Способ нанесения покрытий на подложку Советский патент 1992 года по МПК B23K15/00 C23C14/00 

Изобретение относится к нанесению покрытий с помощью мощных источников направленной энергии, в частности путем наплавки импульсным пучком РЭП, и может быть использовано в машиностроении для придания обрабатываемой поверхности твердости, износостойкости и других полезных свойств.

Цель изобретения - повышение качества покрытий путем предотвращения пере- грсяя подложки и увеличения скорости заколки при высоком давлении Способ включает облучение слоя наносимого материала импульсным сильноточным релятивистским пучком с его расплавлением и последующей наплавкой на подложку.

При этом облучают слой отделенный от подложки, а электронный пучок в промежут ке между слоем и подложкой подвергают деструкции Плотность мощности электро ного пучка, облучающего слой выбиоают из соотношений 5 10ю q 5 1012 Вт/м2 . Слой из наносимого материала оолучают на расстоянии от подложки не меньшем, чем протяженность зоны деструкции но не большем расстояния каплеобр т вания расплавленного слоя наносимого материала Для транспортировки электронного пуч- ка может быть использовэно-мзгнитное поле. При этом деструкцию пучх проитво дят, ослабляя магнитное поле между слоем и подложкой Для ослабления магнитного

о

U5 О

СЯ Јь

поля и подложкой можно ис- пользпппт экряч из ферромагнитного материала. В способе испарившаяся часть слоя :se попадает на подложку, но другая рас- плаплгнпяя его часть приводится в реактивное ускоренное движение в направлении подложки В процессе полет а слой подзаряжается пучком и получает дополнительное ускор°нг/ е за счет электростатического при- ТРЖОНИЯ к заземленной подложке. Расплавленный пучком слой с большой скоростью («зле-ыет на практически холодную поверхность подложки м частично расплавляет ее. Материал слоя смешивается и вступает и химическую реакцию с материалом подложки п специфических условиях. При закалке кл г состояния результат структурных i фпзопьп превращений определяется ночмикаюшим давлением в расплавах в про- псггг -: гилажпения, которое при скорости нппегзющсй жидкости 100 м/с достигает значений 10 -3 -10 Па Скорость, приоб- споем, в данном техническом решение под воздействием электронного пучка, может достигать десятков км/с. При этом i/пменчютсл температуры фазовых пе- пехоаор и рг-сширяютсч диапазоны концентрации - з диагр9мма состояния и т.д. Все эги итмененпя используют для формирования ппкоыгий с необходимыми свойствами, например, для повышения твердости, износостойкости или для эморфизации.

В качестве наносимых слоев используют сочетания фолы и различных материалов , А также порошковые композиции на тонких фольгах. Дл активации в слое химических реакций, структурных и фазовых превращений энергия пучка должна быть эффективно введена в наносимый слой. Электронный пучок подвергают деструкции для предотвращения em попадания на поверхность подложки. Существенное ослабление электронного пучка происходит в процессе его прохождения через слой. Дополнительная деструкция остаточного пучка может быть осуществлена различными способами. Например, при использовании элемромных пуфю13 с магнитной трэнспор- шровкой использовано локальное изменение магнитного поля, приводящее к рассеипгнию пучка В частности, необходимое изменение магнитного поля в способе осуществляется экранированием промежутка слой - подложка ферромагнитным материалом. Применение деструкции электронною пучка в промежутке спой - подложка приводит к тому, что длительность импульса м энергия электронов пучка не являются больше критическими. Они выбираются из соображений обеспечения полного

расплавления слоя заданной толщины. Изменяя степень деструкции пучка, регулируют соотношение между температурами слоя и подложки, что расширяет технологические

возможности способа.

Расплавление слоя осуществляют электронным пучком с плотностью мощности q 5 1010 Вт/м2. Плотности мощности, меньшей 5 -1010 Вт/м2, недостаточно для

интенсивного испарения слоя с поверхности, обращенной к пучку и для приведения его в ускоренное движение по направлению к подложке, При повышении плотности мощности до q 5 -1012 Вт/м2 наступает

неприемлемый режим абляции, при котором пучок испаряет слой без его существеи- ного расплавления. Расплавление наносимого слоя электронным пучком осуществляют при удалении слоя на некоторое

расстояние от подложки. Интенсивное истечение вещества приводит слой в ускоренное движение. Летящий к подложке слой в начальной стадии полета продолжает облучаться электронами пучка, заряжаясь

отрицательно. 8 жидком слое, находящемся под воздействием сил поверхностного натяжения, развивается гидродинамическая неустойчивость типа неустойчивости Релей-Тейлера. При возникновении небольших возмущений поверхности силы электростатического расталкивания увеличивают эти возмущения вплоть до разрыва жидкого слоя на капли. При этом сплошность осаждаемого покрытия нарушается. Время (С) возиикновения Релей-Тейлеровской гидродинамической

неустойчивости порядкаIfier .

v 5CTD

-;j2 Т

- инкремент не-устойчивости;

о- эффективный коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

D - характерный поперечный размер летящего слоя;м;

d - толщина слоя, м;

р- плотность вещества слоя, кг/м .

Это время определяет максимальное расстояние от подложки, на котором может находиться слой. Закон реактивного движения слоя под воздействием облучения электронным пучком, полученный из решения соответствующего дифференциального уравнения в результате теоретического анализа процесса, имеет вид:

ZstL p. ,, ±/}

JL.|-,.,n/1V}

-Г&г где q - плотность мощности пучка. Вт/м2; L - удельная энергия испарения. Дж/кг;

V - скорость истечения вещества с облучаемой поверхности, м/с: t - время, с При г« 1 эта формула Приобретает вид

7 l-p-d У Ј q2

Расстояние Zk, при котором наступает кяплеобоазование, получают подстановкой

gfa. в эту формулу

7 о q-diL L Гов

где q - плотность мощности пучка, Вт/м2;

d - толщина слоя из наносимого материала, м:

D - поперечный размер наносимого слоя, м;

V - скорость истечения вещества с облучаемой поверхности слоя, м/с;

L - удельная энергия испарения, Дж/кг; а- коэффициент поверхностного натяжения расплавленного слоя, Н/м

Достаточно наличия развитой гидродинамической неустойчивости, чтобы заряженная жидкость раздробилась на капли в силу того, что последний процесс протекает значительно быстрее первого. Минимальное расстояние слоя от подложки Zn определяется протяженностью зоны деструкции, то есть области, в которой электронный пучок рассеивается, снижая свою интенсивность до приемлемой величины. В случае транспортировки электронного пучка магнитным полем деструкцию пучка осуществляют ослаблением магнитного поля в промежутке между споем и подложкой до величины, определяемой из условия:

где Q - электронная циклотронная частота, рад/с;

r/Jte - электронная плазменная частота в промежутке слой - подложка, рад/с:

у0 - релятивистский фактор;

8- магнитное поле, Тл; m - масса электрона, кг; е - заряд электрона, Кл; С - скорость света, м/с.

При выполнении этого условия деструкции нарушается транспортировка пучка и он рассеивается под действием центробежных и электростатических сил в радиальном направлении. Анализ процесса распространения пучка в промежутке слой - подложка показывает, что минимальная протяженность зоны деструкции вдоль оси пучка, необходимая для достаточного ослабления прошедшего через слой пучка, определяется формулой:

7 -in-2V3,Dx2

5 где В - магнитное поле транспортировки, Тл; д - степень деструкции пучка; D - поперечный размер наносимого слоя, м;

Do - диаметр пучка, м.

10В пределах указанного выше интервала

находят оптимальное расстояние, обеспечивающее образование покрытия с требуемыми свойствами. В результате удаления наносимого слоя от подложки и деструкции

15 остаточного пучка появляется возможность совместить высокотемпературный химический синтез при больших давлениях со сверхбыстрым охлаждением. Это позволяет получать и фиксировать в покрытиях мпта0 стабильные фазы и структуры

Способ апробировался при нанесении покрытия из алюминия на подложку, изго товленную из меди марки М1. Слой, подлежащий расплавлению с испарением,

5 представлял собой алюминиевую фольгу толщиной 100 мкм. Этот слой облучали электронным пучком с магнитной транспортировкой и параметрами1 ток пучка I - 3 кА; ускоряющее напряжение U --- 350 юВ, длитель0 ность пучка т 2,5 мкс. Расстояние Z между слоем и подложкой выбирали в соответствии с соотношением 7Л Z Zk. ГДР 2Д - протяженность зоны деструкции; Zk - расстояние, на котором происходит каплеобрязовэние. Zk

5 определяли из формулы

7 -2 .

- L D В условиях опыта d 100 мкм; игп - 10,88 х

0 х 106 Дж/кг: V 1600 м/с, «7 0,91 Н/м- D 0.01 M;q 5 -1010-5- 1012 Вт/м2. Поэтому, например, для q - 5 10 Вт/м расстояние Zk равно 1,6 мм, а для q - 5 1012 Вт/м2 Zk 160 мм. Промежуток между слоем и под5 ложкой экранировали от транспортирующего магнитного поля цилиндром из ферромагнитного материала (армко-желе- эо) толщиной 20 мм. Протяженность зоны деструкции пучка определяли согласно фор0

муле 2ц 10

-2 V3 ( D

. Магнитное поВ ч Do

ле транспортировки В составляло в ° мтахО.В Тл. Для сравнения покрытий, полученных облучением пучками с различной плотно- 5 стью мощности (от 5 10ю Вт/м2 до 5 1012 8т/м2) степень деструкции пучка изменяли соответственно от д - 2 до 5 200 для того, чтобы плотность мощности ослабленного деструктором пучка оставалась бы постоянной. При (5 2-200 иi-

протяженность 0.7...7 мм

Л 1 Do 6

попы деструкции Zn составляет соответственно.

Были проведены испытания npnZ4 7 мм и различных плотностях мощности пучка, облучающего слой, которые показали, что при q 5б 1010 Вт/м2 покрытие отсутствовало. Это связано с тем /гго плотность мощно- стм пучка былз недостаточной для того, чтобы ускорить расплавленную фольгу. При повышении q до значения б 10 Вт/м образовывалось сплошное покрытие с удовлетворительным качеством. ПридМ 1011 Вт/м2 получено покрытие с высоким качеством поверхности, хорошим сцеплением и толщиной 30-35 мкм. Твердость покрытия составляла Hw 570012

.z „

/200 МПа. При q - 3 10lj: Вт/м1 покрытие обладало такими же хорошими сцеплением с подложкой и твердостью, однако толщина его составляла 20-75 мкм, то есть разброс по толщине увеличился. При дальнейшем повышении плотности мощности до q 5 -10t2 Вт/м2 поверхность становилась неровной, толщина покрытия колебалась от 0 до 150 мкм, на поверхности наблюдались кратеры. Та- к.им образом, приемлемое качество покрытий получается, когда q находится в диапазоне 5- 1010 q 5 1012 Bt/м2. При q 4 1011 Вт/м2 были проведены испытания по определению оптимального рассто- яния Z слоя от подложки. Вначале алюминиевую фольгу толщиной 100 мкм расположили непосредственно на подложке. После облучения электронным пучком с параметрами, указанными выше, получали оплавленную неровную поверхность медной подложки со следами алюминия на поверхности. При удалении фольги от подложки на расстояние 2 мм получали сплошное покрытие с микротвердостью Н fi ° 4260-3710 МПа. Начиная с расстояния 6 мм наблюдалось сплошное равномерное двухфазное покрытие с микротвердостью Н 5700-7200 МПа. При увеличении расстояния 2 от 10 до 65 мм поверхность покрытия становилась все более неровной, а при Z 65 мм наблюдались брызги на подложке, то есть покрытие теряло сплошность. Таким образом,расстояния Z, при которых образуются сплошные покрытия с высокой микротвердостью, входят в интервал допустимых значений 2ц Z Zfe. Наиболее качественные покрытия наблюдались при Z б мм. Они имели равномерную толщину, гладкую поверхность и высокую микротвердость. Во эсех опытах по определению оптимального расстояния зона деструкции пучка полностью перекрывала расстояние между фолы ой и подложкой. При облучении пучком фольги без дополнительной деструкции остаточного пучка микротвердость покрытии уменьшалась.

Так при расстоянии Z 5 мм микротвердость Н fj. составляла 5700-7220 МПа с деструкцией и 3500-4100 МПа без деструкции остаточного электронного пучка. Эксперименты показали, что для получения качественных

0 покрытий остаточным пучок необходимо подвергать деструкции. Если рзсстояниё между слоем и подложкой превышает Zu, то даже при осуществлении деструкции остаточного пучка нарушается сплошность покрытий из5 за каплеобразования в результате развития гидродинамической неустойчивости расплавленного слоя.

Как показали результаты рентгеио- структурного анализа, покрытие, образо0 вавшееся на подложке в результате взаимодействия слоя расплавленного алюминия с медной подложкой, сосгаит из двух - алюминидов СидАЫ и AlaCu с измененными параметрами решетки. Их микротвердость

5 составляет соответственно 4700 и 5490 МПа. Таким образом, твердость фаз, из которых состоит полученное по данному способу покрытие, превышает твердость полученных известными способами фаз на 21 и 32% и

0 сравнима с твердостью закаленной стали.

Формула изобретения

1. Способ нанесения покрытий на под5 ложку, при котором осуществляют наплавку наносимого материала на подложку импульсным сильноточным релятивистским электронным пучком, отличающийся тек, что. с цепью повышения качества покрытий

0 путем предотвращения перегрева подложки и увеличения скорости закалки при высоком давлении, слой наносимого материала устанавливают с зазором относительно подложки, а электронный пучок а зазоре между

5 слоем наносимого материала и подложкой

подвергают деструкции, при этом плотность

мощности q электронного пучка выбирают

из соотношения 5 10ю q 5 -1012Вт/м2.

2. Способ по п. 1,отличающийся

0 тем. что величину зазора между слоем наносимого материала и подложкой выбирают больше протяженности зоны деструкции, но меньше расстояния каплеобрззования расплавленного слоя наносимого материала.

553. Сгюсоб по пп.1 , о т л и ч g ю щ и йС я тем, что деструкцию электронного пучка осуществляют ослаблением мглнмтного поля в зазоре между слоем наносимое пэте- риала и подложкой,

9163015410

4. Способ по п,3. о т л и ч а ю щ и и с я материале и подложкой используют тем. что, с целью ослабления магнитного экран из ферромагнитного материа- поля в зазоре, между слоем наносимого ла.

Изобретение относится к нанесению покрытий с помощью мощных источников направленной энергии, в частности путем наплавки импульсным пучком релятивистских электронов, и может быть использовано в машиностроении для придания обрабатываемой поверхности твердости, износостойкости и других заданных свойств Цель изобретения - повышения качества покрытий путем пред - отвращения перегрева подложки и увеличения скорости закалки при высоком давлении Процесс осуществляется при воздействии импульсного сильноточного релятивистского электронного пучка на слой наносимого материала, находящегося на некотором расстоянии от подложки Расплавленный слой наносимого материала наплавляется на подложку, а импульсный релятивистский электронный пучок подвергается деструкции Плотность мощности пучка выбирают из диапазона 5 -10to- 5 1012 Вт/м2 Ззпф-лы (Л С