1.3 Современные требования, предъявляемые к материалам и технологическим процессам для обеспечения заданных свойств напылённых покрытий

Необходимость применения защитных покрытий диктуется исключительно условиями эксплуатации детали. В зависимости от эксплуатационных условий (высокая температура, давление, скорости, химическая агрессивность среды, абразивный износ, излучение или определенная совокупность вышеперечисленных условий) определяется назначение покрытия (термостойкие, жаростойкие, эрозионностойкие, износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, отражающие или поглощающие излучения).

Для более полного выполнения соответствующего назначения покрытие должно удовлетворять определенным требованиям.

Во-первых, материал покрытия должен полностью удовлетворять условиям эксплуатации покрытия по температуре плавления, механическим, теплофизическим и химическим свойствам.

Во-вторых, должна быть обеспечена его химическая и термодинамическая совместимость с материалом напыляемой детали. Это требование имеет существенное значение для обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с основой. И в тех случаях, когда его не удается выполнить, прибегают к напылению промежуточных подслоев, позволяющих в значительной мере сгладить "пограничный конфликт" материала покрытия и подложки. Свойства покрытия в значительной степени зависят от метода нанесения. Установлено, что плотность, механические и многие теплофизические свойства покрытий значительно ниже, чем у монолитного материала, из которого нанесено покрытие, а количественные величины того или иного свойства зависят от метода и режима напыления.

Проанализировав исследования по работоспособности покрытий различного назначения и собрав воедино разрозненные сведения по влиянию отдельных свойств покрытий на работоспособность изделий, можно сформулировать основные требования к материалам и покрытиям различного функционального назначения.

Термостойкость (термическая стойкость) - способность хрупких материалов (главным образом огнеупорных) противостоять, не разрушаясь термическим напряжениям. Обычно термостойкость оценивается числом теплосмен (циклов нагрева и охлаждения), выдерживаемых материалом до появления трещин или разрушений. Термостойкость может оцениваться и температурным градиентом, при котором возникают трещины или разрушения.

Материал для термостойких покрытий должен обладать: температурой плавления (Г_ш) превышающей температуру эксплуатации (Т_экс„), иметь высокий коэффициент теплопроводности (А-_покр ) и быть достаточно пластичным; коэффициенты термического расширения (КТР) покрытий (а_покр ) должны иметь значения, близкие к коэффициенту термического расширения материала подложки (а_покр)- При эксплуатационных температурах покрытие не должно образовывать с материалом подложки легкоплавких эвтектик и быть химически стойким в рабочей среде; в диапазоне рабочих температура иметь минимум фазовых превращений с изменением объема.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечить регулируемую в заданных пределах пористость, позволять управлять структурой покрытия, в минимальной степени влиять на фазовый состав и структуру напыляемого материала, иметь высокую прочность сцепления с подложкой.

Жаростойкость (окалиностой- кость, жаропрочность) - способность материалов выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах. Жаростойкость определяется комплексом свойств: сопротивлением ползучести; длительной прочностью; способностью противостоять химическому разрушению поверхности под действием окислительной газовой среды при высоких температурах.

Материалы, применяемые в качестве жаростойких покрытий, должны иметь температуру плавления значительно выше рабочей температуры, коэффициент теплопроводности должен иметь минимальное значение при максимальных значениях механических свойств материала (прочность, пластичность и др.). Материал должен иметь минимальную ползучесть при рабочих температурах и высокий коэффициент теплового излучения, коэффициент термического расширения (а_покр) покрытия должен быть близок к КТР основы.

Процесс нанесения жаростойких покрытий должен обеспечивать получение покрытий достаточной толщины с заданной величиной пористости, минимальными структурными и фазовыми превращениями, с высокими механическими свойствами и прочностью сцепления.

Эрозионная стойкость - разрушение поверхностных слоев материала в результате воздействия потоков газа, жидкости, твердых частиц, а также при кавитационных явлениях или под влиянием электрических разрядов.

К материалам этого класса покрытий предъявляются следующие требования: рабочие температуры должны быть значительно ниже Тпл, иметь высокие механические свойства, большую твердость, обладать коррозионной стойкостью, не иметь фазовых переходов со значительным изменением объема, не должен образовывать легкоплавких эвтектик с материалом подложки и иметь близкие коэффициенты термического расширения.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечивать: минимальную пористость, высокую прочность покрытия, создание управляемых

стабильных в пространстве структур для композиционных материалов, иметь высокую прочность сцепления с подложкой.

Износостойкость - сопротив­ление материала деталей машин и других трущихся изделий изменению размеров, формы, или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации от действующих нагрузок либо из-за разрушения поверхностного слоя при трении.

К материалам для этих покрытий предъявляется главное требование - высокая твердость, большая величина модуля упругости (Е), высокий уровень механических свойств, малое значение коэффициента трения, структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой приработки к контртелу.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечивать напыление покрытий больших толщин с минимальным припуском, волнистостью и шероховатостью, возможностью получать регламентированный уровень пористости; метод нанесения должен обеспечивать получение стабильных, управляемых структур поверхности, покрытие должно иметь минимум остаточных напряжений и максимальную прочность сцепления с подложкой.

К антифрикционным относятся покрытия, обладающие низким коэффициентом трения, применяемые для уменьшения износа и снижения трения скольжения в механизмах.Основными требованиями к антифрикционным материалам являются: минимальный коэффициент трения, структура материала должна обеспечивать антисхватывание и хорошую прирабатываемость с материалом контртела, механические характеристики материала должны* удовлетворять эксплуатационным нагрузкам, материал должен быть достаточно износостоек и пластичен.

Требования к процессу нанесения антифрикционных покрытий те же, что и для износостойких покрытий, с той лишь разницей, что предъявляются менее строгие требования к равномерности толщины покрытия.

Коррозионная стойкость — способность материала сопротивляться химическому и электрохимическому воздействию внешней среды. Определяется скоростью коррозии, т.е. массой материала, превращенной в продукты коррозии с единицы площади поверхности в единицу времени, либо толщиной разрушенного слоя в мм за год.

До последнего времени считалось, что газотермические покрытия в качестве коррозионностойких не применяются в связи с наличием открытой пористости. Последние разработки отечественных и зарубежных исследователей по методам уплотнения покрытий химическими и физическими методами открыли возможности по использованию газотермических покрытий в качестве коррозионностойких.

Материалы для коррозионностойких покрытий должны быть химически инертны к рабочей среде, иметь повышенную термодинамическую стабильность, способствовать торможению катодных и анодных процессов, обеспечивать стабильность структуры во времени и пространстве.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечить минимум механических напряжений в напыленном слое, иметь минимальную открытую пористость и высокую прочность сцепления.

Ппоглощающее и отражающие покрытия. Покрытия этого класса могут использоваться в оптическом и радио - диапазоне. Вне зависимости от назначения покрытия, общими требованиями к материалам являются следующие: высокий уровень механических свойств, необходимый уровень оптических коэффициентов (отражения, поглощения, степень черноты), а также диэлектрической и магнитной проницаемости; иметь стабильные характеристики в зависимости от температуры и воздействия атмосферы.

Процесс нанесения покрытия должен обеспечивать минимальную пористость напыленного покрытия, возможность управления структурой, стабильность свойств покрытия во времени и пространстве, а также обеспечивать высокую прочность сцепления покрытия с основой.

Во многих случаях условия эксплуатации деталей таковы, что необходимо удовлетворение требований одновременно нескольких назначений покрытий. Например, в соплах РДТТ необходимо выполнение требований термостойкости и эрозионной стойкости (термоэрозионностойкие материалы), для узлов трения поворотных сопел необходимы покрытия, сочетающие жаростойкие и износостойкие свойства и т.д. В этих случаях выбор материала становится особо сложной задачей, требующей учета большого количества факторов. Подобные задачи не могут быть правильно решены без использования методов многофакторной оптимизации, т.к. выполнение большинства свойств вступает в противоречие друг с другом. Необходимо выбрать варианты, наилучшим образом удовлетворяющие многим противоречивым требованиям, когда улучшение одних параметров приводит к ухудшению других. В этом случае задача многофакторного оптимального проектирования покрытия сводится к отысканию субоптимального (наиболее предпочтительного) варианта.

Как видно из проведенного анализа основных требований к материалам и технологическим процессам, только незначительная часть требований (температура плавления, твердость, модуль упругости, механическая прочность) являются детерминированными (заданными конкретным числом) значениями, остальные задаются, как правило, нечеткими множествами требований.

Анализ опыта применения теории нечетких множеств для проектирования изделий показывает, что использование этой теории

позволяет вводить в математические модели задач оптимального проектирования, детерминированные и нечеткие требования в однородной форме, а для многофакторной оптимизации получать эффективные компромиссные решения.

Однако для проектирования покрытий аппарат теории нечетких множеств пока не достаточно разработан, а выбор материалов и методов нанесения защитных покрытий до сих пор осуществляется априорно и в основном зиждется на опыте конструкторов, материаловедов и технологов.

Таким образом, проведенный анализ требований к материалам и технологическим методам позволил сформулировать основные требования к покрытиям различного назначения, указать пути решения задачи оптимального проектирования покрытия (исходя из условий эксплуатации) и методы выбора наиболее рационального технологического процесса напыления защитных покрытий.