Глава 3. Методы нанесения защитных и специальных покрытий на лопатки турбомашин
При физическом осаждении PVD (physical vapor deposition) материал катода переходит из твердого состояния в газообразное, затем происходит осаждение материала на подложку. Материал катода может переходить в газовую фазу в результате испарения (под воздействием тепловой энергии) или в результате распыления (под действием бомбардирующих ионов). Испарение осуществляется за счет резистивного сопротивления, индукционного нагрева, электронно-лучевых пучков, низковольтной дуги, катодной или анодной дуги, лазерного луча.
Рис. 3.1. Процесс перехода материала катода из твердого
в газообразное состояние
Процессы могут проходить как самостоятельно, так и с дополнительной ионизацией в среде реакционного газа, а также с напряжением смещения. Распыление осуществляется высокоэнергетичными ионами, которые приобретают необходимую энергию, ускоряясь в электрическом поле, и распыляют атомы материала катода. Распыление может происходить при постоянном токе или токе высокой частоты, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него, с дополнительным магнитным полем. В машиностроении наиболее широко применяются магнетронный и вакуумно-дуговой PVD методы нанесения покрытий
Магнетронный метод. Магнетронный метод представляет собой разновидность метода катодного распыления, при котором у поверхности распыляемого катода (мишени) при помощи скрещенных магнитного и электрического полей формируется слой плазмы, плотность которой на порядки больше, чем в обычных (безмагнитных) системах катодного распыления. Следовательно, значительно возрастают плотность ионного тока на катод и скорость ионного распыления. Для получения соединений к инертному газу добавляют соответствующие реакционные газы (азот, метан, ацетилен и другие газы).
Рис. 3.2. Процесс магнетронного распыления
Магнетронный метод позволяет наносить широкий спектр покрытий из разнообразных металлов и их соединений с высокой равномерностью свойств, в том числе высокотвердые износостойкие покрытия. Распыленные частицы представляют собой на 75–95% нейтральные атомы, поэтому подложка (деталь) слабо нагревается, что позволяет осаждать покрытия на детали, имеющие низкую температуру плавления. Напряжение разряда 500–800 В, ток разряда – от десятых долей до десятков и сотен ампер. Адгезия магнетронных покрытий несколько ниже, чем у покрытий, полученных с помощью дугового разряда.
Вакуумно-дуговой метод. В этом случае между катодом и анодом инициируется вакуумная дуга, которая испаряет материал катода. В отличие от всех других методов продуктом эрозии является не поток атомов, а поток ионов материала катода с энергией от 20 эВ у легких до 180 эВ у тяжелых атомов. При этом напряжение разряда составляет 20–30 В при токе от нескольких десятков до сотен ампер. При этом обеспечивается достаточно высокие скорости роста покрытий до 1,5 мкм/мин и более, в зависимости от материала.
Рис. 3.3. Процесс вакуумно-дугового распыления
При вакуумно-дуговом испарении осаждение осуществляется из плазмы испаряемого материала покрытия при высоких и управляемых энергиях частиц, что обеспечивает нагрев и термоактивацию подложки в процессе осаждения покрытия; предварительную очистку покрываемой поверхности за счет бомбардировки ионами материала покрытия; плотность материала покрытия; адгезию покрытия на уровне прочности атомной связи с подложкой; высокую точность и воспроизводимость; cубмелкозернистую (пластичную) структуру покрытия; возможность управления структурой покрытия. При вакуумно-дуговом методе, вследствие осаждения покрытия за счет высокоэнергетичных ионов, деталь может сильно нагреться, что делает невозможным применение этого метода осаждения к легкоплавким материалам, пластмассам.
Однако дуговой метод нанесения покрытий имеет существенный недостаток – наличие в плазме потока микрокапельной фазы – испускаемых катодным пятном частиц металла размером 0,1–10 мкм и менее (рис. 3.4). Микрокапли осаждаются на подложку и снижают эксплуатационные характеристики покрытия: оптические, износостойкие, стойкость к коррозии и др.
Современные высокотехнологичные вакуумно-дуговые установки максимально возможно снижают размеры и количество капельной фазы.
Рис. 3.4. Покрытие с капельной фазой
Широкий диапазон свойств вакуумно-дуговых покрытий позволяет использовать их в промышленности, в особенности в машиностроении. Наибольшее распространение получили износостойкие покрытия, применяемые для увеличения срока службы инструментов и деталей машин и декоративные покрытия.