Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 55.39 Химическое и нефтяное машиностроение
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
Приведены результаты экспериментов получения многокомпонентных покрытий, обладающих более широким спектром свойств по сравнению с однокомпонентными. Изучены процессы формирования покрытий на основе многокомпонентного сплава Co(18…20 %)-Cr(5…7 %)-Al(0,3…0,4 %)-Y(0,2…0,5). Исследован химический состав покрытия, его толщина, состояние переходной зоны. Приведены результаты рентгенофлюоресцентного и рентгеноспектрального микроанализа получаемых покрытий. Показано, что характер микрорельефа поверхности определяется условиями формирования покрытий, набор химических элементов в покрытии на каждом из образцов аналогичный, концентрация их зависит от условий процесса осаждения, распределение химических элементов по толщине на образцах постоянно, зона диффузии материалов покрытия и подложки практически отсутствует. Выявлено наличие в сформированном покрытии незначительного процентного содержания материала подложки. По мере роста толщины покрытия процентное содержание материала подложки резко уменьшалось.
многокомпонентные покрытия, магнетронные системы, переходной слой, подложка, катод-мишень.
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. Ачимов А.А., И.М. Толмачев, С.Ю. Удовиченко, Исследование жаростойкого диффузионного покрытия на лопатках газотурбинных двигателей из жаропрочного никелевого сплава // Вестник Тюменского государственного университета. 2014. № 7. С. 105-111.
2. Мубояджян С.А., Будиновский С.А, Те-рехова В.В. Ионно-плазменные диффузионные алюминидные покрытия лопаток газовых турбин // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. №1. С. 14-21.
3. Рамазанов А.Н., Бегликчеев П.В. Исследование вакуумного ионно-плазменного покрытия, полученного электродуговым распылением многокомпонентного катода состава TI-AL-ZR-MO // Машиностроение, материаловедение и термическая обработка металлов. 2008. №10.С. 108-112.
4. Тарасенко Ю.П. Физико-механические и коррозионные свойства ионно-плазменных покрытий нитрида титана, полученных при разных парциальных давлениях реакционного газа // Физика и химия обработки материалов. 2006. №4. С. 42-45.
5. Илларионов А.Г., Попов А.А. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та. 2014. 137с.
6. Береснев В.М., Копейкина М.Ю., Кли-менко С.А. Многокомпонентные и многослой-ные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента // Вопросы атомной науки и техники. 2008. №1. С. 152-158.
7. Белецкий В., Киреев В., Князев С., Челапкин Д. Применение вакуумно-плазменных технологий в электронике // Современная электроника. 2002. №2. С. 12- 18.
8. Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологии. Техносфера, 2006. 527с.
9. Мухин В.С., Киреев Р.М., Шехтман С.Р. Технология нанесения вакуумных ионно-плазменных наноструктуированных покрытий Ti-TiN // Вестник УГАТУ. 2011. №15. С. 212- 214.
10. Киреев Р.М. Синтез покрытий из интерметаллида систем Ti-Al конденсацией плазменных потоков, генерируемых вакуумной дугой // Вестник УГАТУ. 2008. №1. С. 96-99.
11. Костюк Г.И., Син Юаньдун, Куринный А.Н. Методика выбора последовательности слоев и подслоев в многослойных покрытиях в зависимости от температурных условий работы // Науково-технічний та громадянський часопис Президії Академії інженерних наук України «Вісті» видавн. АІНУ. 2006. №3. С. 45-58.
