Способ нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность стального изделия

Способ нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность стального изделия

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методам образования защитных покрытий на деталях, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам, воздействию агрессивной рабочей среды. Изобретение может быть использовано в энергетическом машиностроении для защиты лопаток турбин и компрессоров, валов, золотников, а также элементов запорно-регулирующей арматуры от эрозии, коррозии и теплового воздействия.

В настоящее время широкое распространение получили методы нанесения защитных покрытий в вакууме путем физического осаждения на защищаемую поверхность с образованием соединений, устойчивых к разрушающему воздействию - механическому, химическому, тепловому. Такие покрытия наносятся в несколько слоев с использованием электродугового источника распыляемого материала (см. пат. RU №2373302, МПК⁸ С23С 14/06, опубл. 20.11.2009).

Однако покрытие, получаемое известным способом, не обеспечивает необходимого качества подготовки поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность стального изделия (пат. RU №2437963, МПК⁸ С23С 14/06, опубл. 27.21.2011), в котором защищается способ нанесения нанокомпозитного покрытия. Способ заключается в том, что после механической обработки изделия и помещения его в вакуумную камеру производят очистку изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхностей изделия, нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы.

Однако механическая обработка поверхности изделия, очистка аргоном, азотирование и нанесение покрытия не обеспечивают требуемой плотности и беспористости покрытия, что снижает его качество и не обеспечивает необходимый срок службы при работе изделия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур.

Технической задачей изобретения является повышение срока службы покрытия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур.

Техническим результатом изобретения является получение износостойкой структуры покрытия, который достигается тем, что в известном способе нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность изделия, включающем обработку изделий в вакуумной камере в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхностей изделий, при этом нанесение нанокомпозитного покрытия осуществляют способом физического осаждения из паровой фазы, после формирования микрослоев покрытия дополнительно проводят ионную очистку поверхности изделия, при этом ионную очистку осуществляют в N этапов, где N - целое число и N≥1.

Кроме того, проводят предварительный нагрев вакуумной камеры с одновременной откачкой воздуха.

Нанесение нанокомпозитного покрытия может осуществляться при последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из титана, алюминия с образованием на поверхности микрослоя общей толщиной 0,4-0,6 мкм, причем указанный микрослой состоит из нанослоев этих материалов толщиной 1-100 нм.

Нанесение нанокомпозитного покрытия может осуществляться при подаче в камеру азота и последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из титана, алюминия с образованием на поверхности микрослоя из нитридов этих элементов общей толщиной 0,4-0,6 мкм, причем указанный микрослой состоит из нанослоев нитридов этих материалов толщиной 1-100 нм.

Способ нанесения нанокомпозитных покрытий осуществляется следующим образом.

Изделия полируют, обезжиривают в ультразвуковой ванне, обрабатывают бензиноспиртовой смесью, подвергают термообработке в сушильном шкафу. Подготовленные таким образом изделия размещают на карусели в вакуумной камере. Нагрев вакуумной камеры и откачку воздуха из нее производят одновременно. Помимо ускорения процесса одновременное проведение нагрева камеры и создание в ней вакуума целесообразно для десорбции ранее адсорбированных поверхностью изделий паров воды и рабочих жидкостей вакуумных насосов, а также растворителей, которыми обрабатывали изделия.

Проводят очистку поверхности изделий и вакуумной камеры в тлеющем разряде от адсорбированных паров воды, растворителей и т.п., для чего на карусель подают напряжение от 1000 до 1200 В, а в вакуумную камеру впускают инертный газ, например, аргон. Далее осуществляют ионное травление поверхности. Для травления очищенной поверхности увеличивают плотность потока ионов на изделии. Для этого включают магнетроны, которые в данном случае играют роль генераторов плазмы, однако выбирают такой режим их работы, чтобы скорость осаждения распыленного металла была меньше скорости его стравливания. При этом для удаления стравленного материала с поверхности изделия давление аргона должно быть низким, таким, чтобы длина свободного пробега частицы была сравнима с расстоянием от изделия до стенки камеры. Наиболее интенсивное травление происходит, когда изделия проходят между магнетронами. Применение магнетронов в процессе травления позволяет избежать нанесения капель металла на поверхность изделия, что характерно при использовании электродуговых распылителей. Травление производят до появления на поверхности изделия характерного рисунка зерен металла и в результате получают ненарушенную механической и химической обработкой поверхность изделия.

Протравленную таким образом поверхность изделия подвергают ионно-плазменному азотированию. Азотирование поверхности заключается в диффузионном насыщении азотом приповерхностного слоя металла глубиной до 500 мкм, в результате чего образуется раствор азота в металле. Твердость поверхности может возрасти в четыре и более раз от исходной величины, уменьшаясь с глубиной до твердости исходного материала. Это необходимо для исключения резкого изменения твердости на границе «нанокомпозитное покрытие - основной материал», что дает снижение максимальных напряжений в пограничной зоне материалов покрытия и основы. Травление поверхности перед азотированием позволяет обеспечить диффузию азота на большую глубину и образование более однородного и насыщенного раствора азота в металле. Азотирование осуществляют путем подачи в камеру газообразного азота и нагрева изделия при поддержке магнетронным разрядом, который повышает интенсивность диффузии азота. По окончании ионно-плазменного азотирования проводят дополнительное ионное травление для удаления образованных на поверхности изделий соединений азота, которые в дальнейшем препятствуют высокой адгезии материала нанокомпозитного покрытия. Проведение азотирования осуществляется в N этапов, где N - целое число и выбрано из условия N≥1, чередующихся с ионным травлением, поскольку образующиеся на поверхности изделия соединения азота уменьшают скорость проникновения азота в материал. В результате формируется чистая поверхность металла с твердым приповерхностным слоем, готовая к нанесению нанокомпозитного покрытия.

Нанокомпозитное покрытие наносят методом физического осаждения из паровой фазы посредством магнетронов, последовательно чередуя слои различных материалов. Первым наносят микрослой из титана, алюминия общей толщиной 0,4-0,6 мкм, который в свою очередь состоит из нанослоев этих материалов толщиной от 1 до 100 нм. Эти нанослои образуются при последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из различных распыляемых материалов - титана, алюминия. По окончании формирования микрослоя проводят дополнительную ионную очистку для обеспечения требуемой плотности и беспористости покрытия. В результате формируется плотный беспористый слой. Ионная очистка поверхности покрытия позволяет регулировать морфологию, характеристики зародышеобразования, микроструктуру и напряжение в покрытии, потому что высокая энергетика бомбардирующих ионов приводит к увеличению мобильности осаженных атомов и/или повторному распылению слабо связанных частиц. Такая промежуточная ионная очистка позволяет получать плотные беспористые пленки с высокими напряжениями сжатия. Затем наносят второй микрослой из нитридов титана, алюминия общей толщиной 2,5-3 мкм. Этот микрослой также состоит из нанослоев толщиной от 1 до 100 нм и образуется при последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из титана, алюминия при подаче в камеру азота. По окончании формирования микрослоя проводят дополнительную ионную очистку для обеспечения требуемой плотности и беспористости покрытия. В результате формируется плотный беспористый слой. Далее операции повторяют и в результате получают нанокомпозитное защитное покрытие общей толщиной 5,8-7,2 мкм или более. Толщина нанослоев регулируется изменением скорости вращения карусели и мощности магнетронного разряда. Толщина микрослоев регулируется временем формирования покрытия.

Экспериментально установлено, что наилучшие характеристики покрытия достигаются в указанных диапазонах толщин микро- и нанослоев.

Для исследования свойств нанокомпозитного покрытия, нанесенного описанным выше способом, были изготовлены образцы из стали 20X13. Первая группа (I) образцов обработке не подвергалась. На поверхность образцов второй группы (II) было нанесено нанокомпозитное покрытие, состоящее из слоев (Ti+Al)/(TiN+AlN), при этом азотирование проводилось после очистки аргоном, проводилось ионное травление после азотирования, наносилось покрытие. Обработка образцов третьей группы (III) отличалась от обработки образцов второй группы проведением ионной очистки после формирования микрослоев. Первая группа являлась контрольной, и эрозионная стойкость образцов второй и третьей групп определялась по отношению к эрозионной стойкости образцов первой группы. Исследование проводилось на стенде «ЭРОЗИЯ-М» НИУ МЭИ, его результаты приведены в таблице.

Группа образцов	Относительная эрозионная стойкость
I	1,0
II	3,5
III	4,3

Таким образом, именно включение в способ нанесения нанокомпозитного покрытия этапа ионной очистки после формирования микрослоев позволяет увеличить эрозионную стойкость изделий, а значит и срок их службы.

Однако предлагаемый способ нанесения нанокомпозитных покрытий не ограничивается описанными выше комбинациями материалов для нанесения слоев. В частном случае реализации способ может включать применение мишени, представляющей собой набор пластин. В отдельных случаях обработка поверхности согласно предлагаемому способу может проводиться с использованием в качестве напыляемого материала различных элементов, например Ti, Ni, Со, Cr, Al, Y, Zr, Hf, V, Та, Mo, W, В, Si, С или любого сплава на основе указанных элементов. В качестве реакционного газа возможно применение азота, кислорода, углеводородов, паров кремнеорганических и боросодержащих жидкостей, а также любой смеси указанных газов.

При реализации способа возможно расположение магнетронов на периферии вакуумной камеры и/или в центре нее, что уменьшает время обработки изделия.

Пример конкретной реализации способа:

- полировка изделия, обезжиривание ультразвуком и протирка бензиноспиртовой смесью, сушка в шкафу при Т=60°С;

- размещение изделий на карусели в вакуумной камере, одновременный нагрев и откачка вакуумной камеры Т=150°С, Р_ост=10^-4 Па;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, U_{смещения}=1150 В;

- ионное травление, Р=0,2 Па, t=20 мин, U_{смещения}=1150 В, напряжение на магнетронах - по 150 В;

- азотирование, Р=2 Па, t=60 мин, U_{смещения}=1150 В;

- ионное травление, Р=0,2 Па, t=20 мин, U_{смещения}=1150 В, напряжение на магнетронах - по 150 В;

- нанесение многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев Ti+Al, по режиму Р=0,2 Па, t=15 мин, U_{смещения}=75 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, U_{смещения}=1150 В;

- нанесение многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев TiN+AlN, по режиму Р=0,2 Па, t=60 мин, U_{смещения}=75 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, U_{смещения}=1150 В;

- нанесение многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев Ti+Al, по режиму Р=0,2 Па, t=10 мин, U_{смещения}=75 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, U_{смещения}=1150 В;

- нанесение многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев TiN+AlN, по режиму Р=0,2 Па, t=60 мин, U_{смещения}=75 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, U_{смещения}=1150 В.

Использование изобретения обеспечивает увеличение срока службы нанокомпозитного покрытия.

1. Способ нанесения нанокомпозитного защитного покрытия на поверхность изделия, включающий откачку воздуха из вакуумной камеры, очистку поверхности изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление, ионно-плазменное азотирование поверхности изделия и формирование покрытия методом физического осаждения из паровой фазы, отличающийся тем, что покрытие формируют путем нанесения микрослоя из нанослоев титана и алюминия толщиной 1-100 нм и микрослоя из нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия толщиной 1-100 нм, после нанесения каждого из микрослоев проводят ионную очистку поверхности аргоном в течение 10 мин при давлении 1,5 Па и напряжении смещения 1150 В, причем нанесение микрослоев с последующей ионной очисткой осуществляют в N этапов, где N - целое число и N ≥ 1, до формирования защитного покрытия общей толщиной 5,8-7,2 или более.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с откачкой воздуха проводят предварительный нагрев вакуумной камеры.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для нанесения микрослоя из титана и алюминия общей толщиной 0,4-0,6 мкм изделие последовательно пропускают перед магнетронами с мишенями из указанных материалов.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для нанесения микрослоя из нитрида титана и нитрида алюминия общей толщиной 2,5-3 мкм в камеру подают азот и изделие последовательно пропускают перед магнетронами с мишенями из указанных материалов.