GRNTI 55.39 Химическое и нефтяное машиностроение
BBK 35 Химическая технология. Химические производства
Results of experiments aimed at obtaining multi-component coatings, having a wider range of properties compared to single-component coatings, are provided. Process of formation of coating based on multi-component alloy Co(18…20 %)-Cr(5…7 %)-Al(0,3…0,4 %)-Y(0,2…0,5)was studied. Chemical composition and thickness of the coating as well as the state of the transition layer were also studied. Results of electron probe and X-ray fluorescence microanalysis of obtained coatings are provided. This paper also demonstrates that the properties of surface microrelief are determined by the conditions of coating formation; that each sample of coating has similar sets of chemical elements, that their concentration depends on precipitation conditions, chemical elements are equally distributed along the thickness of samples, and the diffusion zone of coating materials and substrateis almost non-existent. Low content of substrate material was found in obtained coatings. As coating thickness increased, content of substrate material decreased sharply
multi-component coating, magnetron system, transition layer, substrate, target cathode
Введение. Вопросы формирования многокомпонентных покрытий с заданными характеристиками и регулируемым компонентным составом в научно-технической литературе отражены достаточно широко [1–9]. Для получения качественных прецизионных покрытий используют вакуумные методы распыления материалов [12–14]. В качестве материала покрытий широко применяется сплав типа MeCrAlY, где в качестве основного компонента (Ме) используются кобальт, кобальт+никель, кобальт+хром и т.п.
Методология. Для изучения управляемых процессов формирования покрытий на основе многокомпонентных сплавов был проведен ряд экспериментов по распылению сплава Co (18…20 %)-Cr(5…7%)-Al(0,3…0,4 %)-Y(), на лабораторной установке, схема которой представлена на рис. 1 [15].
Генератор плазмы включал двенадцать катодов-мишеней, изготовленных из распыляемого сплава и расположенных соосно относительно анодов. Все катоды-мишени подключались к одномуили к нескольким источникам питания (схема подключения катодов позволяла вводить дополнительные источники питания к одной или нескольким мишеням).
Формирование покрытия осуществлялось на полированные подложки, изготовленные из меди. Материал подложки выбран отличным от компонентов, составляющих сплав, для облегчения проведения рентгенофлюоресцентного и рентгеноспектрального микроанализа получаемых покрытий.
Рис. 1. Конструктивная схема генератора плазмы
1 – камера, 2- фланцы, 3- магнитопроводы,
4 – соленоиды, 5 – анод, 6 – подложкодержатель,
7 – катодные диски, 8 – источник питания,
9 – распыляемые катоды-мишени
Для проверки возможности управления элементным составом формируемого покрытия в процессе осаждения проведены несколько серий экспериментов:
Серия 1. Формирование покрытия из основного сплава Co-Cr-Al-Y. (образец 1). Для этого 10 катодов-мишеней изготавливали из основного сплава.
Серия 2. К основному сплаву Co-Cr-Al-Y добавляли алюминий. Для этого два катода-мишени, изготовленных из алюминия, дополнительно устанавливали в вакуумную камеру (образец 2).
Серия 3. К основному сплаву Co-Cr-Al-Y дополнительно добавляли алюминий и никель. Для этого устанавливали 10 катодов-мишеней из сплава Co-Cr-Al-Y, один катод-мишень из алюминия, а второй катод-мишень – из никеля (образец 3).
Серия 4. К основному сплаву Co-Cr-Al-Y добавляли алюминий, никель и хром. Для этого устанавливали 9 катодов-мишеней из сплава Co-Cr-Al-Y, один катод-мишень из алюминия, один из никеля и один катод-мишень из хрома (образец 4).
Основная часть. Формирование покрытий проводили при давлении рабочего газа ~0,7 Па и подводимой к разряду электрической мощности 2,2 кВт, при этом на подложкодержатель подавали постоянный положительный потенциал. Величину потенциала подбирали экспериментально из условия обеспечения максимальной скорости осаждения [15]. Перед осаждением покрытия подложки подвергались ионной очистке.
Исследования покрытий проводили на электронном растровом микроскопе JSMT–300 с приставкой для рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) «Phoenix» фирмы EDAX, США. Химический состав поверхности покрытия определяли рентгенофлюоресцентным методом на приборе EX–6500 фирмы BAIR, США.
В результате исследован химический состав покрытия, его толщина, состояние переходной зоны, рельеф поверхности и наличие капельной фазы. Исследование микроструктуры усложнялось тем, что в качестве подложки был использован мягкий материал – медь. При изготовлении микрошлифов удаление меди происходило интенсивней, чем покрытие и на границе с покрытием образовывался уступ, который придавал некоторое искажение при получении микрофотографий.
Из результататов рентгенофлюоресцентного анализа (табл. 1) следует, что набор химических элементов в покрытии на каждом из образцов аналогичен, а концентрация их зависит от условий процесса осаждения и может быть задана в широком диапазоне;
Таблица 1
Химический состав
|
№ образца |
Толщина покрытия, мкм |
Al |
Cr |
Fe |
Co |
Ni |
Ti |
Y |
Zr |
Cu (подложка) |
|
1 |
16 |
6,0 |
19,0 |
8,1 |
50,0 |
1,7 |
10,5 |
0,45 |
1,40 |
2,30 |
|
2 |
20,4 |
36,5 |
13,6 |
5,0 |
33.0 |
0,55 |
6,2 |
0,27 |
0,60 |
3,20 |
|
3 |
27,3 |
21,5 |
8,9 |
2,2 |
25,4 |
36,4 |
3,0 |
0,40 |
0,09 |
0,67 |
|
4 |
33,3 |
22,0 |
16,0 |
2,4 |
14,6 |
40,3 |
3,6 |
0,30 |
0,09 |
0,20 |
Выявлено наличие в сформированном покрытии незначительного процентного содержания материала подложки. По мере роста толщины покрытия процентное содержание материала подложки резко уменьшалось.
В составе покрытий образцов 1,2,3,4 обнаружены посторонние примеси в количестве, масс %: 0,55; 1,08; 1,44; 0, 51, соответственно. Наличие посторонних примесей в покрытии вызвано конструктивными особенностями вакуумного отсека. Так, например, полюса магнитной системы изготовлены из магнитопроводящей стали, а экраны, закрывающие изоляторы – из титана, которые подвергались незначительному распылению.
Так как целью исследования являлось определение возможности получения многокомпонентных покрытий с заданным процентным соотношением компонентов, то наличием примесей в покрытии, в данном случае, можно пренебречь. Однако для получения многокомпонентных покрытий без примесей необходимо осуществлять экранирование конструкционных элементов вакуумного отсека из материалов, составляющих покрытие.
В экспериментах серии 1 скорость осаждения базового покрытия (сплав CoCrAlY) составла 0,8 мкм/ч. Так как в остальных сериях экспериментов добавляли алюминий, никель и хром, то толщина сформированных покрытий больше, чем толщина базового покрытия. Относительно низкая скорость осаждения дополнительных компонентов обусловлена малой площадью катодов-мишеней, изготовленных из добавляемых материалов, относительно площади катодов-мишеней, изготовленных из базового сплава.
Анализ полученных результатов рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) в режиме поточечного линейного сканирования покрытия (рис. 2) на образцах 1–4 позволяет сделать вывод о формировании переходного слоя между подложкой и покрытием.
По результатам рентгеноспектрального микроанализа в режиме поточечного линейного сканирования показано, что химический состав по толщине покрытий постоянный, диффузионная зона практически отсутствует, что обусловлено довольно низкой энергией ионов материала, осаждаемого на подложку (рис. 3–6). Известно, что ширина диффузионной зоны прямопропорциональна температуре подложки, которая зависит от энергии ионов осаждаемого материала и плазмообразующего газа. Для увеличения диффузионной зоны рекомендуется проводить диффузионный отжиг или вести формирование слоя на нагреваемой подложке.
Рис. 2. Линия сканирования электронного зонда
образец 1
образец 2
образец 3
Рис. 3. Распределение химических элементов по толщине покрытий образцов (начало)
образец 4
Рис. 3. Распределение химических элементов по толщине покрытий образцов (окончание)
Выводы. Исследования сформированных многокомпонентных покрытий позволили установить, что: набор химических элементов в покрытии на каждом из образцов аналогичный; массовая концентрация элементов зависит от условий процесса осаждения и может быть задана в широком диапазоне; распределение химических элементов по толщине на образцах постоянное, граница с подложкой отчетлива, зона диффузионного сцепления практически отсутствует; покрытие плотное, без раковин; характер микрорельефа поверхности определяется условиями формирования покрытий.
1. Achimov A.A., I.M. Tolmachev, S.Yu. Udovichenko, Issledovanie zharostoykogo diffuzionnogo pokrytiya na lopatkah gazoturbinnyh dvigateley iz zharoprochnogo nikelevogo splava // Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo universiteta. 2014. № 7. S. 105–111.
2. Muboyadzhyan S.A., Budinovskiy S.A, Te-rehova V.V. Ionno-plazmennye diffuzionnye alyuminidnye pokrytiya lopatok gazovyh turbin // Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2003. №1. S. 14–21.
3. Ramazanov A.N., Beglikcheev P.V. Issledovanie vakuumnogo ionno-plazmennogo pokrytiya, poluchennogo elektrodugovym raspyleniem mnogokomponentnogo katoda sostava TI-AL-ZR-MO // Mashinostroenie, materialovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2008. №10.S. 108–112.
4. Tarasenko Yu.P. Fiziko-mehanicheskie i korrozionnye svoystva ionno-plazmennyh pokrytiy nitrida titana, poluchennyh pri raznyh parcial'nyh davleniyah reakcionnogo gaza // Fizika i himiya obrabotki materialov. 2006. №4. S. 42–45.
5. Illarionov A.G., Popov A.A. Tehnologicheskie i ekspluatacionnye svoystva titanovyh splavov. Ekaterinburg: Izd-vo Ural. un-ta. 2014. 137s.
6. Beresnev V.M., Kopeykina M.Yu., Kli-menko S.A. Mnogokomponentnye i mnogosloy-nye vakuumno-dugovye pokrytiya dlya rezhuschego instrumenta // Voprosy atomnoy nauki i tehniki. 2008. №1. S. 152–158.
7. Beleckiy V., Kireev V., Knyazev S., Chelapkin D. Primenenie vakuumno-plazmennyh tehnologiy v elektronike // Sovremennaya elektronika. 2002. №2. S. 12– 18.
8. Berlin E.V., Seydman L.A. Ionno-plazmennye processy v tonkoplenochnoy tehnologii. Tehnosfera, 2006. 527s.
9. Muhin V.S., Kireev R.M., Shehtman S.R. Tehnologiya naneseniya vakuumnyh ionno-plazmennyh nanostruktuirovannyh pokrytiy Ti-TiN // Vestnik UGATU. 2011. №15. S. 212– 214.
10. Kireev R.M. Sintez pokrytiy iz intermetallida sistem Ti-Al kondensaciey plazmennyh potokov, generiruemyh vakuumnoy dugoy // Vestnik UGATU. 2008. №1. S. 96–99.
11. Kostyuk G.I., Sin Yuan'dun, Kurinnyy A.N. Metodika vybora posledovatel'nosti sloev i podsloev v mnogosloynyh pokrytiyah v zavisimosti ot temperaturnyh usloviy raboty // Naukovo-tehnіchniy ta gromadyans'kiy chasopis Prezidії Akademії іnzhenernih nauk Ukraїni «Vіstі» vidavn. AІNU. 2006. №3. S. 45–58.
