Ионно – плазменные методы нанесения покрытий

На предприятиях авиационной промышленности широко применяется ионно-плазменный метод ВПТВЭ (вакуумная плазменная технология высоких энергий) нанесения покрытий, который состоит из вакуумно–дугового испарения материала катода и конденсации многокомпонентных сплавов на изделии. Этим методом на лопатки, изготовленные из жаропрочных никелевых сплавов, наносят защитные покрытия различных систем: Ni–Cr–Al–Y, Ni–Co–Cr–Al–Y, Ni–Al–Y, Al–Si–Y и др.

В производстве метод ВПТВЭ реализован на установках МАП–1(разработка ВИАМ). Модернизированный вариант установки МАП–1М и МАП – 2 позволяет наносить кроме покрытий из многокомпонентных сплавов (МКС), покрытия из нитридов и карбидов металлов методом плазмохимии высоких энергий (эрозионностойкие покрытия лопаток компрессора ГТД, упрочняющие покрытия и др.).

Рис. 9.1. Ионно-плазменная установка МАП-2 для нанесения покрытий

Воспроизводимость нанесенных покрытий и высокая точность процесса  по толщине и элементному составу покрытий) в установках МАП–1и МАП - 2 достигается путем автоматического поддержания заданных параметров при осаждении покрытия:

- тока дуги генератора плазмы,

- напряжения на деталях,

- при необходимости давления реактивного газа.

Очистка поверхности деталей перед покрытием осуществляется бомбардировкой ионами Ar при энергиях 1000–3000 эВ.

При одностадийном процессе формирование покрытия на жаропрочном никелевом сплаве происходит в плазме алюминиевого сплава с легирующими элементами (Y, Cr, Со, Si и др.). Последующая вакуумная термообработка изделий с покрытием (диффузионный отжиг) обеспечивает необходимые свойства легированного диффузионного алюминидного покрытия (ЛДАП). Покрытия наносятся толщиной от 10 до 80 мкм с содержанием алюминия в диапазоне 16–26% (по массе). Нанесение алюминидных покрытий по одностадийной технологии ограничено по содержанию легирующих элементов, повышающих жаропрочные свойства.

При двухстадийном процессе получения ЛДАП на поверхность жаропрочного никелевого сплава наносится конденсированный слой из сплава на основе никеля или кобальта, содержащий элементы легирующие покрытие, затем производится формирование диффузионного слоя аналогично одностадийному процессу. Толщина конденсированного подслоя и содержание в нём легирующих элементов выбираются с учетом требуемого интегрального содержания последних в ЛДАП. Некоторые составы для нанесения подслоев и жаростойких ионно–плазменных покрытий приведены в табл.1. 2

Таблица 1. 2

Состав катодов для нанесения двухстадийных ионно - плазменных покрытий

Марка сплава	Массовая доля элементов, %
	Ni	Co	Cr	Al	Si	Y	W	Ta
Состав катода для нанесения подслоя
СДП–1	Осн.	18-22	18-22	11-13	-	0,2-0,6	-	-
СДП–2	Осн.	-	18-22	11-13	-	0,2-0,6

 

Продолжение таблицы 1. 2

Марка сплава	Массовая доля элементов, %
	Ni	Co	Cr	Al	Si	Y	W	Ta
Состав катода для нанесения подслоя
СДП–4	Осн.	6-10	18-22	11-13	-	0,2-0,6	-	-
СДП–6	6-10	Осн.	22-24	11-13	-	0,2-0,6	-	-
ВСДП–8	Осн.	-	13	12	-	0,6	2	-
ВСДП–9	Осн.	-	9	12,5	-	0,5	-	2
Состав катода для жаростойкого ионно–плазменного покрытия
ВСДП–11(ВП)	-	-	-	Осн.	5	1,5	-	-
ВСДП–13(ВП)	6	-	-	Осн.	7	-	-	-
ВСДП–16(ВП)	15	-	-	Осн.	-	1,5	-	-
ВСДП–18(ВП)	5	-	5	Осн.	-	4	-	-

 

Конденсированный подслой, наносимый на первой стадии получения двухстадийных ЛДАП, обеспечивает комплексное легирование диффузионного покрытия элементами, повышающими защитные свойства покрытия (Cr, Со, Si, Y, Pt, Ta и др.), и элементами, одновременно повышающими жаропрочность и термостабильность покрытия в контакте с ЖНС (Ta, W, Re и др.). Наличие на поверхности ЖНС конденсированного подслоя в процессе формирования ЛДАП препятствует неконтролируемому проникновению элементов жаростойкого покрытия к поверхности изделия, приводящее к образованию поверхностном слое ЖНС нежелательных фаз.

ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ВАКУУМНОГО ОСАЖДЕНИЯ

ПОКРЫТИЙ

Современные электроннолучевые установки для нанесения покрытий представляют собой достаточно сложные и энергоемкие агрегаты, которые рас­считаны на непрерывную работу в течение 10-15 ч и более. В зависимости от характера (цикличности) работы вакуумные установки для нанесения покрытий делятся на установки периодического и непрерывного действия, и имеют один или несколько испарителей.

Однако в процессе испарения металлов из одного источника сплавы, компоненты которых имеют существенно различные парциальные давления, практически невозможно испарять из одного источника. Для осаждения покры­тий из таких сплавов используется несколько независимых источников. Суще­ствует принципиальная схема и соответствующие установки испарения от двух и более источников, например для нанесения покрытия Со-Сг-А1-Y на рабочие лопатки турбины установки ГТ- 100. Кроме того, метод вакуумного осаждения покрытий позволяет получать многослойные жаростойкие покры­тия, для создания которых ранее использовались лишь механические или тер­момеханические способы нанесения.

Рис.8.5 Схема электронно-лучевой установки для нанесения защитных покрытий на лопатки газовых турбин осаждением в вакууме.

 1 - разделительный экран; 2 - камера испарения; 3 - камера электронной пушки; 4 - электронная пушка; 5 - испаритель; 6 -электронный луч; 7 - слиток; 8 - вспомогательная камера; 9 -покрываемые детали.

Механические характеристики и стой­кость к высокотемпературной коррозии предложенных многослойных композиций отвечают требованиям, предъявляемым к защитным покрытиям. Рабочая камера установки (рис. 9.1) стенкой 1 разделена на собственно камеру испарения 2 и полость 3 электроннолучевой пушки 4. Пушка является составной частью испарительного устройства 5, которое устанавливается в нижней части рабочей камеры. Специальными полюсными наконечниками электронный луч 6 изгибается на 270° и фокусируется на торце слитка 7. Рас­плавленный металл разогревают до температуры, при которой скорость осаж­дения парового потока на подложке достигает 15 мкм/мин. Процесс испарения ведется в вакууме не ниже 10^-3 Па. В установке предусмотрено раздельное вакуумирование камеры испарения и полости электроннолучевой пушки механи­ческими и диффузионными насосами. Рабочая камера объединена с двумя вспомогательными камерами 8, в которых осуществляется предварительный подогрев деталей, собранных в оснастке 9.

 

Рис.8.6.  Внешний вид электронно-лучевой установки для формирования ТЗП методом EB PVD (Electron-Beam Physical Vapor Deposition)

К недостаткам данного способа нанесения защитных покрытий  можно отнести и значительную зависимость коэффициента ко нденсации α_к, равного отношению количества атомов, сконденсировавшихся на поверхно­сти к общему количеству падающих атомов, от загрязнения поверхности. Сле­довательно, защищаемая поверхность требует тщательной предварительной об­работки. Кроме того, на качество полученного слоя весьма заметное влияние оказывает температура поверхности осаждения. При осаждении материалов без подогрева подложки конденсаты имеют очень низкую пластичность и для фор­мирования равновесной структуры (например, при осаждении никельхромовых покрытий) подложка должна быть нагрета до температуры 850...900 С.

Нанесенные покрытия требуют, как правило дополнительной обработки. Они, как правило, проходят операции вакуумного отжига, упрочняющей обработки микро-шариками и окончательный отжиг в течение нескольких часов при тем­пературе >1000°С в нейтральной атмосфере или в вакууме. Две последние опе­рации проводятся с целью устранения пористости внешнего слоя. Широкому распространению описанного метода получения защитных покрытий препятствует также значительная стоимость оборудования и высокая энергоемкость процесса. Высота напыленного слоя так называемых толстых конденсатов достигает 2 мм, хотя известны факты получения пластин до 20 мм толщиной, вы­полненных при конденсации многокомпонентного состава с уникальными прочностными характеристиками. Получение защитного слоя аналогичной вы­соты с помощью электроннолучевой наплавки в вакууме возможно с использо­ванием электронного луча, мощность которого, по крайней мере, на два поряд­ка меньше.

Рис. 8.8. Микроструктура (×250) защитного покрытия, включающего: жаростойкое покрытие, барьерный слой и ТЗП со столбчатой структурой.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: