3837

41

рующихся на твердой поверхности: твердофазные, жидкофазные, порошковые и атомарные.

По характеру расположения на поверхности покрытия подразделяются на наслоенные и диффузионные (или внедренные).

Наслоенное покрытие – покрытие, сформированное на внешней поверхности изделия или конструкции, имеющее четкую границу раздела с основной.

Диффузионное покрытие – покрытие, сформированное за счет внедрения в материал основы без существенного изменения начальных размеров изделия. Возможны покрытия, имеющие промежуточный характер (диффу- зионно-наслоенные).

Существующие методы нанесения покрытий делятся на следующие основные группы: химическое осаждение, электрохимическое осаждение, газотермическое напыление, вакуумное напыление, диффузионное насыщение.

Химическое осаждение – получение покрытий из водных растворов солей, основанное на реакциях восстановления.

Электрохимическое осаждение – получение покрытий на металлах из растворов или расплавов электролитов под действием электрического тока.

Газотермическое напыление – получение покрытия из частиц дисперсного материала, нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи.

Вакуумное напыление – получение покрытия из парогазовой фазы с использованием контролируемых процессов испарения, синтеза, конденсации и сорбции вещества покрытия в виде отдельных атомов и молекул в вакууме.

Диффузионное насыщение – получение покрытия путем легирования металлами и неметаллами поверхностного слоя основного материала при нагревании в среде, содержащей образующие покрытие элементы.

Классификация методов получения покрытий может быть основана на различиях агрегатного и физического состояния наносимого вещества.

Физические методы напыления покрытий испарением в вакууме:

–термическое испарение нагревом прямым прохождением тока, радиационным, индукционным нагревом;

–прямое электронно-лучевое испарение;

–катодное распыление;

–высокочастотное распыление;

–магнетронное распыление;

–ионно-лучевое распыление;

42

–реактивное испарение и распыление;

–ионное осаждение.

Химические (газофазные) методы напыления покрытий испарением:

–пиролиз летучих соединений металлов и неметаллов;

–восстановление летучих соединений водородсодержащими веществами или парами металлов;

–гидролиз газообразных галогенидов водяным паром или водяным га-

зом;

–реакции диспропорционирования;

–высокотемпературное прямое окисление кислородом газообразных галогенидов или металлоорганических бескислородных соединений.

Электрохимическое осаждение:

–осаждение покрытий из металлов и сплавов из растворов солей;

–получение комбинированных электрохимических покрытий (КЭП) из тонких суспензий;

–электрохимическое оксидирование.

Химическое осаждение:

–нанесение металлов на металлы восстановлением и контактнообменным отложением;

–нанесение металлов на неметаллы;

–нанесение неметаллов на металлы (оксидирование, фосфатирование, хроматирование, метод растворной керамики);

–нанесение металлов на неметаллы (гидролиз металлоорганических соединений, метод растворной керамики).

Нанесение твердо-жидких веществ (шликеров, пульп, грубых суспензий, наст): окунание, облив, пульверизация, электрораспыление, электрофорез, торкретирование, обмазка (все с последующей термообработкой).

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое покрытие?

2.Какие технологические задачи решают покрытия?

3.Какие требования предъявляются к покрытиям?

4.По каким принципам классифицируются покрытия?

5.Какие покрытия бывают по назначению?

6.Какие классы покрытий существуют по методу их нанесения?

7.Какие бывают покрытия по характеру расположения на поверхно-

сти?

43

8. На какие группы делятся существующие методы нанесения покры-

тий?

9.Какие существуют физические методы напыления покрытий испарение в вакууме?

10.Какие существуют химические методы напыления покрытий испа-

рением?

11.Какие применяются способы электрохимического осаждения?

12.какие существуют способы химического осаждения?

44

9.ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОКРЫТИЙ

Методы пленок и покрытий весьма универсальны в отношении состава наноматериалов, которые могут быть изготовлены практически в беспористом состоянии в широком диапазоне размеров зерен, начиная от 1-2 нм и более. Единственное ограничение – это толщина пленок и покрытий – от нескольких долей микрона до сотен микрон. Используются как физические методы осаждения, так и химические методы, а так же электроосаждение и некоторые другие приемы.

В табл. 1 приведены основные методы получения наноструктурных пленок на основе тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов). Возбуждение дугового разряда в азотной или углеродсодержащей атмосфере

– один из наиболее распространенных вариантов технологии ионного осаждения; в качестве источника ионов металлов используют металлические катоды. Электродуговое испарение весьма производительно, но сопровождается образованием металлической капельной фазы, освобождение от которой требует специальных конструктивных мер. Этого недостатка лишен магнетронный вариант ионно-плазменного осаждения, в котором мишень (катод) распыляется за счет бомбардировки ионами плазмы газового разряда низкого давления, которая формируется между катодом и анодом. Поперечное постоянное магнитное поле локализует плазму у распыляемой поверхности мишени и повышает эффективность распыления.

Магнетронное напыление весьма универсально, его можно применять не только для металлических, но и для неметаллических мишеней (и, следовательно, для получения соответствующих пленок). При магнетронном напылении температуры подложек невелики (менее 100…200 0С), что расширяет возможности полученяя наноструктурных пленок с небольшим размером зерен и аморфных пленок. Однако скорости напыления в несколько раз ниже, чем в случае дуговых методов.

Таблица 1. Основные методы получения наноструктурвых пленок на основе тугоплавких соединений

45

При ионно-лучевой обработке выбивание атомов мишени происходит за счет бомбардировки ее поверхности ионными пучками. Металлические ионы образуются при бомбардировке метталической мишени ионами инерных газов или азота из источника, а источник используется для бомбардировки непосредственно пленки (в случае ионов азота пленки синтезируемых нитридов могут быть сверхстехиометричными).

Применительно к некоторым металлам и сплавам (Ni, Cu, Ni-P, Ni-Mo, Ni-W и др.) для получения наноматериалов оказался весьма эффективным метод импульсного электроосаждения, когда реализуется высокая скорость зарождения кристаллитов и за счет адсорбционно-десорбционных ингибирующих процессов обеспечивается их низкая скорость роста.

Получает распространение метод газотермического напыления наноструктурньтх покрытий. В качестве сырья используются различные оксидные

(Al2O3-TiO2, Al2O3-ZrO2, Cr2O3-TiO2, ZrO2-Y2O3 и др.) и карбидные (WC-Co, Cr3C2-Ni и др.) композиционные нанопорошки. Перед напылением исходные порошки обрабатывают в высокоэнергетических измельчающих агрегатах, а затем для улучшения сыпучести подвергают агломерации (смешиванию с пластификатором и обкатке). В результате получают округлые частиц размером 10…50 мкм. Последняя операция обеспечивает достаточную скорость поступления агломерированных сфероидов в плазменную струю. Хотя температура последней достаточно высокая (примерно 3000 0К и выше), но высокие скорости газового потока (около 2000 м/с) приводят к кратковременному пребыванию наноструктурных частиц в высокотемпературном интервале. Размер нанокристаллитов обычно увеличивается от 30…40 нм до 200

46

нм, но показатели твердости и износостойкости таких покрытий превосходят таковые для обычных покрытий в 1,3…2 раза.

Ионно-плазменная обработка поверхности, включая имплантацию, используется применительно к самым различным материалам (металлам, сплавам, полупроводникам, полимерам и др.) для создания поверхностных сегрегаций и нанорельефа, что полезно для многих практических приложений.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие основные методы получения наноструктурных пленок?

2.Какие методы получения нанопокрытий распространяются в настоящее время?

47

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная 1 Лахтин, Ю.М. Материаловедение [Текст] : учебник для высших

учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – 6-е изд.. стереотипное. Перепечатка с третьего издания 1990 г. – М. : ООО «Издательство Альянс»,

2011. – 528 с.

2 Арзамасов, В.Б. Материаловедение [Текст] : учебник для студентов высших учебных заведений / В.Б. Арзамасов, А.А. Черепахин. – М. : Издательство «Экзамен», 2009. – 350 с.

Дополнительная 1 Аксенов, А.А. Материаловедение [Текст] : тексты лекций /

А.А. Аксенов ; М-во образования и науки РФ. ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2012. – 100 с. – Электронная версия в ЭБС ВГЛТА.

48

Аксенов Алексей Александрович

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Методические указания к практическим работам для студентов по направлению подготовки

15.04.02 – Технологические машины и оборудование

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»

РИО ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»

394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10