности - все эти факторы играют существенную роль при формировании качественных эксплуатационных свойств.

В этой главе приведены результаты исследований влияния конструкции серийных электродуговых испарителей и их компоновка, в составе серийной вакуумной установки ННВ-6.6., на структуру и свойства поверхности конструкционных материалов. Конструкция серийных электродуговых испарителей предусматривает получение металлической плазмы в виде потока ионов металла испаряемого катода, электронов, нейтралов и макро частиц. Дальнейшее перемещение плазменного потока осуществляется в электромагнитных полях.

Проведённые исследования показали, что в случае использования корпуса испарителя в качестве анода формирования плазменного металлического потока и соответствующего ему качественного покрытия наблюдается в диапазоне 125 мм по радиусу от оси катода. Установка корпуса испарителя под плавающим потенциалом увеличивает эффективный диапазон формирования качественных покрытий до мм по радиусу от оси катода, при этом количество капельной фазы в покрытии снижается на 10 %. Уменьшение капельной фазы можно достигнуть и за счёт снижения тока дуги, однако, это приводит к существенному снижению скорости формирования покрытия и к изменению текстуры покрытия. Покрытия типа TiN, формируемые при токах дуги свыше 90А, имеют сильно выраженную текстуру (111), при токах ниже 90А покрытие носит безтекстурный характер или слабо выраженный. Такой же характер изменения структуры покрытия наблюдается и в случае применения сепараторов с целью уменьшения доли капельной фазы в плазменном потоке. Наблюдаемое в зоне сепаратора уплотнение плазменного потока и последующее огибание им препятствия приводит к значительному сокращению доли капельной фазы, а также уменьшению плотности плазменного потока. Поэтому на той части образца, которая находилась в зоне действия сепаратора, формируется безтекстурное покрытие, а вне зоны действия сепаратора текстурованное. Однако применение сепараторов резко уменьшает скорость напыления и обеспечивает неравномерность свойств по толщине покрытия.

Проведённые исследования показали, что рассмотренные способы устранения капельной фазы малоэффективны, особенно в случае применения порошковых катодов. Большая дефектность структуры таких катодов приводит, при его работе в качестве плазмообразующего катода, к образованию локальных перегретых зон, что сопровождается увеличением доли капельной фазы в плазменном потоке. Однако учитывая перспективность порошковых катодов необходимо перейти от системы хаотичного перемещения катодного пятна по испаряемой поверхности к управляемой, когда катодное пятно совершает движение от края плоскости к центру и обратно.

Исследование схем компоновки серийных установок электродуговыми испарителями показали их недостаточную эффективность при формировании плазменного потока в объёме камеры. Размещение центров испарителей в одной плоскости приводит к уменьшению доли участия каждого испарителя в процессе формирования покрытий, так как образующиеся плазменные потоки высокой энергии, встречаясь друг с другом, создают возмущения и снижают свою эффективность.

Формирование потоков газовой плазмы в рабочем объёме вакуумной камеры осуществлялось с помощью разработанного модуля ускорителя “ПЛАГУС”.

Исследования эффективности работы ускорителя показали, что при обработке газовой плазмой поверхность изделия нагревается до температуры не выше 70°С, при этом удаляются различного рода загрязнения. При дополнительном ускорении ионов плазменного потока за счет подачи ускоряющего потенциала на подложку (-200 - 250 В) происходит ионное травление оксидов, и величина поверхностного потенциала становится положительной. Применение ионного ускорителя в качестве ионизатора рабочего газа способствует более эффективному протеканию на поверхности плазмохимических реакций. Такие широкие возможности технологического модуля значительно упрощают ведение технологического процесса нанесения покрытий, повышают стабильность и качество покрытий, так как полностью исключают перегрев тонких кромок изделий на этапе очистки, что очень важно для инструмента, особенно мелкоразмерного.

Генерация газовой плазмы, одновременно с генерацией металлической плазмы, дуговым разрядом позволяет проводить процесс плазменноактивированного формирования покрытия, и получать высоко адгезионный слой на границе подложка-покрытие с мелкодисперсной структурой. При формировании покрытий ионы газовой плазмы совместно с ионами металла бомбардируют поверхность, увеличивая подвижность осажденных на поверхность атомов, стимулируя процесс плазмохимической реакции и затрудняя рост столбчатой структуры формирующихся соединений.

Возможность применения низкотемпературного газового модуля на этапе очистки и активации поверхности, а также на этапе конденсации покрытий в едином цикле с вакуумным электродуговым испарителем даёт возможность влиять на структурно-фазовое состояние композиции подложка - покрытие, снижая уровень остаточных макронапряжений, уменьшая микро капельную фракцию напыляемых соединений. Удаление наиболее дефектных слоев с поверхности при подаче ускоряющего потенциала способствует выравниванию исходных свойств поверхности и, как следствие, образованию менее дефектной структуры. Нитридные покрытия, формируются с ярко выраженной текстурой роста (111), однако формирование этих покрытий с активированной газовой плазмой потребует меньших энергий плазмы, поэтому в покрытии появляются дополнительные кристаллографические ориентации и текстура (111) будет слабо выражена.

Применение плазменно-активированного формирования покрытия позволяет осуществить процесс образования нитридных, карбидных и карбонитридных соединений на латунных сплавах.

Данные исследования позволили разработать технологический модуль и создать конструкцию, позволяющую в одном модуле сосредоточить все необходимые этапы технологического процесса: очистку и активацию поверхности, её нагрев до заданного интервала температур, модифицирование поверхности или нанесение покрытия.

Глава V. РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОЙ ВАКУУМНОЙ ИОННОПЛАЗМЕННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ Для практической реализации проведённых в работе исследований разработана вакуумная ионно-плазменная установка модульного типа, которая предусматривает проведение всех видов работ по поверхностному упрочнению:

модифицированию, нанесению покрытий и комплексной обработке, включающей в едином технологическом цикле процесс модифицирования и нанесения покрытия.

Отличием разработанной установки является наличие двух технологических модулей, имеющих в своем составе различные технологические блоки, обеспечивающие весь цикл технологических процессов. Данные модули обеспечивают очистку и активацию поверхности, нагрев её до заданного диапазона температур, конденсацию покрытий и диффузионное насыщение обрабатываемой поверхности газовой или металлической плазмой. Конструктивная особенность данных модулей позволяет осуществлять их поворот относительно друг друга, с целью изменения конфигурации потоков газовой и металлической плазмы в рабочем объеме камеры.

Изменение конфигурации плазменных потоков относительно обрабатываемых поверхностей деталей необходимо для повышения эффективности процессов плазмохимической реакции и равномерности формирования качественных эксплуатационных свойств покрытий и модифицированных слоёв.

Осуществлено изготовление разработанной установки и получено два патента на данную установку. Данная установка позволяет обрабатывать всю номенклатуру материалов, применяемых в авиастроении, включая металлы и неметаллы. Размеры камеры (1 м3) позволяют повысить производительность при напылении на детали ниппельных соединений, а также дают возможность обрабатывать готовые узлы авиационной техники.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Установлены закономерности воздействия газовой и металлической плазмы на структуру и свойства поверхностных слоев конструкционных материалов в рабочем объёме вакуумной камеры серийных установок, в зависимости от энергетических характеристик и компоновки источников плазмы а также выявлены факторы, влияющие на процессы вакуумного ионно-плазменного модифицирования поверхности и формирования покрытий.

Показано, что величина поверхностного потенциала (), измеряемая после каждого этапа технологического процесса нанесения покрытия и модифицирования поверхности, является объективным количественным критерием оценки качества поверхности и стабильности эксплуатационных свойств.

2. Установлено, что эффективным способом удаления поверхностных дефектов подложки при ионной очистке и активации поверхности является обработка её ионами газовой плазмы. Показано, что эффективная энергия плазменного газового потока при очистке и активации поверхности зависит от её шероховатости и степени замещения металла основы в поверхностном оксиде сплава легирующим элементом. Для поверхностей с параметром шероховатости Ra < 0,3 мкм и малой степенью замещения энергия ионов не должна превышать 200 эВ, а для поверхностей с Ra 0,3 мкм и высокой степенью замещения – 400 эВ.

3. Предложен количественный критерий оценки энергетического состояния поверхности по величине поверхностного потенциала. Установлена зависимость величины потенциала от степени загрязнения поверхности и способа последующей очистки. Определены оптимальные температуры ионной очистки поверхности (~400оС для титановых сплавов, ~350оС для сталей и ~300оС для алюминиевых сплавов), позволяющие обеспечить наиболее полное удаление оксидов с обрабатываемой поверхности с минимальным уровнем энергетического воздействия плазмы на поверхность, что гарантирует сохранение исходной геометрии и структуры изделия.

4. На основе проведённых исследовании разработана новая система размещения источников газовой и металлической плазмы в виде поворотных технологических модулей. На основе этих модулей создана новая компоновочная схема универсальной установки модульного типа, изготовлена установка “Радуга”, которая позволяет реализовать комплексные технологии, сочетающие модифицирование и нанесение покрытий на поверхности деталей из материалов, применяемых в авиастроении. Результаты разработки защищены двумя патентами.

5. Разработаны методические материалы «Комплексная оценка качества формирования ионно-вакуумных покрытий и диффузионного модифицирования поверхности деталей и изделий машиностроения» (ММ 1-3430-4-2002), которые используются в производстве деталей авиационной техники.

6. Разработано и изготовлено устройство для измерения величины поверхностного потенциала на основе метода контактной разности потенциалов (КРП): «Приспособление для измерения разности потенциалов ПАСП-МК03»;

комплект чертежей датчика-3-3430-1-2003; техническое описание и инструкция по эксплуатации-2-3430-1-2003.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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