автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Оптимизация технологии вакуумной ионно-плазменной обработки поверхностей деталей авиационной техники

На правах рукописи

Спектор Виктор Семенович

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.16.06. - Порошковая металлургия и композиционные

материалы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработки материалов» «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского.

Научный руководитель: - член-корреспондент РАН, доктор

технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Ильин Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Полькин Игорь Степанович (ВИЛС) - доктор технических наук, профессор Чернов Дмитрий Борисович (НИИСУ)

Ведущее предприятие - ОАО НИАТ

Защита диссертации состоится 28 декабря 2005 года в 14— часов на заседании диссертационного Совета Д 403.008.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук в области металловедения и термической обработки металлов, порошковой металлургии и композиционных материалов, литейного производства, обработки металлов давлением в ОАО «Всероссийский институт легких сплавов» по адресу: Москва, ул. Горбунова, 2, ОАО «ВИЛС». Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121596, Москва, ул. Горбунова, 2, ОАО «ВИЛС».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВИЛС».

Автореферат разослан 28 ноября 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доцент, доктор технических наук

В. Л. Бережной

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из направлений повышения работоспособности изделий авиационной техники является использование покрытий различного служебного назначения для защиты рабочих поверхностей деталей. При этом реализуется новый комплекс физико-химических и эксплуатационных свойств, не свойственный материалу основы. Значительный интерес, проявляемый к исследованиям и разработкам покрытий, объясняется кроме того тем, что они позволяют обеспечить как работоспособность поверхностных слоев изделий в экстремальных условиях эксплуатации, так и ремонтоспособность изделий.

Вакуумные ионно-плазменные технологии рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективные технологии при производстве изделий авиационной техники. Они позволяют создавать сложные композиции различных видов покрытий, а также осуществлять комплексную обработку с предварительным диффузионным модифицированием. Это в свою очередь позволяет создавать градиентные структуры поверхностных слоев со специальными свойствами без ухудшения механических свойств в объеме изделий. При этом модифицирование поверхности дает значительный положительный эффект как за счет повышения ресурса работы изделий, так и за счет снижения затрат на мероприятия по повышению несущей способности основного материала, включая дополнительное легирование и совершенствование технологий производства полуфабрикатов и изделий.

Однако имеющиеся проблемы сдерживают широкое применение вакуумных ионно-плазменных технологий в производстве ответственных деталей авиационной техники.

Прежде всего, это проблема оптимизации технологии подготовки поверхности деталей перед вакуумной ионно-плазменной обработкой. Эта технология должна быть достаточно универсальной и обеспечивать высокую эффективность очистки поверхности деталей после любой предшествующей технологической операции. Кроме того, для сохранения микроструктуры в объеме детали, нагрев поверхности при очистке не должен превышать 200-300°С.

Вторая проблема связана с необходимостью сохранения исходного комплекса механических свойств материала детали. Это делает необходимым разработку таких технологических режимов, ижают,

но в ряде случаев даже повышают служебные характеристики материала детали за счет создания на поверхности композиционной структуры. Для эффективного решения этой проблемы необходимо создание основ метрологической системы оценки уровня служебных свойств и структурного состояния материалов, подвергнутых различным видам поверхностной обработки. Это позволит обеспечить воспроизводимость свойств поверхностных слоев материалов в технологических процессах.

Таким образом, исследования, направленные на решение проблемы применения экологически чистых вакуумных ионно-плазменных комплексных технологий модифицирования поверхности и нанесения покрытий для деталей авиационной техники, обеспечивающие гарантированный уровень эксплуатационных свойств, являются актуальными.

Цель работы состояла в установлении закономерностей формирования структуры и комплекса свойств поверхностных слоев деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов при вакуумном ионно-плазменном модифицировании поверхности, нанесении покрытий и оптимизации на этой основе комплексных технологий обработки поверхности деталей авиационной техники.

Для достижения постановленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить закономерности формирования структуры и комплекса свойств поверхностных слоев образцов из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов на различных этапах вакуумной ионно-плазменной обработки с использованием серийных установок типа «Булат» и определить пути оптимизации вакуумных ионно-плазменных технологий;

2. Разработать технологические способы повышения эффективности этапов очистки и активации поверхности перед модифицированием и нанесением покрытия;

3. Разработать методику оценки качества подготовки поверхности и эффективности проведения различных этапов технологического процесса модифицирования и нанесения покрытий;

4. На основе установленных закономерностей разработать структурную схему установок нового поколения и комплекс аппаратурных и технологических мероприятий, обеспечивающих воспроизводимость

структуры поверхностных слоев и высокий уровень эксплуатационных свойств.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Разработан метод очистки и активации поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов ускоренной ионной газовой плазмой, обеспечивающий полное удаление оксидов без внесения макро- и микроструктурных дефектов. Показано, что для поверхностей с параметром шероховатости < 0,3 мкм энергия ионов не должна превышать 200 эВ, а для поверхностей с Яа > 0,3 мкм - 400 эВ.

2. Разработана комплексная система оценки эффективности этапов технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки и качества формируемой поверхности изделий из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов. В рамках этой системы предложены:

- метод количественной оценки эффективности процессов очистки и активации поверхности по изменению величины поверхностного потенциала;

- рентгеновский флюоресцентный метод неразрушающего контроля толщины покрытия.

3. Установлены закономерности влияния энергетических параметров металлической плазмы на структурное состояние поверхностного слоя при модифицировании, а также на структуру, кристаллографическую текстуру и когерентность границ слоев при формировании многослойных покрытий.

Практическая значимость работы.

1. На базе серийной установки «Булат 6Т» разработана компоновочная схема универсальной установки модульного типа, которая позволяет реализовать комплексные технологии, сочетающие модифицирование и нанесение покрытий на поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов, применяемых в авиастроении.

2. Разработаны методические материалы «Комплексная оценка качества формирования ионно-вакуумных покрытий и диффузионного модифицирования поверхности деталей и изделий машиностроения» (ММ 1-3430-4-2002), которые используются в производстве деталей авиационной техники в ОАО «НИАТ» и ОАО «ОКБ Сухого» и учебном процессе при подготовке магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов» и специалистов по специальности «Материаловедение и технология материалов и покрытий» в «МАТИ»-

Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского.

3. Установлен количественный критерий выбора оптимальной температуры ионной очистки, при которой наибольшая дефектность поверхностных оксидов соответствует максимальной величине потенциала поверхности. Обоснованы и рекомендованы температуры ионной очистки поверхности (~400°С для титановых сплавов и ~350°С для сталей), обеспечивающие удаление оксидов с обрабатываемой поверхности при минимальном уровне энергетического воздействия плазмы на поверхность, что гарантирует сохранение исходной микрогеометрии поверхности и микроструктуры материала изделия.

4. На основе установленных закономерностей реализована технологическая схема модифицирования поверхности тормозных колодок из стали 12Х18Н10Т для авиационных шасси, включающая ионное азотирование и нанесение ZrN многослойных покрытий в едином технологическом цикле. Разработана и реализована комплексная технология обработки ниппельных соединений трубопроводов авиационной техники из титановых сплавов, сочетающая низкотемпературную очистку и активацию поверхности с вакуумным ионно-плазменным нанесением многослойных покрытий, позволяющая получить на поверхности многослойные эррозионностойкие градиентные структуры.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 4-х научно-технических конференциях и семинарах в том числе: Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» в «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского (2004 г.); на Международных конференциях «Титан в СНГ» в г. С.-Петербурге, Россия (2004 г.); «Титан в СНГ» в г. Киеве, Украина (2005г.), на III Российско-Японском семинаре «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов» в Москве (2005 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в десяти работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем диссертации, ее структура. Диссертация содержит 104 страницы машинописного текста, 69 рисунков, 7 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и списка литературы из 136 наименований. 6

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В главе проведен анализ технологий, аппаратурного обеспечения формирования вакуумных ионно-плазменных покрытий и модифицирования поверхности конструкционных материалов, включающий выбор химического состава покрытий, методы их нанесения, механизмов формирования поверхностных микроструктур, фазового состава и остаточных напряжений. Проведен также анализ методов контроля качества формирующихся покрытий и модифицированных слоев на различных этапах соответствующих технологических процессов.

Выявлены закономерности влияния технологических факторов (плотность тока, опорное напряжение, парциальное давление газа в камере, температура подложки и состояние ее поверхности) на структуру поверхностных слоев, определяющие служебные свойства деталей и изделий из различных материалов.

Анализ применяемых в настоящее время методов контроля определил необходимость создания методов оценки качества формирования покрытия на каждом из этапов технологического процесса.

Для «РУО»-метода выделено три наиболее перспективных направления использования поверхностной обработки деталей:

- получение износостойких и коррозионностойких покрытий толщиной 3-7 мкм и твердостью (Ну) 30-40 ГПа из нитридов и карбидов переходных металлов, которые обеспечивают повышение эксплуатационных свойств изделий;

- получение модифицированных поверхностных слоев методами ионно-вакуумного азотирования (карбоазотирования), позволяющими снизить температуру и продолжительность процесса, а по сравнению с «СУБ»-покрытиями решить проблемы адгезионного сцепления с подложкой;

- формирование теплозащитных покрытий на лопатках турбины и компрессора газотурбинных двигателей для стационарного и авиационного применения. Применение для этих целей «РУО»-метода в настоящее время ограничено технологическими трудностями и возможностями серийно выпускаемого оборудования.

Показано, что в серийном варианте все установки типа «Булат» предназначены для упрочнения лезвийного инструмента и штамповой

оснастки и слабо приспособлены для нанесения функциональных покрытий на другие изделия.

В последние годы начали проводиться работы по модифицированию поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных сплавов с целью повышения их коррозионной стойкости. Несмотря на это до сих пор основными массовыми изделиями, подвергаемыми вакуумной ионно-плазменной обработке, остаются инструменты.

Широкое использование методов вакуумной ионно-плазменной обработки в авиационной технике сталкивается с рядом трудностей, из которых выделены следующие.

Новые эффективные технологии вакуумной ионно-плазменной обработки требуют оборудования с более широкими технологическими возможностями по сравнению с серийными установками типа «Булат». В частности они должны позволить в одном технологическом цикле производить модифицирование поверхности и нанесение покрытий.

Не получили достаточного развития неразрушающие методы контроля энергетического, структурного и напряженного состояния поверхностных слоев на различных технологических этапах формирования модифицированных слоев и покрытий, что в конечном счете негативно сказывается на стабильности уровня эксплуатационных свойств.

В заключении главы ставятся задачи исследования.

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на промышленных титановых сплавах ВТ 1-0, ВТ6, ВТ23, ферритной (13X11Н2В2МФ) и аустенитной (12Х18Н10Т) нержавеющих сталях, а также на никелевом жаропрочном сплаве ЖС26У. Для исследований использовали полуфабрикаты в виде листов и прессованных прутков сплавов в состоянии поставки. Процесс модифицирования и нанесения покрытий проводили на установке «Булат-6Т».

Микротвердость модифицированных слоев и покрытий измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузках от 20 до 150г. Измерения с различными нагрузками использовали для оценки глубины упрочненных слоев.

Фазовый состав диффузионных слоев после проведения процессов модифицирования исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра Дрон-4-07 с использованием излучений FeK„, СоКц, СиКа и МоКа.

Для определения толщины покрытий TiN и (Ti, X)N, где Х= Zr, Nb, AI, Cr, использовали рентгеновский флюоресцентный метод. По интенсивности флюоресцентного излучения Ti, возбужденного непосредственно в материале покрытия, определяли толщину покрытия.

Толщину азотированных слоев оценивали неразрушающим методом на основе анализа специфических дифракционных эффектов, обусловленных тем, что в поверхностных слоях, дающих наибольший вклад в интегральную интенсивность, имеет место наиболее высокая концентрация азота и соответственно более высокие значения параметра решетки «с», что приводит к наличию преимущественного уширения рефлексов со стороны малых углов дифракции.

Распределение элементов по глубине покрытия и подложки осуществляли с помощью оптико-эмиссионного спектрометра тлеющего разряда (glow discharge OES SA2000 LECO) в лаборатории «ЛЕКО-ИМЕТ» и методом Оже-электронной спектроскопии.

Измерение величины поверхностного потенциала производилось методом контактной разности потенциалов (КРП) с помощью прибора и методики, разработанной в «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского.

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ И АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛЕЙ, ТИТАНОВЫХ И ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

В главе представлены экспериментальные результаты исследований эффективности различных способов очистки поверхностей деталей на подготовительной стадии и в процессе реализации начальных этапов вакуумной ионно-плазменной обработки. В качестве метода оценки качества очистки и активации поверхности был выбран энергетический метод, основанный на оценке величины и знака поверхностного потенциала (<Р)-

В результате проведенных исследований было установлено, что наличие в атмосфере производственных участков пыли, паров масел, СОЖ и т.д. существенно изменяет величину и знак поверхностного потенциала за счет образования адсорбированных диэлектрических поверхностных слоев.

Систематические измерения величины и знака <р показали, что методы подготовки поверхности деталей для нержавеющих сталей в порядке возрастания их эффективности располагаются в следующей последовательности: очистка ультразвуком в органическом растворителе, очистка в расплавах гидрооксидов щелочных металлов, ионная очистка ускоренной газовой плазмой. После очистки загрязненной органическим жиром поверхности потоком ионной газовой плазмы значение ф возвращаются к значению (ср = +200 мВ), характерному для незагрязненной поверхности.

Для титановых и никелевых жаропрочных сплавов наиболее эффективным способом удаления барьерных слоев является ионное травление ускоренной газовой плазмой, а также активирующий ионно-электронный нагрев. Показано, что для образцов из сплава ВТ6 после полировки величина поверхностного потенциала составляет -1500 мВ. После ионного травления ускоренной газовой плазмой и удаления с поверхности пленки оксидов величина потенциала ср изменилась до +100 мВ, а после воздействия активирующего нагрева до +600 мВ. Для никелевого жаропрочного сплава ЖС26У величина потенциала в исходном состоянии (литая лопатка) составила (-500+-800) мВ. Ионное травление газовой плазмой привело к изменению величины потенциала до (-50+-80) мВ, активирующий нагрев до 500°С увеличил <р до +500 мВ.

Таким образом, обработка поверхности ускоренной газовой плазмой (ионное травление) приводит к удалению барьерного слоя из органических веществ и оксидов. При этом температура разогрева подложки составляет около +70°С. Эффективность ионного травления ускоренной газовой плазмой зависит от шероховатости поверхности. Установлено, что средняя энергия ионов 200 эВ обеспечивает эффективную очитку и активацию поверхности при значениях Яа<0,3 мкм, а для поверхностей с более высокой шероховатостью (Ла > 0,3 мкм) энергия ионов должна составлять 400 эВ.

Активирующий нагрев ионно-электронной плазмой приводит к

увеличению температуры подложки до 300-600°С, испарению органических адсорбированных веществ, удалению оставшихся оксидов и активации поверхности.

Однако в настоящее время серийные установки и используемые стандартные технологии вакуумной ионно-плазменной обработки не позволяют реализовать этот вид обработки поверхности. В связи с этим для сравнения на примере образцов из стали 12Х18Н10Т были исследованы наиболее распространенные методы окончательной очистки и активации поверхности подложки путем бомбардировки ионами металлов (циркония, титана, алюминия, меди, а также плазмой сложного состава Fe - Cr - Ni). Показано, что энергия воздействия плазмы на подложку зависит от положения последней относительно центра катода (рис. 1а). Максимальное энергетическое воздействие, как правило, наблюдается по центру катода, и характер этого воздействия зависит от материала катода (см. рис. 16). Так, например, минимальное значение величины <р наблюдается после ионной бомбардировки поверхности подложки ионами алюминия (-800 мВ), а максимальное значение наблюдается после обработки поверхности ионами меди (+500 мВ). При обработке поверхности ионами титана и циркония величина <р составляет (-200 мВ) и (-150 мВ) соответственно. Исследования фазового состава поверхности после воздействия ионов активных плазм выявили зависимость его от состава плазмы. Так при обработке подложки ионами алюминия на поверхности образуется плотный слой AI2O3. При использовании ионов титана и циркония образуется пористый слой, состоящий из (a-Ti + ТЮ2) и (a-Zr + Z1O2) соответственно. Обработка ионами меди и ионами плазмы сложного состава Fe - Cr - Ni приводит к образованию дефектных и рыхлых оксидов железа (Fe2Oj) (см. рис. 1в).

Воздействие активной плазмы на поверхность изделий при ионной бомбардировке сопровождается не только разогревом поверхности и удалением оксидов, но и взаимодействием ионов плазмы с подложкой. Исследования с помощью Оже-спектрометрии показали, что при ионной бомбардировке в поверхностном слое подложки происходит диффузия атомов элементов, входящих в состав плазмы, вглубь обрабатываемого материала. В случае применения ионов титана глубина диффузионного слоя составила 30 нм, а применение ионов алюминия привело к образованию диффузионного слоя глубиной 40-50 нм.

ппаяма ГП\ плазма (ТЛ

| ось катода

г"

Расстояние от оси катода, мм

Плазма Фазовый состав поверхностного слоя

А1 А1203

"Л а-Т1+ТЮ2

Ъх а-гг+гю2

12Х18Н10Т Ре203

Си Ре2Оэ

В)

Рис. 1. Изменение свойств поверхности образцов из сталей при ионной бомбардировке: а) топограмма изменения поверхностного потенциала образцов из стали 13X11Н2В2МФ после воздействия плазмы П (1- шлифованная поверхность; 2- полированная поверхность); б) изменение поверхностного потенциала образцов из стали 12Х18Н10Т после воздействия плазмой А1, "П, Хт, Си и плазмой сложного состава Ре - Сг - N1 в зависимости от расстояния от центра испарителя; в) изменение фазового состава поверхности после воздействия активных плазм.

Эффективность процесса очистки поверхности путем бомбардировки ионами металлов зависит от их энергии и плотности ионного потока. При этом бомбардировка ионами высокой энергии приводит к разогреву подложки и повышению плотности поверхностных дефектов, которые могут наследоваться формирующимся покрытием и снижать его функциональные свойства, прежде всего сопротивление коррозии.

Полнота удаления оксидов зависит не только от энергии воздействия плазмы, но также от температуры процесса очистки. Оптимальная температура процесса удаления оксида была установлена на основании исследования изменения величины <р оксидов, образующихся на различных подложках при технологических нагревах. Для титановых сплавов ВТ6 и ВТ23, имеющих в исходном состоянии значения <р ~ - 100 мВ после нагрева до 100°С происходит увеличение <р до +100 мВ, что обусловлено ростом толщины естественной оксидной пленки. Дальнейшее повышение температуры нагрева приводит к изменению знака и увеличению <р, что связано с возрастанием пористости оксидов и потерей ими диэлектрических свойств. Максимальное значение ф составляет +150 — +200 мВ при температуре ~400°С, что указывает на максимальную дефектность оксида при этой температуре.

Для сталей положительные значения ф достигаются при нагреве до 200-300°С. Проведение ионной очистки поверхности в интервале температур, соответствующем минимальному значению ф оксида, обеспечивает более полное удаление оксидов с обрабатываемой поверхности при минимальном уровне энергетического воздействия плазмы на поверхность, что гарантирует сохранение исходной геометрии и структуры изделия.

Глава IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАГРЕВА И КОНДЕНСАЦИИ ГАЗОВОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ НА ПРОЦЕССЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ФОРМИРОВАНИЕ ПОКРЫТИЙ

Разработанные и показавшие свою эффективность в ходе исследований (глава III) технологические процессы очистки и активации поверхности позволяют реализовать новые варианты технологических решений модифицирования поверхности и формирования покрытий. В этой главе

приведены результаты исследования трех типов технологических процессов: модифицирование активной газовой плазмой, модифицирование активной металлической плазмой и комплексная обработка, включающая модифицирование газовой плазмой с последующим нанесением функционального покрытия.

Исследования, проведенные на модельных образцах, показали, что нагрев электронно-ионной плазмой аргона позволяет в течение 5 минут разогреть поверхность изделия до температуры 300°С. Добавление в плазму азота приводит к увеличению температуры поверхности до 600°С за то же самое время. Этот эффект связан с тем, что ионизационный потенциал азота выше, чем у аргона, при этом повышается энергия электронно-ионного потока, которая достигает максимума при концентрации азота 100%. Однако при этом наблюдается нестабильность работы источников плазмы из-за недостатка ионного потока у поверхности испарителя. Недостаточное количество ионов у поверхности катода приводит к прерыванию дугового разряда. Прерывистое горение дуги приводит к понижению температуры поверхности. Поэтому наилучшее сочетание параметров температуры поверхности и стабильности работы испарителя достигается при соотношении 60 частей аргона и 40 азота.

Таким образом, ускоренный электронно-ионный газовый поток обеспечивает нагрев изделий до температур, соответствующих высоким скоростям диффузии элементов газовой или металлической плазмы. Экспериментальные исследования позволили выявить оптимальные технологические режимы, обеспечивающие стабильность процесса модифицирования поверхности.

Помимо температуры важнейшим фактором, обеспечивающим эффективность процесса модифицирования, является концентрация реактивного газа. Особенно это касается ионного азотирования титановых сплавов. Показано, что ионное азотирование в среде 100% азота приводит к формированию в поверхностном слое протяженностью 3-5 мкм нитридной фазы ( 5-Т1>1) с составом, близким к стехиометрическому. Этот слой является барьером для диффузии азота. Снижение концентрации азота в смеси с аргоном до 5-10% обеспечивает образование на поверхности более протяженной зоны твердого раствора азота в титане за счет отсутствия

барьерного слоя из нитридной фазы. Обеспечение контролируемого поступления активного реакционного газа с высокой степенью ионизации способствует формированию упрочненной зоны глубиной 40-50 мкм при относительно низкой температуре процесса (500-550°С) за 30-40 минут. При этом наблюдается плавное изменение значений микротвердости от поверхности к основному металлу. Величина максимальной твердости (Н„) на поверхности составляет 6000-7000 МПа.

Разработанные режимы ионной очистки, активации и нагрева изделий активной электронно-ионной плазмой позволили не только провести модифицирование поверхности газовой плазмой, но и осуществить твердофазное модифицирование.

Проведенные исследования показали, что жаропрочный никелевый сплав ЖС26У после очистки, активации поверхности и нагрева до 600°С имеет очищенную и активированную поверхность с величиной поверхностного потенциала +800 мВ. На подготовленной таким образом поверхности получена структура, содержащая р(№А1)-фазу в результате осаждения А1 с последующим диффузионным отжигом в одном цикле нагрева. Диффузионное насыщение поверхностных слоев алюминием подтверждается характером распределения элементов по глубине, полученным с помощью оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда (рис. 2а), а присутствие в поверхностном слое интерметаллида №А1 -наличием соответствующих дифракционных максимумов (рис. 26).

Таким образом, разработанная технология позволяет получать на поверхности конструкционных материалов различные интерметаллидные соединения с контролируемым составом по глубине. При этом, варьируя соотношением длительности этапов конденсации и диффузионного отжига, в едином технологическом цикле можно получать градиентные поверхностные структуры.

Эффективность осуществления диффузионного отжига во многом определяется структурой металлического поверхностного слоя, сформированного на стадии конденсации. Проведенные металлографические исследования структуры конденсированных слоев А1, Т1, Сг, Мо показали наличие дефектов на поверхности в виде пирамид и конусов. Аналогичные дефекты образуются также при конденсации нитридных и оксидных

соединений. Эти дефекты разрушаются при внешнем механическом воздействии, что отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах. Показано, что такие дефекты покрытия могут быть устранены при использовании циклических режимов формирования конденсата с варьированием энергетических характеристик (ток дуги и напряжение смещения) или послойной конденсацией различных металлов.

Глубина, мкм

а) б)

Рис. 2. Распределение элементов по глубине (а) и дифрактограмма (б) поверхностного слоя образцов из сплава ЖС26У после нанесения А1 (30 мин.) и отжига при 650°С, 30 мин.

Глава V. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ВАКУУМНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Для реализации комплексных технологий вакуумного ионно-плазменного модифицирования и нанесения покрытий был разработан аппаратурный комплекс, основой которого является электродуговая установка вакуумного напыления (типа ННВ-6.6) и встраиваемые

дополнительные модули, позволяющие значительно расширить технологические возможности применяемого оборудования: модуль ионного травления, создающий ускоренный поток газовой квазинейтральной плазмы с энергией 200 эВ, а также модуль активирующего нагрева. Разработаны методические материалы (ММ, № 1-3430-4-2002) «Комплексная оценка качества формирования ионно-вакуумных покрытий и диффузионного модифицирования поверхности деталей и изделий машиностроения». Полученные в работе аппаратурные и методические решения позволили разработать технологию получения многослойных 'ПМ/'П/'ПК... покрытий на ниппельных соединениях из стали 13Х11Н2В2МФ трубопроводов для авиационных гидросистем. Для обеспечения высокой коррозионной стойкости разработан способ минимизации энергетических характеристик плазменной очистки и активации поверхности, что позволило снизить дефектность и, соответственно, проницаемость границы раздела. Способ основан на применении ускорителя газовой плазмы («ПЛАГУС») вместо традиционного использования на этапе подготовки поверхности высокоэнергетической металлической плазмы.

Повышение характеристик коррозионной стойкости достигается за счет формирования дополнительных поверхностей раздела между нитридным слоем и металлической прослойкой. Это обеспечивается снижением проницаемости покрытия, характерной для монослойных ионно-плазменных покрытий, за счет прерывания процесса роста столбчатых кристаллов. Кроме того, наличие сравнительно «мягкой» металлической прослойки обеспечивает релаксацию остаточных напряжений, величина которых увеличивается с толщиной монослоя. Последнее дало возможность существенно увеличить общую толщину покрытия, что особенно существенно для повышения износо- и эррозионной стойкости.

На рис. 3 представлены результаты измерения толщины отдельных слоев при нанесении ТО^/ПЛПМ... многослойного покрытия по различным вариантам технологии на поверхность деталей из стали 13Х11Н2В2МФ с помощью рентгеновского флуоресцентного метода. Такие кинетические зависимости дают возможность определять параметры процесса, обеспечивающие получение заданной толщины многослойного покрытия.

TiN PN = 0,26 Па

0 10 20 30

Время напыления, мин.

Рис. 3. Зависимость протяженности отдельных слоев при их последовательном формировании в многослойном ТО4ЛП/ПМ/.... покрытии на поверхности деталей из стали 13Х11Н2В2МФ от времени напыления. Р» -давление азота.

Рентгеноструктурные исследования фазового состава и текстуры многослойных покрытий позволили выявить закономерности влияния энергетических параметров ионно-вакуумного процесса на формирование структуры слоев. Показано, что при токе дуги (1д), не превышающем 90 А, и толщине Ti прослойки < 1 мкм реализуется когерентная межфазная граница раздела Ti/TiN, характеризуемая ориентационным соотношением (0001)т,//(111)™- Наличие такой когерентной границы раздела позволяет максимально эффективно использовать преимущество многослойных покрытий, заключающееся в способности Ti прослойки релаксировать остаточные напряжения, возникающие в нитридных слоях. При высоких значениях плотности плазменного потока, характеризуемого токам дуги более 90 А нарушается когерентность межфазной границы Ti/TiN, о чем свидетельствует формирование бестекстурной Ti прослойки, при этом интенсивная текстура {111} TiN нитрида сохраняется.

Исследования химического состава монослойных покрытий ТЖ, нанесенных при значениях токов дуги 60 и 90 А и давлении азота 0,06-1,5 Па показали, что нитрид состоит из 48-54 ат.% "Л, 41-45 ат.% N и 2-7 ат.%0. Более высокие концентрации кислорода характерны для покрытий, нанесенных при токе дуги 90 А. Вероятно, что повышение концентрации кислорода свидетельствует о более высокой дефектности покрытия, которая приводит к насыщению кислородом как во время нанесения покрытия, так и при его взаимодействии с воздушной атмосферой после извлечения из вакуумной камеры.

Исходя из вышеуказанных результатов, была выбрана технология нанесения многослойного покрытия в виде пятислойного пакета: Т1 (2,5 мин, 1Д = 60А) + ™ (7 мин, 1д = 60А, Рм = 0,26Па) + П (2 мин, 1д = 60А) + "ПЫ (23 мин, 1д = 60А, Ры = 0,26Па) + ТОМ (10 мин, 1д = 60А, Рк = 0,7Па). Толщины слоев, соответствующие этому режиму, представлены на рис. 3.

При отработке технологии ионного азотирования втулок из сплава ВТ6 использовали различные варианты очистки и активации поверхности на подготовительной стадии и различные температуры и концентрации реакционного газа на стадии диффузионного газонасыщения. Эффективность технологических режимов оценивали на основе комплекса методов, включающих измерение поверхностного потенциала и микротвердости, а также рентгеноструктурный анализ. Максимальную величину упрочненной зоны (75 мкм) получили при использовании активирующего нагрева на стадии подготовки поверхности и ступенчатого повышения концентрации азота (10—> 16—»20%) на этапе диффузионного газонасыщения при температурах 600-650°С.

Комплексная вакуумная ионно-плазменная технология реализована при решении вопроса обеспечения работоспособности деталей авиационной техники, условия эксплуатации которых связаны с воздействием высоких температур и контактных давлений, в частности, таких, как тормозная колодка авиационных шасси, изготавливаемых из стали 12Х18Н10Т. Без применения комбинированных методов обработки, изделие не обеспечивало необходимый ресурс работы и выходило из строя в результате хрупкого разрушения. Проведенные исследования показали, что в результате воздействия высоких температур 500-600°С и контакта с углеродом

(графитовые вкладыши) происходит насыщение поверхности стали углеродом с образованием карбидов. Совместное влияние эксплуатационных нагрузок, выделения карбидной фазы и наличие высоких температур в зоне трения приводит к хрупкому разрушению детали.

Комплексная обработка, включающая в одном технологическом цикле ионное азотирование и последующее нанесение многослойного покрытия на основе позволила существенно повысить работоспособность изделия. Формирование градиентной структуры поверхности изделия на основе азотированного слоя и покрытия ZrN позволило избежать образования карбидных фаз на поверхности за счет создания барьера, исключающего контакт графитовых вкладышей с поверхностью детали при высоких температурах. Важно также, что разработанное покрытие (7гЫ) обеспечивает стойкость данной композиции вплоть до температур 800-750°С, что позволило повысить износостойкость пары трения.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлены физико-химические закономерности вакуумного ионно-плазменного модифицирования поверхности и формирования покрытий, выявлены факторы, управляющие процессом создания поверхностных структур, обеспечивающих стабильный уровень эксплуатационных свойств изделий. Показано, что величина поверхностного потенциала (ф), измеряемая после каждого этапа технологического процесса нанесения покрытия и модифицирования поверхности, является объективным количественным критерием оценки качества поверхности и стабильности эксплуатационных свойств.

2. Установлено, что эффективным способом удаления поверхностных дефектов подложки при ионной очистке и активации поверхности является обработка её ионами газовой плазмы с энергией ~ 200 эВ для деталей с исходной шероховатостью <0,3 мкм. Для исходной поверхности с большей шероховатостью энергия ионов должна быть повышена до 400 эВ. Предложен количественный критерий оценки энергетического состояния поверхности по величине поверхностного потенциала. Установлена зависимость величины потенциала от степени загрязнения поверхности и способа последующей очистки.

3. Определены оптимальные температуры ионной очистки поверхности (~400°С для титановых сплавов и ~350°С для сталей), позволяющие обеспечить наиболее полное удаление оксидов с обрабатываемой поверхности с минимальным уровнем энергетического воздействия плазмы на поверхность, что гарантирует сохранение исходной геометрии и структуры изделия.

4. Установлено, что воздействие активной газовой и металлической плазмы на обрабатываемую поверхность заключается в совместном протекании процессов разогрева подложки, травления и диффузии элементов плазмы на глубину 30-50 нм. Исследование воздействия активной плазмы разных металлов (Ti, AI, Zr, Си и плазм сложного состава Fe-Cr-Ni) показало, что на этапе перехода к процессу конденсации возможно осаждение металлических атомов и образование оксидов. Последний процесс активизируется с повышением температуры подложки, что ухудшает качество формируемых поверхностных структур и адгезию.

5. Разработана комплексная система оценки качества формируемых поверхностей в процессе ионно-вакуумного модифицирования и нанесения покрытий, что позволяет обеспечить воспроизводимость служебных свойств покрытий и модифицированных слоев.

6. Разработана и реализована комплексная технология модифицирования поверхности тормозных колодок из стали 12Х18Н10Т для авиационных шасси, включающая ионное азотирование и нанесение многослойного ZrN покрытия.

7. Разработана технология получения многослойных TiN/Ti/TiN.... покрытий на ниппельных соединениях трубопроводов для авиационных гидросистем, основанная на низкотемпературной очистке и активации поверхности, которая позволила снизить дефектность и соответственно проницаемость границы раздела металл/покрытие.

8. Разработана технология низкотемпературного ионного азотирования втулки из сплава ВТ6, включающая ступенчатое повышение концентрации азота в смеси с аргоном от 10 до 20% при температуре проведения процесса 600-650°С, что обеспечило формирование протяженного упрочненного слоя в 70-80 мкм, состоящего из твердого

раствора азота в титане и E-Ti2N нитрида. Это позволило получить величину микротвердости на поверхности детали 7,5 ГПа и высокую износостойкость.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ильин A.A., Спектор B.C., Петров JI.M. Комплексная оценка обеспечения работоспособности титановых сплавов методами вакуумной, ионно-плазменной обработки // Авиационная промышленность, 2005, №2, с. 27-32.

2. Ильин A.A., Романовский Е.А., Борисов A.M., Бецофен С.Я., Петров JI.M., Спектор B.C., Серков М.В. Исследование структуры TiN покрытий методами ядерного обратного рассеяния протонов и рентгеноструктурного анализа // Металлы, 2005, №2, с. 33-37.

3. Сарычев С.М., Чернявский А.И., Петров J1.M., Спектор B.C. Оценка энергетического состояния поверхности методом измерения контактной разности потенциалов //В сб. «Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского», вып. 5 (77), М.: Издательско-типографский центр «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002, с. 96-100.

4. Бецофен С.Я., Петров JI.M., Сарычев С.М., Спектор B.C. Дифракционные методы исследования модифицированных поверхностных слоев титановых сплавов // В сб. «Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского», вып. 5 (77), М.: Издательский центр «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002, с. 14-18.

5. Петров JI.M., Борисов A.M., Спектор B.C. Состав и структура ионно-вакуумных TiN покрытий // В сб. «Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского», вып. 7 (79), М.: Издательский центр «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002, с. 42-47.

6. Петров JI.M., Сарычев С.М., Спектор B.C., Иванчук С.Б. Влияние ионного азотирования на процессы окисления титановых сплавов // В сб. «Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (НМТ-2004)», М.: Издательско-типографский центр «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2004, т.1, с. 82-83.

7. Петров JI.M., Спектор B.C., Лукина Е.А., Федорова Т. В., Иванчук С.Б. Исследование влияния различных видов обработки поверхности на эффективность ионного азотирования титановых сплавов // В сб. «Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (НМТ-2004)», М.: Издательско-типографский центр «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2004, т.1, с. 83-84.

8. Ильин A.A., Петров Л.М., Бецофен С.Я., Спектор B.C. Ионно-вакуумные технологии создания градиентных, нанометрических поверхностных структур в конструкционных материалах // В сб. «Труды III Российско-Японского семинара «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов», М.: МИСиС, 2005, с. 251-259.

9. Петров Л.М., Федорова Т.В., Спектор B.C., Лукина Е.А., Иванчук С.Б. Исследование влияния различных видов обработки поверхности на эффективность ионного азотирования Ti сплавов // В сб. «Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского», вып. 9 (81), М.: Издательский центр «MATO», 2005, с. 17-22.

10. Скворцова C.B., Ильин A.A., Петров Л.М., Спектор B.C., Лукина Е.А. Ионно-вакуумное азотирование как способ повышения триботехнических характеристик титановых сплавов // В сб. «Труды Международной конференции «Ti-2005 в СНГ», РИО ИМФ им. Г.В.Курдюмова HAH Украины, 2005, с. 231-236

S-' 2 5 119

РНБ Русский фонд

2006-4 28801

Подписано в печать 25.11.2005. Объем -1 п.л. Тираж 100 экз.

Издательско-типографический центр «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, Москва, Берниковская наб, 14

Введение.

Глава I Состояние вопроса.

1.1. Современные тенденции «конструирования» вакуумных ионно-плазменных покрытий.

1.1.1. Комплексные методы нанесения покрытий.

1.1.2. Многокомпонентные покрытия.

1.1.3. Многослойные покрытия.

1.2. Оборудование для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхности.

1.3. Методы контроля качества покрытий.

1.4. Параметры технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки.

1.5. Эксплуатационные свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий различного назначения.

1.6. Влияние технологических параметров формирования покрытий на их служебные свойства.

Актуальность работы. Одним из направлений повышения работоспособности изделий авиационной техники является использование покрытий различного служебного назначения для защиты рабочих поверхностей деталей. При этом реализуется новый комплекс физико-химических и эксплуатационных свойств, не свойственный материалу основы. Значительный интерес, проявляемый к исследованиям и разработкам покрытий, объясняется кроме того тем, что они позволяют обеспечить как работоспособность поверхностных слоев изделий в экстремальных условиях эксплуатации, так и ремонтоспособность изделий.

Вакуумные ионно-плазменные технологии рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективные технологии при производстве изделий авиационной техники. Они позволяют создавать сложные композиции различных видов покрытий, а также осуществлять комплексную обработку с предварительным диффузионным модифицированием. Это в свою очередь позволяет создавать градиентные структуры поверхностных слоев со специальными свойствами без ухудшения механических свойств в объеме изделий. При этом модифицирование поверхности дает значительный положительный эффект как за счет повышения ресурса работы изделий, так и за счет снижения затрат на мероприятия по повышению несущей способности основного материала, включая дополнительное легирование и совершенствование технологий производства полуфабрикатов и изделий.

Однако имеющиеся проблемы сдерживают широкое применение вакуумных ионно-плазменных технологий в производстве ответственных деталей авиационной техники.

Прежде всего, это проблема оптимизации технологии подготовки поверхности деталей перед вакуумной ионно-плазменной обработкой. Эта технология должна быть достаточно универсальной и обеспечивать высокую эффективность очистки поверхности деталей после любой предшествующей технологической операции. Кроме того, для сохранения микроструктуры в объеме детали, нагрев поверхности при очистке не должен превышать 200-300°С.

Вторая проблема связана с необходимостью сохранения исходного комплекса механических свойств материала детали. Это делает необходимым разработку таких технологических режимов, которые не только не снижают, но в ряде случаев даже повышают служебные характеристики материала детали за счет создания на поверхности композиционной структуры. Для эффективного решения этой проблемы необходимо создание основ метрологической системы оценки уровня служебных свойств и структурного состояния материалов, подвергнутых различным видам поверхностной обработки. Это позволит обеспечить воспроизводимость свойств поверхностных слоев материалов в технологических процессах.

Таким образом, исследования, направленные на решение проблемы применения экологически чистых вакуумных ионно-плазменных комплексных технологий модифицирования поверхности и нанесения покрытий для деталей авиационной техники, обеспечивающие гарантированный уровень эксплуатационных свойств, являются актуальными.

Цель работы состояла в установлении закономерностей формирования структуры и комплекса свойств поверхностных слоев деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов при вакуумном ионно-плазменном модифицировании поверхности, нанесении покрытий и оптимизации на этой основе комплексных технологий обработки поверхности деталей авиационной техники.

Для достижения постановленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить закономерности формирования структуры и комплекса свойств поверхностных слоев образцов из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов на различных этапах вакуумной ионно-плазменной обработки с использованием серийных установок типа «Булат» и определить пути оптимизации вакуумных ионно-плазменных технологий;

2. Разработать технологические способы повышения эффективности этапов очистки и активации поверхности перед модифицированием и нанесением покрытия;

3. Разработать методику оценки качества подготовки поверхности и эффективности проведения различных этапов технологического процесса модифицирования и нанесения покрытий;

4. На основе установленных закономерностей разработать структурную схему установок нового поколения и комплекс аппаратурных и технологических мероприятий, обеспечивающих воспроизводимость структуры поверхностных слоев и высокий уровень эксплуатационных свойств.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан метод очистки и активации поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов ускоренной ионной газовой плазмой, обеспечивающий полное удаление оксидов без внесения макро- и микроструктурных дефектов. Показано, что для поверхностей с параметром шероховатости < 0,3 мкм энергия ионов не должна превышать 200 эВ, а для поверхностей сЯа> 0,3 мкм - 400 эВ.

2. Разработана комплексная система оценки эффективности этапов технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки и качества формируемой поверхности изделий из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов. В рамках этой системы предложены:

- метод количественной оценки эффективности процессов очистки и активации поверхности по изменению величины поверхностного потенциала;

- рентгеновский флюоресцентный метод неразрушающего контроля толщины покрытия.

3. Установлены закономерности влияния энергетических параметров металлической плазмы на структурное состояние поверхностного слоя при модифицировании, а также на структуру, кристаллографическую текстуру и когерентность границ слоев при формировании многослойных покрытий.

Практическая значимость работы.

1. На базе серийной установки «Булат 6Т» разработана компоновочная схема универсальной установки модульного типа, которая позволяет реализовать комплексные технологии, сочетающие модифицирование и нанесение покрытий на поверхности деталей из сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов, применяемых в авиастроении.

2. Разработаны методические материалы «Комплексная оценка качества формирования ионно-вакуумных покрытий и диффузионного модифицирования поверхности деталей и изделий машиностроения» (ММ 1-3430-4-2002), которые используются в производстве деталей авиационной техники в ОАО «НИАТ» и ОАО «ОКБ Сухого» и учебном процессе при подготовке магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов» и специалистов по специальности «Материаловедение и технология материалов и покрытий» в «МАТИ»-Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского.

3. Установлен количественный критерий выбора оптимальной температуры ионной очистки, при которой наибольшая дефектность поверхностных оксидов соответствует максимальной величине потенциала поверхности. Обоснованы и рекомендованы температуры ионной очистки поверхности (~400°С для титановых сплавов и ~350°С для сталей), обеспечивающие удаление оксидов с обрабатываемой поверхности при минимальном уровне энергетического воздействия плазмы на поверхность, что гарантирует сохранение исходной микрогеометрии поверхности и микроструктуры материала изделия.

4. На основе установленных закономерностей реализована технологическая схема модифицирования поверхности тормозных колодок из стали 12Х18Н10Т для авиационных шасси, включающая ионное азотирование и нанесение ZrN многослойных покрытий в едином технологическом цикле. Разработана и реализована комплексная технология обработки ниппельных соединений трубопроводов авиационной техники из титановых сплавов, сочетающая низкотемпературную очистку и активацию поверхности с вакуумным ионно-плазменным нанесением многослойных покрытий, позволяющая получить на поверхности многослойные эррозионностойкие градиентные структуры.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлены физико-химические закономерности вакуумного ионно-плазменного модифицирования поверхности и формирования покрытий, выявлены факторы, управляющие процессом создания поверхностных структур, обеспечивающих стабильный уровень эксплуатационных свойств изделий. Показано, что величина поверхностного потенциала (ф), измеряемая после каждого этапа технологического процесса нанесения покрытия и модифицирования поверхности, является объективным количественным критерием оценки качества поверхности и стабильности эксплуатационных свойств.

2. Установлено, что эффективным способом удаления поверхностных дефектов подложки при ионной очистке и активации поверхности является обработка её ионами газовой плазмы с энергией ~ 200 эВ для деталей с исходной шероховатостью <0,3 мкм. Для исходной поверхности с большей шероховатостью энергия ионов должна быть повышена до 400 эВ. Предложен количественный критерий оценки энергетического состояния поверхности по величине поверхностного потенциала. Установлена зависимость величины потенциала от степени загрязнения поверхности и способа последующей очистки.

3. Определены оптимальные температуры ионной очистки поверхности (~400°С для титановых сплавов и ~350°С для сталей), позволяющие обеспечить наиболее полное удаление оксидов с обрабатываемой поверхности с минимальным уровнем энергетического воздействия плазмы на поверхность, что гарантирует сохранение исходной геометрии и структуры изделия.

4. Установлено, что воздействие активной газовой и металлической плазмы на обрабатываемую поверхность заключается в совместном протекании процессов разогрева подложки, травления и диффузии элементов плазмы на глубину 30-50 нм. Исследование воздействия активной плазмы разных металлов (Т1, А1, Ът, Си и плазм сложного состава Ре-Сг-№) показало, что на этапе перехода к процессу конденсации возможно осаждение металлических атомов и образование оксидов. Последний процесс активизируется с повышением температуры подложки, что ухудшает качество формируемых поверхностных структур и адгезию.

5. Разработана комплексная система оценки качества формируемых поверхностей в процессе ионно-вакуумного модифицирования и нанесения покрытий, что позволяет обеспечить воспроизводимость служебных свойств покрытий и модифицированных слоев.

6. Разработана и реализована комплексная технология модифицирования поверхности тормозных колодок из стали 12Х18Н10Т для авиационных шасси, включающая ионное азотирование и нанесение многослойного покрытия.

7. Разработана технология получения многослойных 'ПЫ/'П/ТлЫ. покрытий на ниппельных соединениях трубопроводов для авиационных гидросистем, основанная на низкотемпературной очистке и активации поверхности, которая позволила снизить дефектность и соответственно проницаемость границы раздела металл/покрытие.

8. Разработана технология низкотемпературного ионного азотирования втулки из сплава ВТ6, включающая ступенчатое повышение концентрации азота в смеси с аргоном от 10 до 20% при температуре проведения процесса 600-650°С, что обеспечило формирование протяженного упрочненного слоя в 70-80 мкм, состоящего из твердого раствора азота в титане и £-Т1гМ нитрида. Это позволило получить величину микротвердости на поверхности детали 7,5 ГПа и высокую износостойкость.

- 175

1. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками (под редакцией Поута Дж.М.) // М. Машиностроение, 1987,424.

2. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С., Крымов В.В. Авиационное материаловедение и технология обработки металлов // М., Высшая школа, 1998,446 с.

3. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С., Крымов В.В. Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении // М., Высшая школа, 1999, 526 с.

4. Sillich R.N., Bolster R.N. and Singer I.L. in Hubter G.K., Holland O.W., Clayton C.R. and White C.W. (eds.) Ion Implantation and Ion Beam Processing of Materials // Elsevier, Amsterdam, 1985, p. 637.

5. Pope L.E., Yost F.G., Follstaedt D.M., Picraux S.T. and Knapp J.A. in Hubler G.K., Holland O.W., Clayton C.R. and White C.W. (eds.) Ion Implantation and Ion Beam Processing of Materials // Elsevier, Amsterdam, 1985, p. 681.

6. Singer I.L. in Hubler G.K., Holland O.W., White O.W., Clayton C.R. and White C.W. (eds.) Ion Implantation and Ion Beam Processing of Materials // Elsevier, Amsterdam, 1985, p. 585.

7. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. Под редакцией Поута Дж.М. // М., Машиностроение, 1987, 424 с.

8. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлических материалах // М., Металлургия, 1990, 216 с.

9. Плешивцев Н.В., Бажин А.И. Физика воздействия ионных пучков на материалы // М., Вузовская книга, 1998, 392 с.

10. Ильин А.А., Петров Л.М., Бецофен С.Я., Спектор B.C. Ионно-вакуумные технологии создания градиентных, нанометрических поверхностных структур в конструкционных материалах // Сборник трудов

11. I Российско-Японского семинара «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов», М, МИСиС, 2005, с. 251-259.

12. Musil J., Vlcek J., Ruzicka M. Recent progress in plasma nitriding // Vacuum №59, 2000, p.p.940-951.

13. Baek W.S., Kwon S.C., Lee S.R. et al A study of the interfacial structute between the TiN film and the iron nitride layer in a duplex plasma surface treayment // Surface and Coatings Technology №114, 1999, p.p.94-100.

14. Da Yung Wang, Chi Lung Chang, Cheng Hsun Hsu, Hua Ni Lin Synthesis of (Ti,Zr)N hard coatings by unbalanced magnetron sputtering // Surface and Coatings Technology №130, 2000, p.p.64-68.

15. Boxman R.L., Zhitomirsky V.N., Grimberg I., Rapoport L., Goldsmith S. Structure and hardness of vacuum arc deposited multi-component nitride coatings of Ti, Zr, and Nb // Surface and Coatings Technology №125, 2000, p.p.257-262.

16. Moller W.C., Parascandola S., Telbizova T. et.al., Surface processes and diffusion mechanisms of ion nitriding of stainless steel and aluminium // Surface and Coatings Technology №136, 2001, p.p.73-79.

17. Ильин A.A., Бецофен С.Я., Скворцова C.B., Петров JT.M., Банных И.О. Структурные аспекты ионного азотирования титановых сплавов // Металлы, 2002, №3, с.6-15.

18. Мубояджян С.А., Каблов E.H., Будиновский С.А. Вакуумно-плазменная технология получения защитных покрытий из сложнолегированных сплавов//МиТОМ, 1995, №2. с. 15-18.

19. Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Конденсированные и конденсационно-диффузионные покрытия для лопаток турбин из жаропрочных сплавов с направленной кристаллической структурой // МиТОМ, 1996, №4, с. 15-18.

20. Yagodkin Yu.D., Pastuhov K.M., Muboyadjyan S.A., Kablov E.N. Application of Ion-Beam Treatment in Turbine Blade Production Technology // Surface and Coatings Technology № 84, 1996, p. 590-593.

21. Мубояджян C.A., Будиновский C.A. Промышленная установка МАП-1 для нанесения защитных покрытий различного назначения // Авиационная промышленность, 1995, № 7-8, с. 44-48.

22. Мубояджян С.А., Помелов Я.А. Вакуумно-плазменная технология высоких энергий // В сб.: Вопросы авиационной науки и техники. Серия "Авиационные материалы", 1983, № 1 с. 64-70 (ВИАМ).

23. Афанасьев Н.И., Бушнев JI.C. Мубояджян С.А. и др. Структура и свойства жаростойких покрытий из сплава Ni-Cr-Al-Y // Известия вузов MB и ССО СССР, Физика, 1986, №12, с. 22-25.

24. Барабанов Б.Н., Блинов И.Г., Дороднов A.M., Дулова C.B., Минайчев В.Е., Мирошкин С.И., Мубояджян С.А. и др. Аппаратура плазменной технологии высоких энергий «холодные» системы для генерации плазм проводящих твердых веществ // ФХОМ, 1978, № 1, с. 44-51.

25. Верещака A.C., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями // М.: Машиностроение, 1986, 192 с.

26. Волин Э.М. Ионно-плазменные методы получения износостойких покрытий // Технология легких сплавов, 1984, №10, с. 55-88.

27. Григоров А.П., Дороднов A.M., Киселев М.Д. Некоторые физические основы установок Пуск-77 // Технология автомобилестроения, М.: НИИавтопром, 1978. т.2, с. 42-48.

28. Данилин Б.С, Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы // М.: Радио и связь, 1982, 72 с.

29. Падалко В.Г., Толок В.Т. Методы плазменной технологии высоких энергий // Атомная энергетика, 1978, т.44, вып.5, с. 476-478.

30. Физика и применение плазменных ускорителей. Под ред. А.И. Морозова // Материалы 2-й ВНТК по плазменным ускорителям, Минск: Наука и техника, 1974, 390 с.

31. Benning Hoff Hanns Физические методы нанесения твердых покрытий // Technische rundschau. 1986, №78.

32. Shengli Ma, Yanhuai Li, Kewei Xu The composite of nitrided steel of H13 and TiN coatings by plasma duplex treatment and the effect of pre-nitriding // Surface and Coatings Technology, №137, 2001, p.p. 116-121.

33. Sonoda T. and et. al Coating and superplastic Ti-alloy substrates Ti and Ti-0 films by magnetron DC sputtering // Thin Solid Films, №386, 2001, p.p. 227232.

34. Manory Rafael R., Perry Anthony J. Some effects of ion beam treatments on titanium nitride coatings of commercial quality // Surface and Coatings Technology, №114, 1999, p.p. 137-142.

35. Itoh Y., Itoh A., Azuma H., Hioki T. Improving the tribological properties of Ti-6A1-4V alloy by nitrogen-ion impantation // Surface and Coatings Technology, №111,1999, с. 172-176

36. Rudenija S. Duplex TiN coatings deposited by arc plating for increased corrosion resistance of stainless steel substrates // Surface and Coatings Technology, №114, 1999, p.p. 129-136.

37. Hasegava H., Kimura A., Suzuki T. Ti,.xAlxN, Ti,.xZrxN and Ti,.xCrxN films synthesized by the AIP method // Surface and Coatings Technology, №132, 2000, p.p. 76-79.

38. Discerens M., Patscheider J., Levy F. Improving the properties of titanium nitride by incorporation of silicon // Surface and Coatings Technology №108-109, 1998, p.p. 241-246.

39. Nose M., Zhou M., Nagae T., Mae T., Yokota M., Saji S. Properties of Zr-Si-N coatings prepared by RF reactive sputtering // Surface and Coatings Technology, №132, 2000, p.p. 163-168.

40. Lewis D.B., Donohue L.A. The influence of the yttrium content on structure and properties of Tiixy.zAlxCryYzN PVD hard coatings // Surface and Coatings Technology №114,1999, pp. 187-199.

41. Menzel S., Gobel Th., Bartsch K., Wetzig K. Phase transitions in PACVD-(Ti, A1)N coatings // Thin solid films. 1999. №345, p.p. 263-269.

42. Leoni M., Scardi P., Rossi S. et al (Ti, Cr)N and Ti/TiN PVD coatings on 304 stainless steel substrates: Texture and residual stress // Thin solid films, 1999, №345, p.p. 187-199.

43. Musil J., Karvankova P., Kasl J. Hard and super Zr-Ni-N nanocomposite films // Surface and Coatings Technology №139, 2001, p.p. 101109.

44. Andersen K.N., Bienk E.J., Schweitz K.O., Reitz H., Chevallier J. Deposition, microstructure and mechanical and tribological properties ofmagnetron sputtered TiN/TiAIN multilayers // Surface Coating and Technology №123, 2000, p.p. 219-226.

45. Li T.S., Li H., Pan F. Microstructure and nanoidentation hardness of Ti/TiN multilayered films // Surface Coating and Technology №137, 2001, p.p. 225-229.

46. Kaelson L., Haltman L., Sundgren J.E. Influence of residual stresses on mechanical properties TiCxN,.x // Thin Solid Films, 2000, №371, p.p. 167-177.

47. Патент СШA №2157478 (1937).

48. Патент США №2239642 (1937).

49. Патент США №3625848 (1968).

50. Патент США №3836451 (1970).

51. Патент Великобритании №1322670 (1973).65. А.с. СССР №284883 (1969).

52. А.с. СССР №359977 (Бюл. изобр. №18, 1976).

53. А.с. СССР №367755 (Бюл. изобр. №18, 1976).

54. А.с. СССР №1491039 Беляев В.Н., Власов А.Д., Моляр А.Г., Петров JI.M. и др. Многслойное покрытие изделий из нержавеющих и конструкционных сталей

55. Петров JI.M., Бецофен С .Я., Роняк Р.Н Формирование структуры многослойных ионно-вакуумных покрытий // Тезисы докладов научно-технич. конф. "Покрытия, упрочнение, очистка. Экологичеки безопасные технологии и оборудование", М., 1995, с.43-44.

56. Богданович В.И., Снопов С.Г., Лебедев А.П. Износостойкость конструкционных материалов с тонкими покрытиями // Передовой технический опыт, 1986, №3, с.46-48.

57. Барвинок В.А., Богданович В.И., Цидулко А.Г. Опыт разработки и внедрения технологий напыления защитных покрытий // В кн.: Защитные покрытия в машиностроении, Киев: ИЭС им. Патона, 1987, с. 172-175.

58. Богданович В.И., Малкин В.И. Исследование ионно-плазменной технологии для металлизации композиционных материалов // Вопросы авиационной науки и техники. Сер. Технология авиационного двигателестроения, 1989, вып.1, с.86-88.

59. Богданович В.И., Плотников А.П., Корнилов В.Б. Исследование механизма возникновения отслаивающих напряжений в покрытиях // Вопросы специальной радиотехники. Сер. Теория и техника антенн, 1990, вып. 2(45), с.57-61.

60. Богданович В.И., Барвинок В.А., Юмашева T.JI. Перспективность разработок в области получения новых материалов методами вакуумной ионно-плазменной технологии // Рыночная экономика: Сб. науч. Трудов, Самара, 1998, с.448-453.

61. A.c. №1737933 Катодный узел 10.02.96.

62. А.с.№2061787 Катодный узел электродугового испарителя 10.06.96.

63. A.c. №2059737 Электродуговой испаритель металлов 10.05.96.

64. A.c. №2046836 Способ локализации области перемещения катодных пятен вакуумной дуги на поверхности испарения протяженного катода 27.10.95.

65. A.c. №93043133/02 Установка для вакуумно-плазменной обработки изделий в среде рабочего газа. 31.08.93.- 18382. A.c. №2001972 Установка для нанесения упрочняющих покрытий методом электродугового испарения. 30.10.93.

66. A.c. №2036245 Способ химико-термической обработки изделий ионно-плазменным методом в среде реакционного газа. 27.07.95.

67. A.c. №2026414 Способ обработки изделий. 10.01.95.

68. A.c. №2039843 Способ комплексной обработки изделий. 20.07.95.

69. A.c. №2037599 Способ нанесения покрытий на изделия методом ионного распыления и устройства для его осуществления. 19.06.95.

70. A.c. №2033475 Способ вакуумного конденсационного нанесения покрытий. 20.04.95.

71. A.c. №2037558 Вакуумная печь. 19.06.95.

72. A.c. №2026431 Способ нагрева электропроводящих изделий в рабочей камере. 10.01.95.

73. A.c. №1552687 Электродуговой испаритель. 15.12.94.

74. A.c. №1531830 Электродуговой испаритель с магнитным управлением зоной испарения. 30.03.94.

75. A.c. №1505064 Электродуговой испаритель 15.12.94.

76. A.c. №93044940/02 Электродуговой испаритель ферромагнитных материалов. 10.09.93.

77. A.c. №2001159 Установка электродугового нанесения металлических покрытий в вакууме. 15.10.93.

78. A.c. №2013464 Способ комплексной обработки изделий. 30.05.94.

79. Бабад-Захряпин A.A. Дефекты покрытий // М., изд. Энергоатомиздат, 1987, 152с.

80. Петров JI.M., Чертов С.И., Ильин A.A., Назимов О.П. Исследование кинетики окисления титанового сплава ТС-6 // В сб. тезисов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, М., 1983, с. 1.

81. Петров JI.M., Чертов С.И., Ильин A.A., Назимов О.П. Исследование влияния газонасыщения на структуру и свойства листов изтитановых сплавов. // Тезисы докладов научно-методической конференции 25-летия СФМАТИ, Ступино, 1982, с. 2.

82. Моляр А.Г., Мних В.Н., Ткаленко Д.А., Петров Л.М. Исследование методов очистки деталей под вакуумную обработку // Тезисы докладов отраслевой конференции «Прогрессивные технологические процессы и оборудование для термообработки», Тбилиси, 1988, с. 11.

83. Спроул Роберт Л. Современная физика // М.: Наука, 1974, 86 с.

84. Епифанов Г.И. Физика твердого тела // М.: Высшая школа, 1977,230 с.

85. Царев Б.И. Контактная разность потенциалов // М. Гостехиздат,1949

86. Черепин В.Т. Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка//М., том 14, 1980, с. 19.

87. Черепин В.Т., Васильев И.А. Методы и приборы для анализа поверхности материалов. Справочник // Наукова думка, 1982, с.33.

88. Грин М. Поверхностные свойства твердых тел // М.: Мир, 1972, с.195.

89. Кальницкий А.П., Файнштейн А.И. // Измерительная техника, №5, 1980, с.56.

90. С.М. Сарычев, А.И. Чернявский, JI.M. Петров, B.C. Спектор. Оценка энергетического состояния поверхности методом измерения контактной разности потенциалов. Научные труды МАТИ, в.5(77), 2004, с. 96-100.

91. Бецофен СЛ., Петров JI.A. Особенности рентгеновского измерения остаточных напряжений в TiN тонких покрытиях // Изв. АН СССР. Металлы, 1991, №1, с. 179-185.

92. Ягодкин Ю. Д., Пастухов К.М., Миляева Е.В., Мубояджанян С.А., Будиновский С.А. Рентгенографическое исследование остаточных макронапряжений в защитных покрытиях для лопаток газовых турбин // МиТОМ, № 11, 1997, с. 30-34.

93. Betsofen S.Ya., Petrov L.M. The Texture & Macrostress for Cutting Tool PVD Proceedings of the International Conference on Texture and Anisotropy Polycrystals // Clausthal, Germany, 1997, Edited by R.A. Schwarzer, p.p. 641647.

94. Betsofen S.Ya. Nondestructive X-ray methods of quality control for thin ceramic coatings // Refractory Metals & Hard Materials, v. 14, 1996, p.p.213-221.

95. Rikerby D.C., Bellamy B.A., Jones A.M. Internal stress and microstructure of titanium nitride coatings // Surface Eng., 1987, v.3, №2, p. 138.

96. Chollet L., Boving H., Hintermann H.E. Residual stress measurements of refractory coatings as a nondestructive evaluation //J. Mater, for Energy Systems, 1985, v.6, №4, p. 293.

97. Manory Rafael R., Perry Anthony J. Some effects of ion beam treatments on titanium nitride coatings of commercial quality // Surface and Coatings Technology, № 114, 1999, p.p. 137-142.

98. Бецофен С.Я., Петров JI.M., Лазарев Э.М., Коротков Н.А. Структура и свойства ионно-плазменных TiN покрытий // Изв. АН СССР, Металлы, 1990, №3, с. 158-165.

99. Thomas A. Microhardness measurement as a quality control technique for thin, hard coatings // Surface Engineering, 1987, v.3, № 2, p.l 17.

100. Бецофен С.Я. Исследование характеристик тонких керамических покрытий с помощью измерения микротвердости // Изв. РАН, Металлы, 1993, №2, с. 181-186.

101. Jehn Н.А., Kopacz U. Ultramikrohartemessungen an aufgestaubten hartstoffschichten//Proc.l 1th Plansee-Seminar, 1985, pp.1-19.

102. Бецофен С.Я., Петров Л.М. Прибор для неразрушающего определения толщины покрытий // Тезисы докладов научно-технической конференции "Покрытия, упрочнение, очистка. Экологически безопасные технологии и оборудование", М, 1995, с.45.

103. S.Y .Betsofen Film Thickness Measurements Make TiN Coatings Reliable // Advanced Coatings & Surface Technology, Technical Insights INC. Copyright, 1996, p.p.3-4.

104. Петров Л.М., Лантух А.Ю. Некоторые аспекты поверхностных энергетических процессов, протекающих на катоде электродугового разряда вакуумных установок // Научные труды МАТИ-60 лет, вып. 3(75), изд. Латмэс, 2000., с. 61-65.

105. Палатник JI.C., Фукс М.Я., Косевич В.М. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок. М., Наука, 1972, с. 320.

106. Петров J1.M., Бецофен С.Я., Дервук В.В. Формирование композиционных износостойких покрытий: состав, технология, состояние подложки, структура // Научные труды МАТИ, вып. 1(73), 1998, изд. Латмэс, с.67-71

107. Петров J1.M., Сарычев С.М., Спектор B.C., Иванчук С.Б. Влияние ионного азотирования на процесс окисления титановых сплавов // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (НМТ-2004), с. 82-83.

108. Ильин A.A., Спектор B.C., Петров Л.М. Комплексная оценка обеспечения работоспособности титановых сплавов методами вакуумной, ионно-плазменной обработки // Авиац. пром., №2, 2005, с.27-32.

109. Бецофен С.Я., Петров Л.М., Сарычев С.М., Спектор B.C. Дифракционные методы исследования модифицированных поверхностных слоев титановых сплавов // Научные труды МАТИ, в.5(77), 2004, с. 14-18.

110. Ильин A.A., Романовский Е.А., Бецофен С.Я., Петров Л.М., Спектор B.C., Серков М.В. Исследование структуры TiN покрытий методами ядерного обратного рассеяния протонов и рентгеноструктурного анализа // Металлы, 2005, №2, с. 33-37.