МИШЕНЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C23C14/34 B22F3/23 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из керамических, твердосплавных материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Изобретение может быть использовано в химической, станко-инструментальной промышленности, машиностроении, металлургии для получения термостойких, механически прочных покрытий методом ионно-плазменного напыления.

Известна мишень для получения функциональных покрытий в виде люминесцентных пленок (SU 1704920 А1, опубл. 15.01.1992), в состав которой входит нитрид алюминия, легированный марганцем, и свободный алюминий в качестве связующего.

Недостатками мишени являются низкая термостойкость (количество циклов распыления) и механическая прочность, трудность использования ее при получении покрытий методом ионно-плазменного напыления.

Известна мишень для получения функциональных покрытий методом ионно-плазменного напыления (RU 2017846 С1, опубл. 15.08.1994), представляющая собой двухфазную малопористую композицию: диборид титана - оксид алюминия.

Недостатками мишени являются низкая термостойкость и механическая прочность.

Известен способ изготовления мишени для ионно-плазменного напыления покрытий (RU 2017846 С1, опубл. 15.08.1994), включающий приготовление экзотермической смеси порошков металла с неметаллами следующего состава, мас.%: алюминий 15,03-33,81, оксид титана 13,35-30,05, оксид бора 11,62-28,14, диборид титана 60,0-10,0, брикетирование смеси, инициирование реакции горения в смеси, последующее горячее деформирование, выдержку под давлением продуктов горения и их охлаждение. В результате получают мишени, представляющие собой двухфазную малопористую композицию: диборид титана - оксид алюминия.

Прототипом первого и второго объектов изобретения является мишень для получения функциональных покрытий методом ионно-плазменного напыления и способ ее изготовления (RU 2305717 С2, опубл. 10.09.2007), в котором формуют по крайней мере три таблетки, образующие рабочий распыляемый, промежуточный и инициирующий слои, из, по крайней мере, трех порошковых смесей, имеющих экзотермические составы. Размещают их послойно на профилированной металлической пластине через слой шихты металлического припоя. Запускают СВС процесс в инициирующем слое, под воздействием которого происходит расплавление металлического припоя и металлического наполнителя, входящего в состав порошковой смеси, по крайней мере, одного из слоев. Затем создают давление на слои путем прессования через 2-10 секунд после завершения СВС процесса, которое поддерживают не менее 5 с. В результате происходит соединение образованных рабочего распыляемого слоя и промежуточного слоя с профилированной металлической пластиной через слой металлического припоя. Затем удаляют инициирующий слой. Получают термостойкую мишень с уменьшенной остаточной пористостью, повышенной механической прочностью и термической стабильностью соединения с металлической пластиной - подложкой, способной выдерживать без разрушения многоцикличные температурные перепады в процессе ионно-плазменного напыления.

Недостатками мишени являются недостаточно высокая термостойкость в процессе интенсивного ионно-плазменного (магнетронного) распыления на постоянном или переменном токах, образование критических по размеру и количеству расслойных трещин.

К недостаткам способа относятся невысокий выход годной продукции, появление брака производства из-за образования расслойных трещин после завершения СВС процесса и снятия давления, на стадии охлаждения продуктов синтеза.

В первом объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в увеличении термостойкости мишени за счет упрочнения промежуточного слоя путем введения армирующей добавки, плотно связанной со скелетной пористой структурой.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Мишень для получения покрытий ионно-плазменным напылением, состоящая из профилированной металлической пластины, с которой посредством слоя металлического припоя через промежуточный слой в виде таблетки на основе керамического материала соединен рабочий распыляемый слой в виде таблетки на основе керамического материала.

Рабочий распыляемый слой имеет скелетную пористую структуру и выполнен из материала, включающего карбид, и/или нитрид, и/или карбонитрид, и/или борид, и/или силицид переходного металла IV-VI групп, и/или оксид кальция, и/или фосфат кальция, и/или оксид циркония, и/или гидроксилапатит или их смесь.

Промежуточный слой имеет скелетную пористую структуру и выполнен из материала, включающего карбид, и/или нитрид, и/или карбонитрид, и/или борид, и/или силицид переходного металла IV-VI групп, и/или оксид кальция, и/или фосфат кальция, и/или оксид циркония, и/или гидроксилапатит, или их смесь, и содержит металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры.

Промежуточный слой содержит армирующую добавку, прочно связанную со скелетной пористой структурой и металлическим наполнителем этого слоя, выполненную из тугоплавкого материала, температура плавления которого выше рабочей температуры мишени, в форме сетки, сплетенной из проволоки или непрерывных волокон, с одинаковыми ячейками прямоугольной или квадратной формы, при этом минимальный размер сторон ячейки h (мм) определен из соотношения 2≤h≤10.

Диаметр d проволоки или волокон определен из соотношения d=h/20, содержание армирующей добавки составляет 5-25% от общего объема промежуточного слоя, а диаметр поперечного сечения проволоки или волокон армирующей добавки равен диаметру поперечного сечения мишени.

Рабочий распыляемый слой содержит металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры.

Скелетная пористая структура промежуточного слоя заполнена металлическим наполнителем в соотношении, непрерывно или ступенчато увеличивающемся от границы раздела с рабочим распыляемым слоем к границе со слоем металлического припоя.

Промежуточный слой выполнен по крайней мере из двух слоев с обеспечением в нем ступенчатого изменения соотношения материала скелетной пористой структуры и металлического наполнителя.

Слой металлического припоя содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей железо, и/или медь, и/или алюминий, и/или другие переходные металлы.

Кроме того, толщина рабочего распыляемого слоя составляет от 1 до 6 мм.

При этом толщина промежуточного слоя составляет от 0,5 до 4 мм.

Толщина слоя металлического припоя составляет от 0,5 до 5 мм.

Во втором объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в обеспечении формирования мишени с повышенной термостойкостью за счет введения в промежуточный слой дополнительной армирующей добавки.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

В способе изготовления мишени для получения покрытий ионно-плазменным напылением проводят формование по крайней мере трех таблеток, образующих рабочий распыляемый, промежуточный и инициирующий слои, из по крайней мере трех порошковых смесей, имеющих экзотермические составы, способные к химическому взаимодействию в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) после локального теплового инициирования.

Затем проводят послойное размещение на профилированной металлической пластине через слой металлического припоя таблеток промежуточного слоя, рабочего распыляемого слоя и инициирующего слоя.

После чего осуществляют запуск СВС процесса в инициирующем слое и расплавление под воздействием СВС процесса металлического припоя и металлического наполнителя, входящего в состав промежуточного слоя.

Создают давление на слои путем прессования через 2-10 секунд после завершения СВС процесса. Далее проводят последующее поддержание давления не менее 5 с с обеспечением соединения образованных рабочего распыляемого слоя и промежуточного слоя с профилированной металлической пластиной через слой металлического припоя и последующее удаление инициирующего слоя.

Полученный в результате СВС рабочий распыляемый слой содержит металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры.

Полученный в результате СВС процесса промежуточный слой содержит скелетную пористую структуру, заполненную металлическим наполнителем в соотношении, непрерывно или ступенчато увеличивающемся от границы раздела с рабочим распыляемым слоем к границе со слоем металлического припоя.

Ступенчатое изменение соотношения скелетной структуры и металлического наполнителя в промежуточном слое достигается за счет выполнения его по крайней мере из двух слоев.

Используют слой шихты металлического припоя, содержащий по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей железо, и/или медь, и/или алюминий, и/или другие переходные металлы.

Таблетку для образования промежуточного слоя формуют из порошковой смеси, в которой порошок металлического наполнителя распределяют в керамическом материале, образующем скелетную пористую структуру.

Слой металлического припоя представляет собой слой порошка или лист.

Прессование проводят путем прямого прессования в штампе или пресс-форме или квазиизотопного прессования со средой, передающей давление, или прессования валком.

В качестве среды, передающей давление, используют формовочный песок.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически проиллюстрирована мишень для получения покрытий и способ ее изготовления.

Мишень включает слой в виде профилированной металлической пластины 1 (подложки), с которым посредством слоя 2 металлического припоя через армированный промежуточный слой 3 в виде таблетки на основе керамического материала соединен рабочий распыляемый слой 4 в виде таблетки на основе керамического материала. В процессе изготовления мишени используется также инициирующий слой 5 в виде таблетки, к которому присоединено инициирующее устройство 6.

В настоящем изобретении использован процесс СВС для изготовления слоев материалов, из которых состоит мишень для получения покрытий методом ионно-плазменного напыления. Процесс СВС происходит в материальных системах в режиме горения после локального теплового инициирования в точке воспламенения. Процесс СВС самоподдерживается и распространяется по всему остальному материалу вследствие интенсивного вырабатывания и выделения тепла, которое расширяется и вызывает достаточное повышение температуры. Эта технология удобна для получения таких соединений, как, например, карбиды, нитриды, бориды, силициды или оксиды металлов с четвертой по шестую группы Периодической таблицы, включающих Ti, Zr, Та, Si, а также интерметаллических соединений (Левашов Е.А., Рогачев А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: БИНОМ, 1999, 174 с.; Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В., Максимов Ю.М., Юхвид В.И. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: Изд. дом «МИСиС», 2011, 377 с.).

Процесс СВС, который может в течение короткого промежутка времени почти адиабатически создавать высокие температуры, используется для образования и спекания, одновременного или последовательного, прессовок порошков различных материалов. Для получения беспористых или малопористых композиционных материалов такими технологиями являются: силовое СВС-компактирование (прессование), реализуемое путем статического прессования в механическом прессе, мгновенного прессования посредством детонации взрыва, горячего изостатического прессования (ГИП) системы, квази-, ГИП процесс, в результате которого образованная прессовка обжимается механическим прессом в штампе посредством формовочного песка.

Способ по изобретению основан на последовательном проведении процесса СВС и прессования. Металлические ингредиенты плавятся под воздействием интенсивного выделения тепла реакции СВС и пронизывают скелетную структуру образованного керамического пористого материала, заполняя, таким образом, поры внутри последнего. Полученный материал уплотненной структуры проявляет высокие теплостойкость и износостойкость за счет введения дополнительной армирующей добавки. Керамические материалы, пригодные для создания скелетной пористой структуры, включают один или более карбидов, нитридов и боридов переходных металлов с четвертой по шестую группу Периодической таблицы и SiC, Si₃N₄ и В₄С. Из этих материалов карбид, нитрид и борид титана или кремния являются особенно предпочтительными по стоимости изготовления.

Для получения твердого и плотного композиционного материала слоев мишени предлагается использовать в качестве исходного материала порошковую смесь, способную к протеканию химического взаимодействия в режиме СВС для получения твердого материала, и металлический наполнитель, обеспечивающий получение расплава под воздействием СВС процесса. Так, в случае порошковой смеси, например (Ti+C)+(Ti+Al), может быть получена тепло- и износостойкая плотная матрица, содержащая скелетную пористую структуру из зерен TiC, поры внутри которой заполнены расплавом Ti-Al. Вязкость керамического слоя может быть повышена путем добавления никеля.

Для образования металлической пластины 1 согласно изобретению используются обычные конструкционные материалы из пластичных металлов, при этом подходящий состав материала и размеры выбираются таким образом, чтобы обеспечить возможность хорошего согласования зажимного приспособления и последующей обработки в соответствии с определенным конечным применением.

Верхние слои мишени 4, 3 и металлический слои 2, 3 соединяют способом, подобным пайке. Короткий период, порядка нескольких секунд, генерирования тепла химической реакции оказывается достаточным для расплавления металлического слоя припоя и прочного соединения с металлической подложкой, не оказывая особенно вредного воздействия на свойства металлической подложки в целом. Пластина 1 - подложка может быть изготовлена из различных марок обычно используемых сталей. Для обеспечения более высокой стойкости к коррозии или атмосферным воздействиям могут использоваться нержавеющая сталь марки SUS (JIS) и медь, тогда как для более легких конструкций предпочтительны материалы на основе титана. Так как такая комбинация из металлической пластины 1 - подложки и вышележащего керамического слоя 4 может подвергаться растрескиванию вследствие различия их коэффициентов термического расширения у поверхности раздела этих материалов, между двумя этими слоями введен промежуточный слой 3 из прессованного порошка экзотермического состава. Промежуточный слой 3 при необходимости может содержать несколько различных подслоев; каждый из них выполнен в виде таблетки или прессованной порошковой смеси, с так или иначе различающимися составами.

Короткий период нагрева, порядка нескольких секунд, в СВС процессе не допускает растекания расплава на большое расстояние для заполнения зазоров внутри скелетных пористых структур. Поэтому для формирования слоя с пониженными внутренними напряжениями состав слоя 3 изменяют таким образом, чтобы доля металлического наполнителя относительно керамических материалов ступенчато уменьшалась в направлении от торца пластины 1 к торцу рабочего распыляемого слоя 4, в результате чего неоднородность полученной структуры снижается до минимума.

Кроме того, промежуточный слой 3, соединяющий керамику с металлом и являющийся концентратором внутренних напряжений, возникающих как в процессе получения мишени на стадии охлаждения продуктов синтеза после снятия давления, так и во время эксплуатации мишени, требует дальнейшего упрочнения и соответственно термостойкости всей мишени. Упрочнение промежуточного слоя осуществляют путем введения армирующей добавки, которая обеспечивает прочное сцепление со скелетной пористой структурой и металлическим наполнителем промежуточного слоя.

Армирующую добавку размещают между различными подслоями промежуточного слоя. Армирующую добавку выполняют из тугоплавкого материала, температура плавления которого выше рабочей температуры мишени и выше температуры СВС процесса, т.к. в противном случае происходит расплавление армирующей добавки и потеря функции упрочнения. В зависимости от состава рабочего и промежуточного слоя армирующую добавку выполняют из тугоплавкого металла, например тантала, ниобия, или неметалла, например волокна из углерода, карбида кремния. Содержание армирующей добавки выбирают из диапазона 5-25% от общего объема промежуточного слоя. При концентрации менее 5% эффект упрочнения не достигается, а более 25% - происходит снижение прочности из-за появления остаточной пористости в продуктах синтеза, поскольку армирующая добавка, являясь химически инертным тепловым балластом, уменьшает температуру и скорость СВС процесса. Уменьшение температуры и скорости СВС процесса, в свою очередь, уменьшает время существования продуктов синтеза в вязкопластичном состоянии, ухудшая их прессуемость, а также замедляет диффузионные процессы при спекании под давлением.

Диаметр поперечного сечения армирующей добавки выбирают равным диаметру поперечного сечения мишени, чтобы обеспечить равномерное упрочнение по всему сечению. Армирующую добавку в промежуточном слое выполняют в форме сетки, сплетенной из проволоки или непрерывных волокон, с одинаковыми ячейками прямоугольной или квадратной формы при минимальном размере стороны ячейки h (мм), выбранном из соотношения 2≤h≤10. Когда размер ячейки h меньше 2 мм, происходит снижение прочности сцепления продукта синтеза с армирующей добавкой по причине неполного химического превращения в области контакта экзотермической смеси с добавкой. Когда h более 10 мм, армирование не снижает напряжения в промежуточном слое и ожидаемый эффект упрочнения не достигается. Диаметр проволоки или непрерывных волокон (d) связан с размером ячейки (h) соотношением d=h/20. Оптимальный диаметр волокон определяется следующим. Когда волокна слишком тонкие (меньше h/20), внутренние напряжения в слое превышают прочность волокна, после чего образуются дефекты и расслойные трещины. Когда волокна слишком толстые (более h/20) температура СВС процесса в области контакта экзотермической смеси с волокном локально снижается, происходит неполное химическое превращение, и прочность сцепления продуктов синтеза с армирующей добавкой снижается.

Материал металлического припоя 2 для соединения металлической пластины 1 с слоем 3, 4 в дополнение к довольно высокой температуре плавления должен обладать хорошими прочностью на разрыв и прочностью на изгиб.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Сначала готовят, по крайней мере, три порошковые смеси, т.е., по крайней мере, три шихты, имеющие экзотермические составы, способные к химическому взаимодействию в режиме СВС после локального теплового инициирования.

Металлический наполнитель при изготовлении порошковых смесей распределяют в виде порошка в керамическом материале, образующем скелетную пористую структуру.

Из этих смесей формуют по крайней мере три таблетки, которые после проведения СВС процесса образуют рабочий распыляемый, промежуточный и инициирующий слои 4, 3, 5, соответственно, на основе керамических материалов и металлического наполнителя. Причем в таблетку промежуточного слоя 3 вводят армирующую добавку в процессе формования порошковой экзотермической смеси.

Далее размещают послойно на профилированной металлической пластине 1 через слой металлического припоя 2 таблетки промежуточного слоя 3, рабочего распыляемого слоя 4 и инициирующего слоя 5.

Слой металлического припоя 2 содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей железо, и/или медь, и/или алюминий, и/или другие переходные металлы.

Шихту металлического припоя 2 выполняют в виде металлического листа или металлического порошка.

После этого с помощью инициирующего устройства 6 запускают СВС процесс в инициирующем слое 5, под воздействием которого происходит расплавление металла припоя 2 и металлического наполнителя по крайней мере одного из слоев 3, 4, 5 соответственно.

Металлический наполнитель при проведении СВС процесса частично поступает в вышележащие слои 3, 4 из металлического припоя 2.

Через 2-10 секунд после завершения СВС процесса создают давление на слои 1, 2, 3, 4, 5 путем прессования.

Прессование осуществляется путем прямого прессования в штампе или пресс-форме или квазиизотопного прессования со средой, передающей давление, или прессования валком.

Средой, передающей давление, может являться также формовочный песок.

Давление на слои поддерживают не менее 5 с. В результате происходит соединение образованных рабочего распыляемого слоя 4 и промежуточного слоя 3 с профилированной металлической пластиной 1 через слой металлического припоя 2. Инициирующий слой удаляют с мишени.

Рабочий распыляемый слой 4, полученный в качестве продукта СВС процесса, может содержать скелетную пористую структуру из материала, включающего карбид, и/или нитрид, и/или карбонитрид, и/или борид, и/или силицид переходного металла IV-VI групп, и/или оксид кальция, и/или фосфат кальция, и/или оксид циркония, и/или гидроксилапатит, или их смесь, и металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры.

Промежуточный слой 3, полученный в качестве продукта СВС процесса, может содержать скелетную пористую структуру из материала, включающего карбид, и/или нитрид, и/или карбонитрид, и/или борид, и/или силицид переходного металла IV-VI групп, и/или оксид кальция, и/или фосфат кальция, и/или оксид циркония, и/или гидроксилапатит или их смесь, и металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры, в соотношении, непрерывно или ступенчато увеличивающемся от границы раздела с рабочим распыляемым слоем к границе раздела со слоем металлического припоя, а также армирующую добавку.

Ступенчатое изменение соотношения скелетной структуры и металлического наполнителя в промежуточном слое достигается за счет выполнения его по крайней мере из двух слоев.

Толщина рабочего распыляемого слоя мишени составляет от 1 до 6 мм. Толщина промежуточного слоя мишени составляет от 0,5 до 4 мм. Толщина слоя металлического припоя мишени составляет от 0,5 до 5 мм.

Примеры реализации изобретения приведены в таблице.

Исходные порошковые компоненты в заданном соотношении для каждого состава порошковых смесей, т.е. различные виды шихты (см. таблицу), загружают в шаровые мельницы объемом 3 л из расчета 1,0 кг шихты на мельницу. В качестве углерода используют сажу ламповую марки П804Т, а в качестве бора - бор аморфный коричневый. Остальные порошки берут стандартных марок дисперсностью менее 150 мкм. Соотношение массы шихты к массе шаров выбирают равным 1:6. При смешении используют шары диаметром 8-30 мм. Смешение проводят при атмосферном давлении. Время смешивания шихты 6 часов. Готовая шихта не должна содержать посторонних включений, видимых невооруженным глазом, а также непромешанных участков.

Прессование шихты производят на гидравлическом прессе ДА-1532Б в пресс-формах с внутренним диаметром 127 мм. Перед прессованием на дно пресс-формы помещают металлическую пластину, например титановую, являющуюся нижним несущим слоем мишени. Затем в пресс-форму засыпают навески предварительно перемешанных шихт чередующимися слоями в следующей последовательности: слой припоя, промежуточный слой, распыляемый рабочий слой мишени, инициирующий слой, так называемая «химическая печка». В качестве «химической печки» используют порошковую смесь высокоэкзотермического состава 75,6% Ti+12,0% С+12,4% В, тепловыделение от которой обеспечивает инициирование химических реакций в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в шихте распыляемого рабочего слоя мишени и в шихте промежуточного слоя, с одной стороны, и улучшает прессуемость (за счет повышения температуры) тугоплавких продуктов синтеза в распыляемом рабочем слое, снижая его остаточную пористость, с другой стороны. Массу слоя «химической печки» для данного диаметра пресс-формы берут равной 180 г. Массы всех остальных слоев приведены в таблице 1. При отсутствии «химической печки» и зажигании напрямую со стороны рабочего слоя (опыт №12 таблица 1), а также при недостаточной массе «химической печки», равной 100 г (опыт №13 таблица 1), продукты синтеза распыляемого рабочего слоя мишеней имеют повышенную остаточную пористость, что делает непригодной их эксплуатацию.

Слой «химической печки» отделяется от остальной шихты бумагой из терморасширенного графита. Пресс-форму собирают и устанавливают под пуансоном пресса. Формование шихтового многослойного брикета ведут по следующему режиму: давление прессования - 50 кгс/см²; время прессования - 15 секунд. По окончанию прессования производят выпрессовку готового шихтового брикета. Брикеты не должны иметь трещин, расслоев, выкрашиваний, непропрессованных участков, видимых невооруженным глазом.

Синтез заготовок производят на гидравлическом прессе усилием 160 тс с автоматическим управлением в специальной реакционной пресс-форме. Пресс-форму устанавливают на рабочий стол пресса, ее основание до верхнего уровня заполняют кварцевым песком в количестве 0,6-0,8 кг. Кварцевый песок используют как среду, передающую давление, и теплоизолятор, исключающий прямой контакт горячих продуктов синтеза с внутренней поверхностью пресс-матрицы и пуансонов. Кроме того, песок обеспечивает отвод газов, выделяющихся при синтезе. Спрессованный брикет устанавливают по центру реакционной пресс-формы на песок. Корпус пресс-формы - пресс-матрицу надевают на основание. В боковые электроды корпуса пресс-формы вставляют инициирующую спираль так, чтобы она касалась боковой поверхности шихтового слоя «химической печки». Инициирующая спираль изготавливается из вольфрамовой проволоки и должна иметь «П»-образную форму. Свободное пространство пресс-формы засыпают кварцевым песком и производят ее окончательную сборку. Пресс-форму устанавливают под пуансон пресса. На манометре пресса устанавливают давление предварительного прессования - 10 кгс/см² и основное давление компактирования при синтезировании - 200 кгс/см². На блоке автоматического управления пресса устанавливают необходимые параметры синтеза: время инициирования 0,5 секунд; время задержки, измеряемое от момента завершения СВС процесса до момента приложения основного давления компактирования при синтезировании (значения приведены в таблице); время выдержки продуктов синтеза под давлением (значения приведены в таблице). Напряжение инициирования - 20-25 В. Процесс синтеза начинается после сигнала с блока автоматического управления. После возвращения пуансона пресса в верхнее положение автоматически открываются защитные дверцы пресса, пресс-форма выдвигается, а затем ее разбирают.

При синтезе в жесткой пресс-форме без песка, т.е. при наличии прямого контакта горячих продуктов синтеза с внутренней поверхностью металлической пресс-матрицы и пуансонов, за счет больших тепловых потерь продукты синтеза быстро остывают, резко сокращается время существования вязкопластичного состояния и остаточная пористость превышает допустимую норму, что ведет к браку (опыт №1 таблица 1).

Горячую заготовку при помощи специальных щипцов вынимают из пресс-формы и помещают в муфельную печь, расположенную вблизи пресса и разогретую предварительно до 900°C. Затем заготовки вместе с печью охлаждаются до комнатной температуры с целью снижения остаточных напряжений и предотвращения от растрескивания. С охлажденных заготовок удаляется инициирующий слой.

В отсутствии операции медленного охлаждения горячей заготовки вместе с печью (опыт №2 таблица 1), т.е. при быстром охлаждении на воздухе без термообработки, повышенные остаточные напряжения неизбежно снижают термостойкость мишени и ведут к преждевременному растрескиванию в процессе ее распыления.

После этого проводят операцию шлифовки опорных плоскостей заготовок. Заготовки в количестве 3-5 штук наклеивают с помощью смеси канифоль-парафин на раму, которая крепится на магнитном столе плоскошлифовального станка 3Е 711 В. Для шлифования используются алмазные шлифовальные круги марки АПП 250×40×5×76 ACP160/125-Б, 100% СОЖ. После выравнивания поверхности заготовок производится автоматическое шлифование заготовок с последующим выхаживанием обработанной поверхности на жестком упоре до чистоты 9-10 класса. Аналогично шлифуется 2-я сторона заготовки до необходимой толщины.

Контроль геометрических размеров мишеней, а также контроль качества поверхности мишеней проводят на 100% мишеней партии. Мишени с расслоями и трещинами, не удовлетворяющие требованиям по химическому составу, бракуются. Основными критериями качества мишени являются: термостойкость мишени, определяемая количеством циклов ионно-плазменного (магнетронного) распыления до появления расслойных трещин; остаточная пористость распыляемого рабочего слоя мишени; степень пропайки, определяемая как отношение площади поверхности пропайки к общей площади контактной поверхности пластины. Качественными считают мишени со следующими допустимыми значениями: термостойкость - более 200 циклов; остаточная пористость - не более 3%; степень пропайки - не менее 95%.

В опытах №4-11 использованы армирующие добавки в форме сеток, изготовленных из танталовой проволоки. Видно, что при содержании армирующей добавки в количестве меньше 5% (опыты №4, 7) эффект упрочнения не достигается. В опыте №11 при содержании армирующей добавки в количестве больше 25% эффект упрочнения ухудшается, происходит снижение прочности из-за увеличения остаточной пористости. В опытах 4 и 5 показано, что при размере ячейки h меньше 2 мм, эффект упрочнения ухудшается, что связано со снижением прочности сцепления продукта синтеза с армирующей добавкой. В опыте №10 при размере ячейки h более 10 мм, эффект упрочнения ухудшается, ввиду того что армирование не снижает напряжения в промежуточном слое. Таким образом, содержание армирующей добавки должно быть оптимальным и составлять 5-25% от общего объема промежуточного слоя, а размер стороны ячейки h (мм) должен равняться значению из интервала 2≤h≤10.

Изобретение относится к получению изделий из порошковых материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Мишень для получения покрытий ионно-плазменным напылением состоит из профилированной металлической пластины, с которой посредством слоя металлического припоя через промежуточный слой в виде таблетки на основе керамического материала соединен рабочий распыляемый слой в виде таблетки на основе керамического материала. Промежуточный слой имеет скелетную пористую структуру, содержит металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры, и армирующую добавку, прочно связанную со скелетной пористой структурой и металлическим наполнителем. Способ изготовления мишени включает формование из по крайней мере трех порошковых экзотермических смесей по крайней мере трех таблеток, образующих рабочий распыляемый, промежуточный и инициирующий слои, послойное размещение на профилированной металлической пластине через слой металлического припоя указанных таблеток, запуск СВС процесса в инициирующем слое с расплавлением металлического припоя и металлического наполнителя, прессование слоев после завершения СВС процесса и последующее удаление инициирующего слоя. Обеспечивается повышение термостойкости мишени. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Мишень для получения покрытий ионно-плазменным напылением, состоящая из профилированной металлической пластины, с которой посредством слоя металлического припоя через промежуточный слой в виде таблетки на основе керамического материала соединен рабочий распыляемый слой в виде таблетки на основе керамического материала, при этом рабочий распыляемый слой имеет скелетную пористую структуру из материала, включающего карбид, и/или нитрид, и/или карбонитрид, и/или борид, и/или силицид переходного металла IV-VI групп, и/или оксид кальция, и/или фосфат кальция, и/или оксид циркония, и/или гидроксилапатит или их смесь, промежуточный слой имеет скелетную пористую структуру из материала, включающего карбид и/или нитрид, и/или карбонитрид, и/или борид, и/или силицид переходного металла IV-VI групп, и/или оксид кальция, и/или фосфат кальция, и/или оксид циркония, и/или гидроксилапатит или их смесь, и содержит металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры, отличающаяся тем, что промежуточный слой содержит армирующую добавку, прочно связанную со скелетной пористой структурой и металлическим наполнителем этого слоя, выполненную из тугоплавкого материала, температура плавления которого выше рабочей температуры мишени, в форме сетки, сплетенной из проволоки или непрерывных волокон, с одинаковыми ячейками прямоугольной или квадратной формы, при этом минимальный размер сторон ячейки h (мм) определен из соотношения 2≤h≤10, диаметр d проволоки или волокон определен из соотношения d=h/20, содержание армирующей добавки составляет 5-25% от общего объема промежуточного слоя, а диаметр поперечного сечения проволоки или волокон армирующей добавки равен диаметру поперечного сечения мишени.

2. Мишень по п. 1, отличающаяся тем, что рабочий распыляемый слой содержит металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры.

3. Мишень по п. 1, отличающаяся тем, что скелетная пористая структура промежуточного слоя заполнена металлическим наполнителем в соотношении, непрерывно или ступенчато увеличивающемся от границы раздела с рабочим распыляемым слоем к границе со слоем металлического припоя.

4. Мишень по п. 1, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен по крайней мере из двух слоев с обеспечением в нем ступенчатого изменения соотношения материала скелетной пористой структуры и металлического наполнителя.

5. Мишень по п. 1, отличающаяся тем, что слой металлического припоя содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей железо, и/или медь, и/или алюминий, и/или другие переходные металлы.

6. Мишень по п. 1, отличающаяся тем, что толщина рабочего распыляемого слоя составляет от 1 до 6 мм.

7. Мишень по п. 1, отличающаяся тем, что толщина промежуточного слоя составляет от 0,5 до 4 мм.

8. Мишень по п. 1, отличающаяся тем, что толщина слоя металлического припоя составляет от 0,5 до 5 мм.

9. Способ изготовления мишени для получения покрытий ионно-плазменным напылением по любому из пп. 1-8, включающий формование по крайней мере трех таблеток, образующих рабочий распыляемый, промежуточный и инициирующий слои, из по крайней мере трех порошковых смесей, имеющих экзотермические составы, способные к химическому взаимодействию в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) после локального теплового инициирования, послойное размещение на профилированной металлической пластине через слой металлического припоя таблеток промежуточного слоя, рабочего распыляемого слоя и инициирующего слоя, запуск СВС процесса в инициирующем слое, расплавление под воздействием СВС процесса металлического припоя и металлического наполнителя, входящего в состав промежуточного слоя, создание давления на слои путем прессования через 2-10 с после завершения СВС процесса, последующее поддержание давления в течение не менее 5 с с обеспечением соединения образованных рабочего распыляемого слоя и промежуточного слоя с профилированной металлической пластиной через слой металлического припоя и последующее удаление инициирующего слоя.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что полученный в результате СВС процесса рабочий распыляемый слой содержит металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что полученный в результате СВС процесса промежуточный слой содержит скелетную пористую структуру, заполненную металлическим наполнителем в соотношении, непрерывно или ступенчато увеличивающемся от границы раздела с рабочим распыляемым слоем к границе со слоем металлического припоя.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что ступенчатое изменение соотношения скелетной структуры и металлического наполнителя в промежуточном слое обеспечивают за счет выполнения промежуточного слоя по крайней мере из двух слоев.

13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что используют слой шихты металлического припоя, содержащий по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей железо, и/или медь, и/или алюминий, и/или другие переходные металлы.

14. Способ по п. 9, отличающийся тем, что таблетку для образования промежуточного слоя формуют из порошковой смеси, в которой порошок металлического наполнителя распределяют в керамическом материале, образующем скелетную пористую структуру.

15. Способ по п. 9, отличающийся тем, что слой металлического припоя представляет собой слой порошка или лист.

16. Способ по п. 9, отличающийся тем, что прессование проводят путем прямого прессования в штампе или пресс-форме, или квазиизотопного прессования со средой, передающей давление, или прессования валком.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что в качестве среды, передающей давление, используют формовочный песок.