Способ нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность стального изделия

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам нанесения защитных покрытий. Может использоваться в энергетическом машиностроении для защиты деталей, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам и воздействию агрессивной рабочей среды. Перед нанесением покрытия на поверхность изделия проводят откачку воздуха из вакуумной камеры, очистку поверхности изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхности изделия. Покрытие формируют путем нанесения микрослоя из нанослоев титана и алюминия толщиной 1-100 нм и микрослоя из нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия толщиной 1-100 нм. После нанесения каждого из микрослоев проводят ионную очистку поверхности аргоном в течение 10 мин при давлении 1,5 Па и напряжении смещения 1150 В. Нанесение микрослоев с последующей ионной очисткой осуществляют в N этапов, где N - целое число и N ≥ 1, до формирования защитного покрытия общей толщиной 5,8-7,2 или более. Обеспечивается повышение срока службы покрытия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методам образования защитных покрытий на деталях, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам, воздействию агрессивной рабочей среды. Изобретение может быть использовано в энергетическом машиностроении для защиты лопаток турбин и компрессоров, валов, золотников, а также элементов запорно-регулирующей арматуры от эрозии, коррозии и теплового воздействия.

В настоящее время широкое распространение получили методы нанесения защитных покрытий в вакууме путем физического осаждения на защищаемую поверхность с образованием соединений, устойчивых к разрушающему воздействию - механическому, химическому, тепловому. Такие покрытия наносятся в несколько слоев с использованием электродугового источника распыляемого материала (см. пат. RU №2373302, МПК8 С23С 14/06, опубл. 20.11.2009).

Однако покрытие, получаемое известным способом, не обеспечивает необходимого качества подготовки поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность стального изделия (пат. RU №2437963, МПК8 С23С 14/06, опубл. 27.21.2011), в котором защищается способ нанесения нанокомпозитного покрытия. Способ заключается в том, что после механической обработки изделия и помещения его в вакуумную камеру производят очистку изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхностей изделия, нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы.

Однако механическая обработка поверхности изделия, очистка аргоном, азотирование и нанесение покрытия не обеспечивают требуемой плотности и беспористости покрытия, что снижает его качество и не обеспечивает необходимый срок службы при работе изделия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур.

Технической задачей изобретения является повышение срока службы покрытия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур.

Техническим результатом изобретения является получение износостойкой структуры покрытия, который достигается тем, что в известном способе нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность изделия, включающем обработку изделий в вакуумной камере в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхностей изделий, при этом нанесение нанокомпозитного покрытия осуществляют способом физического осаждения из паровой фазы, после формирования микрослоев покрытия дополнительно проводят ионную очистку поверхности изделия, при этом ионную очистку осуществляют в N этапов, где N - целое число и N≥1.

Кроме того, проводят предварительный нагрев вакуумной камеры с одновременной откачкой воздуха.

Нанесение нанокомпозитного покрытия может осуществляться при последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из титана, алюминия с образованием на поверхности микрослоя общей толщиной 0,4-0,6 мкм, причем указанный микрослой состоит из нанослоев этих материалов толщиной 1-100 нм.

Нанесение нанокомпозитного покрытия может осуществляться при подаче в камеру азота и последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из титана, алюминия с образованием на поверхности микрослоя из нитридов этих элементов общей толщиной 0,4-0,6 мкм, причем указанный микрослой состоит из нанослоев нитридов этих материалов толщиной 1-100 нм.

Способ нанесения нанокомпозитных покрытий осуществляется следующим образом.

Изделия полируют, обезжиривают в ультразвуковой ванне, обрабатывают бензиноспиртовой смесью, подвергают термообработке в сушильном шкафу. Подготовленные таким образом изделия размещают на карусели в вакуумной камере. Нагрев вакуумной камеры и откачку воздуха из нее производят одновременно. Помимо ускорения процесса одновременное проведение нагрева камеры и создание в ней вакуума целесообразно для десорбции ранее адсорбированных поверхностью изделий паров воды и рабочих жидкостей вакуумных насосов, а также растворителей, которыми обрабатывали изделия.

Проводят очистку поверхности изделий и вакуумной камеры в тлеющем разряде от адсорбированных паров воды, растворителей и т.п., для чего на карусель подают напряжение от 1000 до 1200 В, а в вакуумную камеру впускают инертный газ, например, аргон. Далее осуществляют ионное травление поверхности. Для травления очищенной поверхности увеличивают плотность потока ионов на изделии. Для этого включают магнетроны, которые в данном случае играют роль генераторов плазмы, однако выбирают такой режим их работы, чтобы скорость осаждения распыленного металла была меньше скорости его стравливания. При этом для удаления стравленного материала с поверхности изделия давление аргона должно быть низким, таким, чтобы длина свободного пробега частицы была сравнима с расстоянием от изделия до стенки камеры. Наиболее интенсивное травление происходит, когда изделия проходят между магнетронами. Применение магнетронов в процессе травления позволяет избежать нанесения капель металла на поверхность изделия, что характерно при использовании электродуговых распылителей. Травление производят до появления на поверхности изделия характерного рисунка зерен металла и в результате получают ненарушенную механической и химической обработкой поверхность изделия.

Протравленную таким образом поверхность изделия подвергают ионно-плазменному азотированию. Азотирование поверхности заключается в диффузионном насыщении азотом приповерхностного слоя металла глубиной до 500 мкм, в результате чего образуется раствор азота в металле. Твердость поверхности может возрасти в четыре и более раз от исходной величины, уменьшаясь с глубиной до твердости исходного материала. Это необходимо для исключения резкого изменения твердости на границе «нанокомпозитное покрытие - основной материал», что дает снижение максимальных напряжений в пограничной зоне материалов покрытия и основы. Травление поверхности перед азотированием позволяет обеспечить диффузию азота на большую глубину и образование более однородного и насыщенного раствора азота в металле. Азотирование осуществляют путем подачи в камеру газообразного азота и нагрева изделия при поддержке магнетронным разрядом, который повышает интенсивность диффузии азота. По окончании ионно-плазменного азотирования проводят дополнительное ионное травление для удаления образованных на поверхности изделий соединений азота, которые в дальнейшем препятствуют высокой адгезии материала нанокомпозитного покрытия. Проведение азотирования осуществляется в N этапов, где N - целое число и выбрано из условия N≥1, чередующихся с ионным травлением, поскольку образующиеся на поверхности изделия соединения азота уменьшают скорость проникновения азота в материал. В результате формируется чистая поверхность металла с твердым приповерхностным слоем, готовая к нанесению нанокомпозитного покрытия.

Нанокомпозитное покрытие наносят методом физического осаждения из паровой фазы посредством магнетронов, последовательно чередуя слои различных материалов. Первым наносят микрослой из титана, алюминия общей толщиной 0,4-0,6 мкм, который в свою очередь состоит из нанослоев этих материалов толщиной от 1 до 100 нм. Эти нанослои образуются при последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из различных распыляемых материалов - титана, алюминия. По окончании формирования микрослоя проводят дополнительную ионную очистку для обеспечения требуемой плотности и беспористости покрытия. В результате формируется плотный беспористый слой. Ионная очистка поверхности покрытия позволяет регулировать морфологию, характеристики зародышеобразования, микроструктуру и напряжение в покрытии, потому что высокая энергетика бомбардирующих ионов приводит к увеличению мобильности осаженных атомов и/или повторному распылению слабо связанных частиц. Такая промежуточная ионная очистка позволяет получать плотные беспористые пленки с высокими напряжениями сжатия. Затем наносят второй микрослой из нитридов титана, алюминия общей толщиной 2,5-3 мкм. Этот микрослой также состоит из нанослоев толщиной от 1 до 100 нм и образуется при последовательном прохождении изделия перед магнетронами с мишенями из титана, алюминия при подаче в камеру азота. По окончании формирования микрослоя проводят дополнительную ионную очистку для обеспечения требуемой плотности и беспористости покрытия. В результате формируется плотный беспористый слой. Далее операции повторяют и в результате получают нанокомпозитное защитное покрытие общей толщиной 5,8-7,2 мкм или более. Толщина нанослоев регулируется изменением скорости вращения карусели и мощности магнетронного разряда. Толщина микрослоев регулируется временем формирования покрытия.

Экспериментально установлено, что наилучшие характеристики покрытия достигаются в указанных диапазонах толщин микро- и нанослоев.

Для исследования свойств нанокомпозитного покрытия, нанесенного описанным выше способом, были изготовлены образцы из стали 20X13. Первая группа (I) образцов обработке не подвергалась. На поверхность образцов второй группы (II) было нанесено нанокомпозитное покрытие, состоящее из слоев (Ti+Al)/(TiN+AlN), при этом азотирование проводилось после очистки аргоном, проводилось ионное травление после азотирования, наносилось покрытие. Обработка образцов третьей группы (III) отличалась от обработки образцов второй группы проведением ионной очистки после формирования микрослоев. Первая группа являлась контрольной, и эрозионная стойкость образцов второй и третьей групп определялась по отношению к эрозионной стойкости образцов первой группы. Исследование проводилось на стенде «ЭРОЗИЯ-М» НИУ МЭИ, его результаты приведены в таблице.

Группа образцов Относительная эрозионная стойкость
I 1,0
II 3,5
III 4,3

Таким образом, именно включение в способ нанесения нанокомпозитного покрытия этапа ионной очистки после формирования микрослоев позволяет увеличить эрозионную стойкость изделий, а значит и срок их службы.

Однако предлагаемый способ нанесения нанокомпозитных покрытий не ограничивается описанными выше комбинациями материалов для нанесения слоев. В частном случае реализации способ может включать применение мишени, представляющей собой набор пластин. В отдельных случаях обработка поверхности согласно предлагаемому способу может проводиться с использованием в качестве напыляемого материала различных элементов, например Ti, Ni, Со, Cr, Al, Y, Zr, Hf, V, Та, Mo, W, В, Si, С или любого сплава на основе указанных элементов. В качестве реакционного газа возможно применение азота, кислорода, углеводородов, паров кремнеорганических и боросодержащих жидкостей, а также любой смеси указанных газов.

При реализации способа возможно расположение магнетронов на периферии вакуумной камеры и/или в центре нее, что уменьшает время обработки изделия.

Пример конкретной реализации способа:

- полировка изделия, обезжиривание ультразвуком и протирка бензиноспиртовой смесью, сушка в шкафу при Т=60°С;

- размещение изделий на карусели в вакуумной камере, одновременный нагрев и откачка вакуумной камеры Т=150°С, Рост=10-4 Па;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, Uсмещения=1150 В;

- ионное травление, Р=0,2 Па, t=20 мин, Uсмещения=1150 В, напряжение на магнетронах - по 150 В;

- азотирование, Р=2 Па, t=60 мин, Uсмещения=1150 В;

- ионное травление, Р=0,2 Па, t=20 мин, Uсмещения=1150 В, напряжение на магнетронах - по 150 В;

- нанесение многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев Ti+Al, по режиму Р=0,2 Па, t=15 мин, Uсмещения=75 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, Uсмещения=1150 В;

- нанесение многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев TiN+AlN, по режиму Р=0,2 Па, t=60 мин, Uсмещения=75 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, Uсмещения=1150 В;

- нанесение многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев Ti+Al, по режиму Р=0,2 Па, t=10 мин, Uсмещения=75 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, Uсмещения=1150 В;

- нанесение многослойного нанокомпозитного покрытия, состоящего из слоев TiN+AlN, по режиму Р=0,2 Па, t=60 мин, Uсмещения=75 В, напряжение на магнетронах - по 450-500 В;

- ионная очистка аргоном, Р=1,5 Па, t=10 мин, Uсмещения=1150 В.

Использование изобретения обеспечивает увеличение срока службы нанокомпозитного покрытия.

1. Способ нанесения нанокомпозитного защитного покрытия на поверхность изделия, включающий откачку воздуха из вакуумной камеры, очистку поверхности изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление, ионно-плазменное азотирование поверхности изделия и формирование покрытия методом физического осаждения из паровой фазы, отличающийся тем, что покрытие формируют путем нанесения микрослоя из нанослоев титана и алюминия толщиной 1-100 нм и микрослоя из нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия толщиной 1-100 нм, после нанесения каждого из микрослоев проводят ионную очистку поверхности аргоном в течение 10 мин при давлении 1,5 Па и напряжении смещения 1150 В, причем нанесение микрослоев с последующей ионной очисткой осуществляют в N этапов, где N - целое число и N ≥ 1, до формирования защитного покрытия общей толщиной 5,8-7,2 или более.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с откачкой воздуха проводят предварительный нагрев вакуумной камеры.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для нанесения микрослоя из титана и алюминия общей толщиной 0,4-0,6 мкм изделие последовательно пропускают перед магнетронами с мишенями из указанных материалов.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для нанесения микрослоя из нитрида титана и нитрида алюминия общей толщиной 2,5-3 мкм в камеру подают азот и изделие последовательно пропускают перед магнетронами с мишенями из указанных материалов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии нанесения наноструктурных покрытий и может быть использовано в наноэлектронике и наноэлектромеханике. Покрытие получают из композита металл-керамика состава (Co86Nb12Ta2)x(SiOn)100-x.

Настоящее изобретение относится к покрытому элементу, защитному покрытию, а также к способу получения этого покрытия и может быть использовано при изготовлении режущего инструмента, частей двигателей и газовых турбин.

Изобретение к способу получения люминофора в виде аморфной пленки диоксида кремния с ионами селена, расположенной на кремниевой подложке. Способ включает имплантацию ионов селена с энергией ионов 300±30 кэВ при флюенсе 4÷6·1016 ион/см2 в указанную пленку и первый отжиг при температуре 900÷1000°C в течение 1÷1,5 часов в атмосфере сухого азота.

Изобретение относится к способам нанесения вакуумно-плазменным методом многослойных износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.
Изобретение относится к способу нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения вакуумно-плазменным методом многослойных износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Изобретение относится к способам нанесения вакуумно-плазменным методом многослойных износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Для повышения работоспособности режущего инструмента вакуумно-плазменным методом наносят многослойное покрытие.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Для повышения работоспособности режущего инструмента на него вакуумно-плазменным методом наносят многослойное покрытие.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких многослойных покрытий на режущий инструмент вакуумно-плазменным методом и может быть использовано в металлообработке.
Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для хирургического лечения несросшихся переломов и ложных суставов трубчатых костей при наличии дефицита мягких тканей.

Изобретение относится к области получения нанопорошков. Способ получения суперпарамагнитных частиц никеля включает смешивание соединений никеля и полиольного спирта, последующий нагрев полученной смеси, ее охлаждение и центрифугирование, промывку и высушивание полученного осадка.
Изобретение относится к получению наноструктур. Содержащую карбид наноструктуру получают осаждением на основу нанослоя металла или неметалла, или их окислов и последующей карбидизацией путем обработки в угарном газе в присутствии угля или сажи при температуре 1400-1500°С.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению модифицированных наночастиц железа. Может использоваться для изготовления магнитоуправляемых материалов/магнитореологических жидкостей, радиопоглощающих покрытий, уменьшающих радиолокационную заметность объектов.

Изобретение относится к применению ультрадисперсных серебросодержащих систем в качестве противовоспалительных, антиэкссудативных и ранозаживляющих агентов. Ультрадисперсные серебросодержащие системы представляют собой нанокомпозиты нуль-валентного металлического серебра с размером частиц 10-25 нм, которые стабилизированы арабиногалактаном или его сульфатированным производным.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению дисперсноупрочненной высокоазотистой аустенитной стали с нанокристаллической структурой.

Система обнаружения зонда (74) для использования со сканирующим зондовым микроскопом содержит систему обнаружения высоты (88) и систему обнаружения отклонения (28). Когда сканируется поверхность образца, свет, отраженный от зонда (16) микроскопа, разделяется на две составляющие.
Изобретение относится к медицине, в частности к способу получения реагента для приготовления меченного технецием-99m наноколлоида на основе гамма-оксида алюминия А12O3, который может быть использован для радионуклидной диагностики.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС), предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к нанотехнологии и предназначено для использования при создании современных тонкопленочных полупроводниковых приборов и структур наноэлектроники.

Устройство предназначено для проведения зондовых измерений на объектах, имеющих сложную форму, например на трубах в нефтяной и атомной отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что в сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, дополнительно введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом. Измерительная головка содержит две пружинные опоры, а платформа - модули крепления к объекту. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 6 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам нанесения защитных покрытий. Может использоваться в энергетическом машиностроении для защиты деталей, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам и воздействию агрессивной рабочей среды. Перед нанесением покрытия на поверхность изделия проводят откачку воздуха из вакуумной камеры, очистку поверхности изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхности изделия. Покрытие формируют путем нанесения микрослоя из нанослоев титана и алюминия толщиной 1-100 нм и микрослоя из нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия толщиной 1-100 нм. После нанесения каждого из микрослоев проводят ионную очистку поверхности аргоном в течение 10 мин при давлении 1,5 Па и напряжении смещения 1150 В. Нанесение микрослоев с последующей ионной очисткой осуществляют в N этапов, где N - целое число и N ≥ 1, до формирования защитного покрытия общей толщиной 5,8-7,2 или более. Обеспечивается повышение срока службы покрытия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Наверх