Урало-Сибирская научно-практическая конференция

Использование ионно-лучевого ассистирования в технологии нанесения высокотвердых износостойких покрытий ионно-плазменным методом

Н.В. Гаврилов, Д.Р. Емлин, О.А. Буреев  

Институт электрофизики УрО РАН
620216, г.Екатеринбург, ул. Амундсена, 106
gavrilov@iep.uran.ru 

 Технология нанесения функциональных покрытий из оксидов, нитридов, карбидов и других соединений вакуумно-дуговым ионно-плазменным методом применяется в промышленности для повышения твердости и износостойкости, температуры плавления, жаростойкости или коррозионной стойкости изделий [1]. Высокотвердые износостойкие покрытия на основе нитридов Ti, Zr и Hf обеспечивают, к примеру, повышение срока службы металлорежущего инструмента и стойкости к абразивному износу лопаток компрессора газотурбинных авиадвигателей. Надежность таких покрытий зависит от особенностей адгезионного взаимодействия на границе раздела покрытие-основа. Адгезионная прочность соединения достигается созданием протяженного переходного слоя, в котором обеспечивается непрерывное изменение структуры и свойств материала. 

Эффективным способом формирования такого слоя является ионно-лучевая обработка покрытия на начальном этапе его формирования, когда длина пробега ускоренных ионов превышает толщину пленки. В результате имплантации отдачей и ионно-лучевого перемешивания может быть сформирован приповерхностный слой с изменяющимся по глубине содержанием атомов осаждаемого материала. Однако в ионно-плазменных вакуумно-дуговых установках трудно проводить одновременно с напылением и ионно-лучевую обработку, так как повышенное давление газа и присутствие плотной металлической плазмы в камере обработке затрудняет работу ионного источника, в частности, формирование и транспортировку ионного пучка. Кроме того, ионный источник подобного технологического назначения должен иметь высокую производительность и надежность, быть простым в эксплуатации и обеспечивать длительную непрерывную работу. Обычные ионные источники не отвечают этим требованиям из-за невысокого ресурса накаливаемого катода. 

В созданном в ИЭФ УрО РАН источнике ионов газов [2] использован тлеющий разряд низкого давления в электродной системе с холодным полым катодом и стержневым анодом. Ресурс холодного катода в такой системе ограничивается его распылением и при горении разряда в азоте составляет не менее 10³ ч. При работе такого источника в напылительной установке срок его непрерывной работы определяется необходимостью проведения профилактических чисток электродов источника от пленок, формируемых в результате осаждения металлической плазмы, причем интервал между чистками может составлять несколько месяцев. Ионный источник устанавливается на вакуумную камеру стандартных напылительных установок, например, типа ННВ 6,6И1, при этом не требуется никаких изменений в системе вакуумной откачки. Источник генерирует широкие пучки любых газовых ионов, включая кислород, с энергией до 50 кэВ, током до 50 мА с поперечным сечением 10² см². Обработка ионным пучком позволяет также изменять структуру, твердость и рельеф поверхностного слоя основы, а также уровень внутренних напряжений и структуру растущей пленки, обеспечивая улучшение свойств изделий с покрытием [3]. 

В сотрудничестве с ОАО «Уральский завод гражданской авиации» (г. Екатеринбург) была разработана и сертифицирована технология нанесения износостойких покрытий на лопатки компрессора газотурбинных двигателей с использованием ионно-лучевой обработки и изготовлена серия ионных источников, которыми укомплектованы все напылительные установки заводской технологической линии. По заключению независимой экспертизы, составленному на основании результатов испытаний стойкости лопаток турбины в струе абразивных частиц, ресурс лопаток с напыленным по новой технологии покрытием увеличивается по сравнению с лопатками без покрытия, в среднем, в 2-10 раз, в зависимости от условий испытаний. 

Литература

1. Б.С. Данилин. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатомиздат. 1989. 328 с.

2. Н.В. Гаврилов, С.П. Никулин, Г.В. Радковский. Источник интенсивных широких пучков ионов газов на основе разряда с полым катодом в магнитном поле. ПТЭ. 1996. №1. С. 93-98.     

3. А.А. Копылов, В.А. Стяжкин, С.Я. Палеева. Ю.Г. Векслер, А.Н. Падеров. Свойства титановых лопаток компрессора турбины с имплантированным нитридным покрытием. Физика и химия обработки материалов. 1999. №2. С.65-68.