СПОСОБ ИСПАРЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ ТОКОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК C23C14/30 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом газотурбиностроении, а также машиностроении для испарения многокомпонентных токопроводящих материалов с целью нанесения защитных покрытий преимущественно на лопатки турбин.

В промышленности широко известен способ испарения поверхности металлических материалов вакуумной дугой, горящей в парах материала с образованием плазмы этого материала, при наложении на поверхность магнитного поля, описанный, например, в статье [1]. Способ в основном используется для испарения токопроводящих материалов и нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент и детали машин из плазмы испаряемого материала.

Недостатками известного способа является низкая его производительность, что ограничивает возможность получения толстых (свыше 40-50 мкм) покрытий и низкая точность переноса состава многокомпонентных сплавов при конденсации плазмы испаряемого материала из-за больших начальных энергий частиц в плазме вакуумной дуги (~ 100 эВ), приводящих к выборочному ионному травлению (катодному распылению) осаждающегося конденсата.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, описанный в заявке [2], включающий размещение в зону испарения токопроводящего материала и подложки, создание вакуума в зоне испарения, подачу отрицательного потенциала на токопроводящий материал и отдельно на подложку, наложение на поверхность испарения токопроводящего материала, обращенную к подложке магнитного поля, возбуждение на поверхности испарения токопроводящего материала вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы токопроводящего материала при сохранении его в твердом состоянии, очистку поверхности подложки ионной бомбардировкой и конденсацию этой плазмы с образованием покрытия на подложке.

Недостатком известного способа является несоответствие состава покрытия составу испаряемого токопроводящего материала, то есть низкая точность переноса состава многокомпонентных сплавов при конденсации плазмы испаряемого материала из-за больших начальных энергий частиц в плазме вакуумной дуги (~ 10 эВ) и относительно низкая его производительность.

Технической задачей изобретения является повышение качества покрытия за счет увеличения точности переноса состава многокомпонентных токопроводящих материалов при их конденсации при одновременном увеличении производительности.

Предложен способ испарения и конденсации токопроводящих материалов, включающий размещение в зоне испарения токопроводящего материала и подложки, создание вакуума в зоне испарения, подачу отрицательного потенциала на токопроводящий материал и отдельно на подложку, наложение на поверхность испарения токопроводящего материала, обращенную к подложке, тангенциально магнитного поля, возбуждение на поверхности испарения токопроводящего материала вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы токопроводящего материала при сохранении его в твердом состоянии, очистку поверхности подложки ионной бомбардировкой и конденсацию этой плазмы с образованием покрытия на подложке, причем процесс испарения ведут при радиационном охлаждении токопроводящего материала и температуре нагрева токопроводящего материала на уровне от 0,3 температуры его плавления до температуры его разупрочнения, приводящей к потере им геометрической формы, а температуру нагрева токопроводящего материала регулируют изменением тока вакуумной дуги и площади поверхности излучения токопроводящего материала.

Испарение при температуре нагрева поверхности испарения токопроводящего материала на уровне от 0,3 температуры его плавления до температуры его разупрочнения, приводит к увеличению доли капельной фазы в продуктах испарения катодного пятна вакуумной дуги от 1 до 60% и более и в целом к росту скорости испарения (эрозии). При этом заметный рост капельной фазы и скорости испарения начинается при средней температуре нагрева токопроводящего материала, равной ~ 0,3 температуры его плавления. В свою очередь рост содержания капельной фазы в продуктах испарения материала покрытия приводит к формированию конденсата, содержащего 50-60% и более капельной фазы. Элементный состав конденсата, имеющего большое содержание капельной фазы ближе к составу испаряемого материала покрытия. Конденсат представляет собой матрицу, сформированную за счет конденсации ионов и нейтралов из плазмы испаряемого токопроводящего материала, содержащую капельную фазу. Причем элементный состав матрицы значительно отличается от состава испаряемого материала покрытия из-за больших энергий ионов плазмы вакуумной дуги, приводящих к выборочному ионному травлению конденсата.

Таким образом ведение процесса испарения при радиационном охлаждении токопроводящего материала и температуре нагрева токопроводящего материала на уровне от 0,3 температуры его плавления до температуры его разупрочнения позволяет повысить точность переноса состава многокомпонентных сплавов при их конденсации, а также обеспечивает рост скорости испарения. При этом ток вакуумной дуги и площадь поверхности излучения токопроводящего материала выбирают таким образом, чтобы обеспечить требуемую температуру нагрева токопроводящего материала.

Сущность изобретения поясняется на примерах.

Пример 1. Для испарения и конденсации токопроводящего материала на подложке, например на лопатке ротора турбины, проводят предварительную ее подготовку (очистку), после этого вводят в зону испарения токопроводящий материал (сплав на основе никеля следующего состава, мас.%: хром 20,2; алюминий 13,3; иттрий 0,36; никель остальное с температурой плавления t_пл. ~ 1440^oC) и подложку, создают в зоне испарения вакуум при давлении P≅10^-3 Па, подают отрицательный потенциал на токопроводящий материал ϕ₁ = -(30-100) В и отдельно на подложку ϕ₂ = -(5-500) В, накладывают на поверхность испарения токопроводящего материала, обращенную к подложке, тангенциальное магнитное поле B = (0,015-0,025) Тл и включают воду для принудительного охлаждения токопроводящего материала. Затем путем разрыва токового контакта на токопроводящем материале возбуждают вакуумную дугу, горящую в парах токопроводящего материала с образованием плазмы токопроводящего материала и начинают процесс ионной очистки изделия при ϕ₂ = -(300-500) В за счет бомбардировки поверхности подложки ионами токопроводящего материала и осуществляют ионный нагрев и термоактивацию поверхности подложки. Затем через 5-10 мин отрицательный потенциал на подложке повышают до ϕ₂ = -(5-50) В и проводит процесс конденсации покрытия и испарения токопроводящего материала покрытия при токе вакуумной дуги 750 А. При принудительном охлаждении токопроводящего материала температура его поверхности испарения не превышает 100-120^oC. При этом на подложке за 3 ч получали покрытие толщиной ~ 50 мкм со следующим элементным составом, мас. %: хром 23,2; алюминий 7,9; иттрий < 0,1. Таким образом испарения при принудительном охлаждении токопроводящего материала (прототип) приводит к росту в конденсате содержания Cr на ~ 3% и снижению содержания Al и Y на ~ 5,4% и более чем на 0,26% при скорости осаждения ~ 17 мкм/ч. При этом конденсат содержит не более 4-6% капельной фазы.

Пример 2. Испарение токопроводящего материала и конденсацию его на подложке ведут аналогично примеру 1. Разница в том, что охлаждение токопроводящего материала проводят радиационным способом. Нагрев испаряемого токопроводящего материала происходит за счет выделения мощности P на нем от горения вакуумной дуги (P = IU^*, где I ток вакуумной дуги, U^* - вольт-эквивалент тепловых потерь на токопроводящем материале - катоде вакуумной дуги). При радиационном охлаждении токопроводящего материала тепловая мощность P, выделяемая на нем, сбрасывается при температуре, величина которой определяется законом Стефана - Больцмана и зависит от площади поверхности излучения токопроводящего материала и степени его черноты. В рассматриваемом примере при токе вакуумной дуги 750 А (P ≈ 8000 Вт) и площади излучения катода (токопроводящего материала) F= 0,05 м², последний нагревается до ~ 1100^oC, что соответствует температуре разупрочнения этого материала. Это приводит к росту доли капельной фазы в продуктах испарения катодного пятна вакуумной дуги до ~ 70-75%. В результате на поверхности лопатки за 3 ч получали покрытие толщиной 65 мкм со следующим элементным составом, мас.%: хром 21,8; алюминий 11,6: иттрий 0,28. Таким образом испарение при температуре токопроводящего материала 1100^oC приводит к росту в конденсате содержания Cr на ~ 1,6% и снижению содержания Al и Y на ~ 1,7% и на 0,08%, при скорости осаждения ~ 21 мкм/ч. Видно, что переход к радиационному охлаждению и испарению токопроводящего материала при 1100^oC, приводящий к росту капельной фазы в конденсате с 4-6 до 70-75%, обеспечивает значительно более точное воспроизведение элементного состава токопроводящего материала в конденсате, чем в случае прототипа, и одновременное увеличение скорости осаждения с 17 до 22 мкм/ч, т.е. на ~ 25%.

Пример 3. Испарение токопроводящего материала и конденсацию его на подложке ведут аналогично примеру 2. Разница в том, что ток вакуумной дуги составляет 100 А и площадь поверхности излучения токопроводящего материала F = 0,1 м². В этом случае температура нагрева токопроводящего материала достигает 425^oC, что соответствует ~ 0,3 температуры его плавления и на поверхности лопатки получали покрытие со следующим элементным составом мас.%: хром 22,8; алюминий 9,2; иттрий 0,12 при содержании капельной фазы в конденсате ~ 15%. Видно, что по сравнению с прототипом увеличение капельной фазы в конденсате с 4-6% до ~ 14-15% приводит к заметному (≥10%) изменению элементного конденсата и приближению его к составу исходного испаряемого токопроводящего материала.

Пример 4. Испарение токопроводящего материала и конденсацию его на подложке ведут аналогично примеру 2. Разница в том, что площадь поверхности испарения токопроводящего материала F = 0,1 м² и процесс испарения ведут при токе вакуумной дуги 500 А. В этом случае температура нагрева токопроводящего материала не превышает 770^oC, что соответствует ~ 0,53 температуры его плавления, и на поверхности лопатки получали покрытие со следующим элементным составом, мас.%: хром 22,3; алюминий 10,3; иттрий ~ 0,18 при содержании капельной фазы в конденсате ~ 30-32%.

Как видно из примера, повышение температуры токопроводящего материала при испарении до 770^oC приводит к значительному сближению элементного состава конденсата к составу токопроводящего материала. Это связано с увеличением доли капельной фазы в конденсате до 30-32%, состоящем в данном примере в основном из матрицы, элементный состав которой значительно отличается от состава испаряемого токопроводящего материала из-за больших энергий ионов плазмы вакуумной дуги, приводящих к выборочному ионному травлению конденсата.

Для наглядности полученные в примерах данные сведены в таблицу
Из таблицы видно, что увеличение температуры токопроводящего материала при его испарении приводит к росту содержания в нем капельной фазы, что, в свою очередь, приводит к повышению точности переноса состава многокомпонентных токопроводящих материалов при их конденсации. При этом с ростом температуры токопроводящего материала, при одинаковых токах вакуумной дуги, наблюдается увеличение до ~ 25% скорости роста конденсата, т.е. увеличение производительности процесса чем и достигается цель изобретения. Последнее связано также с наличием в продуктах испарения катодного пятна вакуумной дуги значительной доли капельной фазы.

Применение изобретения позволяет значительно повысить точность переноса состава многокомпонентных токопроводящих материалов при их конденсации, а также скорость испарения и конденсации токопроводящих материалов. Наличие значительного количества капельной фазы в конденсате (покрытии) не ухудшает качества защитных жаростойких покрытий на лопатках турбин, так как после обязательного вакуумного отжига лопаток с покрытием, проводимого при 1000-1050^oC в течение 4-3 ч с целью снятия внутренних напряжений в покрытии и его термостабилизации, капельная фаза растворяется в матрице за счет диффузионных процессов с образованием субмелкозернистой пластичной структуры покрытия на основе фазы NiAl, которая необходима для обеспечения высокой работоспособности лопаток турбин. Отметим, что фаза NiAl образуется в покрытии при содержании алюминия в нем свыше 10%. Применение изобретения в промышленности для покрытия лопаток турбин даст значительный экономический эффект. По расчетам авторов эффект составит 25-40% стоимости лопаток турбин.

Литература
1. Саблев Л. П. Долотов Ю.И и др. Электродуговой испаритель металлов с магнитным удержанием катодного пятна - ПТЭ (ж. Приборы и техника эксперимента), 1976, N 4, с. 247-249.

2. Заявка N 2568896 (Франция), МКИ C 23 C 14/34 (публикация 86. 02. 14, N. 7).

Изобретение может быть использовано в авиационном и энергетическом газотурбиностроении. Способ включает вакуумно-дуговое испарение токопроводящего материала при наложении на поверхность испарения магнитного поля и при радиационном охлаждении испаряемого материала при температуре его нагрева на уровне от 0,3 температуры его плавления до температуры его разупрочнения путем регулирования температуры токопроводящего материала изменением тока вакуумной дуги и площади поверхности излучения испаряемого материала, генерацию плазмы токопроводящего материала вакуумной дугой и конденсацию этой плазмы с образованием покрытия на подложке. Изобретение позволяет повысить точность переноса состава многокомпонентных материалов при их конденсации при одновременном увеличении производительности. 1 табл.

Способ испарения и конденсации токопроводящих материалов, включающий размещение в зоне испарения токопроводящего материала и подложки, создание вакуума в зоне испарения, подачу отрицательного потенциала на токопроводящий материал и отдельно на подложку, наложение на поверхность испарения токопроводящего материала, обращенную к подложке, магнитного поля, возбуждение на поверхности испарения токопроводящего материала вакуумной дуги, горящей в парах этого материала с образованием плазмы токопроводящего материала при сохранении его в твердом состоянии, очистку поверхности подложки ионной бомбардировкой и конденсацию этой плазмы с образованием покрытия на подложке, отличающийся тем, что процесс испарения ведут при радиационном охлаждении токопроводящего материала и температуре нагрева токопроводящего материала на уровне от 0,3 температуры его плавления до температуры его разупрочнения, приводящей к потере им геометрической формы, причем температуру нагрева токопроводящего материала регулируют изменением тока вакуумной дуги и площади поверхности излучения токопроводящего материала.