Взаимодействие ускоренных потоков металлической плазмы с поверхностью твердого тела тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

Кузпецов Вячеслав Геннадьевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УСКОРЕННЫХ ПОТОКОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДОГО ТЕЛА

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Институте проблем машиноведения Российской Академии Наук.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Вейц Владимир Львович

- доктор технических наук, профессор Сенчило Игорь Аркадьевич

- доктор технических наук, профессор Федюкин Вениамин Константинович

Ведущая организация - Акционерное общество открытого

типа «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И.Ползунова» (АО НПО ЦКТИ)

Защита состоится " 28 " октябри 1997г. в/5 часов на заседании диссертационного совета Д. 200.17.01 при Институте проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, В.О., Большой проспект, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ ИПМАШ РАН.

Автореферат разослан" 26 • се&<п» ¡"рщ 1997г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат химических наук йЗ&^и-с^ В.П.Глинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Во многих случаях эксплуатационные свойства деталей определяются состоянием их поверхностного слоя. Это объясняется тем, что поверхностный слой детали при ее эксплуатации подвергается наиболее сильно механическому, тепловому, химическому и другим воздействиям. Поэтому одним ив наиболее эффективных способов повышения ресурса и надежности работы деталей является нанесение на их поверхность защитных покрытий. Свойства покрытий в значительной степени определяются технологией их нанесения. Большой научный и практический интерес представляет разработка технологических процессов, основанных на формировании пленочных структур из плазмы наносимого материала, позволяющих наиболее эффективно управлять состоянием поверхностного слоя твердого тела.

Одним из наиболее эффективных генераторов плазменных потоков наносимого материала является вакуумно-дуговой разряд, формирующийся в парах эродируемого материала катодным пятном вакуумной дуги. Исходный материал переводится в плазменное состояние, плазма фокусируется в поток и ускоряется в направлении к покрываемой поверхности, где происходит образование защитного слоя за счет конденсации преимущественно ионов плазмы, дополнительно ускоренных электрическим полем подложки.

Состояние поверхностного слоя твердого тела, а, следовательно, эксплуатационные свойства деталей определяются всеми стадиями технологического процесса- испарением материала, его транспортировкой и осаждением на поверхности.

Комплексное исследование условий формирования покрытий и изучение поверхностного слоя с учетом условий эксплуатации является прогрессивной тенденцией в повышении качества конструкционных материалов, в решении проблемы достижения высокой их конструктивной, прочности и совместимости с окружающей средой. Анализ закономерностей поведения поверхностного слоя твердого тела, как в процессе ионно-плазменной обработки, так и в процессе эксплуатации с целью изучения физической природы взаимосвязи структуры, состава и строения с физико-механическими и химическими свойствами материалов и разработка научных основ управления этими свойс-

твами является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

цель работы. Создание теоретических и технологических основ направленного улучшения свойств поверхностных слоев твердых тел модифицированием ускоренными потоками металлической плазмы для повышения работоспособности и срока службы деталей.

Научная новизна.

1. На основе анализа процессов испарения материалов под воздействием вакуумно-дугового разряда, формирования плазменных потоков, осаждения продуктов эрозии на поверхности изделий предложена методология направленного формирования свойств поверхностных слоев твердых тел ускоренными потоками металлической плазмы.

2. Предложена математическая модель и разработаны принципы электромагнитного управления плазменными потоками для формирования покрытий с заданной равномерностью по толщине.

Разработана модель проникновения плазменного потока в цилиндрические полости. Получены аналитические выражения, определяющие неравномерность толщины покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра, в том числе с учетом обтекания плазменным потоком преград.

Впервые учтено влияние на формирование покрытий компрессионных слоев потока металлической плазмы перед механическим барьером.

3. Разработана математическая модель и получено аналитическое выражение для определения скорости потока металлической плазмы с использованием одиночного цилиндрического электростатического зонда.

4. Разработана математическая модель теплового режима стержневого катода, эродируемого под воздействием вакуумно-дугового разряда. На основе аналитических выражений предложены способы стабилизации температуры катода на заданном уровне.

5. Установлены закономерности ионного распыления в условиях вакуумно-дугового разряда простых и многокомпонентных металлов от температуры испаряемого материала, температуры подложки и давления реакционного газа.

6. Для упрощенной физической модели установлена корреляционная связь между тепловым режимом изделия, находящегося в ускорен-

ном потоке металлической плазмы, и технологическими параметрами обработки.

7. Установлены кинетические закономерности фазовых превращений в металлическом покрытии СоСгА1У в зависимости от термической обработки и их влияние на коррозионную и термоусталостную долговечность покрытия. На основе термодинамического анализа возможных химических реакций газового травления различных элементов определены перспективные материалы для работы в условиях высокотемпературной сульфидно-оксидной коррозии для различных диапазонов температур.

8. Предложен комплекс научно-обоснованных мероприятий для равномерного нанесения покрытий на крупногабаритные изделия и изделия сложной формы.

9. На основе методов математического планирования эксперимента разработаны технологические процессы модифицирования поверхности твердого тела с заданными эксплуатационными параметрами.

На защиту выносятся.

- методология управления свойствами поверхностных слоев изделий, основанная на учете закономерностей процессов испарения простых и многокомпонентных материалов, транспортировки потоков металлической плазмы, воздействия на поверхность конденсируемых продуктов эрозии испаряемого материала;

- закономерности изменения физико-химических и эксплуатационных свойств системы "покрытие-подложка" в зависимости от режимов вакуумно-дугового технологического процесса модифицирования поверхности твердого тела;

- закономерности распыления поверхности, конденсации материалов, нагрева испаряемого материала и модифицируемой поверхности под воздействием плазменных потоков, формируемых на основе ваку-умно-дугового разряда;

- теоретический подход к управлению процессом формирования равномерных по толщине покрытий, в том числе на изделия сложной формы, и математическая модель взаимодействия ускоренного потока металлической плазмы с поверхностью твердого тела;

- математическая модель и принципы электромагнитного управ-

ления плазменными потоками;

- теоретическая модель и зондовая диагностика скорости потока металлической плазмы- одного из основных факторов, определяющих свойства покрытий.

- эксплуатационные и физико-химические свойства различных покрытий на основе чистых металлов, нитридов, карбидов, оксидов и многокомпонентных составов, сформированных технологией вакууы-но-дугового нанесения;

- технологические процессы вакуумно-дугового нанесения покрытий различного функционального назначения.

Практическая ценность.

1. Установленные принципы проектирования технологических процессов и полученные закономерности позволяют разрабатывать технологии модифицирования поверхности твердых тел с целью повышения эксплуатационных свойств изделий различного назначения.

2. Разработаны экологически чистые, ресурсо- и материалосбе-регающие технологические процессы (с технологическими инструкциями) нанесения защитных покрытий различного назначения, внедренные на промышленных предприятиях, в том числе- НПО Ленинградский завод турбинных лопаток, НПО Ленинградский металлический завод, Ленинградское научно-производственное объединение "Светлана" и других. Турбинные лопатки с вакуумно-дуговыми метадло-керамическими покрытиями в 1996 г. установлены в опытную эксплуатацию в ГТ-100 на ГРЭС-3 Мосэнерго и Ивановской ГРЭС, в том числе лопатки, восстановленные по вакуумно-дуговой технологии.

3. Разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию высокопроизводительная установка вакуумно-дугового нанесения многослойных защитных, в том числе керамических, покрытий на крупногабаритные лопатки энергетических стационарных газовых турбин. Техническая и конструкторская документация на установку принадлежит ИПМАШ РАН.

4. На базе установки ВУ-1БМ изготовлена экспериментальная имплантационно-напылительная установка, позволяющая реализовать различные варианты комбинированных процессов модифицирования поверхности твердого тела.

5. Предложен ряд конструкций вакуумно-дуговых источников

плазмы с системами отклонения и транспортировки потоков наносимого материала, позволяющих повышать качество формируемых покрытий.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции "Электронное приборостроение" (Новосибирск, 1988); XXII Всесоюзной конференции "Перспективы развития техники радиовещательного приема, радиовещания, звукоусиления и акустики" (Ленинград, 1988); Всесоюзной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Минск,1989); XI Всесоюзной конференции 'Тенераторы низкотемпературной плазмы" (Новосибирск, 1989); II Всесоюзной конференции "Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента" (Саратов, 1990); семинаре "Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин" (Москва, 1991); семинаре "Проблемы износостойкости и надежности машин" (Санкт-Петербург, 1992); научно-технических конференциях "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий (Запорожье, 1992,1995); Втором собрании металловедов России (Пенза, 1994); Международной конференции Hochvakuum, Grenzflachen/ Dunne Schichten (Dresden, DDR, 1990); первом Российско-китайском симпозиуме "Actual problems of modern materials science" (Moscow-Tomsk, 1992); 9 Международная конференция "Plasma Processes" (Antibes, France, 1993); Международном семинаре 'Тазотермическое напыление в промышленности-93" (Санкт-Петербург, 1993); Международной конференции "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (Суш, Украина, 1994); Международной научно-технической конференции "Напыление и покрытия-95" (Санкт-Петерберг, 1995); Международной конференции "Metallurgical Coatings and Thin Films" (San Diego, USA, 1995); Second International Connference MPSL'96 (Sumy, 1996); 3 Международной конференции "Influence of production engineering on state of the surface Iayer-SL'96" (Gorzow Wlkp., Polska,1996). Кроме того, материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на ежегодных научно-технических конференциях Санкт-Петербургского электротехнического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, б глав, заключения и содержитстраниц машинописного текста, ^¿/рисунков и 2/ таблиц. Список литературы включает ¿^наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРШИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные нерешенные вопросы по теме диссертации, цель и задачи исследований.

В первой главе приведен обзор литературы. В обзоре литературы обсуадаются вопросы, касающиеся теоретических и технологических особенностей формирования покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда, а также рассматривается состояние модифицированного поверхностного слоя, обусловленное этими особенностями. Метод ва-куумно-дугового нанесения покрытий рассмотрен в сравнении с другими наиболее современными методами. При описании физических процессов распыления металлов и сплавов в вакууме и среде реакционного газа оценивается их влияние на свойства формируемого покрытия. Показано, что конструкция испарителей, а также систем транспортировки плазменных потоков оказывает влияние на состояние модифицированной поверхности. В связи с этим рассмотрены конструктивные особенности наиболее ответственных элементов технологических систем и перспективы развития промышленного оборудования. Проанализированы методы диагностики параметров плазмы вакуумно-дугового разряда, влияющих на свойства покрытий.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время отсутствует комплексный подход к исследованию общих закономерностей технологического процесса модифицирования поверхности ускоренными потоками металлической плазмы, а также отсутствуют данные, в полной мере вскрывающие механизмы явлении, возникающие при реализации данного метода.

Благодаря своим особенностям технология вакуумно-дугового модифицирования поверхности твердого тела является одной из самых перспективных, что подтверждается и рассмотренными перспективными областями ее применения.

На основе проведенного анализа современного состояния проблемы изменения свойств поверхностных слоев твердого тела под воздействием потоков металлической плазмы сформулированы основные задачи, которые необходимо решить в диссертации.

Вторая глава посвящена анализу условий формирования и транспортировки потоков металлической плазмы. В связи с тем, что в ряде случаев параметры плазменного потока являются главными факторами, определяющими свойства покрытий, все большую актуальность приобретают вопросы диагностики плазмы. Поэтому применительно к сверхзвуковым скоростям потоков была доработана теория зондовой диагностики, в первую очередь скорости потока, на основе одиночного цилиндрического электростатического зонда. При этом учтены особенности обтекания цилиндрической преграды сверхзвуковым эрозионным потоком плазмы. Если учесть, что ионный ток насыщения на зонд складывается из двух составляющих- тока, обусловленного скоростью плазменного потока, и бомовским током, полученное выражение для определения скорости потока плазмы с учетом найденной эффективной приемной поверхности зонда для ионов имеет вид:

Ii0 - O-.ateneYisDsLs

Vtu,----, (1)

eneD3L3

где, lio- ток насыщения ионов на зонд; е- элементарный заряд; пе-концентрация электронов; D3- диаметр зонда; L3- длина зонда; ViS-ионно-звуковая скорость.

Получено и более точное выражение для определения скорости потока плазмы с учетом более правильного определения площади зонда, на которую поступает бомовский ток.

Баланс мощности, выделяющийся на электродах вакуумно-дугово-го испарителя, имеет существенное значение, как для реализации технологических процессов, так и для конструктивных расчетов. В первую очередь это связано с влиянием интегральной температуры поверхности эродируемого катода на состав продуктов эрозии и свойства покрытий. Рассмотрены и оценены все составляющие расходуемой катодом мощности, поступающей на него из разряда. По мере работы катода вследствие эрозии материала длина его уменьшается. Это приводит к снижению температуры катода, что в, свою очередь,

сказывается на структуре и свойствах покрытий. Поэтому, в ряде случаев, целесообразно в процессе нанесения покрытий поддерживать температуру катода на заданном уровне. Предложены два способа стабилизации температурного режима работы катода. В первом случае для стабилизации температуры катода в процессе его работы изменяется ток дугового разряда по закону в соответствии с полученным выражением:

где, LKo" начальная длина катода; р- плотность материала катода; ц- коэффициент электропереноса; S- площадь рабочего торца цилиндрического катода; 10- начальное значение тока дугового разряда (при t=0); t- время.

Второй способ (механический) связан с изменением геометрии катода и может быть реализован при коротких циклах процесса нанесения покрытии. В этом случае таске получено математическое выражение, связывающее геометрические размеры катода с временем горения дугового разряда.

На примере титана показано влияние интегральной температуры поверхности испаряемого материала на параметры плазмы и свойства формируемых покрытий. При переходе температуры поверхности через 770 К (соответствует температуре рекристадлизационного отжига) резко (более, чем в 1,5 раза) изменяется ток насыщения ионов, регистрируемый с помощью электростатического зонда. Установлено, что скорость роста толщины покрытия при температуре выше 770 К более, чем в два раза превосходит значение скорости при температуре ниже 770 К. Увеличение (по модулю) напряжения отрицательного смещения на подложке от плавающего потенциала до -180 В уменьшает скорость роста толщины покрытия примерно в три раза, если покрытие наносилось при "низкой" температуре и практически не сказывается на скорость роста при "высокой" температуре. Исследования показали, что покрытия, нанесенные при температуре ниже 770 К имеют сложную текстуру. По мере увеличения напряжения отрицательного смещения усиливаются компоненты (110) и (012). При темпера-

I =

1о

(2)

туре катода вше 770 К эффект ориентации в покрытиях выражен слабо. Покрытие, нанесенное при плавающем потенциале является бесструктурным. Поскольку толщина и текстура покрытий в ряде случаев существенно определяют их эксплуатационные свойства, влияние теплового режима катода и величину отрицательного напряжения смещения необходимо учитывать при обосновании режимов осаждения.

Режим ионной очистки, характерный для вакуумно-дуговой технологии, необходимо также рассматривать во взаимосвязи процессов испарения материалов, транспортировки продуктов эрозии, осадцения всех компонентов потока и температурных процессов на катоде и на подложке. Только такой комплексный подход позволяет формировать покрытия с высокими эксплуатационными свойствами. В работе установлены закономерности ионного распыления для простых и многокомпонентных металлов от температуры испаряемого материала, температуры подложки, давления реакционного газа и пространственного распределения ионнной и микрокапельной составляющих продуктов испарения. Получено полуэмпирическое выражение, позволяющее определять скорость распыления подложки при произвольной температуре катода на основании экспериментально измеренных значений плотности ионного тока и скорости распыления для определенной температуры. Показано, что для эффективной очистки поверхности необходимо находить оптимальное соотношение между ионным и капельным потоками на обрабатываемую поверхность. Получены математические выражения, позволяющие выбрать необходимую длительность процесса ионной очистки с учетом толщины используемого катода.

Радиальная несимметрия плазменного потока приводит к неравномерности наносимого покрытия, что в свою очередь влияет на остаточные механические напряжения в покрытиях. Для устранения этого недостатка разработана система отклонения и сканирования плазменного потока с использованием магнитного поля, ортогонального направлению скорости потока. Проведен анализ процесса отклонения с целью определения параметров отклоняющей системы. Разработана математическая модель на основании которой получено выражение для угла отклонения потока « в рассматриваемой системе

МхЮу ВХВу

Ьва = -г—г = —Г »

«Х+Гу В х+В у

где % и % - циклотронные частоты, связанные с Вх и Ву составляющими магнитного поля (Вх - осевая составляющая индукции магнитного поля фокусирующей системы, а Ву - индукция магнитного поля отклоняющей системы).

В третьей главе рассматриваются вопросы взаимодействия потока металлической плазмы с поверхностью сложной формы. В литературе этот вопрос практически не освещен. Высокие скорости плазменных потоков, порядка 104-105 м/с, обусловливают особенности взаимодействия их с обрабатываемыми поверхностями сложных геометрических форм.

Решена задача о проникновении плазменного потока в открытую цилиндрическую проводящую полость. Данная задача анализировалась с помощью математической модели, основанной на уравнении непрерывности тока ионов при пренебрежении объемной рекомбинации:

где 10 - ток ионов на входе в полость, щ - концентрация ионов, €,1 - среднее зарядовое число ионов (зависит в основном от материала катода), е - элементарный заряд, г^гр - концентрация ионов в плазме на границе со стенками полости, к - постоянная Больцмана, Те - температура электронной компоненты плазмы, М^ - масса иона, 1(2)- ток ионов на расстоянии г от входа, Упл- скорость плазменного потока, г0- радиус цилиндрической полости.

Решением данной системы является выражение для определения толщины наносимого покрытия 5(г) на внутреннюю поверхность цилиндрической полости на расстоянии г от входа:

7.

О = 1(2=0)

Ыг) = 0,5е«,1У1зп1гр(2)-, Ьз = СкТе/М1)1/2,

(4)

(5)

Сравнение расчетных данных с экспериментальными показали, что рассмотренная математическая модель удовлетворительно описывает относительный спад толщины покрытия в полости на количественном

уровне. На основании полученных результатов можно утверждать, что 5(2)/50 практически не зависит от геометрии полости и определяется соотношением между скоростью ионного звука и скоростью плазменного потока.

Если на входе в полость установлена диафрагма в виде диска с отверстием радиуса гг> то необходимо учесть особенности обтекания преграды сверхзвуковым потоком плазмы. После встречи с преградой поток расширяется за ней с ионно звуковой скоростью. С учетом этого получено выражение для вычисления координаты 1К касания расширившегося после диафрагмы потока со стенкой:

2к = (го - г(Г)Упл/У18 (б)

После того, как произошло касание потока со стенкой, становится справедливой представленная выше математическая модель (4) и толщина покрытия от продольной координаты описывается аналогичной (5) зависимостью (Рис. 1). При этом получено, что

г 2

5(2к) = 5(2=0)-^- (7)

Го

Исследования показали, что и от края полости до границы касания плазмой поверхности цилиндра также формируется покрытие. Формирование покрытия в данном случае связано с извлечением ионной составляющей потока с границы плазмы на обрабатываемую поверхность под действием электрического поля. При этом происходит дрейф только ионной составляющей через своеобразный вакуумный промежуток. На специально изготовленном для исследования этого процесса макете обнаружена не отмеченная ранее в литературе зависимость скорости роста или толщины покрытия от напряжения смещения на подложке, покрытие на которую формируется с границы плазмы через протяженный специально сформированный вакуумный зазор. При нанесении титана с увеличением напряжения толщина покрытия увеличивается и начиная только с напряжения приблизительно 150 В падает. То есть, только при этом напряжении распыляющая способность ионов титана начинает преобладать над скоростью роста покрытия.

Проанализирован также случай цилиндрической полости, пол-

ностью закрытой на выходе на расстоянии г от входа. Анализ показал, что усредненная по дну полости толщина описывается аналогичным (5) выражением. Полученные расчетные данные с расхождением не более 10% согласуются с экспериментальными.

При исследовании процессов транспортировки потоков плазмы через цилиндрические полости с диафрагмами или барьерами на пути потока обнаружены компрессионные области непосредственно перед барьером. Зти области характеризуются повышенной концентрацией ионов и нейтрального пара, что приводит к резкому росту толщины покрытия на горизонтальных участках полости перед барьером. Обнаруженные компрессионные области имеют сравнительно небольшую протяженность и на расстоянии 3-4 см от поверхности барьера не обнаруживаются. Коэффициент компрессии плазмы непосредственно у барьера имеет значение около 10. Таким образом, искусственно создавая на пути плазменного потока препятствия, можно значительно повысить скорость нанесения покрытий на горизонтальные (Рис. 2) или труднодоступные участки поверхности. Используя передвижные барьеры, можно управлять равномерностью нанесения покрытий, в том числе и на изделиях сложной формы.

В связи с тем, что процесс нанесения покрытий осуществляется в ограниченном объеме вакуумной камеры, плазменный поток не равномерен в поперечном сечении, продукты эрозии неоднородны по своему фазовому составу, актуальной и сложной является задача равномерного нанесения покрытий на крупногабаритные изделия. Исследования показали, что при вакуумно-дуговой обработке большеразмер-ных изделий необходимо учитывать различие размеров областей равномерного распыления подложки в режиме ионной очистки и области равномерного нанесения покрытий. Основным фактором, ограничивающим размер обрабатываемых изделий, является размер зоны, в которой возможно проведение ионной очистки.

При решении задач равномерного нанесения покрытий на крупногабаритные изделия осесимметричной конструкции предложено использовать сжатие плазменного потока при движении его вдоль поверхности. Это можно обеспечить магнитным полем с использованием принципов плазмооптики при относительно небольших напряженностях (до ста эрстед). Магнитный плазмовод охватывает всю покрываемую деталь, обеспечивая сжатие плазменного потока по мере продвижения

Рис. 1 Распределение толщины покрытия на стенке полости с диафрагмой на входе.

Рис. 2 Распределение толщины покрытия на стенке полости с диафрагмой па выходе.

его к концу детали. Причем, форма плазмовода выбирается такой, чтобы концентрация ионов вдоль всей поверхности плазмовода оставалась постоянной.

Математическая модель в данном случае аналогична модели (4) для проникновения плазменного потока внутрь цилиндрической полости. Решение исходной системы уравнений приводит к аналитическому выражению, позволяющему рассчитать геометрические размеры плазмовода, обеспечивающего нанесение равномерных по толщине покрытий на всю поверхность. В качестве примера можно привести полученное выражение для определения расстояния И между плазмоводом и боковой поверхностью длинного цилиндра вдоль оси 1 при нанесении покрытия на его внешнею поверхность:

где, И- радиус цилиндра, Ьо- расстояние между цилиндром и плазмоводом на краю цилиндра.

Аналогичным образом получены выражения для крупногабаритных изделий различной формы (например, пирамида). Предложенная модель и полученные выражения подтверждены экспериментальными данными.

В ряде случаев проблему равномерного нанесения покрытий на крупногабаритные изделия и изделия сложной формы можно решить использованием дополнительных электромагнитных катушек, включенных определенным образом по отношению к фокусирующей и стабилизирующей катушкам вакуумно-дугового испарителя. Предложенные способы защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

На основе анализа оптимальных условий нанесения покрытий показано, что наиболее реальной скоростью нанесения покрытий с помощью вакуумно-дуговых испарителей является скорость на уровне 0,25-3,8 мкм/мин. Встречающиеся в литературе данные о скорости роста пленок до нескольких десятков микрометров в минуту показывают лишь потенциальные возможности этой техники.

Четвертая глава посвящена анализу факторов, определяющих работоспособность защитных покрытий- коррозионной стойкости, длительной, термоусталостной и усталостной прочности, износостойкости и методикам аттестации покрытий.

(8)

Напряжения, возникающие в покрытиях, являются комбинацией температурных и механических напряжений, вызванных различием коэффициентов расширения покрытия и основного металла, и действием механических нагрузок. Способность сопротивляться действию этих напряжений зависит не только от их величины, частоты нагружения, но и от типа покрытия, его толщины и равномерности, температуры. Поэтому не случайно в диссертации большое внимание уделено тепловым процессам при нанесении покрытий и анализу условий нанесения равномерных по толщине покрытий, особенно на изделия сложной формы и крупногабаритные детали, чему в литературе практически не уделено внимания.

В данной работе коррозионная стойкость оценивалась преимущественно для покрытий, работающих при высоких температурах в условиях сульфидно-оксидной коррозии- проблема, представляющая большую научную и практическую значимость в современных условиях, решение которой невозможно без понимания механизма химических реакций на поверхности металла. Для определения коррозионной долговечности испытания образцов проводили с использованием синтетической золы, имитирующей по составу отложения в условиях эксплуатации. Для исследований применяли цилиндрические и клиновидные образцы. Температура испытаний изменялась в пределах от ' 650 до 850°С. Минимальное время испытаний должно быть в 1,5-2 раза больше времени инкубационного периода процесса коррозии, устанавливаемого из специальных опытов при соответствующей температуре. За величину, характеризующую коррозионную долговечность покрытий, принимался интервал времени от начала испытания образцов в корро-зионно-активной среде до момента полного разрушения хотя бы на одном участке поверхности.

Определение термоусталостной прочности покрытия, нанесенного на определенный основной материал, осуществлялась на корсетных образцах по методике, разработанной в АО НПО ЦКТИ, в вакууме при термоциклическом нагружении с наблюдением за поверхностью образцов в течение всего периода испытания вплоть до его разрушения. Особенностью методики является наблюдение за структурой композита "покрытие-основной металл", в котором образуются микротрещины. Критерием пригодности покрытия принято соотношение, при котором в условиях заданного цикла испытания число циклов до образования

трещин в покрытии превышает число циклов до образования трещин в основном металле.

Для исследования структуры и состава покрытий использовали методы оптической и электронной микроскопии, рентгено-спектраль-ного микроанализа, рентгеновской дифрактометрии, фазового физико-химического анализа.

Вопросы оптимизации покрытий по износостойкости оценивались по методике, разработанной в ИПМАШ РАН, применительно к трению при высоких давлениях со смазкой. Существующая методика была доработана применительно к исследованию износостойкости тонкослойных покрытий. Были предложены новые расчетные соотношения.

В связи с тем, что ионно-плазменное нанесение покрытий является многофакторным процессом, для решения задач оптимизации параметров процесса использовался метод математического планирования активного эксперимента. Целью планирования является нахождение аналитической зависимости, описывающей изучаемое явление, т.е. построение математической модели, или нахождение такого режима изучаемого процесса, при котором какой-либо его параметр принимает наиболее выгодное значение (оптимизация). Общим методом решения задач синтеза, рациональных по тому или иному критерию технологических процессов, носящих оптимизационный характер, является поиск, организованный в соответствии со специальным алгоритмом. В общем случае схема эксперимента представлена объектом исследования, характеризуемым функцией цеди, на который воздействуют варьируемые факторы, неизменные факторы и случайные факторы. На основе априорной информации о технологическом процессе оцениваются границы изменения факторов, учитывая при этом'общую постановку задачи исследования и принципиальные ограничения. Выбирается интервал варьирования, как правило максимально возможный. Для адекватности описания объекта используется нелинейная полиномиальная модель. Оценка коэффициентов уравнения регрессии выполняется методом наименьших квадратов или методом максимального правдоподобия. Выбор плана эксперимента для модели должен проводиться с учетом критерия его оптимальности. Проверка воспроизводимости опытов осуществляется путем оценки однородности дисперсий по различным статистическим критериям.

Пятая глава посвящена анализу результатов воздействия потоков металлической плазмы на поверхность твердого тела , свойствам покрытий, структурно-фазовым превращениям в покрытиях. Исследования выполнены применительно к чистым металлам, материалам, полученным на основе плазмо-химического синтеза (нитриды, карбиды, оксиды), многокомпонентным сплавам типа МеСгА1У и другим.

В связи с тем, что свойства покрытий в значительной степени зависят от теплового режима поверхности при их нанесении, проанализирована тепловая задача на основе мощности, выделяющейся на обрабатываемой поверхности с учетом осаждения ионов. Этот анализ важен, как для режима ионной очистки, так и для режима нанесения.

Температура подложки в режиме распыления определялась, как экспериментально, с использованием термопары, гак и теоретически ив расчета баланса мощности. В литературе практически отсутствуют данные по температурной зависимости скорости распыления материалов. Так, например, для титана получена резковыраженная температурная зависимость скорости распыления. Процесс распыления начинается только при температурах подложки выше некоторого критического значения. При температуре ниже этого значения процесс распыления (при исследуемом напряжении 1000 В) сменялся конденсацией покрытия. Проведенные исследования показали, что температура подложки оказывает существенное влияние на топографию поверхности. Рост температуры подложки приводит к уменьшению количества капельной фазы на ее поверхности. Однако, время обработки существенного влияния на топографию поверхности охлаждаемых образцов не оказывало. Полученные результаты позволили сделать заключение, что на процесс ионной очистки поверхности титана оказывает влияние газовая среда (азот, кислород, аргон, остаточные газы), в которой осуществляется процесс. Показано,что в режиме ионной очистки распыление поверхности подложки имеет место лишь при давлении газовой среды в вакуумной камере менее 1-10 ~2 Па. При больших давлениях на поверхности подложки происходит рост покрытия.

Представляют интерес состав и свойства покрытий, образующихся за счет протекания плазмохимических реакций в режиме ионной очистки. Сравнивались покрытия оксида титана, полученные при плавающем потенциале и постоянном потенциале 1000 В. Определен состав, структура и скорость осаждения формируемых покрытий. Покры-

тие, полученное при плавающем потенциале подложки, имеет структуру анатаза. При этом поверхность покрытия рыхлая и шероховатая. При потенциале подложки 1000 В полученное покрытие соответствует структуре рутила. Поверхность покрытия плотная и гладкая. Таким образом, показана возможность формирования покрытий оксидов вакуумно-дуговой технологией в среде кислорода при высоких потенциалах, и возможность управления с помощью данного потенциала структурой оксидного покрытия.

Особенности формирования покрытий на основе чистых металлов рассмотрены применительно к областям, в которых технология вакуумно- дугового нанесения пока не наша широкого применения при высоких ее потенциальных возможностях. Так, антиэмиссионные и газопоглотительные свойства изучались на примере титана и циркония. Возможность управления шероховатостью и сплошностью покрытий при обеспечении высокой их чистоты открывает широкие возможности технологии вакуумно-дугового нанесения. Показано, что газопоглотительная способность подчиняется угловому распределению микрокапельной фракции продуктов эрозии испаряемого материала. В связи с этим исследовано угловое и недостаточно изученное временное распределение микрокапель различного размера. Управлением микрокапельной фракцией можно изменять газопоглотительные свойства материалов покрытий. На способ нанесения газопоглотительных покрытий получено авторское свидетельство на изобретение. Эта впервые обнаруженная особенность была использована при нанесении антиэмиссионных и газопоглотительных покрытий на электроды генераторных ламп средней и большой мощности, таких как ГУ-35Б, ГУ-88А, ГУ-94А, ГУ-104А, СГЛ типа "Касандра" и других. Технологический процесс нанесения данных покрытий внедрен в серийное производство на промышленном предприятии.

В качестве жаростойких износостойких покрытий прессформ для получения оптической керамики использованы покрытия на основе вольфрама и молибдена. При этом показана возможность отказаться от дополнительной финишной обработки поверхности керамики, если при нанесении покрытия использован сепаратор от микрокапельной фракции. Для некоторых прессформ применялся сепаратор на основе магнитного плазмовода, разработанного для равномерного нанесения покрытий на крупногабаритные изделия сложной формы. При этом по-

казано, что свойства полученных изделий (шероховатость поверхности,' коэффициенты пропускания и поглощения) незначительно отличаются от эталонных значений.

Более сложная задача - нанесение покрытий на диэлектрические поверхности решалась при их формировании на ультразвуковые линии задержки. Задача является многофакторной, поэтому для решения использован метод планирования эксперимента. В качестве целевой функции выбрана адгезия покрытия к основе. Основными факторами, влияющими на адгезию, являются параметры, характеризующие работу вакуумно-дугового испарителя, которые в свою очередь определяют параметры плазмы: ток дугового разряда; напряжение смещения, подводимое к подложке; время обработки поверхности; расстояние от катода до подложки; угол ориентации поверхности подложки по отношению к вектору скорости плазменного потока. В качестве новой, не описанной ранее в литературе, является зависимость адгезионной прочности покрытия от напряжения смещения, подводимого к диэлектрической подложке. Эта зависимость имеет максимум, обусловленный тепловыми процессами. Полученные результаты значений факторов вычислительного эксперимента незначительно отличаются от результатов натурного эксперимента. Результаты данных исследований позволили оптимизировать процесс нанесения металлических покрытий на диэлектрические поверхности.

Метод математического планирования эксперимента был также использован при формировании покрытий за счет реакций плазмохими-ческого синтеза на основе нитрида титана применительно к упрочнению режущего инструмента. В качестве основных варьируемых факторов выбраны: ток дуги испарителя; опорное напряжение; давление реакционного газа; время осаждения покрытия; ток фокусирующей катушки. Организованный по принятому плану эксперимент позволил составить адекватное описание исследуемых явлений процесса вакуумно- дугового нанесения покрытий и области рациональных по различным критериям значений входных факторов. Разработанный технологический процесс внедрен на промышленном предприятии.

Исследованы также особенности формирования и свойства покрытий на основе карбида титана. Полученные результаты также позволили рекомендовать разработанную технологию для внедрения на промышленном предприятии.

Анализ условий формирования и исследование свойств покрытий на основе многокомпонентных материалов рассмотрены для класса материалов, используемых для антикоррозионной защиты поверхности при высокой температуре. В качестве таких материалов изучались преимущественно системы типа МеСгА1У и некоторые другие, применяемые, например, для защиты лопаток стационарных энергетических газовых турбин.

Показано, что скорость роста покрытия и его элементный состав зависят от скорости генерации плазмы материала покрытия и энергии ионов, осаждающихся на поверхности. Исследования показали, что в режиме осаждения напряжение на изделиях не должно превышать 20 В, так как повышение потенциала приводит к значительному снижению скорости нанесения покрытия и отклонению химического состава покрытия от состава испаряемого сплава. Изменение элементного состава особенно существенно для алюминия. Кроме того, обнаружена зависимость химического состава покрытия от угла расположения подложек по отношению к эродируемой плоскости катода. Для покрытий СоСгА1У, чем меньше угол, тем больше содержание алюминия и меньше хрома в покрытии. Металлографически в покрытии выявлены различные фазы, которые отличаются содержанием алюминия и хрома. Одна фаза имеет состав, близкий к составу испаряемого материала. В более темной фазе химический состав значительнее отличается от состава испаряемого материала. Светлая фаза является частью покрытия, сформированной за счет микрокапельной фракции. Термический отжиг покрытия приводит к сглаживанию различий между указанными фазами.

Показана возможность с помощью торцевых вакуумно-дуговых испарителей наносить покрытия высокого качества толщиной 100 мкм и более. Формируемые покрытия СоСгА1У (Рис. 3) имеют однородную структуру по всей толщине, незначительное содержание микродефектов и характеризуются высотой адгезией к основе даже без термической обработки. Фазовый состав покрытия определяется режимом термической обработки после его нанесения (см. таблицу). Микротвердость покрытий находится на уровне 400-600 кгс/мм2.

Отмечено, что качество вакуумно-дуговых покрытий зависит от характера движения изделий внутри вакуумной камеры, и в первую очередь это сказывается на количестве микродефектов в покрытии,

Рис. 3 Микроструктура покрытия СоСгА1У.

Таблица

Влияние термической обработки на фазовый состав покрытий СоСгА1У

NN Режимы термической обработки Фазовый состав

пп

1 Без термообработки е,г,б

2 820°С - 15ч в, т,б

3 1030°С - 4ч т

4 1030°С - 4ч 900°С - 8ч

5 1030°С - 4ч + 900°С - 8ч + 850°С - 15ч е

6 1030°С - 1ч + 820°С - 15ч е,((т))

его пористости и температуре изделия. Для расчета температуры подложи с учетом ее планетарного движения предложена формула, учитывающая измеренное распределение ионного тока в вакуумной камере и экспериментально определенное значение температуры неподвижной подложки на минимально удаленном расстоянии от катода. При этом получено и выражение, позволяющее рассчитать ток дугового разряда, необходимый для поддержания температуры подложки на заданном уровне. Это необходимо, в первую очередь, для того чтобы в процессе нанесения покрытий температура подложки не превышала температуру ее фазовых переходов.

Проведенная оптимизация формирования покрытий СоСгА1У позволила разработать технологический процесс вакуумно-дугового нанесения коррозионностойких покрытий на крупногабаритные лопатки энергетических газовых турбин, отличающийся высокими показателями ресурсо- и материалосбережения, экологической чистотой и низкой себестоимостью получаемых покрытий. Кроме того, данный метод, в отличие от известных, позволяет значительно расширить номенклатуру используемых материалов покрытий. В подтверждение этому был выполнен комплекс исследований по нанесению в качестве коррозионностойких покрытий перспективной системы ШСгШ, затруднительной для нанесения используемыми в настоящее время другими технологиями.

Относительно невысокая и регулируемая температура изделий в процессе нанесения покрытий при высокой их адгезии позволили в определенных случаях исключить операции диффузионного отжига и восстановительной термической обработки лопаток с покрытиями, обязательных для других технологических процессов. Это подтверждено аттестационными испытаниями, выполненными в АО НПО ЦКТИ и АО ЛМЗ, а также эксплуатационными испытаниями лопаток с покрытиями в промышленных условиях на ГРЭС N3 Мосэнерго и Ивановской ГРЭС. В процессе нанесения покрытий температура лопаток не превышала 700°С (в режиме ионной очистки), что не привело к изменению свойств основного металла. Кроме того, было показано, что традиционно проводимая термическая обработка лопаток с покрытиями незначительно влияет на коррозионную стойкость вакуумно-дуговых покрытий по сравнению со стойкостью покрытий без термообработки.

Наличие режима ионной очистки позволяет использовать вакуум-

но-дуговую технологию не только для целей нанесения новых покрытий, но и для стравливания старых путем распыления поверхности псдлслки конным потоком.

Необходимым требованием к процессу травления являются его высокая производительность, дешевизна и доступность катодных материалов. Применительно к задаче восстановления покрытий на лопатках газовых турбин, отработавших свой срок службы, был исследован ряд материалов.

Проведено измерение скоростей распыления антикоррозионных покрытий СоСгА1У, №СгШ и сплава ЭИ - 893, применяемого для изготовления лопаток турбин. Показано, что использование титановой плазмы обеспечивает необходимую скорость распыления покрытий при минимальном отношении скоростей распыления материала лопатки и материала покрытия. Последнее обстоятельство позволяет избежать сильного растравливания лопатки в местах нарушения сплошности покрытия.

Дополнительным аргументом в пользу выбора титана в качестве материала для распыления выработавших ресурс покрытий является возможность формирования антидиффузионного барьерного слоя Ш непосредственно сразу после удаления старого покрытия. Как известно из литературы, использование тонкого слоя Ш, нанесенного на лопатку, позволяет повысить срок службы основного антикоррозионного покрытия.

Показано, что использование режима ионной очистки позволяет производить распыление СоСгА1У и ШСгШ покрытий, применяемых для защиты лопаток турбин, обычно имеющих толщину порядка 100мкм.

Одно из основных преимуществ предложенного метода удаления старого покрытия заключается в том, что на полученную атомно -чистую поверхность лопатки, без открывания вакуумной камеры, возможно нанесение нового антикоррозионного покрытия. Таким образом, исключается окислительное действие открытой атмосферы на поверхность лопатки после удаления старого покрытия.

На основе полученных результатов разработана вакуумно-дуговая ремонтно-восстановительная технология лопаток с отработавшими покрытиями. По этой технологии была восстановлена партия рабочих лопаток газовой турбины ГТ-100 с электронно-лучевыми покрытиями СоСгА1У. Толщина удаляемого слоя была различной на различных

участках поверхности и составляла 50-80 мкм. После удаления электронно-лучевого покрытия было нанесено вакуумно-дуговое покрытие CoCrAlY толщиной около 100 мкм. Восстановленные лопатки прошли аттестационные испытания и были установлены для дальнейшего использования на ГРЭС N3 Мосэнерго.

Применительно к высокотемпературным коррозионностойким покрытиям выполнен термодинамический анализ возможных химических реакций газового травления оксидов различных элементов в хлорид-но-сульфидной среде. Показано, что оксид кремния является наиболее универсальным оксидом для эксплуатации в газовых средах, содержащих серу и хлор, в интервале рабочих температур 923-1023 К, а для более высоких температур следует использовать покрытия из сплавов с высоким содержанием хрома. В зависимости от давления окружающей среды, состава газовой фазы, температуры эксплуатации возможно использование системы сопряженных оксидов AI2O3, 510г, СГ2О3, Y2O3. Установлены критические температуры разъедания оксидных покрытий.

Рассмотрены возможности и некоторые особенности формирования вакуумно-дуговых теплозащитных покрытий на основе ггОг-УгОз толщиной около 50 мкм применительно к лопаткам газовых турбин. В исходном состоянии после нанесения покрытия керамический слой имел кубическую модификацию структуры с незначительным содержанием тетрагональной структуры. Незначительное наличие пористости в керамическом покрытии обусловлено содержанием микрокапельной фракции в продуктах испаренного материала. Существенное влияние на свойства керамического покрытия оказывает давление реакционного газа. Испытания на термоусталость по мягкому и жесткому циклам подтвердили высокую адгезию керамического покрытия к металлическому слою CoCrAlY. Несмотря на образование трещин в покрытии отслоений его не наблюдалось. Высокая адгезия керамического покрытия подтверждена и при аттестации покрытий по методике, основанной на изгибе на 90° плоского образца с покрытием.

Исследования структуры и фазового состава основного металла лопатки после нанесения вакуумно-дуговых покрытий с помощью методов оптической металлографии, рентгеноспектрального микроанализа и рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии показали, что величина зерна, фазовый состав границ зерен, размер и плот-

ность распределения г'-фазы соответствуют состоянию до нанесения покрытия.

Применение различных методов нанесения покрытий и, особенно, в одном технологическом цикле, открывает уникальную возможность еще более повысить долговечность и надежность материалов деталей и узлов. Любой метод нанесения имеет свои преимущества и недостатки, что и обусловливает использование того или иного метода для конкретного назначения. Применительно к лопаткам энергетических газовых турбин предложено использование комбинированных защитных покрытий- электронно-лучевых и вакуумно-дуговых. Показана возможность зашиты электронно-лучевых покрытий, нанесением на них вакуумно-дуговых покрытий, что в конечном итоге способствовало повышению срока службы изделий. При этом в качестве вакуумно-ду-гового покрытия использовалась система МСгОТ! (Рис. 4а), которая наносилась , как на однослойное электронно-лучевое покрытие СоС-гА1У (Рис. 46), так и на многослойное с внешним керамическим слоем (Рис. 4в). Исследования показали высокие эксплуатационные свойства сформированной системы и отсутствие влияния условий нанесения вакуумно-дугового покрытия на слои, полученные электронно-лучевой технологией, и основной металл. Для указанных систем рассмотрен характер распространения микротрещин в покрытиях при различных режимах термоциклических испытаний (Рис. 5).

На базе разработанной имплантационно-напылительной установки рассмотрены некоторые технологические возможности комбинированного процесса модифицирования поверхности инструментальной стали. При обработке инструмента из стали Р6М5 сначала имплантацией ионов азота с энергией 40 кэВ, дозой 1017 см"2, а затем нанесением покрытия из нитрида титана стойкость инструмента повысилась в 3-5 раз. Эффект модифицирования поверхности проявляется наиболее сильно при высоких скоростях резания, что открывает широкие возможности для увеличения скорости операций с использованием данного инструмента.

Выполненный расчет технико-экономической эффективности вакуумно-дугового технологического процесса применительно к нанесению коррозионностойких покрытий на лопатки стационарных энергетических газовых турбин показал, что себестоимость покрытий в 2-5 раз ниже себестоимости аналогичных электронно-лучевых покрытий.

а)

б)

в)

шсгт

Сплав

№СгШ

СоСгАП

я Сплав

№Сг\Ш

гг02+У20з

СоСгА1У

Рис. 4 Микроструктуры покрытия (а)

и комбинированных покрытий (б,в).

Термоусталостные трещины в комбинированной покрытии при испытании по режиму

150 = 850°С

Трещин в покрытая нет.

Трещины пересекают слои №Сг¥П, 2гОг, СоСгА1У з тормозятся в слое СоСгА1У.

Трещины пересекают все слои покрытия и тормозятся на границе с основным металлом.

Рис. 5

Лестая глава посвящена разработанному оборудованию и методике расчета вакуумно-дуговых испарителей.

Методика расчета вакуумно-дугового испарителя, в основном катода и анода, основана на анализе мощности, выделяющейся на электродах, с учетом их энергетического состояния. При этом должно выполняться условие стабильности зажигания и горения дугового разряда.

Для нанесения многослойных покрытий на крупногабаритные изделия разработана и изготовлена специализированная высокопроизводительная вакуумно-дуговая установка "Дуга-90". Основным назначением установки является нанесение защитных многослойных покрытий на лопатки энергетических газовых турбин высотой до 600 мм, однако, она может быть использована и для любых других целей, как установка типа "Булат". Она может работать в промышленных условиях самостоятельно или в составе линии для одновременного нанесения покрытий на партию лопаток, количество которых в одну загрузку ограничивается объемом вакуумной камеры и размерами самих лопаток. На вакуумной камере размером 1000-1150 мм в два яруса установлено 8 торцевых вакуумно-дуговых испарителей. Вакуумная камера снабжена планетарным механизмом, позволяющим располагать изделия в два ряда по высоте. Для контроля технологических параметров установка снабжена устройствами для измерения скорости нанесения покрытий и контроля температуры в процессе нанесения на основе инфракрасного пирометра типа "Смотрич-1-3-03Б". Существенным достоинством установки является наличие щелевых ионных газовых источников. Возможность использования испарителей с катодами разных материалов позволяет наносить многослойные покрытия. Установка предназначена и для нанесения керамических покрытий. Равномерность нанесения покрытий на изделия больших размеров обеспечивается оптимальным расположением испарителей и возможностью управления плазменными потоками. Конструкция ионного газового источника обеспечивает равномерный ленточный ионный пучек практически по всей высоте вакуумной камеры. Это способствует равномерной очистке поверхности изделий и повышению качества покрытия. По своим техническим параметрам и технологическим возможностям установка превосходит существующие аналогичные установки. Конструкторская документация на установку принадлежит ИПМАШ РАН.

На базе серийно выпускаемой установки ВУ-1БМ с двумя вакуум-но-дуговыми испарителями в верхней части вакуумной камеры разработана имплантационно-напылительная установка. В качества источника газовых ионов использован дуоплазматрон с холодным катодом , который установлен на место одного из испарителей. Дуоплазматрон позволяет формировать пучки диаметром до 10 см с током до 50 мА и энергией до 40 кэВ при токе разряда до 500 мА и расходе газа 60 см3/час. На данный источник получено авторское свидетельство на изобретение. Он отличается высокой энергетической эффективностью, газовой экономичностью, большой плотностью тока эмиссии, высокой яркостью формируемого пучка. Исследованы характеристики дуоплазматрона и оптимизированы технологические режимы его работы. На данной установке возможна поочередная и совместная работа двух источников- газовых и металлических ионов. Проведен ряд исследований по повышению прочностных и структурных характеристик поверхности инструментальных сталей ионной имплантацией азота, а также по ионному перемешиванию при нанесении покрытий нитрида титана.

тот

Проведенный комплекс исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. Предложена методология направленного формирования свойств поверхностных слоев изделий ускоренными потоками металлической плазмы, основанная на взаимосогласованном рассмотрении процессов испарения наносимого материала, транспортировки продуктов эрозии и осаждении их на поверхности твердого тела, тепловых процессов на испаряемом материале и на подложке, а также параметров плазменного потока.

2. Определены основные закономерности модифицирования поверхности твердого тела в режиме ионной очистки, учитывающие температуру катода, состав, пространственное и временное распределение генерируемых продуктов эрозии, температуру подложки и давление газовой среды для различных материалов. Полученные зависимости позволяют управлять процессом распыления поверхности, учитывая размеры обрабатываемых изделий и длительность процесса.

3. Установлено, что равномерностью толщины покрытия, наноси-

мого из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда, можно управлять, изменяя пространственную конфигурацию магнитного поля в области модифицируемой поверхности. Предложена математическая модель и разработаны принципы электромагнитного управления плазменными потоками для формирования покрытий с заданной равномерностью по толщине.

4. Разработана математическая модель и получены аналитические выражения, описывающие проникновение плазменного потока в цилиндрические полости и определяющие неравномерность толщины покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра, в том числе с учетом обтекания плазменным потоком преград.

5. Для определения скорости потока металлической плазмы- одного из основных факторов, определяющих структуру и свойства покрытий, разработана математическая модель и получены аналитические выражения, основанные на методике измерения параметров плазмы с помощью одиночного цилиндрического электростатического зонда.

6. Показана возможность управления толщиной покрытий использованием компрессионных слоев, возникающих в плазменном потоке перед препятствием на его пути. Обнаруженные компрессионные области имеют сравнительно небольшую протяженность и на расстоянии 3-4 см от поверхности препятствия практически не наблюдаются.

7. Разработана математическая модель теплового режима металлического стержня, эродируемого под воздействием вакуумно-дугового разряда. На основе полученных математических выражений предложены способы стабилизации температуры катода испарителя, обеспечивающие стабильность свойств и воспроизводимость формируемых покрытий.

8. Для упрощенной физической модели установлена корреляционная связь между тепловым режимом изделия, находящегося в ускоренном потоке металлической плазмы, и технологическими параметрами обработки, в том числе и с учетом планетарного движения.

9. Для различных материалов покрытий - чистых металлов, многокомпонентных материалов, соединений типа нитриды, карбиды, оксиды обнаружены новые свойства, обусловленные особенностями технологии вакуумно-дугового нанесения. Для газопоглотительных материалов, типа титан и цирконий, установлена взаимосвязь их газопоглотительной способности и углового распределения микрокапель-

ной фракции, генерируемой испаряемым катодом. Для покрытий из И в режиме ионной очистки показана связь между микрорельефом поверхности и температурой подложки. Рост температуры подложки приводит к уменьшению количества капельной фракции на ее поверхности вплоть до практически полного исчезновения. На примере оксида титана показана возможность управления структурными свойствами покрытий путем изменения режимов их нанесения. Обнаружена не исследованная ранее возможность формирования структуры, соответствующей структуре рутила. Показаны некоторые особенности изнашивания покрытий НС при больших и малых нагрузках. Для покрытий типа СоСгА1У показаны фазовые превращения, связанные с режимами термической обработки.

10. Определены кинетические закономерности полиморфного превращения в металлическом покрытии СоСгА1У. Показано влияние на температуру полиморфного превращения режима термической обработки. Установлено, что влияние полиморфного превращения на коррозионную стойкость покрытий СоСгА1У.

Определены условия возникновения и развития трещин в защитных металлических СоСгА1У, ШСгОТ! и металлокерамических СоСгА1У-2г02/У20з покрытиях в процессе воздействия термоциклических нагрузок.

Проведенные исследования показали преимущества вакуумно-дуговой технологии нанесения защитных покрытий на крупногабаритные лопатки стационарных энергетических газовых турбин по сравнению с другими технологиями. К их числу относятся: широкая номенклатура используемых материалов покрытий; высокая энергия плазменного потока обеспечивает получение высокой прочности сцепления покрытий с основным металлом, что в определенных условиях исключает операцию диффузионного отжига; относительно невысокая и и регулируемая в процессе нанесения покрытия температура изделия, что дает возможность отказаться от проведения восстановительной термической обработки; высокий коэффициент использования испаряемого материала; низкие энергозатраты на испарение; низкая себестоимость покрытий; простота оборудования. Отмеченные преимущества подтверждены аттестационными испытаниями покрытий и промышленными испытаниями турбинных лопаток с покрытиями.

11. На основе выполненных исследований разработан ряд высо-

коэффективных технологических процессов, внедренных на промышленных предприятиях. Среди них можно отметить- технология вакуум-но-дугового нанесения коррозионностойких и теплозащитных покрытии на крупногабаритные лопатки стационарных энергетических газовых турбин; ремонтно-восстановительная вакуумно-дуговая технология лопаток газовых турбин; технология нанесения антиэмиссионных и газопоглотительных покрытий на электроды мощных генераторных приборов; технология нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и другие.

12. Разработана и изготовлена специализированная высокоэффективная установка вакуумно-дугового нанесения многослойных покрытий на крупногабаритные лопатки энергетических газовых турбин, которая может быть использована в промышленном производстве.

На базе серийно выпускаемой установки разработана импланта-ционно-напылительная установка.

Разработана методика расчета вакуумно-дуговых испарителей. Разработаны, изготовлены и исследованы вакуумно-дуговые источники плазмы с дополнительными магнитными системами, некоторые из которых защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ШЕ ДЖСЕРТАЩЮННОЙ РАБОТЫ

1. И.В.Буров, В.П.Валуев, В.Г.Кузнецов, С.А.Леонтьев, И.С.Поли-панов, А.И.Рыбников, А.А.Соломатников. Повышение надежности турбинных лопаток методом вакуумно-дугового нанесения покрытий// Сварочное производство.- 5(726) май 1995, с. 13-16.

2. S.A.Leontiev, V.S.Kuznetsov, A.I.Rybnikov, I.V.Burov. Structure and propertles protective coatlngs produced by vacuum arc déposition// Surface and Coatings Technology.- 76-77(1995).-p. 41-46.

3. Кузнецов В.Г. Вакуумные ионно-плазменные технологические процессы и оборудование для нанесения покрытий на детали машин и режущий инструмент// Проблемы износостойкости и надежности машин: Сб. научн. тр./ ИПМАШ РАН.- Санкт-Петербург, 1992, с. 53-56.

4. Z.Celinski, W.G.Kuzniecoww, O.G.Pieskow, J.Bujak, K.Miernik, J.Smolik, J.Walkonricz. Lukowo-prozniowe zrodlo reaktywney do wyt-warzania warstw TiN oraz TiAlN.- Radom, Polska: MCNEMT, 1990. -31 p.

5. V.G.Kuznetsov. A plasma influence upon a surface of a complicated profile// Influence of production engineering on state of the surface layer.- Gorzow Wlkp.-Lubniewice, Poland, 1996, p. 305-309.

6. Булатов В.П., Гинзбург Б.M., Козырев Ю.П., Красный В.А., Кузнецов В.Г., Седакова Е.Б. Влияние режимов вакуумно-дугового напыления на износостойкость карбидно-титановых покрытий// Трение и износ.- 1994.- Т. 15.- N 6.- С. 1009-1013.

7. A.c. N 1529765, МКИ С23С14/32. Устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных цилиндрических изделий / Абрамов И.С., Быстрое Ю.А., Вильдгрубе В.Г., Кузнецов В.Г., Лисенков A.A. Заявка N 4327353. Приоритет изобретения 16.11.87. Зарегистрировано в ГРИ СССР 15.08.89.

8. A.c. N 1511739, МКИ H01j7/18. Способ вакуумно-дугового нанесения титановых покрытий / Абрамов И.С., Боярина М.Ф., Вильдгрубе В.Г., Кузнецов В.Г., Лисенков A.A. Заявка N 4368420. Приоритет изобретения 18.01.88. Зарегистрировано в ГРИ 03.01.90.

9. A.c. N 1552688, МКИ С23С14/32. Способ нанесения покрытий в вакууме / Абрамов И.С., Быстров Ю.А., Вильдгрубе В.Г., Кузнецов В.Г., Лисенков A.A. Заявка Я 4380130. Приоритет изобретения 21.12.87. Зарегистрировано в ГРИ СССР 22.11.89.

10. A.c. N 1676386, МКИ Н01527/10. Источник ионов дуоплазматрон-ного типа / Барченко В.Т., Гиниятулин Р.П., Заграничный С.Н., Кузнецов В.Г., Никифоров В.Н. Заявка N 4762453. Приоритет изобретения 28.11.89. Зарегистрировано в ГРИ СССР 08.05.91.

11. Кузнецов В.Г., Рыбников С.И., Буров И.В., Левин А.Е., Рыбников А.И., Канатов A.A. Особенности технологии вакуумно-дугового нанесения многокомпонентных покрытий// Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин: Сб. научн. тр./ Изд. МАИ.- Москва, 1991, с. 5-6.

12. Валуев В.П., Иванов С.И., Кузнецов В.Г., Валуев A.B. Термодинамический. анализ процессов коррозионного разрушения покрытий системы CoCrAlY // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Сб. научн. тр./ Коммунар.- Запорожье, 1992, с. 163-164.

13. Кузнецов В.Г., Рыбников С.И., Федоров В.И. О равномерности нанесения покрытий с помощью вакуумно-дуговых испарителей // Из-

вестия ЛЭТИ: Сб. научн. тр.- Л., 1990.- Вып. 419.- С. 39-44.

14. В.Г.Кузнецов, С.А.Кукушкин, И.С.Полипанов. Современное состояние и перспективы развития технологии вакуумно-дугового нанесения покрытий// Препринт ЙПМАШ РАН N 105, Санкт-Петербург, 1994, с. 7-14.

15. A.I.Rybnikov, V.G.Kuznetsov, S.A.Leontiev, I.V.Burov. Structure and properties of protective coatings produced by vacuum arc deposition// Le Vide: science-technique et application.- N 275.1995.- P. 462-466.

16. Абрамов И.С., Вильдгрубе В.Г., Кузнецов В.Г., Лисенков А.А., Петрова М.Б. Равномерность толщины покрытий, наносимых на внутреннюю поверхность цилиндрической полости с помощью плазменного ускорителя// Специальная электроника.- Сер. 4/ Электровакуумные и газоразрядные приборы.- 1986 г.- Вып.1.- С. 61-63.

17. Абрамов И.С., Вильдгрубе В.Г., Кузнецов В.Г. О производительности процесса нанесения покрытий с помощью вакуумно-дугового разряда// Межвуз. сб.: Вакуумная и плазменная электроника.- Рязань: РРТИ.- 1986.- С. 26-29.

18. Абрамов И.С., Вильдгрубе В.Г., Кузнецов .Г., Лисенков А.А. О производительности процесса нанесения покрытий с помощью вакуумно-дугового разряда// В кн.: Электронное приборостроение. Новосибирск." Наука.- 1988.- С. 44-45.

19. Абрамов И.С., Вильдгрубе В.Г., Кузнецов .Г., Лисенков А.А. Применение вакуумно-дугового разряда для нанесения покрытий на сетки генераторных ламп// В кн.: Электронное приборостроение. Новосибирск.- Наука.- 1988.- С. 55-56.

20. Абрамов И.С., Кузнецов .Г., Лисенков А.А. Нанесение покрытий на звукопровод ультразвуковых линий задержки// Труды XXII Всесоюзной конференции "Перспективы развития техники радиовещательного приема, радиовещания, звукоусиления и акустики".- Ленинград.-1988.- С. 207.

21. Кузнецов .Г., Лисенков А.А., Песков О.Г. Вакуумно-дуговое нанесение покрытии на изделия сложной формы// Труды XXII Всесоюзной конференции "Перспективы развития техники радиовещательного приема, радиовещания, звукоусиления и акустики".- Ленинград.- 1988.-С. 208.

22. И.С.Абрамов, В.Г.Кузнецов, А.А.Лисенков. Определение скорости

направленного движения заряженных частиц в плазме// Электронные приборы: Сб. научн. тр./ РРТИ.- Рязань.- 1988.- С. 67-70.

23. Баликоев И.С., Барченко В.Т..Заграничный С.Н., Кузнецов В.Г., Песков О.Г. Ионные источники для модифицирования поверхностного слоя материалов.- В кн.: Радиационная физика твердого тела. Минск: БелНИИНТИ.- 1989.- С. 88-89.

24. Зеленская Н.В., Кузнецов В.Г..Песков О.Г., Сиваков А.Л. Ваку-умно-дуговой многокатодный генератор плазмы// Генераторы низкотемпературной плазмы: Сб. научн. тр./ Наука,- Новосибирск.-1989.Т. 1.- С. 65-66.

25. Кузнецов В.Г., Окишев В.Г., Рыбников С.И., Тестов O.A. Исследование свойств карбида циркония, полученного методом вакуум-но-дугового нанесения// Генераторы низкотемпературной плазмы: Сб. научн. тр./ Наука.- Новосибирск.- 1989.- Т. 2.- С. 367-368.

26. Кузнецов В.Г., Песков О.Г., Уголков В.Л. Свойства износостойких покрытий, полученных технологией вакуумно-дугового нанесения. Beitrage zur. 10 Tagung. Hochvakuum, Grenzflachen/ Dunne Schichten. Band II.- Drezden.- 1990.- P. 197-198.

27. Кузнецов В.Г., Рыбников С.И., Барченко В.Т., Заграничный С.Н. Имплантационно-напылительная установка// Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента: Сб. научн. тр./Информэлектро.- Москва, 1988, с. 97-98.

28. Кузнецов В.Г., Рыбников С.И., Буров И.В., Левин А.Е., Рыбников А.И. Свойства покрытий, полученных технологией вакуумно-дугового нанесения из многокомпонентных сплавов// Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин: Сб. научн. тр./ Изд. МАИ.- Москва, 1991, с. 4.

29. Kuznetsov V., Rybnikov А.I., Getsov L.B.. High-temperature protektive coatings application by vacuum arc procedures and methods of their certification / Actual problems of modern materials science. First Russian-Chinese symposium. Moscow - Tomsk, 1992, p. 155.

30. A.I.Rybnikov, V.G.Kuznetsov, A.A.Tchizhik, A.S.Osyka, A.E.Levin. High-temperature coatings prodused by vacuum arc deposition/ Plasma Processes. 9th International Colloquium. Antibes-Juan-Les-Pins. France, 1993, p. 382-384.

31. В.П.Валуев, С.И.Иванов, В.Г.Кузнецов, В.А.Березин. Особенности высокотемпературной коррозии защитных покрытий в оксидно-хло-ридно-сульфидных средах// Доклады международного семинара "Газотермическое напыление в промышенности-93".- С-Пб, 1993, с. 146-147.

32. Кузнецов В.Г., ййников А.И., Леонтьев С.А., Валуев В.П., Буров И.В., Соломатников А.А. Защитные покрытия для лопаток газовых турбин, сформированные технологией вакуумно-дугового нанесения// Доклады международной конференции "Напыление и покрытия-95".-С-Пб, 1995, с. 94-97.

33. S.A.Leontiev, V.G.Kuznetsov, A.I.Rybnikov, I.V.Burov.Structure and properties protective coatings produced by vacuum arc deposition// International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films.- San Diego, Californnia, 1995, p. 86.

34. Буров И.В., Валуев В.П., Кузнецов В.Г., Валуева Т.В. Высокотемпературная коррозия Co-Cr-Al-Y покрытий в продуктах сгорания тяжелых топлив// Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделии: Сб. научн. тр./ ЗГТУ.- Запорожье, 1995, ч.1, с. 46-47.

35. V.G.Kuznetsov. Features of coatings on gas turbine blades// Influence of production engineering on state of the surface layer.- Gorzo* Wlkp.-Lubniewice, Poland, 1996, p. 378-382.

36. Буров И.В., Валуева Т.В., Кузнецов В.Г. Получение плазменных покрытий с высоким сопротивлением высокотемпературной хлорид-но-сульфидно-оксидной коррозии// Второе собрание металловедов России: Сб. научн. тр./ ВДНТП.- Пенза, 1994, с. 64-66.

37. V.G.Kuznetsov, I.V.Burov. Reserch into processes of sputtering of multicomponent corrosion-proof materials by using of plasma of vacuum-arc discharge// Book of Abstracts second international conference MPSL'96.- Sumy, 1996, p. 43-44.

38. И.В.Буров, В.П.Валуев, В.Г.Кузнецов, Е.В.Лысенко, С.И.Рыбников, В.Н.Шаронов. Получение плазменных антиэмиссионных покрытий на сетках мощных генераторных ламп//Доклады международного семинара "Газотермическое напыление в промышленности-93".- С-Пб.-1993.- С. 146-147.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА.

1.1 Физические процессы при вакуумно-дуговом распылении металлов и сплавов в вакууме и среде различных газов.

1.2 Методы диагностики плазмы дугового разряда.

1.3 Конструктивные особенности вакуумно-дуговых испарителей и систем транспортировки плазменных потоков.

1.4 Свойства покрытий при вакуумно-дуговом распылении металлов в вакууме и атмосфере различных газов.

1.5 Промышленное оборудование и перспективы дальнейшего использования вакуумно-дуговых покрытий.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ШТОКОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ.

2.1 Определение скорости плазменного потока с помощью одиночного цилиндрического зонда.

2.2 Тепловой режим катода в вакуумной дуге.

2.3 Влияние температуры испаряемого материала на параметры плазменного потока и свойства покрытий

2.4 Отклонение потока металлической плазмы в магнитном поле.

ГЛАВА 3. МЕХАНИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ

С ПОВЕРХНОСТЬЮ СЛОЕНОЙ ФОРМЫ.

3.1 Особенности нанесения покрытии на внутренние стенки цилиндрической полости.

3.2 Взаимодействие потока металлической плазмы с проводящим барьером.

3.3 Равномерность нанесения покрытий.

3.4 Нанесение покрытий на крупногабаритные изделия.

3.5 Электромагнитное управление процессом формирования покрытий.

3.6 Нанесение покрытий на труднодоступные участки поверхности изделий.

3.7 Производительность процесса нанесения покрытий.

ГЛАВА 4. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЗАЩИТНЫХ

ПОКРЫТИЙ» И МЕТОДИКИ АТТЕСТАЦИИ ПОКРЫТИЙ.

4.1 Коррозионная стойкость.

4.2 Термическая усталость.

4.3 Методики определения сопротивления деформированию и пластичности.

4.4 Методика определения стабильности покрытия.

4.5 Методика определения износостойкости покрытия.

4.6 Методика оценки показателей качества покрытий.

ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОТОКОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ.

5.1 Тепловой режим поверхности при нанесении покрытий.

- 5.2 Особенности формирования и свойства покрытий на основе чистых металлов.

5.3 Покрытия,, сформированные при использовании реакций плазмохимического синтеза материалов.

5.4 Особенности формирования многокомпонентных покрытий.

5.4.1 Требования, предъявляемые к покрытиям.

5.4.2 Ионное травление поверхности твердого тела.

5.4.3 Структура и свойства покрытий.

5.4.4 Коррозионная стойкость покрытий.—

5.4.5 Термоциклическая прочность покрытий.

5.5 Термодинамический анализ процессов коррозионного разрушения покрытий системы СоСгА1У.

5.6 Модифицирование поверхности твердого тела комбинированными процессами.

5.6.1 Комбинированные электронно-лучевые и вакуумно-дуговые покрытия.

5.6.2 Имплантационно-напылительный процесс модифицирования материалов.

ГЛАВА 6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАКУЖНО-ДУГОВОГО НАНЕСЕНИЯ

ПОКРЫТИЙ.

6.1 Вакуумная установка "Дуга-90".

6.2 Имплантационно- напылите ль ная установка.

6.3 Методика расчета вакуумно-дуговых испарителей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный комплекс исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. Предложена методология направленного формирования свойств поверхностных слоев изделий ускоренными потоками металлической плазмы. основанная на взаимосогласованном рассмотрении процессов испарения наносимого материала, транспортировки продуктов зрозии и осаждении их на поверхности твердого тела, тепловых процессов на испаряемом материале и на подложке, а также параметров плазменного потока.

2. Определены основные закономерности модифицирования поверхности твердого тела в режиме ионной очистки, учитывающие температуру катода, состав, пространственное и временное распределение генерируемых продуктов эрозии, температуру подложки и давление газовой среды для различных материалов. Полученные зависимости позволяют управлять процессом распыления поверхности, учитывая размеры обрабатываемых изделий и длительность процесса.

3. Установлено, что равномерностью толщины покрытия, наносимого из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда, можно управлять, изменяя пространственную конфигурацию магнитного поля в области модифицируемой поверхности. Предложена математическая модель и разработаны принципы электромагнитного управления плазменными потоками для формирования покрытий с заданной равномерностью по толщине,

4. Разработана математическая модель и получены аналитические выражения, описывающие проникновение плазменного потока в пи. линдрические полости и определяющие неравномерность толщины покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра, в том числе учетом обтекания плазменным потоком преград, л тля определения скорости потока металлической плазмы- от-ч ir i i ri m 11 и» ЦП' i' и'о , pi m in и nuil i у \ it тва шло

1 е i 1 ri -скал молель и получены аналитические выражений, основанные на - - * -- , н о i i ОМОЩЬ Л ОД и н олн ore В ИЛИ НЛр:

- I » 1-1 > I I, I 1 II и i I I I I I ll/j полалле i 1 ^ ^L Fм -(i i i |i i г лт л п плоп я Tí .''í'B ийм на. ето пути, оонлглженвые комнпооожлнрт1 г;о~" лао-л имело етивнптелвно нроольлую протяженность и на олоотттнврл го рлвоедо, па основе додучЛййьШ матема^мресклл вьдлео-лтш оседлолевы ллллоы (лРлзшГйБРШй температуры катода лслрллтлрл. оллрт-. плвапоме стабильность свойств и восурошвод:шостд тшщ^мт

ПОРЛЬ^ТТр. v\'W И hi W !-. : ' - i : i- : г

Hr' И 1 il I -f >- \ и режиме ионной, очистки показана свянь между микрорельефом по

-еехности и температурой подложки. Рост температуры подложки нри. водит к уменьшению количества капельной ок » > < ь- . ы .вплоть до практически полного исиевновени-тана показана возможности управления структурными свойствами 1К> коытий путем изменения режимов их нанесения. Обнаружена, не доданная ранее возможность формирования с * 'М < , . лей стриктуре рутила. Показаны некоторые покрытий ТО.'; при больших и малых нагрузках. Идя покрытии типа ОоОгАИ показаны фазовые . ^ . . леской обработки.

10. Определены кинетические закономерности полиморфного превращения в металлическом покрытии СоСгАГУ. Показано влияние на. температуру полиморфного превращения режима термической обработки. Установлено, что влияние полиморфного превращения на коррозионную стойкость покрытий СоСгАХУ несущественно.

Определены условия возникновения и развития треш.ип в защитных металлических ОоигА! 1 / ОоОгА!У-ОгОп/УдОз покрытиях в ких н-ч'м'. |.'нни. исследования показали преимуществ повой технологии нанесения защитных покрытш лопатки статюнаоных энергетических газовых другими технологиями. 0 их числу относятся: широкая номенкладуен используемых материалов покрытий: высокая энергия плазменного потока обеспечивает получение высокой прочности сцепления покрытий с основным металлом, что в определенных условиях исключает операцию диохтв/знойного отжига: относительно невысокая и и регулируемая в процессе нанесения покрытия температура изделия, ито дает возможность отказаться от проведения восстановительной термической обработки: высокий коэффициент использования испаряемого матеоиа-ла; низкие энергозатраты на испарение; низкая себестоимость покрытий; простота оборудования, Отмеченные преимущества подтверждены аттестационными испытаниями покрытий и промышленными -л-ями турбинных лопаток с покрытиями,

1.1, На основе выполненных исследований разработан ряд высич рч-ни^ технологических процессов, внедренных на промышлен. ных предприятиях. Среди них можно отметить- технология вакуум но-дугового нанесения коррозионноотойких и теплозащитных покрытий на крупногабаритные лопатки стационарных энергетических газовых турбин; ремонтно-восстановительная вакуумно-дуговая технология лопаток газовых турбин; технология нанесения антиэмиссионных и газопоглотительных покрытий на электроды мощных боров; технология нанесения износостойких покрытии на режущий инструмент и другие, вх, Разработана и изготовлена специализированная высокоэффективная установка вакуумно-дугового нанесения многослойных покрытий на крупногабаритные лопатки энергетических газовых турбин, которая может быть использована в промышленном производстве.

На базе серийно выпускаемой установки разработана импланта-ционно-нанылителъная установка.

Разработана методика расчета вакуумно-дуговых испарителей, разработаныизготовлены и исследованы вакуумно-дуговые источники плазмы с дополнительными магнитными системами, некоторые из которых защищены авторскими свидетельствами на изобретения,

1. Бабат-Захряпин А.А. Кузнецов Г.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде// М.: Атомиздат.- i978.

2. Гришин О.д. лесков Л.В. Козлов H.IL плазменные ускорители/7 М. ; Машиностроение.- 1983.

3. Васин А.й., Дороднов A.M. Петросов В.А, 0 существовании вакуумной дуги с распределенным разрядом на расходуемом катоде//Письма в 1979,- Т.о.- Вып.24,- 0,1.499-1504.

4. Острецов ИЛ В., Петросов В.А. Поротников A.A. и др. Свойства контакта металл плазма// ШТФ.- 1974. N б. 0.162-164.

5. Поротников A.A. Петросов В.А., Острецов Ю. прпессы// В кн= I Плазменные ускорители,- Под ред. Минск: Наука и техника,- 1974,- 0.289-200,

6. Раховский В.й. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме// М.: Наука,- 1970,

7. Вакуумные дуги/ Под ред, Лашферти, М.: Мир.-1982,

8. Fu Y.H./ /.Pays. D: ÂpuL Paya 1.989,- VP 22,- P. 94.14. дороднов aj, Некоторые применения нлавменных ускорителей в технологии// В кн.: Физика и применение плазменных ускорителей.-минск: Наука и техника,- 1974, 0.880-885.

9. Дороднов A.M. Технологические плазменные ускорители и. их промышленное применение// В кн.: Плазменные энергетические установ

10. Таллина фивических величин. Справочник/Под ред. И.К.Кикоина.

11. Катодные процессы,- В кн.: Вакуумные дуги/ Под ред. . M.: Мир. 1.982.- и. 153-210. A.M. Технологические плазменные ускорители// 1Р1а 1981,- Т. 51.- Вып. 8,- 0. 504-524.

12. Аксенов ЮР . Паданка ВЛР;. Хороших В.М. Формирование потоков металлической плазмы// Обзор.- М.: ЦНШатоминформ,- 1984.

13. Пустовойтенко AJ!., Панфилов 0.А.цветков Юла Расчет испарения частно, с учетом разреженности среды// ФХОМ, 1979.- M 4.

14. Лицмн Ю.В. Нанесение покрытий в вакууме// Вита: Зинатне. 1.986.- С. 112.

15. Демиденко И.й., домино Н.С., Овчаренко В.д. и др.- 1Тф.1у84.-Том 54.- N В.- Ca 1534.28. гаванский В. Л., Коейндель Ю.Е. Оне НАМ. и др/У Теплофизика высоких температур.- 1987. Том 25.- М р.- С. 88Ü.

16. Аксенов И.И. Беень В.Г., Паданка В Ли и др. источники и ускорители плазмы// Харьков: 1988.- Вып.7.- С. 97.8ü. Szerae R.N. f Münz., iironet N.G. J.Phys. B: Aopa Pnvs. 1988.-У. 21, P. 909.

17. Аксенов И.й. Коновалов И.И. Паданка В Ли и лр/ Физика плаз.мы. 1985.- Том 11.- Вып. да- 0. 1373.

18. Миронов О.Н. К определению сил, действующих на стационарные холловские ускорители плазмы,- 1ТФ. 1974, т. 44. вып. 3. с. 525035.

19. Острецов PL И. Стационарное электромагнитное ускорение плазмы во внешнем магнитном поле// В кна Плазменные ускорители. Ма Машиностроение. 1973.- 0. 120.125.

20. Андреев Ю.Н. Андронова Т.М., Вовой A.M. и др. Электродуговое распыление металлов и сплавов в вакууме: Обзор.- Рига: ЛатНИИНаВ 1982.- 45 с.

21. ЖундаА.В,, Веретин М.й. Андреев Ю.Н. и др. 4-я научно-тех-ннческая конференция "Вакуумные покрытия-87!в Тезисы докладов. -Часть 1,- Рита: 1987,- С, 111,

22. Осипов В,А,, Падалка В,т. и др. Установка для нанесения покрытий осаждением ионов, и* плазмы вакуумной дупну Поибооы и техника эксперимента,- 1978, N 6, с. 178-175.

23. Карпов Д.А., Потехин С.Д. Способы магнитной докаливании катонных пятен вакуумной дуги, и конструкции электродуговых испарителей. Препринт НЙИЭФА. Ленинград, 1982.

24. Аксенов й,й,, Белоус В, А. Устройство м • - • -умной дуги от макрочастиц,- Приборы и техника эксперимента, 1978. и о, с. 230'-887,

25. Саблев ЛлП : Атаманский H.H. и др./ A.C. N 26öl28 (СССР). ВН. N 1.2, 1981.

26. КунинЛ.А., Клюев В.Н. и др./ Ала N 1038381 (СССР), БМ , Н 12, 1983,51. дороднов А,У. и др./ A.C. N 528386 (СССР), Бй, N 34. 1.876.

27. Аршавский В,К., Лапшин В,А,/ А.и. П (СССР), BMf N 46,

28. Андреев К). Н. и др./ A.C. N901358 (СССР)г ВИ5 N4,

29. Аксенов И.И. Смирнов С.А, газоразрядные коммутаторы низкого давления,- П7Э, 1972, N 3; о, 269.

30. Саблев Л.П.г долотов Ю.Н. Гольдмер ЕЛ8 и др. Электродуговой сорбционный электровакуумный агрегат БЭд-1. В кн: Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика и техника высокого) вакуума.; 1973, вып. 1 (1а с, 21-29.

31. Кесаев ИЛ8. Катодные процессы электрической дуги, м,: Наука, 1968.

32. Саблев ЛЛП, Долотов Ю.К., Ступак Р.Й., Осипов В,а. Электродуговой испаритель металлов с магнитным удержанием катодного пят.на,- ПТЭ, 1976. Н 4, с. 247-249.58. .Аксенов й.й,, Брень В.Г., Падэлка В.Г. и др./ А,С. 8 1040631. (СССР), Бй, N 38, 1933,

33. Григоров А.М1 Технология автомобилестроения. 1978. N6.- caul

34. Насекин А.Ф. Берман Сан , Жмутько В.Ф. и ли. Цветная металлургия, 1988.- 8.80.

35. Установка HHB-6.6-I1. Проспект с выставки "Научно-технический прогресс-855 У Информэлектро. 1985.

36. Randhawa M. , .Johnson P. Cunningham Р. 18 Vac. Bol. Тесала. А. 1988.- VI 6(8) .-Р. 2186.

37. Вакуумни технологии. Титан 14. Титан 24. Инстадаши за нане-сяне на покрития чрез ионно-плазмено изпараване въе вакуума-Проспект: Болгария, Русе, 1990.

38. Program ал. Abstracts of International Conference on Metallurgical Coatings aid Thin Films.- San Diego. California, April 24-28, 19уо, Ш p.

39. Davis W.D., Miller HaB J. Appl. Phvs. 1969,- V. 40.- P.2212.

40. Аксенов M.И. Украинский физический журнала 1979.- Том 2с. N 4.- О. 5т5.

41. Андронова Т.м. Нанесение покрытий в вакууме.- Рига: Зинатне. 1986,- 0. 70.

42. БудиловВ.В., Мельников 0.А., Асадулина P.M./ Оптимизация технологических процессов по критериямтематический сборник. Аниалиооный институт им. С.Орджоникидзе.-Уфа: 1987.- 0, 42.

43. Норихида Нисида и др. Киндзоку Хемаи гидзюкут i960. У. Ovo1. N 7.- Р. 340,

44. Schiller S. f Helsigu,, Neumann М. Vakuuin-Tecnnik, 1988, У. On, н 0.-- н, 00,

45. Boelens S., vent,гор H. Surface and Coating Technology, 19870 V, 33.- P, 63.

46. Вовси A.M. Кашпур НПО., Раюевиц С.10 Нанесение покрытий в вакууме.- Рига: Зинатне. 1980,- 0. 077

47. Ягодкин КОД,, Терентьева B.C. Жаростойкие покрытия/ийтоги науки и техники/Сер.- металловедение и термическая обработка,- Т. 25,- 1991,- М.- 0, 183-204,.

48. Тамарин Ю.А. -- п и диффузионные покрытия лопаток ГТУ,- М.: машиностроение, 1978.- 130 с.

49. Wittmer M.; Watson La J. Yaa Sea TechnoL } 1985, A.- V. 3, N 4.- P. 1797.85. tempi era G., Poitevira j ovi. Thin Solid Films. 1984.- V. 1.- P. 339.

50. Sundgren j.E,, Johansoo wBa над.son 9.3. Thin Solid Films, 198a- V. 105. P. 307.87. worstrem H., iwgren j., Wikiaai P. vacuum. 1985.- V. 3d.- N 100- P. 547.

51. Busher JOB, Ackermann V.P. Busher F.W, Thin Solid Films. 1984.- V. 122.- P. 63.

52. Ranhava H. J. Yao. 3ci. TechnoL 1989.- V. ?0- N 3.- P.2340. ^ ^ • ' Геиките В.К., Лигшн Ю.В. Защитно-декоративные» и . - , Обзор,- Рига.: ЛатНМмНш, 1984. 01 с, « » » - " аЗ., Харитонов В.В. Вакуумная метамиза-jf м - л а Химия, 1987.-- 147 с.

53. Randhava В., Johnson P. Surface aid Coatings lechnoi.- 1987,.-V0 31.- N4.- P. 308.

54. Randhava H. Johnson P. Metal. 1 Finishing1. 1.988, N 9.- P= 19.

55. Randhava H.} Johnson P., Cunningham R. J. Vac. Sci. Techno .a A. 1988.- V. 0(3a- P. 2130.

56. Randhava H. Surface aid Coating Technology. 1988.- V. 80,-P, 820.

57. УВ-1.02, Проспект СКВ BIL- Рига. 1990,

58. Sanders О.м. j. Vac. Sci. TechnoL 1988,- V. 0,- P. 1829.98. wittmer M., H. Thin Solid Films. 1982.- V.Bia

59. Miller A. Banks D. J. Yao. Sci. TechnoL A. 19850- V P. 2303.

60. Takeshi Aravap Yosni.ro Oaaraki, Susumi Hioki e.a. Phvs. ana

61. C;hem. Small Clatters. Froc. NATO adv. Res, workshop and int.

62. Абрамов 17П, росли направленного дв:ронные приборы: Межвуз. сб. научн. тр. Рязань: С. 67-70.

63. Промышленные установки злектоодугового нагрева и их парамет ры 7 Под ред. л.Е.Никольского.- Ml: Энергия, 1977- 272 с,

64. Juttner В. Cathode mating by vacuum arcs: a. curvev Be itr. P'lasmaphvsiс: 1982? v. 22? N c,. 4o8-462,

65. Тепловые нсонесоы при плавке нерасходуемым электродом / Попел, Л Никольского.- М.: Энергия. 1972,- 272 с. ш. Волохонский л.а. Вакуумные дуговые печи.- Мл Энеегоатоммз-далр 1985. с. 94-99.

66. Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и электровакуумные приборы,- М,л Советское радиоf 197о, с. 194-207,1 ! 'Л. НР'КМЧЬ£ЯЫ£~ ПИ.ЛЬНО^О-ШНв !'Т.1ГЯ.Я'?у^вКНьР УГСРПОИ(1Фк.-'i \А j/T'x

67. К д; НО. Ж^^Ki ('V йО1/ПЛ hxi-IKs 'ОМ-НнЬуР*Х'ЖМК'И * I )i')hj iff ) ,4 1 н Й О И ){ Н I/. КН I -Н f хЛ II Н71 ц н K*'T' i')(1 и И МГ^И И И j/l v'j '4 П(1 н vl К-И ' ' ^ И /'выи, 8(269).

68. Технология тонких пленок (справочник) /X Пол ред. Л.Майссе-ла, Р.Глента.- М,: Сов, радио. 1977, тл1.

69. Sipund P. Theory of sputtering' // Phys, Rev.- 1969,- VI154,- rx 88x,

70. Зигмунд II, Распыление ионной бомбоодировкойу общие теоретические представления // Распыление твердых тел ионной оомборди-ровкой, Выи. 1,- м,; Мир, 1984,- С. 23-98.

71. Зигмунд и. Механизмы и теория Физического распыления // Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел, М,; Мир, 1989,- С, 46-87.

72. Гусева М,м,, Мартыненко Ю.В пление материалов ионами нл .О'х Г\ Не"' /X Физика плазмы,- Т. 2,- С, 593.

73. A linen On, Bruo С, /X Nucl. mstr, Methods.- 1.961,- V. Ц.-Р, 297,

74. Ли.! pe.'¿i, л.майссела, Р.Глэнга; Pep. иод ред. М.И.Влинсона,аВГОСмотко, . м. i Сов. радио, 1977. Toi. 664 с.

75. Таблиц,ы физических величин. Справочник/ Под. сед. акад. М.К.Кикоина. ~ Ма Атомиздат. 1976.- 1003 с.я электродиь и ионизационные процессы в дув и при атмосферном давлении.- Окна Экснериментшшные исследования плазмотронов/ Под.- ЗОо с.

76. Кузнецов В.Г. Лиеевлов А,А,: ш покрытий, наносимых на .внутреннюю поверхность цилиндрической полости с помощью плазменного ускорителя,- Специальная электроника, сер. 4, Злектровакуумные и газоразрядные приборы, 1980 г. выпоа с. 61-63.

77. A.c. N - * < * . * , - — - i ". Г . Г и I . .J- -r t - «лий / Абрамов й t • i* v - - i e ВЛ7 . Кузнецов В.ja :

78. Абрамов й.С. f Вилъдгрубе R. «о-чип .и. . ччнв Применение вакуумно-дугового раг^ т ' т. 7 н- > • »• сетки генераторный ламп.- Вкн,.: Электронное приборостроение. Новосибирск: Наука, 1988, с. 00-00.

79. Кузнецов В.Г. Окишев В ли .Рыбников иди, Тестов O.a. Исследование свойств карбида циркония, полученного методом вакуумно- дугового i ч - / генераторы низкотемпер. < - Со. научн,. тр./ В < < ^ восибирск, 1989, т. 0, с

80. Оецов 10 рманА.З., Рыбников AJÍ,, и др. Методы аттестации жар , * покрытий для лопаток газовых турбин, и/ Методические реакемендатши ГК CCOS по стандартам. 1 редакция. -1989. -71 с.

81. Гецов П.Б,, детали газовых турбин. /7 J0: Машиностоооение,. -i960. -090 с,.

82. Никитин В.И. Коррозия и зашита лопаток газовых турбин.// Л.: Маииностооение. -1987. УлУ с,149., вышин А СМ. Структура, прочность и пли- " ,н жаропрочных сталей а енлачов. применяемых • • ч . . * рулостиоенйе. ~iS7X, -Вор с,

83. Приланнев М.В. жаропрочные стареющие сплавы, /У М,: луогйя. -1973. -183 сл.

84. Современные жаростойкие материалы: Справочник /Пол. ред. Мровеца 0В Бербера 18 -Мл Металлургия. -I960. -300 с. 158. Симе ч. Хагель В, t шые сплавы. /./ М.: ч -1976,. -568 с.

85. Химушин ол#. Жаропрочные стали и сплавы. /У М.: я -1909. -749 с.164, Коломынев П/1. Разевая коррозия и прочность никелевых сплавов. УУМ.; металлургия. -1984, -815 с.

86. Chatleiyi D. f McKee D.W.; Romeo Са Гее effects of lead op the not corrosion of nickel базе alloys. // ,1. Elect. Boca. -1975. -ШВ .M 7. -p.941-958.

87. Gowara G.W. low-temperature hot-corrosion in gas turbines: a. review of causes and coatings therefore. // lurbomaeh. Пнл-УллУ -n 6-6. p.24-26.167,, eutnra, К.L. f Le Blanc O.H. Low-temperature hot corrosion of

88. У v • ' i .and Eng.- 1987.-87.

89. Films. -1999. -M E. -0.881-888.

90. Wood G,C8 r Fountain 116.; Stoff F.H. 1 > i >ce ofainminizea coatings on a directional!у so 1 < » eute.tic alloy. -Oxid Met. -1980. -14. -M 1. -p.42-68.

91. Багееман A.3. Бутанов Г.А., Белов А.и. и ли. Методика и результаты исследования сопротивления разрушению сплава 11393 (ХН65 ВИТЮ) в условиях постоянно обновляющейся агрессивной среды./i/ Об. Вши им.акад. А. И.Крылова, -1989. -вып.473. -р,80-л7,

92. Завод, лаб, -1988. -54. -М 2, -с.65-66.

93. Яковчук К.Ю., Озеряный Д.Н.f Семенов Г.Р., Малашенко М.Сл Разрушение конденсационных покрытий металл-керамика при теемоиик.1. ОООлюп, электоометаллупгии.1989," N 4.

94. Г NASA Geranio thermal-barrier coatings ^ . // Thin Solid Films,. • • -64,-hk. 6,6i, Cornparaiave тегша! fatigue resis-se sureratj.ovs ano the role от oo.лиоовани'й. // шобл, -с alo-68,

95. Líebert C.H. for gas turbine-O, 339-83л.iri, Sauthaian A.j. 1.ííOO O" i П " •veriay i « // 1 " . -1980. -78, -N 8,173, Stranpan T6E,, Hook ins S,w, Thermal fatigue of coated superal i oys, 6/Amero Сеганн Soc. Bul!, -1976, -55. -N 8, -p. 804-8376

96. Stranpai Т.Е. Thermal Strain-Tolerant Abraaable Thermal barrier Boatings, /7 trans, ASME, -1993, -114, -84,- p. 864-867,

97. Wu B83 f Chang E,, Cnang S,, Chao C. thermal cyclic response of vtfcria-stabilized zirconia/'CoHlCrAiY thermal barrier

98. In in Solid Films. -1989, -M 2. -p .185-196,.

99. В- Влияние режимов вакуумно-дутовот налывопия н « нотоикость карбид но-титановых покрытий// иизнос,- ¡7 15.- n 6.- и. 1009-1013.

100. Таблицы планов ► и«- >ив ню^ т\ \ к1 «инн и ысдамимьннлмоделей (Справочноегия, 1уон. тив: с.100, ч I > ' 1 1 , Грановский ^ ' ■ '>>римен ! " i ч условии, м,; Наука. 1.900, 300 (и

101. Ш. Романиков Ю. 0, методы нланировд' . - * , ~ ~ - - - ат0м.изта.т; 1978? 080 о.т-1'д-т 10.1. Элементы динамики поток"-, * V- М.: Атомна' . ' ' Г''

102. Остроухое Н, И. Суворов а, н,. Температурный режим подложки при имнульсно-периодической обработке в вакууме// Электронная обработка материалов,.- 1990.- М 0.- 0. 00-09.

103. Корнилов M.M. Титан, м.: Валка, 1988.- 310 с.

104. A.c. N 1811739. MKI Hui;i7/18, Способ вакуумно-дугового нанесения титановых покрытий / Абрамов И .С. Боярина млл, Бильдгруое 8,ТС, Кузнецов В.В., лисенков A.A. Заявка M 4368420, изобретения 18.7)1.88. Зарегистрировано в ГРИ 03,.01,90.

105. Абрамов йаС., Вильдгрубе Б. Г. Кузнецов JB., лисенков A.A. Применение вакуумно-дугового разряда для нанесения покрытий на сетки генераторных ламп.- В кн.: Электронное приборостроение. Новосибирск: Наука, 1988, е. 68-66,

106. Патент США. M 3366271, руг 23-88, опубликован 1.968 г,жления в вакууме.// Зашита металлов.- XIП.- N6.

107. Рольцев В.П. и др. йонно-плазменная технология получения износостойких покрытий//" Минск.- 1987.- С. 4-6.

108. Fi nns, .ip80. -1.1:5. -N 2. -p.3w7--4.00.

109. Brlndiey w„ 7. Miller R,A, TBCs for better engine efficiecy,. 8/ Adv. Mater. & Proc, -1989. -188, issue 2, -H 8. -p7::9-88, 826. wortn i В.A. Duderstadt E.G. Thermal Barrier

110. Coatings i na // Mater. 5ci. ano Eng.-1989,-Al87-p. 433-440.

111. V'ogan J,w,. Hsu L. Stetson A.R. Thermal barr> 11 ¡ tor thermal insulations and corrosion resistance ingas turbine engines. /7 Thin Solid Films, -1981. -84, -M :ы-р,71o Д .

112. Вяа. Термические константы веществ, Таблицы принятых значений/'/' ivn : АН ииСНа ВяНйИ. 1974.- Выпуск /а ■ Ч. 1978,- Выпуск 8.Ч, 1,

113. Кузнецов В Л а , ü.M., Барченко В 818.53авраничныи 8. Н.а —,-< «, -1».- -, , - ) * л t- - у -г.мическое оборудование для поверхностного упт^ч- п.ц. гт-пм/! w.^"-и инструмента: Со. научн, те./Мнптюмнлектоо."- Москва. 1988. с, 97-98.

114. A.c. M 1678986, МКИ 881,127/10, Источник ионов дуоплазматрон.

115. Барченко В, Т., Виниятужн Р.П1. . -,8. ^ „ - ч - - , , - « -< < - ировано в FPI СССР 08.08.91.