eng
Потребность в защитных и упрочняющих поверхностных покрытиях для деталей и инструмента постоянно растет. Наиболее востребованы коррозионностойкие, жаростойкие, а также износостойкие и антифрикционные покрытия. Одной из важных областей применения специальных покрытий является производство деталей газотурбинных двигателей. На основе анализа методов получения покрытий для изделий, работающих в агрессивных средах, создана новая технология нанесения наноструктурных газонепроницаемых PVD-покрытий.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.57.3.40.43
DOI:10.22184/1993-8578.2015.57.3.40.43
Теги: gas-tight coating nanostructured coating pvd coating pvd-покрытие газонепроницаемое покрытие наноструктурное покрытие
Покрытия, обладающие наиболее высокими технологическими свойствами, наносятся по технологиям PVD (физическое осаждение из газовой фазы) и CVD (химическое осаждение из газовой фазы). Исследование структуры таких покрытий на электронном микроскопе показывает, что они имеют столбчатую структуру с размером дисперсных столбчатых кристаллитов от 1 до 3 мкм, а также характеризуются наличием капельной фазы непрореагировавшего осаждаемого металла размерами до 5 мкм. В связи с этим, в агрессивных средах такие покрытия подвержены фрагментарному разрушению и отшелушиванию. Чтобы избежать таких процессов, работающие в агрессивных средах и при высоких температурах покрытия деталей и инструмента должны быть газонепроницаемыми. Это позволит исключить локальное нарушение их сплошности и, таким образом, повысит надежность изделий.
Область применения газонепроницаемых покрытий
Наноструктурные газонепроницаемые покрытия востребованы, в первую очередь, в производстве деталей газотурбинных двигателей. Тенденцией развития современных газовых турбин является повышение температуры рабочего газа и, соответственно, больший нагрев рабочих колес турбин, лопаток и других деталей соплового аппарата. При высоких тепловых и механических нагрузках в агрессивных средах указанные детали быстро выходят из строя, что приводит к разрушению дорогостоящих агрегатов и серьезным авариям.
Эффективным направлением улучшения эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов для повышения надежности деталей газотурбинных двигателей является нанесение специальных покрытий.
Технология получения наноструктурных газонепроницаемых покрытий
Для нанесения покрытий, как правило, используется либо магнетронное распыление, либо осаждение из газовой фазы. Недостатками первого являются низкая производительность и высокая себестоимость, недостатками второго – нестабильность свойств наносимого покрытия из-за наличия в нем неоднородностей (дендритов), что не может обеспечить газонепроницаемость, применение высокотоксичных веществ, а также высокая себестоимость.
Для устранения перечисленных недостатков были проведены исследования и разработан технологический процесс формирования толстослойных газонепроницаемых композиционных наноструктурных покрытий с использованием системы сепарирования плазменного потока. Технология заключается в создании электродуговым методом потока плазмы на основе композиции из четырех нитридов металлов CoN-NiN-CrN-AlN. Магнитная стабилизация потока в источнике плазмы исключает неоднородности наносимого покрытия, обеспечивая высокую адгезию с подложкой, на которую наносится покрытие. Благодаря использованию никелевых сплавов покрытие имеет высокую термостойкость. Сочетание плотноупакованного наноструктурированного состава и толщины (до 500 мкм) покрытия обеспечивают высокую эффективность работы деталей в условиях агрессивных сред и высоких температур.
Технологический процесс состоит из предварительной обработки поверхности изделий ионными потоками, нагрева и нанесения покрытия. Длительность процесса – от 30 до 70 ч. Как установка, так и технология удовлетворяют всем требованиям современного производства, в том числе экологическим.
Идеи, заложенные в технологию, защищены патентами РФ и ЕС (Международная заявка РСТ/R497/00106).
Установка для нанесения PVD-покрытий электродуговым методом
Технологический процесс реализуется на специально сконструированной установке, камера которой имеет цилиндрическую форму с верхней крышкой для загрузки. Загрузка производится с использованием подъемных механизмов. В камере находится механизм, который обеспечивает вращение изделия в двух плоскостях – вертикальной и горизонтальной. Максимальный размер обрабатываемых изделий составляет 800 мм.
Вакуумная система установки изготовлена на базе форвакуумного и диффузионного насосов со скоростью откачки 7000 л/с. Установка укомплектована шестью высокопроизводительными электродуговыми источниками плазмы с магнитной системой стабилизации дугового разряда и фокусировки плазменного потока для нанесения покрытия. Для предварительной обработки поверхности ионным потоком служит широкоапертурный источник газовой плазмы на основе термоэмиссионного разряда. Также установка оснащена системой подачи газа с автоматическим поддержанием давления в камере, системой измерения температуры изделий, необходимыми системами автоматизации.
Перспективы новой технологии
Новая технология позволяет заменить методы осаждения покрытий из газовой фазы. Структура покрытий, получаемых с применением разработанной технологии, значительно однороднее (отсутствуют "дендриты"), сплошность покрытия выше, граница покрытие-подложка слабо выражена благодаря высокой адгезии к монолитному материалу основы подложки. Стабильность процесса высокая, что обеспечивает высокий процент выхода работоспособных деталей.
В реализации проекта используются отечественные разработки и технологии. Новый процесс позволяет увеличить ресурс турбонасосных агрегатов энергетических установок. Оценивая перспективы, можно прогнозировать, что при решении задачи по увеличению ресурса работы деталей турбонасосных агрегатов энергетических установок с возможностью форсирования эксплуатационных режимов достигается общее повышение конкурентоспособности таких энергетических установок отечественного производства. Таким образом, дальнейшая коммерциализация данной разработки и создание технологических линий для упрочнения позволят обеспечить производство отечественных мощных энергетических установок, повысят экспортный потенциал машиностроения в сегментах энергетических агрегатов и оборудования для упрочнения изделий.
Литература
1.Боровский Г.В. Инструментальное производство в России. – М.: ВНИИинструмент, 2008. 160 с.
2.Боровский Г.В., Молодык С.У., Григорьев С.В. Износостойкое упрочнение штампов и пресс-форм // Материалы 15-й международной научно-практической конференции. – СПб., 2013. 5 с.
3.Додонов А.И., Башков В.М. Электродуговой испаритель с сепарацией плазменного потока. – Международная заявка РСТ/R497/00106.
4.Брень В.Г. и др. Износостойкие нитридосодержащие покрытия на основе сплавов молибдена, полученные методом КИБ // Защита металлов. 1981. Т. 17. № 3. С. 284–289.
5.Боровский Г.В. Развитие машиностроения России на основе технологического перевооружения. – М.: ИТО, 2009. 216 с.
6.Васин А.И., Дороднов А.М., Петросов В.А.
О существовании вакуумной дуги с распределенным разрядом на расходуемом катоде // Письма в ЖТФ. 1959. (5), 24. С.1499–1504.
7.Storf R. Hochverschleisstestc Hartstoffschichten auf Hartmetall und Stahlwerkzeugen // Ind. – Anz. 1980. 102, № 34. S. 14–17.
8.Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. – М.: Энергоатомиздат, 1977.
Область применения газонепроницаемых покрытий
Наноструктурные газонепроницаемые покрытия востребованы, в первую очередь, в производстве деталей газотурбинных двигателей. Тенденцией развития современных газовых турбин является повышение температуры рабочего газа и, соответственно, больший нагрев рабочих колес турбин, лопаток и других деталей соплового аппарата. При высоких тепловых и механических нагрузках в агрессивных средах указанные детали быстро выходят из строя, что приводит к разрушению дорогостоящих агрегатов и серьезным авариям.
Эффективным направлением улучшения эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов для повышения надежности деталей газотурбинных двигателей является нанесение специальных покрытий.
Технология получения наноструктурных газонепроницаемых покрытий
Для нанесения покрытий, как правило, используется либо магнетронное распыление, либо осаждение из газовой фазы. Недостатками первого являются низкая производительность и высокая себестоимость, недостатками второго – нестабильность свойств наносимого покрытия из-за наличия в нем неоднородностей (дендритов), что не может обеспечить газонепроницаемость, применение высокотоксичных веществ, а также высокая себестоимость.
Для устранения перечисленных недостатков были проведены исследования и разработан технологический процесс формирования толстослойных газонепроницаемых композиционных наноструктурных покрытий с использованием системы сепарирования плазменного потока. Технология заключается в создании электродуговым методом потока плазмы на основе композиции из четырех нитридов металлов CoN-NiN-CrN-AlN. Магнитная стабилизация потока в источнике плазмы исключает неоднородности наносимого покрытия, обеспечивая высокую адгезию с подложкой, на которую наносится покрытие. Благодаря использованию никелевых сплавов покрытие имеет высокую термостойкость. Сочетание плотноупакованного наноструктурированного состава и толщины (до 500 мкм) покрытия обеспечивают высокую эффективность работы деталей в условиях агрессивных сред и высоких температур.
Технологический процесс состоит из предварительной обработки поверхности изделий ионными потоками, нагрева и нанесения покрытия. Длительность процесса – от 30 до 70 ч. Как установка, так и технология удовлетворяют всем требованиям современного производства, в том числе экологическим.
Идеи, заложенные в технологию, защищены патентами РФ и ЕС (Международная заявка РСТ/R497/00106).
Установка для нанесения PVD-покрытий электродуговым методом
Технологический процесс реализуется на специально сконструированной установке, камера которой имеет цилиндрическую форму с верхней крышкой для загрузки. Загрузка производится с использованием подъемных механизмов. В камере находится механизм, который обеспечивает вращение изделия в двух плоскостях – вертикальной и горизонтальной. Максимальный размер обрабатываемых изделий составляет 800 мм.
Вакуумная система установки изготовлена на базе форвакуумного и диффузионного насосов со скоростью откачки 7000 л/с. Установка укомплектована шестью высокопроизводительными электродуговыми источниками плазмы с магнитной системой стабилизации дугового разряда и фокусировки плазменного потока для нанесения покрытия. Для предварительной обработки поверхности ионным потоком служит широкоапертурный источник газовой плазмы на основе термоэмиссионного разряда. Также установка оснащена системой подачи газа с автоматическим поддержанием давления в камере, системой измерения температуры изделий, необходимыми системами автоматизации.
Перспективы новой технологии
Новая технология позволяет заменить методы осаждения покрытий из газовой фазы. Структура покрытий, получаемых с применением разработанной технологии, значительно однороднее (отсутствуют "дендриты"), сплошность покрытия выше, граница покрытие-подложка слабо выражена благодаря высокой адгезии к монолитному материалу основы подложки. Стабильность процесса высокая, что обеспечивает высокий процент выхода работоспособных деталей.
В реализации проекта используются отечественные разработки и технологии. Новый процесс позволяет увеличить ресурс турбонасосных агрегатов энергетических установок. Оценивая перспективы, можно прогнозировать, что при решении задачи по увеличению ресурса работы деталей турбонасосных агрегатов энергетических установок с возможностью форсирования эксплуатационных режимов достигается общее повышение конкурентоспособности таких энергетических установок отечественного производства. Таким образом, дальнейшая коммерциализация данной разработки и создание технологических линий для упрочнения позволят обеспечить производство отечественных мощных энергетических установок, повысят экспортный потенциал машиностроения в сегментах энергетических агрегатов и оборудования для упрочнения изделий.
Литература
1.Боровский Г.В. Инструментальное производство в России. – М.: ВНИИинструмент, 2008. 160 с.
2.Боровский Г.В., Молодык С.У., Григорьев С.В. Износостойкое упрочнение штампов и пресс-форм // Материалы 15-й международной научно-практической конференции. – СПб., 2013. 5 с.
3.Додонов А.И., Башков В.М. Электродуговой испаритель с сепарацией плазменного потока. – Международная заявка РСТ/R497/00106.
4.Брень В.Г. и др. Износостойкие нитридосодержащие покрытия на основе сплавов молибдена, полученные методом КИБ // Защита металлов. 1981. Т. 17. № 3. С. 284–289.
5.Боровский Г.В. Развитие машиностроения России на основе технологического перевооружения. – М.: ИТО, 2009. 216 с.
6.Васин А.И., Дороднов А.М., Петросов В.А.
О существовании вакуумной дуги с распределенным разрядом на расходуемом катоде // Письма в ЖТФ. 1959. (5), 24. С.1499–1504.
7.Storf R. Hochverschleisstestc Hartstoffschichten auf Hartmetall und Stahlwerkzeugen // Ind. – Anz. 1980. 102, № 34. S. 14–17.
8.Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. – М.: Энергоатомиздат, 1977.
Отзывы читателей
