Способ нанесения защитных покрытий

 

Изобретение касается нанесения защитных покрытий на металлические и неметаллические поверхности. Сущность изобретения состоит в нанесении изострукционного алмазного подслоя на защищаемые элементы перед выращиванием алмазоподобной пленки и инициировании и поддержании СВЧ-разряда на частоте резонансного поглощения углеводородной смеси для получения алмазоподобной пленки равномерной толщины на всей поверхности защищаемого элемента независимо от его конфигурации.

Изобретение касается нанесения защитных покрытий на металлические и неметаллические поверхности и может быть использовано при технологической обработке поверхностей деталей и узлов технических систем, работающих в условиях коррозионно-активной среды.

Традиционные способы антикоррозионной защиты поверхности твердого тела заключаются в нанесении коррозионно-стойких газо- и влагонепроницаемых защитных покрытий из металлов или диэлектриков. Такие защитные покрытия должны удовлетворять одновременно нескольким требованиям, а именно обладать высокой химической и термической стойкостью, механической прочностью.

Всем этим условиям удовлетворяют углеродные алмазоподобные поликристаллические защитные пленки [1] [2] образующиеся при осаждении ионов углерода (полученных, например, при разложении газообразных углеводородов в электрическом разряде) на защищаемую поверхность.

Недостаток этих способов невозможность нанесения алмазоподобных углеродных пленок на материалы с кристаллическими решетками некубической симметрии.

Наиболее близким к предложенному способу является способ осаждения алмазоподобных пленок, при котором подложка сначала очищается пучком ионов аргона, а затем ионизированная смесь Ar и CH₄ (28 об.) при p=10^-4 мм рт. ст. в виде пучка с энергией 80-100 эВ попадает на очищенную подложку, причем одновременно с пучком (Ar+CH₄) происходит дополнительное травление образующейся углеродной пленки пучком Ar из второго источника [3] Основным недостатком данного способа является то, что он пригоден не для всех типов защищаемых изделий, поскольку в ряде случаев алмазоподобная пленка не содержит микрокристаллов алмаза, что может привести к снижению механической прочности пленки и ее коррозионной стойкости. Если защищаемая поверхность имеет кристаллическую решетку некубической симметрии, то образование алмазоподобной углеродной фазы затруднено, а в ряде случаев невозможно.

Кроме того, помощью данного способа нельзя нанести покрытие равномерной толщины на детали сложной формы, так как пленка образуется лишь на тех участках поверхности, куда попадает ионный пучок Ar+CH₄.

Недостатком также является использование пучковой технологии, поскольку требуется достаточно жестко выдерживать параметры потока ионов и энергии ионных пучков.

Предлагаемый способ нанесения углеродного защитного покрытия позволяет решить задачу антикоррозионной защиты поверхности, придания ей антифрикционных и гидрофобных свойств. Основной технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого способа, заключается в расширении перечня конструкционных материалов, на которые может быть нанесено углеродное алмазоподобное защитное покрытие, улучшении адгезии этого защитного покрытия, повышении его термической стойкости и механической прочности.

Сущность предлагаемого способа заключена в совокупности следующих операций: очистка защищаемой поверхности; нанесение на защищаемую поверхность изоструктурного алмазу подслоя толщиной 10-20 нм; использование несимметричных углеводородов и СВЧ-разряда на частоте резонансного поглощения углеводородов для нанесения углеродной алмазоподобной пленки до образования защитного покрытия толщиной более 100 нм.

Выполнение этих операций при реализации предлагаемого способа позволяет по сравнению с прототипом улучшить адгезию покрытия к защищаемой поверхности, повысить его термомеханические характеристики и добиться получения требуемого технического результата.

Остановимся более подробно на содержательной части операций предлагаемого способа. Очистка поверхности означает удаление поверхностных загрязнений и переходных слоев, возникающих в результате взаимодействия защищаемой поверхности с окружающей средой. Макроскопические поверхностные загрязнения могут быть удалены с помощью химических растворителей или ультразвуковой очистки. Приповерхностные слои с нарушенной кристаллической структурой могут быть удалены, например, электронно-лучевым или ионным травлением поверхности. Операция травления проводится в вакуумной камере, в этой же камере будет осуществляться нанесение изоструктурного алмазу подслоя и углеродной алмазоподобной пленки.

Верхний и нижний пределы толщины подслоя выбираются, исходя из требований минимизации влияния параметров кристаллической решетки исходного материала на соответствующие параметры промежуточного слоя, с одной стороны, и минимальности толщины промежуточного слоя, с другой стороны.

Тонкая пленка, выращиваемая на поверхности твердых тел, имеет сильно деформированную кристаллическую решетку, причем этот эффект наблюдается на толщинах 10-20 периодов решетки, т. е. ≈5-10 нм. При дальнейшем росте пленки ее структура совпадает с кристаллической структурой макрообразца из вещества этой пленки. По данным [3] соответствующие пределы лежат в диапазоне 10-20 нм. Тонкопленочные слои с переменным составом по толщине используются при изготовлении полупроводниковых лазеров на гетероструктурах, при этом наряду с основным техническим результатом, заключающимся в создании определенного пространственного распределения легирующих добавок, повышается термическая прочность гетероструктуры по сравнению с лазером, имеющим явно выраженные межслоевые границы. Следует учесть, что даже в вакууме ≈10^-3-10^-4 мм рт. ст. происходит достаточно быстрое ( τ≈1 с) загрязнение поверхности различными веществами, пары которых присутствуют в вакуумном объеме, что приводит к ухудшению адгезионных характеристик и снижению термомеханической прочности наносимой пленки.

Защищаемую металлическую деталь помещают в вакуумную камеру с системой электродов, откачивают воздух до p ≈10^-4-10^-5 мм рт. ст. напускают углекислоту CO₂ (p≈10^-3-10^-4 мм рт. ст.) инициируют и поддерживают постоянный тлеющий разряд в течение 15-20 мин для очистки защищаемой поверхности от загрязнений, затем вновь откачивают камеру и напыляют подслой кремния термическим испарением из нескольких источников одновременно. Следует отметить, что подслой кремния толщиной 10-20 нм требуется наносить только на материалы, кристаллическая решетка которых не обладает кубической симметрией. Затем в камеру напускают 1,2-бутадиен (p≈10^-3-10^-4 мм рт. ст.). Это соединение имеет сильную полосу поглощения в миллиметровой области спектра ( λ=9,224 мм, μ= 0,394 D). В камере инициируют и поддерживают СВЧ-разряд до образования углеродного защитного слоя толщиной более 100 нм.

Параметры пленок, полученных в постоянном тлеющем разряде, приведены в [2] (p ≈10¹⁰-10¹² Ом˙см; пленки сохраняют стабильность и целостность покрытия в вакууме до 500^оС на воздухе до 400^оС; устойчивы к воздействию кислот и органических растворителей; твердость по Кнупу 1200-3000 кГ/мм²).

Таким образом, нанесение изоструктурного подслоя и основного защитного слоя позволяет увеличить количество типов конструкционных материалов, на которых может быть получено углеродное защитное покрытие, обеспечивающее достижение требуемого технического результата.

Формула изобретения

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, включающий нанесение углеродной алмазоподобной пленки путем разложения газообразных углеводородов, отличающийся тем, что предварительно наносят подслой, изоструктурный алмазу, толщиной 10 20 нм, а в качестве углеводородов при нанесении углеродной алмазоподобной пленки берут несимметричные углеводороды и разложение проводят в поле СВЧ-разряда на частоте резонансного поглощения углеводородов до получения пленки толщиной более 100 нм.