Способ получения покрытий в вакууме

 

Использование: нанесение покрытий испарением и конденсацией в вакууме при производстве композиционных материалов . Сущность изобретения: перед нанесением основного покрытия на металлической подложке формируется адгезионный подслой толщиной 1-5 мкм путем испарения сплава следующего состава, мае. %: A11-20, ферроцерий остальное. Изобретение обеспечивает повышение адгезии покрытия к подложке. 2 табл.

-СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК. Я2 1827399 А1 (51)5 С 23 С 14/24

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) . - Ойi)QÇHAH

ОП ИГРАНИ Е И ЗОБ РЕТЕ НИЯ, :ыа1,.ща внц

ЬИЬЛИОТЕЯД

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

И (21) 4952804/21 (22) 27,05,91 (46) 15.07,93. Бюл. N 26 (71) Институт электросварки им. Е.О, Патона (72) В.И. Ульянов, Б,А. Мовчан, A,cD. Манулик и Е.В, Оноприенко (55) Авторское свидетельство СССР

hh 1491028, кл. С 23 С 14/02, 1989. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В

ВАКУУМЕ

Изобретение касается нанесения покрытий, в частности нанесения покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть применено при производстве композиционных материалов.

Цель изобретения — повышение адгезии покрытия при температуре предварительного подогрева подложки ниже температуры ее рекристаллизации, т. е, получение . высокой адгезии покрытия при сохранении механических свойств подложки.

Металлографическими и рентгеноструктурными исследованиями было установлено, что в этом. случае испаряемый сплав вступает в реакцию с поверхностной пленкой окислов, которая присутствует на каждой металлической подложке. При этом образуется слой кермета, в котором присутствуют как чистые металлы, так и их оксиды.

Тонкий слой такого кермета (1-5 мкм) оказался прекрасным адгезионным подслоем, который значительно повысил адгезию основного покрытия при невысокой температуре подложки. (57) Использование: нанесение покрытий испарением и конденсацией в вакууме при производстве композиционных материалов. Сущность изобретения: перед нанесением основного покрытия на металлической подложке формируется адгеэионный подслой толщиной 1-5 мкм путем испарения сплава следующего состава, мас. $: Al 1-20, ферроцерий остальное. Изобретение обеспечивает повышение адгезии йокрытия к подложке, 2 табл.

Сущность способа заключается в следующем.

Подложку помещают в вакуумную камеру, снабженную двумя испарителями. В один испаритель загружают слиток сплава ферроцерий-алюминий, в другой — материал основного покрытия, Камера вакуумируется, после чего производят предварительный прогрев подложки, Диапазон температур предварительного подогрева ограничен снизу температурой обезгаживания поверхностной пленки окислов и сверху — температурой начала рекристаллиэации материала подложки. Следует также помнить, что при больших скоростях конденсации (в нашем случае 3 — 5 мкм/мин) наблюдается дополнительный разогрев поверхности подложки эа счет выделения скрйтой твйлоты конденсации. Этот дополнительный разогрев может составлять 50-100 С.

Важной характеристикой является толщина адгезионного подслоя. Как показали наши опыты оптимальная толщина находится в пределах 1-5 мкм. При толщине подслоя менее 1 мкм не обеспечивается прочное сцеп1827399 ление между покрытием и основой, поскольку количества осажденного сплава ферроцерий-алюминий оказывается недостаточно для полного связывания пленки оксидов на поВерхности пОДлОжки, При толщине пОДслоя более 5 мкм из-эа существенного раз-. личия коэффициентов теплового линейного расширения подслоя и Основы Возникают значительные термические напряжения на гp8HHge раздела подслой — OGHGB8. 3То приВодит к скалыванию покрытия В целом.

Пример. В качестве подложки использовали нагартованную высокопрочную стальную проволоку марки ВНС вЂ” 9 диаметром 150 мкм с пределом прочности 3600

МПа, Такая проволока применяется в качестве дешевого и доступного упрочнителя при изготовлении композиционных материалов. Задача состояла в том, чтобы нанести на проволоку покрытие, обеспечить его высокую адгезию и не допустить снижение предела прочности проволоки более чем на 10, Проволоку помещали в вакуумную камеру электронно-лучевой установки УЗ вЂ” 173Y, разработанной в Институте электросварки им, Е.О. Патона. Камера снабжена двумя кристаллизаторами, нагревателем проволоки излучательного типа, а также механизмом, обеспечивающим равномерное перемещение проволоки с заданной скоростью. В первый по ходу проволоки кристалл изатор помещали слиток сплава ферроцерий-алюминий, Во второй кристаллизатор загружали материал основного покрытия. В качестве основного покрытия на проволоку наносили следующие материалы: титан, никель, алюминий, диборид титана, карбид кремния и диоксид циркония.

Для сравнения были изготовлены образцы проволоки по прототипу и по авторскому свидетельству М 783361. В этих случаях в первый кристаллизвтор загружался слиток ферроцерия или магния.

В этих опытах все металлические слитки были предварительно переплавлены элекронным лучом в вакууме, а штабики керамики спрессованы и отожжены в Вакууме.

Сплав ферроцерий-алюминий выплавлялся порциями непосредственно в установке

У3-173У, В качестве исходных материалов применяли чистый ал оминий и ферроцерий марки МЦ-40 по TY 48 — 4-280-73. Химический. состав ферроцерия был следующим: (в,ь). Се 52,8; Fe 2,1; Z РЗМ вЂ” 45,1, Порядок работы установки был таковым. Вначале проволока проходит через нагреватель, где за счет излучения вольфрамовых стержней нагревается до заданной температуры (250-350 С). Затем проволока попадает в зону испарения первого испарителя и на нее наносится адгезионный подслой. Далее она проходит во вторую зону испарения, где осаждается основное покрытие, Прочность проволоки определяли на разрывной машине PMY — 0,05 — 1 со скоростью V = 0,1 мм с, база испытаний 50 мм.

-1

Предел прочности каждого образца право10 локи определяли как среднеарифметическую величину не менее,10 определений.

Получены следующие значения: предел прочности проволоки в исходном соСтоянии — 3600 МПа; проволок с. покрытием и

15 температурой подогрева не более 350 С— в пределах 3260-3550 МПа. То есть разупрочнение проволоки не превысило 10ф,, Испытание адгезии покрытий производилось путем навивки проволоки на собственный диаметр, Установлено, что при нанесении магния или ферроцерия в качестве адгезионного подслоя, основное покрытие отслаивалось.

При нанесении подслоя из сплава ферроцерий-алюминий была получена надежная адгезия покрытий как металлических, так и керамических. При испытании проволок с керамическими покрытиями в них появлялись трещины, однако отслаивания не происходило.

Оптимальное содержанИе алюминия в сплаве ферроцерий-алюминий находится. в пределах 1-200/, При отклонении от этих пределов качество адгезии основного по35 крытия заметно ухудшается. Обьясняется это, по-видимому, тем что такой состав сплава близок к эвтектическому сплаву 97 Се — 3 g, Ai, который имеет достаточно низкую температуру плавления (625 С) и высокую

40 реакционную способность. При длительной работе установки требуется подпитка ванны алюминием, так как он имеет более высокую упругость пара, чем остальные компоненты сплава.

45 Как показывают наши опыты, содержание железа в подслое не оказывает решающего влияния на адгезию, Прочность. сцепления основного покрытия с проволокой обеспечивается при довольно широком

50 диапазоне содержаний железа в подслое— от 0 до 50 о.

ПО специальной методике была определена прочность адгезии при испытании на отрыв. При применении предлагаемого адгезионного подслоя прочность составила

70-90 МПа в зависимости от типа покрытия.

Аналогичная величина для покрытия по прототипу была примерно в 3 — 4 раза ниже.

Предлагаемый способ был также проверен при нанесении покрытий наследующие

1827399

Таблица 1

Таблица 2 подложки: стальную сварочную проволоку марки Св — 08Г2С диаметром 1,2 мм. титановую проволоку диаметром 2 мм, медную и молибденовую проволоку диаметром 1 мм, стальную нержавеющуюу ленту размером 5

9 х 0,3 мм, латунную ленту 6 х 0 5 мм, На проволоку ВНС вЂ” 9 наносили также двух- и трехслойные покрытия. Во всех случаях адгеэионный подслой из сплава ферроцерий-. алюминий оказался весьма эффективным. 10

Конкретные технологические режимы при нанесении опытных покрытий были следующими. ускоряющее напряжение во всех случаях было одинаковым - 20 кВ, скорость движения проволоки или ленты -0,5м/мин. 15

Остальные показатели режимов для адгеэионного подслоя приведены в табл. 1, а для основного покрытия — в табл. 2.

Использование предложенного нами способа получения покрытий с высокими 20 адгезионными свойствами позволяет значительно повысить качество композиционных материалов и других иэделий с покрытиями.

Формула изобретения

Способ получения покрытий в вакууме. включающий нагрев металлической подложки до температуры ниже порога рекристаллизации материала подложки и последовательное нанесение адгезионного подслоя и основного покрытия путем испа- . рения исходного материала и осаждения его " паров на подложку, отличающийся тем, что, с целью повышения качества покрытий за счет увеличения их адгезии к подложке, в качестве исходного материала при нанесении адгезионного подслоя используют сплав следующего состава, мас. $:

Алюминий 1-20;

Ферроцерий Остальное,