Ионно-плазменные методы обработки поверхностей деталей летательных аппаратов - Учебное пособие

Проблема надежности авиационной техники на современном этапе развития авиационной промышленности неразрывно связана с обеспечением безопасности полетов и постоянно приобретает все большую актуальность. Безопасность летательных аппаратов, как правило, связана с надежностью работы деталей и узлов. С повышением силовых нагрузок, температуры и усилением агрессивности рабочей среды ужесточаются требования, предъявляемые к деталям, узлов летательных аппаратов (ЛА) и двигателей. Создание защитных покрытий на поверхности деталей летательных аппаратов с требуемыми свойствами видится в настоящее время экономически приемлемым решением проблемы сочетания высокой конструктивной прочности и надежности материалов деталей и особенно их поверхности со способностью противостоять внешнему воздействию. Многолетний опыт ремонта и эксплуатации авиационной техники показал, что большинство неисправностей и отказов возникает вследствие недопустимого большого износа деталей и узлов, обусловленного повреждением поверхностей трения (известно, что 80% отказов машин происходит в результате поверхностного разрушения и прежде всего износа).Для формирования покрытий из химических соединений (нитридов, карбидов и т.д.) применяют мишень из этого соединения или из металла-основы соединения и в этом случае в качестве рабочего газа используют смесь аргона с газом реагентом (азотом, ацетиленом, метаном и др.) при соответствующем парциальном давлении этих газов. Если при нанесении покрытия к подложке прикладывают отрицательное напряжение (распыление со смещением) порядка 100 В, то возрастает адгезионная связь покрытия с подложкой. Как правило, эти покрытия представляют собой соединения, которые по характеру химической связи подразделяются на три группы: соединения с металлической (бориды, карбиды и нитриды переходных металлов), ковалентной (бориды, карбиды и нитриды Al, Si, В) и ионной (оксиды Al, Ti, Zr, Be) связью. Показано, что при правильном выборе режимов осаждения, покрытия из многокомпонентных нитридов обладают более высокой износостойкостью по сравнению с покрытиями из TIN, Ti(C,N), TIC. -интегральные параметры процесса осаждения: Ud - напряжение разряда; ld - ток разряда; Pd - мощность, передаваемая на мишень магнетрона; Ts - температура подложки; Ds-1 - дистанция между подложкой и мишенью; Us - напряжение смещения на подложке; ФАR и ФN2 - потоки инертного Ar и реактивного N2 газов, PS-общее давление рабочей смеси газов и Вф - величина магнитного поля на поверхности мишени магнетрона.Сущность его заключается в испарении материала, дальнейшей ионизации и ускорении по направлению к поверхности детали под действием приложенного к ней отрицательного потенциала. Атомы испаренного металла в плазме ионизируются, а высокий отрицательный потенциал на подложке вызывает интенсивную ионную бомбардировку поверхности конденсации в процессе осаждения материала. На рис.6 показана схема установки ионного осаждения с триодной системой и высоковольтной электронно-лучевой пушкой. Электроны, испускаемые накаливаемым катодом 4 и расплавом материала, ускоряются по направлению к дополнительному электроду-аноду 5 и ионизируют испаряемый материал. Высокая прочность сцепления покрытия с подложкой обеспечивается не только за счет предварительной ионной очистки последней в результате бомбардировки поверхности ионами аргона, но и за счет внедрения ионов покрытия в подложку на глубину до 5 нм.В этих методах плазменный поток генерируется в результате эрозии материала в катодных пятнах, горящих на охлаждаемом катоде, который изготавливают из материала, соответствующего составу материала покрытия. Под действием первичных электронов и ионов, генерируемых в дуговой промежуток катодом, происходит ионизация испарившегося вещества и реагирующих газов, что приводит к образованию высокоскоростных потоков, состоящих как из заряженных, так и из нейтральных частиц материала катода и реагирующих газов. Одним из этих методов получившим наибольшее распространение является метод КИБ (конденсация покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой) [26], при котором на подложку оказывается воздействие высокоэнергетических частиц, обеспечивающих очистку поверхности перед нанесением покрытия и повышающих прочность сцепления покрытия с подложкой. Характерной особенностью метода КИБ (рис.7) является высокая химическая активность испаряющегося материала, обусловленная образованием конденсата при электродуговом испарении материала катода за счет которого конденсат преобразуется в высокоионизированный поток низкотемпературной плазмы. Степень ионизации испаряемого металла и газа зависит от кристаллохимической природы испаряемого металла, давления газа, напряженности магнитного поля (для установок, снабженных плазмооптическими устройствами).Технологический процесс нанесения покрытий вакуумной дугой обладает большими потенциальными возможностями в плане создания новых видов покрытий. В отечественных и зарубежных публикациях приводятся многочисленные примеры процессов получения с помощь

Оглавление

Введение

1. Нанесение покрытий ионным распылением

2. Методы ионного осаждения

3. Метод ионно-плазменного напыления

3.1 Конструкционные покрытия

3.2 Антифрикционные и износостойкие покрытия

3.3 Жаростойкие покрытия

Литература

Проблема надежности авиационной техники на современном этапе развития авиационной промышленности неразрывно связана с обеспечением безопасности полетов и постоянно приобретает все большую актуальность. Надежность авиационной техники закладывается при проектировании, отрабатывается на стадии доводки, обеспечивается в производстве, ремонте и при эксплуатации.

Безопасность летательных аппаратов, как правило, связана с надежностью работы деталей и узлов. С повышением силовых нагрузок, температуры и усилением агрессивности рабочей среды ужесточаются требования, предъявляемые к деталям, узлов летательных аппаратов (ЛА) и двигателей. Усложнились условия работы различных пар трения в узлах летательных аппаратов, функционирующих в условиях знакопеременных нагрузок. В большинстве случаев именно поверхностный слой деталей определяет эффективность протекания рабочего процесса в изделии. Все большее число деталей проектируется с переменным полем свойств по их сечению, когда необходимыми, требуемыми свойствами обладает только поверхностный слой.

Для упрочнения, восстановления деталей ЛА и двигателей применяют различные прогрессивные методы: электроннолучевые, лазерные, плазменные, ионно-плазменные, гальванические и другие.

Создание защитных покрытий на поверхности деталей летательных аппаратов с требуемыми свойствами видится в настоящее время экономически приемлемым решением проблемы сочетания высокой конструктивной прочности и надежности материалов деталей и особенно их поверхности со способностью противостоять внешнему воздействию.

В настоящее время на основе совершенствования и развития новых технологий, в частности ионно-плазменных, на первый план при проектировании и изготовлении деталей ЛА выдвигаются вопросы формирования и исследования поверхностного слоя.

Другой важной задачей является упрочнение, восстановление деталей и узлов уже при эксплуатации и в ремонте ЛА.

Многолетний опыт ремонта и эксплуатации авиационной техники показал, что большинство неисправностей и отказов возникает вследствие недопустимого большого износа деталей и узлов, обусловленного повреждением поверхностей трения (известно, что 80% отказов машин происходит в результате поверхностного разрушения и прежде всего износа). Большинство деталей авиационной техники восстанавливается различными технологическими методами. Однако значительная их часть бракуется по причине повышенного износа и отсутствием технологии на их восстановление. Задача расширения номенклатуры восстанавливаемых деталей авиационной техники вызывает необходимость внедрения в практику новых и совершенствования существующих методов поверхностного упрочнения, нанесения износостойких покрытий, которые резко увеличивают усталостную прочность, коррозионную стойкость и износостойкость материалов деталей ЛА.

В настоящее время задача изношенных деталей летательных аппаратов решается за счет замены новой деталью, что является дорогостоящим процессом, а применение технологии восстановления и упрочнения увеличит срок их службы.

Настоящее пособие, посвященное ионно-плазменным методам обработки поверхности в производстве ЛА является попыткой дать студентам, магистрантам и молодым специалистам необходимый объем знаний в области прогрессивных технологий воздействия на поверхность.

Ионно-плазменные методы обладают уникальными возможностями получения поверхностных слоев на деталях машин. Эти методы отличает техническая стерильность и экологическая чистота, они позволяют в широких пределах управлять структурой и свойствами поверхностных слоев деталей машин. Данные возможности открываются благодаря тому, что формирование покрытий и модификация поверхности осуществляются из газовой (паровой) и плазменной фаз одновременно. Наличие заряженных частиц (ионов) представляет дополнительные возможности по управлению энергией частиц, приходящих на обрабатываемую поверхность, как в устройстве, генерирующем ионы - за счет теплового воздействия, электрических и магнитных полей, так и на подложке - за счет, потенциала, приложенного к подложке (потенциал смещения) и управляющего скоростями ионов.

В настоящем пособии, подробно рассмотрены возможности ионного распыления, магнетронных распылительных устройств, вакуумно-дуговых устройств (ионно-плазменные методы), ионного осаждения в достижении требуемых свойств поверхностных слоев, приведены примеры построения технологических процессов с использованием этих методов, даны эксплуатационные и физико-химические характеристики получаемых поверхностных слоев. Рассмотрено влияние нестехиометрии на физико-химические свойства покрытий. Выбор этих методов и особое внимание к ним в пособии связаны с тем, что технологические установки, использующие эти методы, имеют промышленное или полупромышленное применение и используются в производстве летательных аппаратов.