СПОСОБ ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1995 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к способам напыления покрытий в вакууме и может быть использовано в авиа, судо-, автомобилестроении, инструментальном производстве и космических технологиях, связанных с эксплуатацией жаро-, износостойких сталей и сплавов.

Известен способ вакуумного напыления, заключающийся в осаждении положительных ионов катода на подложку [1]
К недостаткам указанного способа следует отнести неравномерность осаждаемого напыления на поверхность изделий, что вызывает "нештатные" ситуации в части изменения напряженного состояния слоя покрытия, например, на лопатках турбин, определяющих годность, надежность и эксплуатационные характеристики реактивных двигателей.

Главным недостатком следует считать скачок напряжения между поверхностью подложки и граничной областью (зоной) слоя покрытий, что при повышенных температурах и вибрациях, резких перепадах ("хлопках") пороговых сверхзвуковых давлений, включая и резонансные явления, встрече с лазерными источниками, распаде покрытий вследствие реагирования с агрессивными средами кислот и щелочей, реагирование с космической пылью, имеющей большую массу и активность, нежели известные на Земле редкоземельные элементы, например при встрече с пылью звезд квазаров, приводит(ет) к перераспределению напряженного состояния граничного подповерхностного слоя.

Кроме того, рассеивание покрытия по камере для вакуумного напыления приводит к удорожанию процесса, а совмещение компонентов в катоде в различных процентных соотношениях оставляет невостребованными композиции целой гаммы покрытий с промежуточным элементом оксидом алюминия Аl₂O₃, который, являясь меньшим по массе и активности, реагирует с элементами покрытия в первую очередь, опережая взаимодействие покрытия со слоем материала подложки (детали).

Прочность связей компонентов покрытия ухудшается при его наклепе шариками, так как более чем 15-кратное попадание в одну точку (согласно теории проф. д.т.н. Кудрявцева из КуАИ) приводит к образованию перенаклепа, а следовательно, и трещин, рождающихся в граничной зоне слоя покрытия с подложкой. Кроме того, производя наклеп поверхности шариками, мы пытаемся совместить два совершенно различных процесса: процесс внедрения ионов со скоростью от 5 до 40 мкм/с при высокой степени разреженности рабочей камеры и механическое взаимодействие шариков и слоя покрытия, недостаточно полно меняющих структуру приповерхностной зоны от 1 до 2 мкм, что особенно маловероятно при встрече шариков с микронным слоем оксида алюминия, являющегося износостойкой смазкой при встрече с шариками (Проспект фирмы "САНДВИК КОРОМАНТ", 1982, раздел "О нанесении износостойких покрытий на поверхность режущих пластин"). Скорость полета шарика колеблется от 30 до 120 км/ч, что в 60 и более раз меньше скорости внедрения компонентов катода в подложку, несоизмеримо и пятно контакта.

Отсутствие знакопеременного магнитного поля, удерживающего массу иона в зоне расположения напыляемого объекта, реверсирование направления движения подложек с амплитудой, зависящей от свойств (напряженности) магнитного поля системы и возможности перехода от кольцевого к разделенному (ым) потоку(ам), ограничивает технологические возможности процесса в части волнообразного осаждения ионов на подложки с резонированием их скорости потока и удержанием этого резонанса при одновременном снижении мощности излучения и получении активного тепловыделения от ускорения потока ионов.

Промежуточный слой оксида алюминия между активными компонентами покрытия продлевает срок его службы как в процессе хранения, так и в процессе эксплуатации изделий.

Анализ недостатков прототипа, наряду с его положительными сторонами в части упорядочения активности и масс элементов покрытия относительно поверхности подложки позволяет сделать вывод о необходимости совершенствования известного технического решения, целью которого является: образование плавной переходной зоны напряжений от подложки ко всему сечению слоя покрытия на всей площади напыления с одновременным повышением качества, долговечности, снижением расхода массы катода, что приводит к более высокой адгезионной способности покрытия.

Это достигается тем, что способ вакуумного напыления покрытий, заключающийся в осаждении ионов покрытия на подложку, отличающийся тем, что компоненты покрытия наносят послойно в знакопеременном магнитном поле с толщиной слоя 1-10 мкм, с реверсивным вращением подложек вокруг собственной оси, с амплитудой, зависящей от свойств магнитной системы, причем компоненты катода наносят по степени убывания их активности, а между слоями поверхности подложки и покрытием, а также между каждой парой слоев наносимого покрытия осаждают как минимум 1 мкм оксида алюминия (Al₂O₃).

Магнитное кольцевое поле периодически разделяют на секторные участки за каждый цикл прямого и обратного хода стола и вращающейся подложки (детали).

Раздельное осаждение ионов каждого компонента от подвижного катода и поджигающего электрода, удержание ионов в ограниченной зоне расположения подложек, которым придается планетарное и собственное реверсивное движение, воздействие на потоки ионов различной концентрацией магнитных потоков, разделение кольцевого (ых) потока (ов) на секционные управляемые с помощью систем программного обеспечения, укладка различных композиций покрытий с разделением слоев как минимум одним слоем оксид алюминия 1-2 мкм, упорядочение укладки ионов в соответствии с активностью и массой все это способствует повышению адгезионной способности покрытий и предотвращает скачкообразный переход напряжений от поверхности подложки к слою покрытия.

Это позволяет сделать вывод о том, что все указанные существенные признаки связаны единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом [1] позволило установить соответствие критерию новизны. При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, что в определенной степени обеспечивает заявленному техническому решению соответствие критерию "Существенные отличия".

Результаты исследований по предложенному способу показали возможность плавного изменения напряжений поверхностного слоя, например, для материала ЭП 741.

Пример осуществления способа.

В вакуумной камере на базе модели УЭЛ 175, на вращающемся столе, располагают под углом детали между охлаждаемыми кольцевыми магнитами. Лопатки турбин типа МВ или СТ первой ступени ГТД изготовляют из материалов жаростойких сплавов типа ЭП 741-746. Они находятся в одной радиальной плоскости с поджигающими электродами.

Напыляемые изделия поворачивают относительно собственной оси и оси планетарно вращающегося стола. Регистрация скорости осаждения компонентов: никеля, хрома, алюминия, иттрия, цезия и др. производится с помощью фотоэлементов. Условия осаждения ионов распыляемого катода выбираются из рабочей характеристики распределения воздушных потоков, способствующих износу контактных зон изделия лопатки турбины по 1-му закону. Эффективность использования излучаемых объемов электронов, соединяющихся с инертным(и) и газом(ами), например с аргоном или азотом и, переходящих в положительные ионы, перед осаждением на подложку выбирают из условий преимущественного осаждения их на выпуклой поверхности изделия за счет обращения этой зоны к излучаемому потоку ионов, а также путем ограничения зоны распространения ионов магнитными импульсами, посылаемыми от тороидных кольцевых (секционных) электромагнитов, имеющих водяное охлаждение. Смена полярности осесимметричных полей заставляет с заданной амплитудой изменять траекторию полета ионов, излучаемых от катода. За счет этого значительно снижается потеря энергии потока ионов вследствие параллельного удержания "исходной траектории полета" ионов. Секционное включение тороидных магнитных полей со сменой их полярности позволяет придать управляемому потоку ионов определенный смысловой рисунок, который может быть задан с помощью ЦПУ ЭВМ. Например, можно фокусировать наибольшее скопление ионов у радиусной части лопатки турбины с уменьшением слоя укладки ионов по всей выпуклой с большим радиусом ее активной поверхности, так как наибольшее скоростное течение тепловых полей или агрессивных сред будет способствовать прежде всего разрушению наносимого покрытия в процессе эксплуатации изделий в реактивном двигателе самолета или при эксплуатации турбин для перекачки нефти или агрессивных кислот или щелочей.

Разделение слоев покрытия оксидом алюминия, как и разделение поверхности подложки слоем 1-2 мкм оксида алюминия будет способствовать резкому снижению температуры лопаток турбин; например при наружной температуре 1100-1150^оС рабочая поверхность основного металла (сплава) лопатки турбины будет снижена до 650-700^оС, т.е. до порога переходного состояния перлита в аустенит имеется определенный запас от 30 до 80^оС. Металл, сохраняя свои физико-механические свойства, не перестраивает кристаллическую решетку и тем самым ярко выраженного перераспределения напряжений между поверхностным слоем лопатки и слоем(ями) покрытия не пpоисходит в процессе эксплуатации изделий в экстремальных ситуациях, причем слой оксида алюминия имеет меньшую массу и активность и пока он не прореагирует с металлом и легирующими элементами изделия и элементами покрытия, чему не способствует окисная пленка алюминия, защищающая одновременно контактирующие с ней зоны, покрытие будет сохранять свою прочность. Термоциклические нагружения на слои покрытия будут носить изменяющийся характер наведения из-за наличия оксида алюминия, являющегося одновременно "смазкой" на межмолекулярном уровне дислокационных связей окружающих его материалов, что в определенной степени вызывает и "рессорный эффект" теплового поля, объясняющего резкий перепад температур между наружной поверхностью покрытия и основным материалом изделия. Это также тесно связано с расплавлением микрометрического слоя алюминия, приводящего к компенсации изменений формы слоев покрытия.

Осаждение никеля, хрома, алюминия, иттрия производится, например, в следующем соотношении, 70, 17, 13, 0,05 + 0,3.

Исследование остаточных напряжений сжатия в прототипе показали, что на глубине залегания слоя покрытия 210 мкм, т.е. на уровне его контакта с поверхностью изделия непосредственно у материала лопатки из ЭП 741, остаточные напряжения сжатия по отношению к величине сжимающих напряжений в слое покрытия отличаются на 150 МПа. Эти напряжения снижаются до нуля через 60 мкм слоя покрытия.

В новом техническом решении эти напряжения принимают другой вид, что позволяет выполнить плавный переход напряжений на всем протяжении наносимых слоев покрытия.

Разрушение (разделение) скачка напряжения приведет к ликвидации резкой переходной зоны от основы к покрытию с образованием зоны сжатия, вторичных напряжений сжатия и растяжения относительно каждой переходной ступени слоя покрытия от 1 до 10 мкм.

Удлинение зоны "скачка напряжений" за счет их перераспределения по участкам наносимого покрытия позволит повысить число циклов нагружения на изделие. При столкновении иона с изделием образуется лунка размером от 1 до 100 . В случае разделения слоев покрытия различными составляющими компонентами повышается число активных зон схватывания элементов покрытия, повышающее адгезионную его способность. Для новых моделей двигателей используются укороченные в два и более раз лопатки 1-й ступени, например для самолетов СУ-27. Такие лопатки устанавливают без наклона в камере напыления, так как их длина не превышает 42-45 мм. Эффективность магнитного потока при напылении такого типа лопаток значительно возрастает, а эффективность способа напыления становится еще более значительной с учетом стоимости лопатки, так как только на первой ступени их требуется не менее 87 шт.

Использование предлагаемого способа и установки по заявке N 4945652 (с положительным решением от 25.06.92) позволит получить высокий экономический эффект от внедрения не только при использовании его для нанесения покрытий на двигатели, но и на инструменты и различного рода механизмы, работающие в экстремальных условиях температур и агрессивных сред, а также при значительных термоциклических нагружениях.

Использование: изобретение относится к способам напыления покрытий в вакууме и может быть использовано в авиа-, судо-, автомобилестроении, инструментальном производстве и космических технологиях, связанных с эксплуатацией жаро-, износостойких сталей и сплавов. Сущность изобретения: с целью образования плавной переходной зоны напряжений от подложки по всему сечению слоя покрытия на всей площади напыления с одновременным повышением качества, долговечности, снижения массы катода и повышения адгезионной способности покрытия, способ вакуумного напыления покрытий заключается в осаждении ионов покрытия на подложку, причем компоненты покрытия наносят послойно в знакопеременном магнитном поле с толщиной слоя покрытия 1-10 мкм, с реверсивным вращением подложек вокруг собственной оси, с амплитудой, зависящей от свойств магнитной системы, причем компоненты катода наносят по степени убывания их активности, а между слоями поверхности подложки и покрытием, а также между парой слоев наносимого покрытия осаждают как минимум 1 мкм оксида алюминия Al₂O₃. Магнитное кольцевое поле периодически разделяют на секторные участки за каждый цикл прямого и обратного хода вращающейся подложки. 1 з. п. ф-лы.

1. СПОСОБ ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ, включающий создание ионного потока материалов и ионное осаждение покрытий на подложке, отличающийся тем, что формирование ионного потока ведут путем поочередного распыления нескольких катодов в электрическом разряде при наложении на разрядную зону знакопеременного магнитного поля, причем катоды распыляют в порядке убывания химической активности материалов, из которых они выполнены, с образованием на подложках, осуществляющих реверсивное вращение вокруг своей оси, многослойного покрытия, причем каждый нечетный слой покрытия формируют из оксида алюминия Al₂О₃ толщиной не менее 10^-6 мм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитное кольцевое поле периодически разделяют на секторные участки за каждый цикл прямого и обратного хода реверсивного вращения подложек.