 |
1.2. Вакуумно-конденсаційні покриття
|
|
|
|
Серед методів надання поверхневим шарам деталей машин і конструкцій спеціальних функціональних властивостей в останні роки все ширше застосовуються процеси вакуумно-конденсаційного нанесення покриття (ВКНП).
Вакуумно-конденсаційне напилення - це одержання покриттів за рахунок конденсації на поверхні атомів та іонів вихідного матеріалу, який випаровується або розпилюється у вакуумі при нагріванні.
В англомовній літературі процеси, які використовують такі фізичні явища як випаровування металів, фізичне осадження корпускулярного потоку речовини або сполуки металу з газом (нітридів, карбідів, боридів, силіцидів, оксидів), отриманих з використанням електричних явищ на поверхню холодної або незначно підігрітої основи, називаються РVD-процесами (Рhуsісаl Vароur Dероsitiоn Ргосеssеs).
Наслідком взаємодії корпускулярного потоку речовини на рівні атомів, молекул, іонів з поверхнею твердого тіла може бути або конденсація - осадження речовини на поверхню - нанесення покриття у вакуумі, або хімічна взаємодія й осадження з парової (газової) фази, в ході якого стійкі тверді продукти реакції утворюються і ростуть на поверхні основи в середовищі, де відбуваються хімічні реакції (дисоціація, відновлення і таке інше). В англомовній літературі останні процеси відносяться до СVD-процесів (СhemісаІ Vароur Dероsition Рrосеssеs).
Техніка ВКНП передбачає використання корпускулярного потоку речовини на рівні атомів, молекул, іонів і взаємодії цього потоку з поверхнею твердого тіла. Наслідком цієї взаємодії є або конденсація - осадження речовини на поверхню, нанесення покриття, або насичення речовиною поверхневого шару - модифікування поверхневого шару легуванням, імплантацією. Всі ці процеси відбуваються у вакуумі.
|
|
|
Імплантація іонів металів і неметалів полягає у іонізації парів металів або газів та прискоренні позитивних іонів за допомогою електричних полів до швидкості, при якій кінетична енергія іонів достатня для того, щоб зануритись у метал або неметал на глибину декількох атомних шарів (імплантація первинних іонів) і виділити вторинні іони в основу матеріалу, який обробляється. Імплантовані іони змінюють структуру та хімічний склад поверхневого шару матеріалу, що обробляється. Імплантацію іонів іноді називають іонним легуванням.
Процеси ВКНП (PVD) можна класифікувати за такими ознаками:
1. За способами отримання корпускулярного потоку металів та сполук, що напилюються на поверхню виробу:
- термічним випаровуванням металу або сполуки безперервною або імпульсною дією джерела нагрівання;
- іонним розпиленням металів і сполук.
2. За способом нанесення парів металу:
- конденсації з пари (еvарогаtіоn - Е) - нанесення неіонізованих або незначно іонізованих (долі відсотку) парів металу або сполуки, які отримуються термічними методами шляхом випаровування. Іонізація парів відбувається не у тій зоні, де отримують пару;
- іонно-плазмове напилення (іоn рlаting - ІР) - нанесення парів металу або сполук шляхом випаровування та термічної сублімації, значно іонізованих вакуумною дугою або іншим джерелом іонізації порівняно з конденсацією з пари;
- розпилення (sриttегіng - S) - нанесення іонізованих парів металів, отриманих шляхом розпилення металу іонами інертного газу, які отримуються внаслідок іонного розряду.
3. За способами активації процесів нанесення покриття:
- без активації процесу нанесення покриття;
- реактивний метод, який дозволяє внаслідок реакції реактивних газів (азоту, кисню, аміаку, вуглеводневих газів) з парою металів отримати сполуки (нітриди, оксиди, карбіди тощо) на поверхні, що покривається;
|
|
|
- активування процесу іонізації газів та парів металу шляхом використання додаткових фізичних процесів: тліючого розряду, постійних або змінних електричних або магнітних полів тощо.
Переміщення електронейтральних часток у напряму напилюваного виробу відбувається завдяки різниці у парціальних тисках парової фази. Найбільший тиск пари, який досягає 133 Па і більше, має місце поблизу поверхні випаровування (розпилення). Це й обумовлює переміщення часток у напряму виробу, де тиск пари мінімальний. Якщо частка знаходиться в іонізованому стані, то можна сформувати потік за рахунок дії на нього електродинамічних сил. Напилення покриттів з іонізованих парових потоків більш бажане, бо частки мають більшу енергію, і це полегшує утворення покриттів.
Процеси реактивного термовакуумного випаровування, в яких корпускулярний потік часток активується у зоні між джерелом речовини, що випаровується, та поверхнею, на яку наноситься покриття, отримав назву активоване реактивне випаровування (Асtivated Rеасtіvе Еvароrаtiоп -АRЕ).
Процеси реактивного осадження покриття за рахунок активування потоку часток, отриманих іонним розпиленням при енергійному супутньому бомбардуванні плівки, що росте, отримали назву реактивне іонне напилення (Rеасtive Іоn Рlating - RІР).
Процеси іонного розпилення, активованого реактивного випаровування (АRЕ) та реактивного іонного напилення (RІР) отримали загальну назву іонно-плазмового напилення (Рlasma-Аssisted (Асtivated) РhуsісаІ Vароr Dероsіtion (РА РVD)).
Структура вакуумно-конденсаційного покриття. Температура поверхні конденсації - один з основних параметрів, який визначає структуру покриття.
За результатами чисельних досліджень запропоновано тризонну модель структури покриттів (рис. 1. 3).
Перша зона - низькотемпературна, формується при температурі поверхні основи від кімнатної до деякої граничної температури T1 ≈ 0, 3 Тпл речовини, яка конденсується. Нижче від температури T1, поверхня покриття має куполоподібну будову. У перерізі покриття спостерігаються конусоподібні кристали. У внутрішніх об'ємах кристалів і особливо в прилеглих зонах наявні мікропори.
Друга зона - проміжна між Т1 і Т2, де Т2 =(0, 45... 0, 5)Тпл речовини, яка конденсується. Поблизу Т1, відбувається поступовий перехід до другої зони з рівною матовою поверхнею. У перерізі спостерігається стовпчаста структура. Особливістю структури є наявність міжкристалічних границь. Мікропористість покриттів у тій зоні практично не спостерігається. Ширина стовпчастих кристалів збільшується з ростом температури основи.
|
|
|
Третя зона - високотемпературна, формується при температурах вище від Т2. У цій зоні утворюється практично рівноважна структура. Якщо речовина має поліморфне перетворення, в покритті з'явиться додаткова зміна структури поблизу цієї температури.
Рис. 1. 3. Тризонна модель структури покриттів
Осаджені у вакуумі покриття за товщиною можуть змінюватися від нанорозмірних (4-100 Нм ) до тонко- і товстоплівкових.
Різноманітні конструкції визначаються фазовим складом і функціональним призначенням. Наприклад, за властивостями конденсати можуть відповідати мікрошаровим матеріалам, які високоміцні при кімнатній температурі і жароміцні при високих температурах.
На рис. 1. 4 показана схема трансформованих мікрошарових матеріалів сплавів титану - Ti-6%Аl; Ti3Al і ТiAl.
Рис. 1. 4. Схема трансформовуваних мікрошарових матеріалів Ті-Аl:
а - Ті-6%Аl; б – Тi3Аl; в - ТіАІ. □ - АІ; □ - Ті
Співвідношення товщин мікрошарів у цих матеріалах дорівнює відношенню об'ємного вмісту титану до об'ємного вмісту алюмінію у цих сплавах і складає 9, 4; 3, 2 і 1, 0 відповідно для Ті-6%Аl; Ті3Аl і ТіАl. Ці мікрошарові матеріали можуть бути отримані у вигляді покрить, фольги, листів чи інших напивфабрикатів.
Особливості випаровування багатокомпонентних сумішей з одного джерела обумовлюють можливість створення покриття з контрольованим вмістом кожного елемента по товщині. Зміна складу парової фази залежно від тиску пари кожного елемента формує градієнт концентрацій по товщині конденсату.
На рис. 1. 5 наведено розподіл алюмінію, цирконію і кисню та схему утворення відповідних структур у перерізі градієнтного покриття, яке осаджене на поверхню нікелевого сплаву з 12 масових відсотків Аl.
До поверхні основи прилягає прошарок, який містить 19... 20 масових відсотків Аl і відповідно до β -фази (інтерметалід NiAl). За β -фазою прямує тонкий (менше 1 мкм) шар, який складається в основному з Аl2O3 і який плавно переходить у двофазну область Аl2О3+ZrО2, котра потім трансформується в кераміку ZrО2+(Y2О3).
Градієнтні матеріали із зовнішніми оксидними (Аl2O3, Аl2O3 -MgO), карбідними чи боридними шарами перспективні як тверді та зносостійкі покриття.
|
|
|
