Способ получения покрытий из бериллия

 

Изобретение относится к автоматическому стрелковому оружию. Способ получения покрытий из бериллия основан на электронно-лучевом испарении металла и осаждении его на нагретую металлическую подложку, при этом осаждение ведут при температуре подложки 400-600°С в импульсном режиме испарения, при длительности импульса, равной 1-10с с паузой между импульсами, равной времени кристаллизации жидкой ванны испаряемого металла. Техническим результатом изобретения является повышение физико-механических свойств покрытия.

Изобретение относится к вакуумной металлургии и может быть использовано для получения толстых (до нескольких миллиметров) покрытий и массивных (до нескольких десятков миллиметров) полуфабрикатов из бериллия применительно к изготовлению крупногабаритных металлооптических элементов.

В настоящее время для изготовления таких элементов используются заготовки горячепрессованного порошкового бериллия марки ТШП-56. Однако получение качественной оптической поверхности непосредственно на зеркалах, изготовленных из порошкового бериллия, связано с рядом трудностей, в том числе из-за наличия дефектов в самом материале, например, неметаллических крупных включений и пор.

Один из путей повышения оптических характеристик бериллиевых зеркал заключается в нанесении достаточно толстого (до 2 мм), плотного конструкционного покрытия из бериллия, по которому выполняется окончательная шлифовка и полировка.

Известен способ нанесения покрытий из бериллия методом плазменного напыления (см. Я.В.Дамнар. Бериллий, полученный плазменным распылением с.332-361. В кн.: Бериллий. Наука и технология. Под ред. Вебстера, М.: Металлургия, 624 с.).

К недостаткам данного способа можно отнести низкие механические свойства покрытий за счет интенсивного окисления порошка при распылении в струе, на подложке и высокой пористости - до 10%. Для уменьшения пористости применяется дополнительная технологическая операция спекания или горячее изостатическое прессование. Кроме того, покрытие имеет высокую анизотропию свойств вследствие анизотропии структуры (для конденсата характерна слоистая структура).

Из известных технологических решений наиболее близким по технической сущности является способ получения конденсатов бериллия, включающий электронно-лучевое испарение металла и осаждение на нагретую металлическую подложку (см. W.Wheeler, R.F.Karlah, T.G.Nieh, A.E.Vidoz, Beryllium optical mirrors by vapor deposition, SPIE. vol.306, 1981, р.71-78 Contemporafy Methods of optical Fabrication.

К недостаткам данного способа можно отнести следующее.

При использовании в качестве исходного материала промышленного сорта бериллия марки Б-1 (после вакуумно-индукционной плавки с содержанием кислорода 0,1%) в процессе испарения металла жидкая ванна обогащается окисью бериллия, которая не испаряется с поверхности жидкой ванны, и процесс испарения прекращается через короткое время, т.к. поверхность испарения полностью закрывается ВеО, тем самым препятствуя испарению бериллия. Таким образом, удается получать покрытия толщиной 500-1000 мкм (на неподвижной подложке).

Попытки испарять бериллий из ванны, закрытой окисной пленкой, за счет увеличения мощности электронного луча оказались безуспешными, в связи с интенсивным разбрасыванием вследствие сильного перегрева жидкой ванны, что приводит к образованию на поверхности растущего конденсата дефектов в виде капель и пор, значительно снижающих физико-механические свойства покрытий.

Для дальнейшего ведения процесса испарения необходимо развакуумировать камеру и заменить слиток на новый. Слиток, который использовался для испарения, необходимо проточить для удаления с поверхности зоны, загрязненной окисью бериллия.

Все эти операции значительно снижают производительность процесса.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и повышение как физико-механических свойств, так и производительности процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения покрытий из бериллия, включающем электроннолучевое испарение металла и осаждение на нагретую металлическую подложку, осаждение ведут при температуре 400...650°С при импульсном режиме испарения, причем длительность паузы составляет 3 с, длительность импульса - 1...10 с.

Применение импульсного режима испарения позволяет испарять не только бериллий, но и окись бериллия, что связано с быстрым перегревом окиси бериллия, расположенной в поверхностном слое и ее испарением, а это приводит к кратковременному раскрытию ванны жидкого металла и испарению бериллия. Однако, как установлено экспериментально, длительность импульса не должна превышать 10 с, т.к. жидкая ванна опять закрывается плотной окисной пленкой и процесс испарения прекращается. Длительность паузы выбрана из условия кристаллизации жидкой ванны металла, что дает возможность при каждом последующем импульсе перегреть до необходимой температуры находящуюся на поверхности тонкую пленку окиси бериллия и испарить ее.

Таким образом, данный способ позволяет как угодно долго вести процесс испарения и получать конденсаты толщиной до нескольких десятков миллиметров.

Конденсация паровой фазы на подложке с температурой ниже 400°С не представляет практического интереса, т.к. полученные конденсаты имеют дефектную структуру и соответственно очень низкие физико-механические свойства. Проводить процесс конденсации при температуре подложки выше 650°С нецелесообразно вследствие развития пористости по границам столбчатых кристалликов, приводящей также к снижению физико-механических свойств полученных конденсатов.

Развитие пористости при температуре подложки выше 650°С связано со спецификой конденсации бериллия на растущей поверхности.

Время паузы составляет 3 с - это минимальное время, необходимое для кристаллизации жидкой ванны металла, что дает возможность при импульсном введении электронного луча испарить некоторую часть окиси бериллия с поверхности.

Время импульса не должно превышать 10 с, т.к. дальнейшее увеличение времени импульса приводит к зарастанию ванны жидкого металла окисью бериллия, что и приводит к прекращению процесса испарения.

Реализацию указанного способа осуществляли на электронно-лучевой установке.

В качестве исходных материалов использовались слитки бериллия марки Б-1 после вакуумно-индукционной плавки (содержание кислорода 0,1%).

Испарение осуществляли из двух медных водоохлаждаемых тиглей диаметром 70 мм. Камера, в которой расположены испарительное устройство и подложка, вакуумируется и после достижения давления 1,33·10^-2 ...1,33·10^-3 Па включаются три электронно-лучевых нагревателя - из них два предназначены для испарения бериллия и один для подогрева подложки. После прогрева слитков испаряемых материалов и достижения необходимой температуры подложки (в интервале 400...650°С), включается электронный импульсный регулятор, позволяющий задавать и поддерживать в автоматическом режиме временной интервал паузы и импульсы (испарения). Затем включаются автоматы стабилизации мощности электронного луча, обеспечивающие постоянство температуры подложки в процессе формирования конденсата и скорости испарения бериллия во время импульса независимо от колебаний напряжения в сети. После этого открывается защитный экран, предохраняющий подложку от загрязнений, выделяемых во время начального прогрева слитков бериллия, и начинается процесс формирования конденсата. При получении массивного конденсата (толщиной до нескольких десятков миллиметров) на подложку предварительно наносится разделительный слой из CaF₂, позволяющий после окончания процесса конденсации легко отделить подслой от подложки.

Результаты определения механических свойств, полученных в импульсном режиме испарения конденсатов бериллия при испытании на изгиб, показали, что при оптимальной температуре подложки σ_B=680 Па, σ_0,2=380 Па и угол загиба 20° (после отжига 800°C в течение 1 часа). Максимальные значения механических свойств конденсатов бериллия, полученных при стационарном режиме испарения при таком же значении пластичности, составляют: σ_B=380 Па и σ_0,2=180 Па. Как показали проведенные исследования, столь значительное увеличение прочностных характеристик конденсатов бериллия, полученных при импульсном режиме испарения, по сравнению с конденсатами, полученными в стационарном режиме испарения, связано с тем, что импульсный режим испарения за счет испарения окиси бериллия позволяет получать дисперсно-упрочненный материал, представляющий собой матрицу бериллия с дисперсными включениями окиси бериллия (средний размер частиц составляет 200...500 Å).

Предлагаемым способом были получены:

- покрытия из бериллия толщиной 2 мм на корпусах зеркал, выполненных из бериллия марки ТШП-56. По полученному покрытию выполнена оптическая поверхность с коэффициентом отражения, равным 98,6%. Данный тип изделий используется в высокооблегченных металлооптических системах;

- конструкционные листы толщиной 1...10 мм, которые можно использовать при создании крупногабаритных несущих конструкций телескопов путем сварки или пайки. Следует отметить, что полученные конструкционные листы обладают достаточным уровнем технологической пластичности, хорошей свариваемостью, в отличие от применяемых в настоящее время промышленных сортов бериллия;

- вакуумно-плотная фольга толщиной 50...200 мм, которая широко используется для окон рентгеновских трубок, счетчиков, электронно-оптических устройств и т.д.

Предложенный способ получения покрытий из бериллия может быть использован и для получения массивных полуфабрикатов, он экономически выгоден, экономически оправдан и легко поддается автоматизации.

При применении предложенного способа получения покрытий из бериллия, например, на корпусах крупногабаритных высокооблегченных металлооптических зеркал диаметром ˜1 м производительность процесса увеличивается в 2...4 раза (по сравнению с прототипом), за счет исключения развакуумирования камеры для замены слитков, испарение из которых стало невозможным вследствие зарастания ванны жидкого металла пленкой окиси бериллия, кроме того, исключается потеря дорогостоящего металла за счет торцовки слитков при снятии слоя, обогащенного окисью бериллия.

Испарение в импульсном режиме позволяет также повысить скорость испарения (по сравнению с прототипом) с 25...30 мкм/мин до 60 мкм/мин.

Формула изобретения

Способ получения покрытий из бериллия, основанный на электронно-лучевом испарении металла и осаждении его на нагретую металлическую подложку, отличающийся тем, что, с целью повышения физико-механических свойств покрытия и производительности процесса, осаждение ведут при температуре подложки 400÷650°С в импульсном режиме испарения, при длительности импульса, равной 1÷10 с с паузой между импульсами, равной времени кристаллизации жидкой ванны испаряемого металла.