Конденсационные покрытия

Конденсационные покрытия в отличие от диффузионных характеризуются тем, что при их нанесении изменяется размер детали. Диффузионная зона ограничивается узкой областью, при этом на границе раздела покрытие–сплав происходит скачкообразное изменение химического состава. Такое свойство конденсационных покрытий позволяет при соответствующей адгезии создавать покрытия, кардинально отличающиеся по своим коррозионным и жаростойким свойствам от подложки [1].

Как правило, все конденсационные покрытия наносятся с использованием плазмы. В практике авиадвигателестроения и энерготурбостроения конденсационные покрытия наносят с помощью атмосферной (APS) или вакуумной плазмы (VPS) [10]. Покрытия, наносимые методом APS, относительно дешевы, не требуют значительных затрат на создание вакуума, хорошо поддаются управлению с использованием ЭВМ. Метод VPS – дорогой и сложный процесс, хотя качество наносимых покрытий высокое. VPS -покрытия имеют хорошую прочность сцепления, высокую плотность, малое содержание оксидов. Рассмотрим указанные методы более подробно.

В отечественной практике метод APS называют газотермическим напылением. В соответствии с данными работы [11] к методам газотермического напыления относят следующие:

- газопламенный (с использованием проволоки или порошка);

- электродуговой;

- плазменный;

- детонационный;

- высокоскоростной (газопламенный, электродуговой, плазменный).

Технологии газопламенного нанесения покрытий базируются на горении газообразных углеводородов (ацетилен, пропан, природный газ) в кислороде [13].

Конденсированные покрытия, наносимые с использованием вакуумной плазмы (VPS -покрытия), характеризуются низкой пористостью и являются более качественными с точки зрения последующей эксплуатации. На практике такие покрытия наносят в основном двумя способами: электронно-лучевым и электродуговым.

Электронно-лучевой способ нанесения конденсированных покрытий основан на испарении сплава специального состава вследствие его бомбардировки ускоренным потоком электронов, образовании парового облака и конденсации пара на подогретой поверхности детали [1, 2, 14]. Процесс проводится на специальных установках, в рабочей камере которых создается вакуумная среда (остаточное давление обычно составляет 5´10^-5…1´10^{-4 мм рт. ст.). Электронный луч формируется специальным генератором – электронно-лучевой пушкой. Скорость, с которой «летят» электроны по направлению к мишени достигает 595 км/с. При достижении электронами мишени происходит их торможение. В результате торможения кинетическая энергия ускоренных электронов преобразуется в тепловую, что вызывает разогрев тонкого поверхностного слоя мишени. Так, при ускоряющем напряжении 15…20 кВ глубина проникновения электронов в металлической мишени составляет 1…2 мкм. Испарившийся материал мишени конденсируется на поверхности лопаток. Для формирования равномерного по толщине покрытия с заданной структурой и с требуемой адгезионной прочностью лопатки подвергают вращению и непрерывному нагреву (до 800…1000}°С). Покрытие формируется из парового потока, состоящего из нейтральных атомов. При нанесении жаростойких покрытий на лопатки турбины скорость конденсации составляет 2…5 мкм/мин. Основные сплавы, используемые для электронно-лучевого нанесения покрытий, представлены в табл. 3.1.

К достоинствам способам следует отнести: а) высокую прочность сцепления, близкую к прочности основного металла; б) получение плотного покрытия за счет финишных операций; в) получение покрытий с низкой шероховатостью (не хуже Ra 1,25 мкм); г) возможность нанесения покрытий широкого диапазона из металлокерамики, металлов и керамики; д) возможность получения покрытий с чередующимися слоями.

Т а б л и ц а 3.1 ­

Химический состав сплавов, используемых для электронно-лучевых покрытий в России и за рубежом [2, 14]

Недостатками способа являются: а) высокая стоимость оборудования; б) необходимость использования больших производственных площадей; в) необходимость введения операции полирования исходной поверхности под покрытие; г) применение дополнительных финишных операций после нанесения покрытия; д) возможно нанесения покрытий только на наружные поверхности деталей; е) невозможность нанесения покрытия на подложки сплавов, подверженных структурным изменениям в процессе нанесения покрытий; ж) возможно появление в покрытии дефектов роста (каналов, пор, столбчатой структуры).

Электродуговой способ нанесения покрытий может быть реализован двумя методами: катодным и плазменно-дуговым распылением.

Согласно данным работы [1], катодное распыление осуществляется бомбардировкой отрицательно заряженной мишени, изготовленной из материала покрытия, положительно заряженными ионами нейтрального газа, например аргона. Ионизация аргона осуществляется потоком электронов. При бомбардировке мишени происходит ее распыление и конденсация частиц на поверхности покрываемых деталей, на которые подается положительный заряд. При нанесении покрытий необходимо поддерживать температуру деталей 700…800°С. При такой температуре формируются защитные покрытия с мелкозернистой структурой, а благодаря операции ионной очистки достигается его высокая адгезия к подложке. Скорость нанесения покрытия составляет 2 мкм/мин. Скорость формирования осадка может быть увеличена за счет использования магнетронной системы распыления, благодаря которой происходит полная ионизация нейтрального газа. Кроме того, для повышения производительности магнетронных установок рекомендуется нагревать катод-мишень до жидкофазного состояния. В этом случае ионное распыление дополняется процессом испарения материала покрытия.

Достоинствами способа являются: а) получение плотных покрытий с отличной адгезией к подложке; б) в процессе напыления химический состав конденсата не претерпевает изменений, что позволяет формировать многокомпонентные покрытия сложного состава; в) за счет регулирования многих параметров технологического процесса покрытия получаются равномерными по толщине и с заданной структурой.

Недостатками способа являются: а) низкая производительность; б) необходимость регулирования большого количества параметров технологического процесса; в) необходимость создания электронного потока для ионизации нейтрального газа; г) необходимость интенсивного охлаждения водой обрабатываемых деталей при магнетронном распылении с целью устранения перегрева и оплавления их поверхности; д) необходимость изготовления тиглей для жидкофазной мишени из немагнитного, тугоплавкого и электропроводного материала.

Плазменно-дуговое катодное распыление осуществляется путем наложения вакуумного дугового разряда [1, 15, 16]. Часто покрытия, получаемые таким способом, называют ионно-плазменными [17, 18].

Генерация плазмы осаждаемого вещества в установке осуществляется в вакуумном дуговом разряде с внешней поверхности катода, изготовленного из материала покрытия. Катод эродирует под действием катодных пятен вакуумной дуги. Пятна являются источниками потоков сильноионизованной металлической плазмы, в которых присутствуют микрокапли материала покрытия. Степень ионизации плазмы и доля в потоке микрочастиц определяются как теплофизическими свойствами материала катода, так и условиями горения вакуумной дуги на его поверхности – температурой поверхности, наличием загрязнений в материале катода, составом и давлением остаточных газов в вакуумной камере и др. Плазма фокусируется в поток и ускоряется к поверхности, где в зависимости от уровня энергии ионов протекает либо преимущественно процесс ионной очистки, либо осаждение покрытия на термоактивированную и очищенную ионной бомбардировкой поверхность. Формирование покрытия происходит в процессе конденсации продуктов катода на поверхности подложки.

При реализации плазменно-дугового распыления возможно формирование как конденсированных, так и диффузионных покрытий. При формировании диффузионных покрытий после процесса напыления на поверхности деталей наблюдается рентгеноаморфный осадок. Последующий диффузионный отжиг приводит к созданию покрытия, по структуре и свойствам похожего на диффузионные покрытия, получаемые порошковым, шликерным или газово-циркуляционным методом.

Для реализации процесса напыления в зависимости от конструктивных особенностей установок используются цилиндрические или плоские катоды. Катоды для нанесения жаростойких покрытий на лопатки турбины изготавливаются из специальных слитков, химический состав которых представлен в табл. 3.2. Кроме того, для напыления указанным методом могут быть успешно использованы отечественные сплавы, представленные в табл. 3.1.

Т а б л и ц а 3.2

Химический состав катодов для вакуумного плазменно-дугового напыления жаростойких покрытий

Достоинствами способа плазменно-дугового распыления являются: а) широкие технологические возможности (нанесение различных функциональных покрытий, нанесение заданной толщины специальных припоев для высокотемпературной пайки, нанесение восстанавливающих геометрию слоев до 120 мкм); б) высокая адгезия и отсутствие пористости нанесенных покрытий; в) стабильная воспроизводимость параметров процесса и характеристик покрытия (химический состав, толщина, структура, адгезия); г) полное соответствие состава осадка материалу катода.

Недостатками способа являются: а) наличие в потоке плазмы микрокапельной фазы, приводящей к снижению шероховатости поверхности покрытия на 1…2 класса; б) необходимость использования дорогостоящего оборудования; в) возможно проявление дугового разряда на деталях, приводящего к наличию следов на обрабатываемой поверхности; г) неравномерный износ катодов, приводящий к повышенному расходу материалов.

Поиск по сайту: