Способ нанесения защитного покрытия в вакууме

Способ нанесения защитного покрытия в вакууме

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области нанесения защитных покрытий на металлические и неметаллические поверхности и может быть использовано при технологической обработке поверхностей деталей и узлов технических систем, работающих в условиях коррозионно-активной среды Способ включает очистку поверхности, обработку поверхности защищаемого материала в среде химически активного газа или газовой шеей, приводящей к образованию с защищаемым материалом промежуточного слоя изоструктурного алмазу, при давлении, температуре и времени проведения процессов, обеспечивающих получение этого слоя толщиной 5 - 20 нм, нанесение углеродного алмазоподобного поликристалпического покрытия 2 табл

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4921313/21 (22) 25.0391 (46} 30.1093 Бюп. М 39-40 (71) Войсковая часть 51105 (72) Воронов СА (73) Воронов Сергей Алексеевич (5I) СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ В ВАКУУМЕ (57j Изобретение относится к области нанесения зацитных покрытий на металлические и неметаллические поверхности и может быть иоапьзовано лри технологической обработке поверхностей деталей (19) RU (11) (51) 5 C23C14 02 С23С14 14 и узлов технических систем, работающих в условиях коррозионно-активной среды Способ включает очистку поверхности, обработку поверхности защищаемого материала в среде химически активного газа или газовой смеси, приводящей к образованию с защищаемым материалом промекуточяого сищ изоструктурного алмазу, IlpH давлении, температуре и времени проведения процессов, обеспечиваацих получение этого слоя толщиной 5 — 20 нм, нанесение углеродного алмазоподобного поликристаллического покрытия. 2 табл.

2001969

Изобретение относится к области нанесения защитных покрытий на металлические и неметаллические поверхности.

Область наиболее вероятного использования — технологическая обработка поверхноcreA деталей и узлов технических систем, работающих в условиях коррозионно-активной среды.

Ю

Традиционные способы .антикорроэийной защИты г1оверхности.тввррого тела зэкл юча ются в. нанесении

\ коррозйоиностойких газо- и влагонепроницаемЫх защитных покрытий иэ металлов или диэлектриков. Такие защитные покрытия должн . удовлетворять одновременно нескольким требованиям, а именно обладать химической и термической стойкостью, механической прочнос ью. . Всем этим условиям удовлетворяют углеродные алмазопоцобные пойикристаллические защитные пленки. образующиеся при осаждении ионов углерода (получен. ных, например, при разложении газообразных углеводородов s электрическом разряде) на защищаемую поверхность.

Признаки аналогов, совпадающие с заявляемым способом: очистка поверхности перед нанесением покрытия, нанесение углеродного поликристаллического защитного покрытия.

Главный недостаток аналогов — невозможность нанесения алмазоподобных углеродных пленок из материала с кристаллическими решетками некубической симметрии, что не позволяет достичь требуемого технического результата.

Наиболее близким к заявляемому является способ. осаждения алмазоподобных пленок, по которому подложка сначала очищается пучком ионов аргонэ. э затем иониэированная смесь А г и СНл (28 об. ) при р 10 мм рт.ст. о виде пучка с энергиями

80-100 аВ попадлет на очищенную подложку, причем одновременно с действием пучка (Аг +СН4) происходит дополнительное травление. образующейся углеродной пленки пучком Аг из второго источника.

Признаки способа-прототипа, совпадающие с заявляемым способом: очистка защищаемой поверхности (травление пучком ионов Аг ), нанесение углеродной алмазоподобной поликристаллической защитной пленки.

Основным недостатком данного способа является то, что алмазоподобная углеродная пленка может образовываться только на поверхностях, имеющих кристаллическую. решетку кубической симметрии, т,е, совпадающую с типом симметрии кристаллической решетки алмаза, что существенно ограничивает перечень материалов, на поверхности которых может быть выращена углеродная алмазоподобная пленка, и не позволяет достичь требуемого технического результата, Кроме того, использование технологии ионных пучков позволяет получить защитное покрытие равномерной толщины лишь на плоских или слабо вогнутых поверхно10 стях небольшого размера, т,е. имеются ограничения по величине площади защищаемой поверхности и форме защищаемой детали, Предлагаемый способ нанесения угле15 родного защитного покрытия позволяет.pbшить задачу антикоррозийной защиты поверхности, прй3 ания ей антифрикЦион л-,. ных и гидрофобных Свойств.

Цель предлагаемого способа зэключэ-

20 ется в расширении перечня материалов, нэ которых может ать выращено углеродное альгаэоподобное защйтное покрытие, за счет создания промежуточного слоя, изоструктурного алмазу, образуЮщегося при

25 взаимбдействии защищаемЬго материала с химически активными газами.

Сущность предлагаемого способа заключена в совокупности следующих операций:очистка защищаемой поверхности;

З0 воздействие на защищаемую поверхность, имеющую кристаллическую решетку некубической симметрии, химически активных газов или газовых смесей при давлении, температуре и времени проведения процесЗ5 са, обеспечивающих образование г1рдмежуточного слоя, изоструктурйого алмазу, толщиной 5-20 нм; нанесение углеродного алмаэоподобного поликристаллического защитного покрытия. -40 Признак, отличающийся от прототипа,— воэдействие на защищаемую поверхность, имеющую кристаллическую решетку неку. бической симметрии; химически активных газов или газовых смесей при давлении, 45 температуре и времени проведения процесса. обеспечивающих образование промежуточ н ого слоя, иэоструктурно го алмазу, толщиной 5-20 нм. Выполнение этой операции при реализации предлагаемого способа позволяет по сравнению с прототипом расширить перечень защищаемых материалов и добиться получения требуемого технического результата.

Остановимся более подробно на содер55 жательной части операций предлагаемого способа. Очистка поверхности означает удаление поверхностных загрязнений и переходных слоев, возникающих в результате взаимодействия защищаемой поверхности с окружающей средой. Поверхностные эа2001969 грязнения могут быть удалены с помощью химических растворителей или ультразвуковой очистки. Переходные приповерхностные слои могут быть удалены, например, электронно-лучевым или ионным (как в cnocobe-прототипе) травлением поверхности.

Операция травления проводится в вакуумной камере, в ней же осуществляются воздействие химически активных газов или газовых смесей на защищаемую поверхность и нанесение углеродной алмазоподобной пленки.

Верхний и нижний пределы толщины переходного слоя выбираются исходя из требования минимизации влияния параметров кристаллической решетки исходного материала t а соответствующие n„j,"ем Tpt,l промежуточного слоя, с одной c opotlti, и минимальности толщины проме>куточного слоя, с другой стороны.

Тонкая пленка, выращиваемая на поверхности твердых тел, имеет сильно деформированную кристаллическую решетку, причем этот эффект набл<одао)ся на толщинах 10 — 20 периодов решетки, т.е, "5 нм.

При дальнейшем росте пленки ее структура совпадает с кристаллической структурой макрообраэца из вещества этой пленки. Соответствующие пределы лежат в дигг<аэоне

5 — 20 нм. Состав реагиру<ощего газа или газовой смеси подбирается индивидуально для каждого защищаемого материала и определяется на основе информаци<<о тип ах симметрии и параметрах кристаллических решеток химических соединений, образующихся при вэаимодейсгвии защищаемого материала с различными хиМически активными газами, Эти соединения должны удовлетворять требованию иэоструктурности кристаллической решетки, т.е. иметь кристаллическую решету с кубичсским Типом симметрии. Желательнь<11 также является крагность полупериода решетки алмаза и периода решетки химического соеди«ения, формиру<ощего промежуточный слой. Bt,iбор давления, температуры и времени Взаимодействия химически активных газов с очищенной поверхности зависит от кинетических характеристик peàкции взаимодействия и допустимых режимов работы вакуумной камеры.

Цилиндрическую tot

-а

At (р " 10 -10 Mtl рт.сг,), и«ициируtoi и

-2 -э

>поддержива<от постоян«ый тлеющий разряд в течение 5-10 мин для очистки защи5

55 щаемой поверхности от загрязнений. Известно, что оксид циркония ZrO имеет кубическую кристаллическую решетку с периодом

0,507 нм. На основании кинетических кривых окисления Zr в воздухе при атмосферном давлении (зависимости времени роста от температуры для нескольких толщин пленок) могут быть рассчитаны режимы окисления поверхности Zr. Соответствующие характеристики представлены в табл.1.

Они позволяют подобрать температурный и временной режим получения промежуточного слоя применительно к конкретной вакуумной камере. Если окисление производят при пониженном давлении

02, то для пересчета времени роста пленки

Т<)вбу <.:I<0k< ТОЛ ),11k "Ы <40>VI <0 ????????<0???????????????????? ???????????????????????? f --1(??,, = 1ат<1) ?? ??„>

xnv oI.ислеItL<å циркония — t<0kомo.-екулярt:,Iÿ реакц<<я по 02. После t.t lpàt<«ве»

куточного и)оструктур< ого ллмгэу подсло) вновь производят откачку гакуумг., ного обьема до уров«я 10 — 10" мм рт.сг., нопуска<от смесь газов С рН и СО. (Coot

<ЛЕ<ОЩИЙ РазРяд ДО Образования углеродiioL< а)<1<1) эоподоб«0Й пол<)кристалл<1ческой згщ<п ной пленки требуемой голец<1«ь< на

Вс .й поверхности заецищаемой детали.

Дt)yot,ись t tl

I; О : (Г) 0 ) I 1 0 I < 1 < 0 С Т C l1 V 1 1 \ 1 Т У/ f 0 П Л 3 f) V i I Itt 0 К С 1! Д, О Дн ) il»,1 повышенных темоерагур,.х Она ив It ется клпгзлизатором ре<акц<1 ргзлож0«пя

<<е ле) ул ВОды ki:l ве)дород и кис)1<)pQfl I f0 < Б 1 10С ь nt)LL

АЭС, В последовавший вслед за эти<л взрыв об<)гзовае<шей<ся Водородк<<слородной смеси <):)зрушил реактор. Чтобь< избежа)ь подоС t l I,l х В з р ы в о В, t < e 0 D x <) gi L< f 0 н з «о с и т ь хи<1<аческ<1 и«сртныо покрь<тия «а внутрен«е поверхности технологических трубоо<)0 ВO>L0 t)..

70 тг:же являегсл 1.<а)01)110<лом с крис<а)ь,<;Веской решеткой t ) D <ч cvoi1 clif <мегри<1. Главt

:р, аллLI ской решеткli (период j)nøf:Iки

С,543 k<<1). На ocl

Вь х сульфид<<рован<<я 7. <1 р с <)оьод<.роде

tip1 т;ос1ерном давлении< згут быгь р..C

I

2001969

Таблица1

ZrOz: окисление Zr на воздухе

Таблица

ZnS: сульфидирование Zn в сероводороде

Поскольку реакция сульфидирования цинка в сероводороде тоже является мономолекулярной, для нее применима зависиMocTb времени роста пленки от давления

Н23: 1 (ро = 1 атм) po/р. После получения промежуточного слоя ZnS на защищаемую поверхность наносят углеродные алмазоподобное защитное покрытие требуемой толщины.

Защитные углеродные алмазоподобные пленки, полученные в постоянном тлеющем разряде CzHz-COz, сохраняют стабильность в воздухе вплоть до 400ОC (что соответствует фазовому переходу алмаэ— графит, устойчивы в HzSO<, НМОэ, HCI, органических растворителях. имеют твердость

Формула изобретения

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО

ПОКРЫТИЯ В ВАКУУМЕ, включающий очистку поверхности и нанесение углеродного алмазоподобного поликристаллического покрытия, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей способа эа счет использования защищаемых материалов с кристаллической по Кн пу 1200 — 3000 кГ/мм и р

10 -10 Ом см, прозрачны отультрафи1о олетового до дальнего инфракрасного диапазона спектра.

Таким образом, воздействие химически активных газов (в данном случае кислорода и сероводорода) позволит нанести защитную углеродную пленку на поверхности мэ10 териалов с некубической симметрией кристаллической решетки и достичь требуемого технического результата.. (56) Патент США l4 4490220, 15 кл. C23 С 15/00, 1984. решеткой некубической симметрии, после очистки защищаемую поверхность обрабатывают в среде химически активного газа или газовой смеси при давлении, температуре и времени проведения процесса, обеспечивающих формирование промежуточного слоя с кристаллической решеткой, иэоструктурной алмазу, толщиной 5 - 20 нм.