Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками
Обоснованы перспективы использования ионно-плазменных способов для нанесения износо- и эрозионностойких многослойных защитных покрытий. Показано, что способы микроэлектродугового плазменного вакуумного и магнетронного вакуумного напылений, которые относятся к данной группе, являются наиболее многофу...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96067 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками / Е.В. Дабижа, А.А. Лещук, И.В. Бондарь, Н.Н. Борисова // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 1 (98). — С. 20-27. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859545404749643776 |
|---|---|
| author | Дабижа, Е.В. Лещук, А.А. Бондарь, И.В. Борисова Н.Н. |
| author_facet | Дабижа, Е.В. Лещук, А.А. Бондарь, И.В. Борисова Н.Н. |
| citation_txt | Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками / Е.В. Дабижа, А.А. Лещук, И.В. Бондарь, Н.Н. Борисова // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 1 (98). — С. 20-27. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Обоснованы перспективы использования ионно-плазменных способов для нанесения износо- и эрозионностойких многослойных защитных покрытий. Показано, что способы микроэлектродугового плазменного вакуумного и магнетронного вакуумного напылений, которые относятся к данной группе, являются наиболее многофункциональными. Приведены результаты модернизации вакуумной установки ВУ-700«Д»(М), в которой смонтированы три периферийных источника микроэлектродугового и один источник магнетронного распыления. Разработаны нове технологические и аппаратурные решения, позволяющие наносить защитные эрозионностойкие многослойные покрытия общей толщиной до 30 мкм на компрессорные лопатки газотурбинных двигателей. Исследовано влияние толщины мягкой кобальтовой прослойки и температуры процесса осаждения на критическую толщину многослойных покрытий из карбида и нитрида титана, а также нанотвердость данных покрытий.
Prospects of application of ion-plasma methods for deposition of wear- and erosion-resistant multi-layer protective coatings are grounded. It is shown that the methods of micro electric arc plasma vacuum and magnetron vacuum coating depositions, which refer to the given group, are most multi-functional. Results of updating the vacuum installation VU-700«D»(M), in which three periphery sources of micro electric arc deposition and one source of magnetron sputtering are mounted, are given. New technological and hardware solutions have been developed, allowing deposition of protective erosion-resistant multi-layer coatings of total thickness of up to 30 m on compressor blades of gas turbine engines. The effect of thickness of a soft cobalt interlayer and temperature of deposition process on critical thickness of multi-layer coatings of carbide and titanium nitride, as well as on nanohardness of the mentioned coatings was investigated.
|
| first_indexed | 2025-11-26T01:42:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.793.12
ЭРОЗИОННОСТОЙКИЕ МНОГОСЛОЙНЫЕ ПОКРЫТИЯ
НА ОСНОВЕ КАРБИДА И НИТРИДА ТИТАНА
С ПЛАСТИЧНЫМИ ПРОСЛОЙКАМИ*
Е. В. Дабижа, А. А. Лещук, И. В. Бондарь, Н. Н. Борисова
Обоснованы перспективы использования ионно-плазменных способов для нанесения износо- и эрозионностойких
многослойных защитных покрытий. Показано, что способы микроэлектродугового плазменного вакуумного и маг-
нетронного вакуумного напылений, которые относятся к данной группе, являются наиболее многофункциональными.
Приведены результаты модернизации вакуумной установки ВУ-700«Д»(М), в которой смонтированы три
периферийных источника микроэлектродугового и один источник магнетронного распыления. Разработаны новые
технологические и аппаратурные решения, позволяющие наносить защитные эрозионностойкие многослойные пок-
рытия общей толщиной до 30 мкм на компрессорные лопатки газотурбинных двигателей. Исследовано влияние
толщины мягкой кобальтовой прослойки и температуры процесса осаждения на критическую толщину многослойных
покрытий из карбида и нитрида титана, а также нанотвердость данных покрытий.
Prospects of application of ion-plasma methods for deposition of wear- and erosion-resistant multi-layer protective
coatings are grounded. It is shown that the methods of micro electric arc plasma vacuum and magnetron vacuum coating
depositions, which refer to the given group, are most multi-functional. Results of updating the vacuum installation
VU-700«D»(M), in which three periphery sources of micro electric arc deposition and one source of magnetron sputtering
are mounted, are given. New technological and hardware solutions have been developed, allowing deposition of protective
erosion-resistant multi-layer coatings of total thickness of up to 30 m on compressor blades of gas turbine engines. The
effect of thickness of a soft cobalt interlayer and temperature of deposition process on critical thickness of multi-layer
coatings of carbide and titanium nitride, as well as on nanohardness of the mentioned coatings was investigated.
Ключ е вы е с л о в а : защитное износостойкое покры-
тие; плазменно-дуговой способ нанесения покрытий; магнет-
ронное распыление; карбид и нитрид титана; лопатка; га-
зотурбинный двигатель; износостойкость; эрозионная стой-
кость; пластичная прослойка; кобальт
Применение покрытий является одним из прогрес-
сивных способов модификации поверхности дета-
лей и улучшения их поверхностных свойств в ма-
шино- и приборостроении, повышения эксплуата-
ционных характеристик инструмента, важным зве-
ном во многих технологических циклах создания
новых материалов. В связи с этим развитию спосо-
бов и технологий нанесения покрытий и их всесто-
роннему изучению уделяется особое внимание.
В настоящее время разработано большое коли-
чество способов нанесения покрытий, реализован-
ных в ряде вакуумных установок, которые предназ-
начены для осаждения покрытий из различных ма-
териалов на разнообразные изделия.
Среди всех современных способов получения
покрытий наиболее многофункциональными и пер-
спективными признаны способы нанесения пок-
рытий в низкотемпературной газоразрядной плаз-
ме, создающие, помимо пара металла, ионизирован-
ные частицы, которыми можно управлять с
помощью электрического и магнитного полей. По
сравнению с более энергоемкими способами
термического и электронно-лучевого испарения,
указанные позволяют более эффективно (т. е. с
меньшими затратами энергии и реагентов) выпол-
нять диспергирование материалов в атомарное, мо-
лекулярное, кластерное состояние и осуществлять
их осаждение на поверхность изделий в виде тонких
(до 10 мкм) функциональных, вспомогательных
или декоративных покрытий [1].
При ионно-плазменном нанесении покрытий вы-
сокая адгезия их к основе обеспечивается физико-
химическим взаимодействием потока плазмы с по-
верхностью подложки, которая находится под задан-
ным потенциалом, в связи с чем наряду с конден-
сацией происходит ионная бомбардировка поверх-
ности детали и ее активирование, а в результате
этого – интенсивное внедрение в поверхностный
слой подложки атомов требуемого материала.
© Е.В. ДАБИЖА, А. А. ЛЕЩУК, И. В. БОНДАРЬ, Н. Н. БОРИСОВА, 2010
* Статья подготовлена по результатам выполнения комплексной программы НАН Украины «Проблемы ресурса и безопасности
эксплуатации конструкций сооружений и машин» (2007—2009 гг.).
20
К ионно-плазменным способам нанесения пок-
рытия относятся магнетронное распыление, мик-
роэлектродуговое испарение (распыление) и акти-
вированное реактивное испарение [2—4]. Наиболее
перспективны в этой группе первые два способа.
Последний является модификацией термического
испарения, что расширяет его возможности, но пол-
ностью не устраняет имеющиеся недостатки.
Основные преимущества указанных способов
нанесения покрытия обусловлены физическими
принципами, лежащими в основе их реализации.
Возможность распыления (испарения) материала
из твердой фазы или зоны частичного расплавления
позволяет отказаться от дорогостоящих испаритель-
ных элементов, изготовленных, как правило, из ту-
гоплавких дефицитных материалов. Отсутствие
испарительных элементов с ограниченным сроком
службы и сравнительно небольшой загрузкой поз-
воляет резко увеличить скорость роста покрытия и
его толщину, а также общую поверхность покрыва-
емых деталей. Возможность наращивания толстых
слоев покрытия является определяющим условием
для использования указанного способа при нане-
сении толстых эрозионностойких покрытий на
различные изделия.
Распыление ионами материала катода или его
взрывное микроиспарение открывают путь к соз-
данию покрытий в виде сплава с сохранением
стехиометрического состава исходного материала,
а введение химически активного газа – к полу-
чению химических соединений. Благодаря наличию
ионной составляющей в распыляемом материале
появляется возможность ее ускорения при подаче
на подложку с отрицательным потенциалом. В
связи с этим на подложке происходят процессы
активации поверхностных атомов, способствующие
увеличению адгезии покрытия к подложке, распы-
ления атомов с ее поверхности (ионное травление)
и имплантации ионов.
Габариты систем ионно-плазменного распыле-
ния можно изменять в широких пределах, что по-
зволяет наносить покрытия на изделия различных
размеров, при этом достигается высокая воспроиз-
водимость результатов и относительная простота
управления процессом распыления.
Как известно, способ микродугового испарения
с ионной бомбардировкой основан на инициирова-
нии микродугового разряда в вакууме на поверх-
ности катода и образовании таким образом катод-
ных пятен, имеющих исключительно высокие зна-
чения плотности и температуры [5—7].
Выделение большой мощности обусловлено бом-
бардировкой зоны катодного пятна ионами распы-
ляемого материала. Благодаря высокой температу-
ре и ионной бомбардировке в состав продуктов
эрозии катода в зоне пятна входят капли расплав-
ленного металла, атомы и ионы. Размер капель и их
количество определяются теплофизическими свойст-
вами материала катода и током дугового разряда [5].
Как показано в работе [8], расход массы катода
в ионной фазе на единицу переносимого заряда для
данного материала является величиной постоянной,
в то время как эрозия катода в капельной фазе (в
каплях) зависит от технологических условий и
увеличивается с ростом заряда, переносимого через
единицу площади (ток микродугового разряда).
Испускаемые катодом капли в процессе их пере-
носа от катода к подложке дополнительно нагрева-
ются за счет бомбардировки их поверхности ионами
и, испаряясь, служат основным источником нейт-
рального пара в объеме разрядного промежутка.
При этом, если распыляется сплав, в состав кото-
рого входят металлы, имеющие существенное от-
личие от упругости пара, то испарение более лету-
чего компонента происходит с большой скоростью,
что приводит к изменению состава как капли, так
и осаждаемого покрытия, по сравнению с составом
материала катода [5].
В процессе бомбардировки испаряющегося пара
ионами происходит также дополнительная ио-
низация его атомов, в результате чего доля ионов
составляет 30…50 % общего потока, конденсируе-
мого на поверхности изделия [8].
При подаче реакционного газа (азота, метана или
кислорода) в разрядный промежуток происходят его
взаимодействие с продуктами распыления металла ка-
тода и осаждение покрытия в виде соединений
(нитридов, карбидов или оксидов переходных метал-
лов), которые имеют высокую твердость, прочность и
могут служить в качестве защитных износо- и
эрозионностойких покрытий на различных изделиях.
Реализация процессов микроэлектродугового
реактивного распыления достигается простыми спо-
собами при использовании в качестве источника
питания стандартных сварочных выпрямителей,
что является значительным преимуществом данного
способа, по сравнению с другими [4]. Однако этот
способ имеет и существенные недостатки, например
наличие капельной фазы в покрытии.
Способ магнетронного распыления не имеет ука-
занного недостатка, поскольку осаждение у него
происходит в виде атомов распыляемого материала
(частично в виде его ионов). Магнетронная рас-
пылительная система – это модификация широко
известных систем диодного распыления. Кроме
положительных свойств диодного распыления, маг-
нетронное имеет свои преимущества: высокую ско-
рость конденсации материалов; уменьшение загряз-
нений конденсатов газовыми включениями;
снижение температуры разогрева подложки в
процессе осаждения покрытия.
Физической основой магнетронной распыли-
тельной системы является самостоятельный
аномальный тлеющий разряд в разреженном
газовом пространстве в скрещенных электрическом
и магнитном полях. Магнитная система создает над
поверхностью катода магнитное поле арочной кон-
фигурации напряженностью 0,03…0,13 Тл [3].
21
Имеющиеся в этой зоне электроны совершают
сложное циклоидальное движение и при
столкновении с молекулами газа ионизируют их,
создавая положительные ионы, которые ускоряясь
в электрическом поле, бомбардируют поверхность
мишени-катода и выбивают из нее частицы
материала.
При бомбардировке поверхности катода ионами
распыляющего газа проявляются два основных
эффекта – вторичная электронная эмиссия и
ионное распыление мишени катода. Вторичная
эмиссия электронов служит для поддержания
разряда, а распыленные атомы конденсируются на
подложке в виде покрытия.
Наличие концентрированной зоны плазмы в
прикатодном пространстве позволяет получить бо-
лее высокие, чем при диодном распылении, плот-
ность ионного тока и скорость распыления, что свя-
зано с изменением механизма распыления от пря-
мого соударения при бомбардировке ионами для
диодного распыления до механизма тепловых пиков
для магнетронного распыления [9]. Для последне-
го, в отличие от механизма распыления прямым
соударением, характерна линейная зависимость
скорости осаждения от мощности магнетронного
разряда, что позволяет легко автоматизировать
подачу реакционного газа при осаждении покрытий
в виде химических соединений распыляемого ме-
талла и реакционного газа.
В качестве рабочего газа в магнетронных рас-
пылительных системах обычно используют аргон в
режиме постоянного тока. Эти системы работают
при давлении аргона от 0,01 до 100 Па и напря-
жении разряда 300…800 В [3].
Магнетронные распылительные системы позво-
ляют получать покрытия практически из любых ме-
таллов, сплавов и полупроводниковых материалов
без нарушения стехиометрического состава, что де-
лает их весьма перспективными для применения в
ряде областей науки и техники.
Наличие у этого способа ловушки для электронов,
образующейся в скрещенных магнитных и
электрических полях, обеспечивает высокую степень
ионизации атомов газа. В связи с этим введение в
разрядный газовый объем дополнительно реакцион-
ных газов (азота, метана, кислорода) в результате
высокой степени их ионизации и активации позволяет
получать пленки соединений переходных металлов
(нитридов, карбидов и оксидов).
Наиболее распространенные составы защитных
износо- и эрозионностойких покрытий и их свойст-
ва приведены в табл. 1 [10].
Для реализации вакуумных технологий нане-
сения покрытий использована модернизированная
вакуумная установка Сморгонского завода опти-
ческого станкостроения ВУ-700«Д»(М), Беларусь,
общий вид которой представлен на рис. 1.
Базовая установка представляет собой цилиндри-
ческую вакуумную камеру диаметром и высотой по
700 мм, на левой стенке которой в кармане
смонтирован магнетрон с косвенным охлаждением
мишени, а на правой находится электрод для очистки
поверхности напыляемых изделий в косвенном тле-
Таблица 1 . Состав износостойких покрытий и их свойства
Состав
покрытий
Микротвердость,
ГПa
Стойкость к
окислению при
наибольшей
температуре на
поверхности, °C
Коэффициент
трения
TiN 19,3…22,0 600 0,50
TiC 28,0…30,0 400 Нет данных
TiCN 30,0 400 0,40
TiAlN 30,0…35,0 540 0,40
TiAlCrN 35,0 920 0,40
TiAlCrYN 27,0 950 Нет данных
CrN 16,5…21,5 700 0,50
Al2O3 21,0…30,0 1200 Нет данных
ZrN 28,0 600 0,60
MoS2 15,0 — 0,02
WC/C 15,0 300 0,20
Рис. 1. Общий вид модернизированной вакуумной установки
ВУ-700«Д»(М)
Рис. 2. Зависимость скорости v осаждения титана от мощности
N, прикладываемой к магнетрону с косвенным охлаждением ми-
шени-катода
22
ющем разряде. На верху камеры расположен ваку-
умный ввод вращения, на котором смонтирована
шестипозиционная удерживающая оснастка двой-
ного планетарного вращения изделий длиной до
500 мм и диаметром до 140 мм для экспонирования
их поверхностей в паровом потоке.
Характеристики данной распылительной систе-
мы исследовали при реализации процесса распы-
ления мишени из титана (рабочее давление аргона
составляло 0,08 Па). Зависимость скорости осаж-
дения титанового покрытия от подводимой к маг-
нетрону мощности показана на рис. 2.
Как видно из рисунка, скорость осаждения пок-
рытия представляет собой линейную зависимость
от прикладываемой мощности. При мощности N =
= 3,5 кВт косвенное охлаждение мишени уже не
справляется с ее охлаждением, а при выключении
питания магнетрона в камере видно слабое
малиновое свечение мишени катода.
Исследование скорости осаждения при большей
мощности проводили при циклическом включении
магнетрона (по 5 мин работы и остывания мишени
магнетрона). Как показали результаты исследо-
вания, увеличение мощности, подводимой к магнет-
рону, более 3,5 кВт способствует еще большему
разогреву мишени и некоторому ее короблению, что
приводит к ухудшению охлаждения и увеличению
разогрева мишени.
При разогреве мишени до температуры более
700 °С происходит снижение эффективности рас-
пыления атомов титанового катода атомами аргона.
Поскольку скорость осаждения покрытия 0,9 мкм/ч
не решает задачи по наращиванию толстых многос-
лойных эрозионностойких покрытий, потребовалась
разработка магнетрона с прямым водяным охлаж-
дением мишени-катода и модернизация вакуумной ка-
меры установки для введения дополнительных
испарительных и распылительных систем.
На рис. 3 представлена блок-схема мо-
дернизированной установки ВУ-700«Д»(М). Как
видно из рисунка, модернизированная установка
оснащена нагревательными элементами, которые
смонтированы на двери. Нагреватели закрытого
исполнения предназначены для прогревания каме-
ры и изделий в вакууме перед нанесением покрытий
и поддержания температуры в процессе осаждения
покрытий.
Общая мощность нагревателей составляет 5 кВт.
На левой стороне цилиндрической стенки вакуумной
камеры имеется «карман», в котором смонтирован
линейный модернизированный магнетрон с прямым
охлаждением мишени-катода.
Схема сборки катодного узла модернизирован-
ного магнетрона с прямым охлаждением мишени-
катода представлен на рис. 4.
Общий вид модернизированного магнетрона
представлен на рис. 5 Размер его мишени-катода
составляет 145 520 мм. Из рисунка видно, что
Рис. 3. Блок-схема модернизированной установки ВУ-700«Д»(М): 1 – вакуумная камера; 2, 5 – дуговые испарители (с титановым
катодом); 3 – электрод косвенного тлеющего разряда; 4 – дуговой испаритель (с кобальтовым катодом); 6 – удерживающая
оснастка двойного планетарного вращения; 7 – электронагреватель; 8 – смотровая система; 9 – дверь; 10 – магнетрон
Рис. 4. Схема сборки катодного узла модернизированного
магнетрона с прямым охлаждением мишени-катода: 1 –
резиновый валик вакуумного уплотнения; 2 – мишень-катод;
3 – медная пластина водяного охлаждения; 4 – медный
сепаратор для магнитов; 5 – нижний «башмак» магнитной
системы; 6, 7 –соответственно периферийные и центральные
магниты магнетрона
23
длина зоны распыления немного меньше длины
мишени-катода (460 мм).
Зависимость скорости осаждения титанового
покрытия от прикладываемой к магнетрону мощ-
ности для модернизированного магнетрона показа-
на на рис. 6. Скорость осаждения покрытия имеет
линейную зависимость и при мощности более 5 кВт,
что свидетельствует о достаточно эффективном
охлаждении мишени. Данная конструкция магнетро-
на позволяет ему работать при мощности до 10 кВт.
Как видно из рис. 3, в модернизированном ва-
рианте установки вакуумная камера имеет три до-
полнительных водоохлаждаемых кармана, в которых
установлены два специально разработанных линей-
ных периферийных дуготрона с титановым катодом
и один периферийный с кобальтовым катодом, а
также катодный узел для предварительной очистки
изделий в тлеющем разряде. Общий вид дуготронов
с титановым и кобальтовым катодами представлен со-
ответственно на рис. 7 и 8.
Как показали исследования, упомянутые дуго-
троны и разработанные для них блоки управления
и питания эффективно работают при токе микро-
электродугового разряда 120…200 А. Необходимое
охлаждение стенок карманов дуготронов обеспечи-
вается в процессе их работы при токе разряда 200 А.
Скорость осаждения покрытия из нитрида титана
при токе микроэлектродугового разряда 165 А и
работе одного дуготрона составляет 3,1, двух –
6 мкм/ч.
Модернизированная установка укомплектована
блоком питания магнетрона большей мощности
БПМ-25 с общей мощностью 25 кВт. Для процесса
катодной ионной обработки изделий смонтирован
дополнительный блок питания общей мощностью
25 кВт, предназначенный для разогрева изделий до
500 °С. Для автоматического смешивания газов
(распылителя аргона и реакционного газа) в задан-
ной пропорции при магнетронном реакционном
осаждении покрытий установка дополнительно
оснащена системой спектрального анализа и авто-
матического управления напуском газов ПСУ-4.
Рис. 5. Общий вид модернизированного магнетрона с прямым
охлаждением мишени-катода
Рис. 8. Общий вид блока катодного узла тлеющего разряда и
дуготрона с кобальтовым катодом
Рис. 7. Общий вид линейного периферийного дуготрона с титано-
вым катодом
Рис. 6. Зависимость скорости v осаждения титана от мощности
N, прикладываемой к магнетрону с прямым охлаждением
мишени-катода
24
Используя способы микроэлектродугового или
магнетронного распыления можно получать
различные защитные эрозионностойкие покрытия
(табл. 1). Экспериментально доказано, что сущест-
вует некоторая критическая толщина таких пок-
рытий (5…7 мкм), при достижении которой
происходит их разупрочнение и частичное или пол-
ное самопроизвольное разрушение после охлаж-
дения до комнатной температуры, что вызвано
высоким уровнем внутренних напряжений,
возникающих вследствие различия коэффициента
термического расширения материалов покрытия и
подложки [11].
Получение толстых покрытий из карбида или
нитрида титана способом микродугового вакуумно-
го ионно-плазменного испарения затруднено, пос-
кольку происходит их отслоение от подложки. Ука-
занный способ нанесения покрытий обеспечивает
эффективную очистку поверхности детали ионами
высокой энергии, а также параллельно ее разогрев
и активацию, что способствует высокой прочности
адгезии покрытия к подложке.
Для уточнения природы отслоения покрытий от
подложки на поверхность образца из стали Х18Н9Т
размером 20 10 1,5 мм наносили суспензию из
графита, смешанную с ацетоном. После высыхания
на образце оставался тонкий слой дисперсного
графита, который при осаждении на него покрытия
должен обеспечивать низкую прочность адгезии
покрытия к поверхности образца. На подготовлен-
ный таким образом образец наносили покрытие из
TiN толщиной 5 мкм. Температура нагрева образца
в процессе осаждения покрытия составляла
(500±20) °С; после остывания в вакуумной камере
при вакууме 0,008 Па образец выгружали. Пок-
рытие отслаивалось от его поверхности путем
вздутия сплошной пленки, которая при этом не раз-
рушалась.
Проведенные ранее исследования по нанесению
такого покрытия на чистые пластинки из стали
Х18Н9Т показали, что покрытие также отслаива-
лось, но в процессе отслоения от поверхности об-
разца происходило одновременное его разрушение
на мельчайшие частички.
Это свидетельствует о том, что полученное пок-
рытие имеет высокую прочность сцепления с по-
верхностью образца. Нескомпенсированное усилие,
необходимое для отрыва и разрушения покрытия
на маленькие фрагменты, придает им энергию, с
которой они отлетают от поверхности образца.
Усилие отрыва создает напряжения, которые на-
капливаются в слое покрытия при его прочном сцеп-
лении с поверхностью.
Как было описано выше, при отсутствии адгезии
обнаружено только отслоение покрытия без его раз-
рушения. Разрушение покрытия свидетельствует
как об уровне напряжений, накопленных в пок-
рытии, так и о прочности адгезии покрытия к под-
ложке. Поэтому удобной комплексной техно-
логической характеристикой, оценивающей проч-
ность сцепления покрытия с подложкой, можно
считать критическую толщину слоя покрытия, при
которой усилие, дополнительно прикладываемое к
поверхности покрытия для его отрыва от подложки,
уменьшается настолько, что покрытие самостоя-
тельно отслаивается от подложки. Отслоение, как
правило, происходит после остывания образца с
покрытием, а иногда и в процессе осаждения, если
толщина сформировавшегося покрытия значитель-
но превышает критическое значение.
Нанесение покрытий на тонкие пластинки из не-
ржавеющей стали Х18Н9Т размером 40 10 0,4 мм
приводит к их изгибанию, что указывает на наличие
значительных напряжений в формируемом слое
покрытия.
Как показали исследования, уровень внутрен-
них напряжений в формируемом слое увеличивает-
ся с ростом его толщины. Установлено, что напря-
жения выше у покрытий из нитрида титана, чем из
карбида титана, а соответственно, значение
критической толщины у нитрида титана ниже. Для
наращивания более толстого слоя покрытия исполь-
зуем эффект уменьшения напряжений за счет чере-
дования слоев, у которых толщина значительно
меньше критической для данных материала и
условий, с тонкими прослойками из пластичного
материала [12]. Все это учитывали при формировании
многослойных покрытий из этих материалов с мяг-
кой прослойкой.
В модернизированной установке ВУ-700«Д»(М)
разработаны новые технологические и аппаратур-
ные решения, позволяющие наносить защитные эро-
зионностойкие многослойные покрытия. С учетом
критической толщины покрытия из карбида или
нитрида титана расчетная толщина слоев в многос-
лойном покрытии из карбида титана составляла 3,4,
а из нитрида титана – 2,9 мкм.
Как показали проведенные нами исследования,
в качестве мягкой прослойки могут служить тонкие
слои из стали Х18Н9Т или кобальта, хотя пос-
ледний является более эффективным материалом
прослойки.
Проведены исследования влияния толщины
прослойки кобальта на критическую толщину мно-
гослойного покрытия Со/TiC. В качестве образцов
использовали пластинки размером 20 10 1,5 мм
из стали Х18Н9Т.
В вакуумной камере пластинки подвергали
очистке способом конденсации с ионной бом-
бандировкой (КИБ) при 600 и 1200 В и нагревали
при ионной бомбардировке до (400±20) °С. Давление
реакционного газа метана СН4 в процессе осаждения
покрытия из TiC составляло (0,18±0,05) Па.
После нанесения каждого слоя покрытия из TiC
образец остывал в вакуумной камере при вакууме
0,008 Па до температуры 100 °С, после чего его
выгружали и он остывал до комнатной температуры
на воздухе.
Если многослойное покрытие после нанесения
очередного слоя не отслаивалось, то образец загру-
25
жали снова в вакуумную камеру для доращивания
очередного слоя. При достижении критической
толщины многослойного покрытия обнаружены
случаи отслоения и разрушения покрытия от части
или всей напыляемой площади. Толщина много-
слойного покрытия, при которой это происходило,
считалась критической.
Зависимость критической толщины многослой-
ного покрытия Со/TiC, сформированного при тем-
пературе (400±20) °С, от толщины кобальтовых
прослоек показана на рис. 9. Как видно из рисунка,
с увеличением толщины кобальтовой прослойки
критическая толщина увеличивается не линейно, а
по нарастающей. При толщине мягкой прослойки
0,27 мкм критическая толщина многослойного пок-
рытия Co/TiN составляет 15 мкм.
Поскольку при данной толщине пластичной
прослойки на зависимости, показанной на рис. 9,
насыщение не зафиксировано, то в дальнейшем будет
представлять интерес исследовать влияние значитель-
но большей толщины прослойки из кобальта на
критическую толщину многослойного покрытия.
Проведенные нами исследования показали, что
температура, при которой происходит формирование
покрытия, является очень важным параметром про-
цесса. Поскольку у покрытия из TiN напряжения в
растущем слое нарастают интенсивнее, чем у пок-
рытия из TiC, важно исследовать влияние темпера-
туры на формирование многослойного покрытия на
основе TiN. Для этого на образцы из стали Х18Н9Т
размером 20 10 1,5 мм послойно, как и в преды-
дущих опытах, наносили многослойное покрытие
Co/TiN при разной температуре процесса. Толщина
слоев из TiN составляла 2,9 мкм, а прослоек из Co –
0,27 мкм.
Температура формирования покрытия
300…500 °С является очень важной, поскольку
именно в данном диапазоне температуры формируются
структуры столбчатых или нитевидных кристаллов,
которые являются характерными для процессов
наращивания покрытий [13, 14]. При более высокой
температуре вследствие объемной диффузии атомов
образуется структура равноосных зерен, характерная
для монолитного материала.
Зависимость критической толщины многослой-
ного покрытия из Co/TiN от температуры под-
ложки, при которой происходит осаждение, пока-
зана на рис. 10. Из рисунка видно, что эта
зависимость носит нелинейный характер. Наиболее
существенное влияние оказывает этот параметр при
температуре, близкой к 400 °С. При температуре
подложки 450 °С и выше влияние этого параметра
ослабляется. В то же время данная кривая не имеет
явно выраженного насыщения при температуре,
близкой к 500 °С.
Рис. 9. Зависимость критической толщины δкр многослойного
покрытия Co/TiC, сформированного при температуре
подложки 400 °С, от толщины δ кобальтовых прослоек
Рис. 10. Зависимость критической толщины δкр многослойного
покрытия из Co/TiN от температуры подложки, при которой
происходит осаждение
Рис. 11. Типичная микроструктура многослойного покрытия на
основе TiСN с пластичными прослойками кобальта (суммарная
толщина покрытия 30 мкм)
Таблица 2. Физические свойства покрытий из нитрида
титана
Покрытие
Co/TiC
(толщина, мкм)
Модуль
упругости,
ГПа
Среднее
значение
модуля
упругости,
ГПа
Нанотвер-
достъ, ГПа
Среднее
значение
нанотвер-
дости, ГПа
Однослойное
(3,4)
384,8 384,8 32,7 32,7
Двухслойное
(6,8)
381,2
421,5
442,8
415,2 33,4
37,1
38,5
36,3
Четырехслойное
(13,7)
408,3 408,3 35,8 35,8
Шестислойное
(13,7)
364,8
343,6
354,2 31,9
29,7
30,8
26
Исследованы физико-механические свойства
многослойных покрытий из Co/TiC. С этой целью,
как и в предыдущих исследованиях, использовали
пластинки из нержавеющей стали Х18Н9Т разме-
ром 20 10 1,5 мм, с нанесенным многослойным пок-
рытием на основе TiC с прослойками из кобальта.
Многослойное покрытие из Co/TiC получили
послойным допылением очередного слоя после
вскрывания камеры и выгрузки образца с данным
количеством слоев для последующих исследований.
Остальные образцы подвергали следующему
циклу напыления: очередной слой покрытия из TiC
наносили после разогрева образца способом КИБ
до (400±20) °С и нанесения на него мягкой прос-
лойки из кобальта. Толщина последней составляла
0,3 мкм, а основного твердого эрозионностойкого
слоя из TiC – 3,4 мкм.
На образцах, изготовленных таким образом с раз-
ным количеством слоев многослойного покрытия
Co/TiC, проводили исследования их нанотвердости.
Перед этим верхний слой покрытия из TiC полировали
для уменьшения его шероховатости до значений,
приемлемых для испытаний на наноинденторе.
Исследования нанотвердости выполняли на уста-
новке «Nano Indenter-II, MTS Systems Corporatiion»,
Oak Ridge, TN, USA, испытания твердости – на
трехгранном инденторе Берковича. После испытаний
твердость определяли по глубине отпечатка под на-
грузкой, а модуль упругости – по кривой разгрузки.
Результаты исследований нанотвердости и мо-
дуля упругости для многослойных покрытий
Co/TiC, осажденных при температуре (400±20) °С,
приведены в табл. 2.
Типичная многослойная микроструктура пока-
зана на рис. 11.
Интересным является факт, что при многослой-
ном нанесении покрытия на основе TiC нанотвер-
дость покрытия в отдельных случаях достигала 38,5
ГПа, что значительно превышает микротвердость
аналогичных, но однослойных покрытий. Нагрузка
и глубина индентирования покрытия при данных
испытаниях соизмеримы с условиями воздействия
на него при эрозионном износе, поэтому высокие
физико-механические характеристики многослой-
ного покрытия подтверждают эффективность его
нанесения на изделия в качестве защитного
эрозионностойкого покрытия.
Таким образом, данная модернизированная ус-
тановка имеет новые технологические и аппаратур-
ные возможности нанесения защитных эрозионно-
стойких покрытий в многослойном варианте общей
толщиной 30 мкм и более, в том числе для защиты
компрессорных лопаток газотурбинных двигателей
от эрозионного износа, что повышает их эксплуа-
тационные характеристики и значительно уве-
личивает срок службы.
1. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия,
осаждаемые в вакууме. – Киев: Наук. думка, 1983. –
232 с.
2. Бессо Ж.Ж. Методы вакуумного нанесения покрытий и
их сравнительный анализ // Семинар фирмы «Сит Ал-
катель» (Москва, 1982 г.). – М., 1982. – С. 15—18.
3. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылитель-
ные системы. – М.: Радио и связь, 1982. – 120 с.
4. Электродуговое распыление металлов и сплавов в вакуу-
ме: Обзор / Ю.Н. Андреев, Т.М. Андронова, А.И. Вовси
и др. – Рига: ЛатНИИНТИ, 1982. – 45 с.
5. Раховский В.И. Физические основы коммутации электри-
ческого тока в вакууме. – М.: Наука, 1970. – 636 с.
6. Любимов Т.А., Раховский В.И. Катодное пятно вакуум-
ной дуги // Успехи физ. наук. – 1978. – 125, № 4. –
С. 665—706.
7. Вакуумные дуги. Теория и приложение / Под ред. Дж.
Лаферти. – М.: Мир, 1982. – 428 с.
8. Лунев В.М. Падалка В.Г., Хороших В.М. Исследование
некоторых характеристик плазмы вакуумной металличес-
кой дуги // Журн. техн. физ. – 1977. – 47, вып. 7. –
С. 1491—1495.
9. Бондарь И.В. Закономерности формирования металлиза-
ционных покрытий на алмазных порошках при вакуумном
напылении: Дис. ... канд. техн. наук. – Киев, 1991. –
100 с.
10. Современные вакуумные технологии получения покрытий /
Е. В. Дабижа, Н. В. Новиков, Н. Н. Борисова и др. //
Современ. электрометаллургия. – 2005. – № 4. –
С. 34—40.
11. Properties of titanium based hard coatings deposited by the
cathodic arc method / A. Popescu, I. Tudor, V. Braic et
al. // J. of Optoelectronics and Advanced Materials. –
2002. – 4, N 1, March. – P. 115—120.
12. Пат. 6804 Украина, МПК С 23 С 14/32. Многослойное
износостойкое покрытие, полученное ионноплазменным
методом / О.Л. Головченко, В.Е. Дабижа. – Опубл.
16.05.2005, Бюл. № 5.
13. Мовчан Б.А., Демчишин А.В. Исследование структуры и
свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана,
вольфрама, окиси алюминия и двуокиси циркония //
Физ. металлов и металловед. – 1969. – 28, вып. 4. –
С. 653—660.
14. John A.Th. Influence of substrate temperature and deposition
rate on structure of thick sputtered Cu coatings // J. Vac.
Sci. Techn. – 1986. – A4 (6), Nov./Dec. – P. 3059—3065.
Ин-т сверхтвердых материалов
им. В. М. Бакуля НАН Украины
Поступила 13.01.2010
27
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96067 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-26T01:42:36Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дабижа, Е.В. Лещук, А.А. Бондарь, И.В. Борисова Н.Н. 2016-03-10T18:55:58Z 2016-03-10T18:55:58Z 2010 Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками / Е.В. Дабижа, А.А. Лещук, И.В. Бондарь, Н.Н. Борисова // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 1 (98). — С. 20-27. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96067 621.793.12 Обоснованы перспективы использования ионно-плазменных способов для нанесения износо- и эрозионностойких многослойных защитных покрытий. Показано, что способы микроэлектродугового плазменного вакуумного и магнетронного вакуумного напылений, которые относятся к данной группе, являются наиболее многофункциональными. Приведены результаты модернизации вакуумной установки ВУ-700«Д»(М), в которой смонтированы три периферийных источника микроэлектродугового и один источник магнетронного распыления. Разработаны нове технологические и аппаратурные решения, позволяющие наносить защитные эрозионностойкие многослойные покрытия общей толщиной до 30 мкм на компрессорные лопатки газотурбинных двигателей. Исследовано влияние толщины мягкой кобальтовой прослойки и температуры процесса осаждения на критическую толщину многослойных покрытий из карбида и нитрида титана, а также нанотвердость данных покрытий. Prospects of application of ion-plasma methods for deposition of wear- and erosion-resistant multi-layer protective coatings are grounded. It is shown that the methods of micro electric arc plasma vacuum and magnetron vacuum coating depositions, which refer to the given group, are most multi-functional. Results of updating the vacuum installation VU-700«D»(M), in which three periphery sources of micro electric arc deposition and one source of magnetron sputtering are mounted, are given. New technological and hardware solutions have been developed, allowing deposition of protective erosion-resistant multi-layer coatings of total thickness of up to 30 m on compressor blades of gas turbine engines. The effect of thickness of a soft cobalt interlayer and temperature of deposition process on critical thickness of multi-layer coatings of carbide and titanium nitride, as well as on nanohardness of the mentioned coatings was investigated. Статья подготовлена по результатам выполнения комплексной программы НАН Украины «Проблемы ресурса и безопасности эксплуатации конструкций сооружений и машин» (2007—2009 гг.). ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками Erosion- resistant multi- layer coatings on base of carbide and titanium nitride with ductile interlayers Article published earlier |
| spellingShingle | Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками Дабижа, Е.В. Лещук, А.А. Бондарь, И.В. Борисова Н.Н. Электронно-лучевые процессы |
| title | Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками |
| title_alt | Erosion- resistant multi- layer coatings on base of carbide and titanium nitride with ductile interlayers |
| title_full | Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками |
| title_fullStr | Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками |
| title_full_unstemmed | Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками |
| title_short | Эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками |
| title_sort | эрозионностойкие многослойные покрытия на основе карбида и нитрида титана с пластичными прослойками |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96067 |
| work_keys_str_mv | AT dabižaev érozionnostoikiemnogosloinyepokrytiânaosnovekarbidainitridatitanasplastičnymiprosloikami AT leŝukaa érozionnostoikiemnogosloinyepokrytiânaosnovekarbidainitridatitanasplastičnymiprosloikami AT bondarʹiv érozionnostoikiemnogosloinyepokrytiânaosnovekarbidainitridatitanasplastičnymiprosloikami AT borisovann érozionnostoikiemnogosloinyepokrytiânaosnovekarbidainitridatitanasplastičnymiprosloikami AT dabižaev erosionresistantmultilayercoatingsonbaseofcarbideandtitaniumnitridewithductileinterlayers AT leŝukaa erosionresistantmultilayercoatingsonbaseofcarbideandtitaniumnitridewithductileinterlayers AT bondarʹiv erosionresistantmultilayercoatingsonbaseofcarbideandtitaniumnitridewithductileinterlayers AT borisovann erosionresistantmultilayercoatingsonbaseofcarbideandtitaniumnitridewithductileinterlayers |