Технологии нанесения функциональных покрытий

Содержание

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Кашапов Н. Ф., Лучкин Г. С., Лучкин А. Г.

Вакуумно-плазменный стенд на базе вакуумной установки УВН-70-А2 применен для нанесения функциональных покрытий . Получены функциональные покрытия на пластиках и измерены их физико-механические свойства. Выявле-но влияние параметров нанесения на характеристики покрытий.Vacuum plasma stand based on vacuum machine УВН-70-А2 applied for deposition of functional coatings on plastic. Volume of working gas is measured. Functional coatings are deposited and their physical mechanical properties are measured. Influence of deposition parameters on coatings characteristics is explored

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Кашапов Н. Ф., Лучкин Г. С., Лучкин А. Г.

Текст научной работы на тему «Вакуумные технологии нанесения функциональных покрытий»

Н. Ф. Кашапов, Г. С. Лучкин, А. Г. Лучкин

ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ

Ключевые слова: вакуумные технологии, плазма, магнетрон, функциональные покрытия. vacuum technology, plasma, magnetron, functional coatings.

Вакуумно-плазменный стенд на базе вакуумной установки УВН-70-А2 применен для нанесения функциональных покрытий. Получены функциональные покрытия на пластиках и измерены их физико-механические свойства. Выявлено влияние параметров нанесения на характеристики покрытий.

Vacuum plasma stand based on vacuum machine УВН-70-А2 applied for deposition of functional coatings on plastic. Volume of working gas is measured. Functional coatings are deposited and their physical mechanical properties are measured. Influence of deposition parameters on coatings characteristics is explored

В настоящее время вакуумные технологии находят широкое применение в машиностроении и химической промышленности. Они используются при нанесении покрытий на поверхности металлов, полупроводников и диэлектриков с целью придания им требуемых эксплуатационных свойств [1]. Например, технология производства поверхностно упрочненных экранов для средств индивидуальной защиты (СИЗ) предназначенных для применения в химической и нефтедобывающей промышленности, а также в службе МЧС. Наиболее перспективными для процессов напыления являются разрабатываемые в последние годы плазменные методы нанесения покрытий [2].

Одним из наиболее распространенных плазменных методов нанесения покрытий является магнетронное распыление. Магнетронная распылительная система (МРС) позволяет осуществлять процесс испарения пленкообразующего материала с большой скоростью и с одновременной ионизацией и возбуждением распыленных атомов [3]. Наличие возможности управления параметрами разряда позволяет направленно влиять на свойства получаемых покрытий. Поэтому технологии с применением магнетронной распылительной системы, являются перспективными в процессах изготовления функциональных покрытий.

Работа направлена на решение актуальной проблемы — определение влияния параметров низкотемпературной плазмы аномального тлеющего разряда, горящего в вакууме, на физико-механические характеристики покрытий на пластиках.

На базе вакуумной установки УВН-70-А2 разработан и создан уникальный экспериментальный стенд по нанесению функциональных металлических и оксидных покрытий с помощью МРС. Этот стенд предназначен для нанесения металлических и оксидных тонкопленочных покрытий в вакууме на поверхность изделий из стекла и полимеров различной формы. В состав стенда входят вакуумная камера, откачная система, система нагрева подложек, система фотометрического контроля толщины наносимых покрытий, система ионной очистки поверхности подложек, многоканальная система сбора данных, которая позволяет не только фиксировать значения параметров разряда, но и управлять процессом напыления функциональных покрытий [4].

Вакуумная камера, изготовленная из стали 12Х18Н10Т, представляет собой горизонтально расположенный цилиндр с внутренним диаметром 700 мм и длиной 700 мм и объем вакуумной камеры составляет 0,27 м . Камера имеет фланец для присоединения паромасляного агрегата, а так же имеются две дверцы, на одной из которых закреплены два магнетрона, а на другой закреплено устройство вращения подложек и имеется окно для наблюдения за процессом напыления. Так же на камере предусмотрены фланцы для крепления манометрических преобразователей, трубопроводов форвакуумной линии, устройств подачи рабочих газов и напуска атмосферного воздуха.

Значительное влияние на формирование и рост покрытий оказывает рабочий газ, в атмосфере которого происходит напыление. Поэтому необходимо учитывать состав и скорость подачи газа в вакуумную камеру. Была проведена работа по измерению расхода рабочего газа в вакуумную камеру во время проведения напыления. Определение расхода рабочего газа проводилось следующим образом. Вакуумная камера была откачана до остаточного давления 2-10"4 Тор. При помощи игольчатого натекателя устанавливался расход подачи аргона в вакуумную камеру на уровне 30 делений шкалы ротаметра РМГ 063. При таком расходе газа давление в вакуумной камере установилось на значении 3-10"3 Тор. Затем перекрывалась магистраль откачки газа из камеры, запускался секундомер для отсчета времени и, одновременно, фиксировалось изменение давления по показаниям вакуумметра ВИТ-2, датчиками давления для которого служат преобразователи манометрические ионизационные ПМИ-2 и ПМТ-2. При достижении давления газа в камере 1-10 Тор измерение прекращалось. Измерения производились по 7 раз, и вычислялось среднее значение. Устанавливался следующий расход газа, и заново проводились измерения.

По полученным данным определялся расход газа, используя формулу [5,6]:

д = (У/760)-(а/22,4)-(АР/А1) г/с, (1)

где V — объём вакуумной камеры, 270 дм3, а — атомная масса газа, 40 а.е.м.; АР — изменение давления в вакуумной камере, Тор; А1 — изменение времени, с. В результате проведения эксперимента получено, что расход рабочего газа при напылении составляет д=3,1 10"4 г/с.

При нанесении покрытий методом магнетронного распыления металлов в вакууме необходимо одновременно контролировать несколько параметров: напряжение и ток разряда, давление рабочего газа, контролируемые характеристики наносимых покрытий. Контроль осуществлялся с помощью многоканальной системы сбора данных на базе аналогового измерительного модуля ввода МВА8 [7], которая обеспечивает одновременную запись в компьютер основных параметров напыления. МВА8 работает в сети ЯБ-485. Для трансляции данных в компьютер, работающий в сети ЯБ-232, используется преобразователь интерфейсов АС3-М, который предназначен для двунаправленного обмена данными между интерфейсами ЯБ-232 и ЯБ-485 с автоматическим определением направления передачи данных.

МВА8 выполняет следующие основные функции:

— измерение физических параметров объекта, контролируемых входными первичными преобразователями;

— цифровую фильтрацию измеренных параметров от промышленных импульсных

— коррекцию измеренных параметров для устранения погрешностей первичных преобразователей;

— передачу на ПК информации о значениях измеренных датчиками величин или значениях, полученных после преобразования этих величин;

— изменение значений его программируемых параметров с помощью программы конфигурирования;

— сохранение заданных программируемых параметров в энергонезависимой памяти при отключении напряжения питания;

— снятие показаний датчиков положения (резистивного и токового типа) и контактных дискретных датчиков.

Для управления процессом нанесения покрытий по программе предназначен управляющий модуль МВУ8.

Читайте также:  Стол из древесины своими руками

Ток измерительных датчиков не должен превышать 20 мА, напряжение ограничивается 50 мВ. Поэтому для измерения высоких токов и напряжений для вакуумного стенда была спроектирована и изготовлена система гальванической развязки. В результате измеряются и записываются на персональном компьютере в режиме реального времени значения токов до 20 А и напряжений до 600 В. Получаемые таким образом данные легко хранить и анализировать.

Напыление металлических покрытий на пластиковые подложки проводится в едином технологическом цикле. Подложка обезжиривается, затем помещается в вакуумную камеру, которая откачивается до давления 13 Па. На электрод ионной очистки подается высокое напряжение (до 1 кВ), и в течение 5-10 минут происходит ионная очистка. Затем камера откачивается до давления 2,6-10" Па, происходит напуск аргона до давления 0,26 Па. Подложка закрывается заслонкой, и зажигается аномальный тлеющий разряд на титановой мишени. Происходит удаление оксидной пленки с поверхности титановой мишени в течение 5 минут горения разряда. Заслонка убирается, происходит нанесение отражающего покрытия из Т на холодную подложку в течение 1-5 минут, после этого подложку вынимаем и проводим испытания.

Напыление оксидных покрытий на пластиковые подложки проводится по такому же циклу, только вместо аргона осуществляется напуск смеси кислорода и аргона.

Покрытия наносились с помощью магнетронов постоянного тока (рис. 1). При напылении основные параметры разряда изменялись в следующих пределах: напряжение на катоде изменялось от 475 до 500 В, ток разряда 2 — 3 А, давление в камере поддерживалось от 0,26 до 0,28 Па, содержание кислорода в смеси с аргоном варьировалось от 0 до 60 %, расстояние от подложки до магнетрона составляло 18 см, время напыления 5 мин. Распыленный титан осаждался на полиэтиленовые подложки толщиной 0,1 мм. На стеклянные подложки толщиной 1,5 мм напылялись покрытия олова.

Соотношение кислорода и аргона 02/Лг,%

Рис. 1 — Зависимость удельного сопротивления покрытий титана на пластике от соотношения кислорода и аргона

Соотношение кислорода и аргона в рабочей смеси газов, используемой при распылении металла, в значительной степени определяет физико-механические характеристики покрытий. Для изучения влияния соотношения аргона и кислорода были получены и исследованы металлические и оксидные покрытия на пластике и на стекле. Полученные покрытия исследовались на адгезионную прочность, измерялось их удельное электрическое сопротивление, оптические характеристики (коэффициент отражения) и проводились исследования модуля упругости.

Адгезионная прочность покрытий определялась методом отрыва покрытия липкой лентой. Лента размером 15х25 мм плотно приклеивалась на свеженанесенное покрытие и затем резким движением отрывалась от поверхности. Адгезия покрытия считается хорошей, если покрытие остается на подложке, и плохой, если оно остается на липкой ленте. Результаты испытания покрытий показали, что все полученные покрытия имеют хорошую адгезионную прочность во всем диапазоне изменения соотношения кислорода и аргона.

Удельное электрическое сопротивление (Ом/см2) покрытий измерялось с помощью Омметра двухзондовым методом: измерительная ячейка в виде медных контактов квадратной формы со стороной 1 см, находящихся на расстоянии 1 см друг от друга прижималась к покрытию с усилием 0,2 Н/см2 [8,9,10]. Для каждого образца измерение проводилось не менее семи раз в разных точках, результат усреднялся. Полученные данные представлены на рис. 1.

Сопротивление покрытий, полученных в атмосфере чистого аргона, малы по сравнению с сопротивлением покрытий, полученных в атмосфере смеси аргона и кислорода. С увеличением процентного содержания кислорода удельное сопротивление покрытий значительно возрастает. Это свидетельствует о том, что увеличение процентного содержания кислорода в смеси газов ведет к повышению степени окисления покрытия.

Изменение соотношения кислорода и аргона в смеси реакционных газов влияет и на оптические свойства покрытий, которые оценивались по измерению коэффициента отражения. Коэффициент отражения покрытий измерялся на приборе ИКО-1 в оптическом диапазоне с использованием в качестве сравнения эталонных образцов с известным коэффициентом отражения.

При увеличении процентного содержания кислорода коэффициент отражения покрытия падает. При увеличении доли кислорода с 0 до 38 % это падение составляет более чем в два раза. Такое изменение происходит за счет увеличения прозрачности оксидных пленок титана. При увеличении процентного содержания кислорода в смеси реакционных газов увеличивается прозрачность покрытия и, соответственно, уменьшается коэффициент отражения. Зависимость коэффициента отражения покрытий титана и олова от содержания кислорода в смеси реакционных газов представлена на рис. 2.

При увеличении процентного содержания кислорода в смеси реакционных газов в процессе нанесения покрытий олова коэффициент отражения сначала растет, достигая максимального значения при 38%, а затем падает до прежнего значения (рис. 2).

Покрытия были исследованы на сканирующем зондовом микроскопе МиШМоёе V фирмы Veeco (рис.3,4). Для фиксации образцов на металлической подложке использовался специальный двухсторонний скотч.

В экспериментальных условиях, когда кантилевер приближается к поверхности образца, на него начинают воздействовать сила Ван дер Вальса. Они распространяются достаточно далеко и ощутимы уже на расстояниях в несколько десятков ангстрем. Затем на расстояниях в несколько ангстрем начинают действовать силы отталкивания.

гп Коэффициент отражния покрытия, %

45 о Титан □ Олово

0 ) 10 20 30 40 50 6 Соотношение кислорода и аргона О2/АГ, %

Рис. 2 — Зависимость коэффициента отражения покрытий титана и олова от соотношения кислорода и аргона

Рис. 3 — АСМ изображение поверхности металлического покрытия

Рис. 4 — Объемное изображение поверхности металлического покрытия

При работе в контактном методе изгиб кантилевера отражает отталкивающую силу и используется непосредственно, в системе обратной связи или в их комбинации для отображения рельефа поверхности.

Неровности поверхности не превышают 2 мкм, причиной могут служить неровности самой подложки, т.к. толщина функциональных покрытий превышает нескольких сотен нанометров.

В результате проведенных исследований выявлены зависимости физикомеханических характеристик покрытий от параметров низкотемпературной плазмы аномального тлеющего разряда. Удельное сопротивление покрытий титана на пластики уве-

личивается с увеличением содержания кислорода в смеси реакционных газов. С увеличением содержания кислорода коэффициент отражения покрытий титана уменьшается. Коэффициент отражения покрытий олова на стекле достигает максимального значения при соотношении кислорода и аргона равном 38 %. Полученные зависимости необходимы при получении полупрозрачных, токопроводящих покрытий на пластике и стекле.

1. Галяутдинов, Р.Т. Технология напыления высокоотражающих покрытий на изделия из АБС-пластика / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Инженерно-физический журнал АН Беларуси. — 2002. — Т. 75, №5. — С. 170-173.

2. Галяутдинов Р.Т. Технология получения оптических покрытий с помощью низкотемпературной плазмы / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Тез. докл. XXXIII международной (Звенигородской) конф. по физике плазмы и УТС. — Звенигород: 2006. — С 310.

3. Галяутдинов Р. Т. Физические процессы в аномальном тлеющем разряде при нанесении оксидных покрытий / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Прикладная физика. — 2005. — №

4. Кашапов Н.Ф. Модернизация вакуумной установки для нанесения тонкопленочных покрытий / Н.Ф. Кашапов, А.Г. Лучкин, Г.С. Лучкин // Научная сессия КГТУ. — Казань: 2009. — С 275.

5. Райзер, Ю.П. Физика газового разряда / Ю.П. Райзер // М.: Наука, 1992. — 536 с.

6. Фролов, Е.С. Вакуумная техника: Справочник / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др // М.: Машиностроение, 1992. — 480 с.: ил

7. Галяутдинов, Р.Т. Формирование защитных покрытий для алюминиевых зеркал методом магнетронного распыления / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Сварочное производство.

— 2003. — № 3 (820). — С. 27-31.

Читайте также:  Соседи затопили и не хотят платить

8. Зиганшина, Л.Р. Исследование зависимости физико-механических характеристик покрытий на пластиках от параметров аномального тлеющего разряда магнетрона / Л.Р. Зиганшина, А.Г. Лучкин, Г.С. Лучкин // Сб. работ победителей конкурса студентов вузов по направлениям: лазерные и плазменные технологии, квантовая и атомная оптика, нанофотоника. — Набережные Челны, 2009.

9. Кашапов, Н.Ф. Диагностика аномального тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в процессе нанесения оптических покрытий / Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Материалы IV межд. симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. КТЛРС-2005. -Иваново, 13-18 мая 2005 г. — С. 500-503.

10.Галяутдинов, А.Р. Ионно-плазменное формирование упрочняющего покрытия / А.Р. Г.С. Лучкин // XXXV Межд. (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. — Звенигород, 2008. — С 299.

ВНИИНМ в течение нескольких десятилетий является головной организацией по разработке ядерных технологий и материалов для атомной промышленности России. Высокая сложность и нестандартная постановка задач, повышенные требования, предъявляемые к результатам разработок, обусловили накопление во ВНИИНМ уникальных компетенций в области функциональных и защитных покрытий.
В настоящее время ВНИИНМ является одним из лидеров в России и в мире в области технологии нанесения защитных и функциональных покрытий широкой сферы применения с использованием различных технологических процессов, позволяющих выпускать изделия нового поколения с радикально улучшенным соотношением «цена/качество».
В стадии рассмотрения находится проект создания на базе передовых инновационных разработок ВНИИНМ, не имеющего отечественных аналогов, современного промышленного производства функциональных наноструктурированных покрытий с использованием широкого спектра материалов покрытий, технологий и оборудования для их нанесения. Создаваемый технологический комплекс будет являться одним из базовых элементов возрождения отечественного машиностроения, повышения эффективности, надежности и расширения эксплуатационных возможностей машиностроительной продукции для ТЭК, машиностроения, нефтехимической и горнодобывающей промышленности, в авиационном и энергетическом турбостроении и др.
Использование инновационных разработок в области нанесения покрытий дает следующий эффект:
1. Придание изделиям уникальных свойств (новое качество), достижение которых невозможно без нанесения покрытий.
2. Повышение качества и увеличение ресурса продукции.
3. Снижение стоимости продукции.
4. Импортозамещение.
Последнее обстоятельство очень значимо. Российский рынок слабо насыщен оборудованием для получения надежных покрытий. Технологии покрытий всегда были технологиями двойного назначения, поэтому их экспорт в СССР и Россию был долгое время ограничен. Отечественные предприятия освоили производство простого оборудования для электродуговой металлизации и газопламенного напыления, однако сейчас их производство практически прекращено, а установки плазменного и высокоскоростного напыления на рынке до последнего времени присутствовали в основном в импортном исполнении.
Наиболее охваченными микроструктурированными покрытиями являются российские рынки покрытий для авиации и нефтегазовой отрасли. Но даже на этих рынках объем проникновения покрытий не превышает 30% от аналогичных зарубежных. Наноструктурированные отечественные покрытия на российском рынке в значимых объемах не применяются.
Примеры возможных и реализованных разработок ВНИИНМ в области использования функциональных и защитных покрытий:
• Композитные жаростойкие и жаропрочные покрытия для защиты от износа и теплозащиты деталей турбин; износостойкие, твердосмазочные, коррозионно-стойкие покрытия деталей авиационного двигателя, авионики; антиобледенительные покрытия; замена гальванического хромирования на деталях гидравлики и шасси; ремонт деталей вертолетной техники; защита от коррозии топливных баков; защита от коррозии аэродромных сооружений и др.;
• Многокомпонентные покрытия на основе жаропрочных сплавов с высокими коррозионными и износостойкими свойствами для повышения ресурса работы, жаростойкости и жаропрочности клапанно-поршневой пары двигателя внутреннего сгорания (ДВС), топливной аппаратуры дизельных ДВС и др. элементов автомобиля;
• Нанесение твердосмазочного, антисхватывающего покрытия на шестеренчатые пары сильно нагруженных редукторов из зубчатых передач, на элементы подшипников скольжения дизельных двигателей всех типов с эффектом снижения расхода топлива, повышения мощности, повышения надежности, снижения шума;
• Применение многослойных наноструктурированных покрытий для оборудования, изделий и конструкций атомной отрасли;
• Защитные покрытия крупногабаритных емкостей в атомной промышленности, в том числе транспортных упаковочных комплектов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Нанесение покрытия на подобный материал ранее считалось неосуществимым;
• Радиопоглощающие покрытия для использования в авиационной и ракетной технике, включая перспективные беспилотные системы;
• Применение многокомпонентных покрытий на основе нержавеющих сталей, сплавов алюминия-хрома и др. с высокими коррозионными и светоотражающими свойствами для замены экологически вредных химических и гальванических технологий, используемых для защиты от коррозии, и придания декоративных свойств изделиям;
• Нанесение тонких керамических покрытий на металлические и неметаллические (включая композитные материалы, пластик, резину, стекло и др.) изделия и детали, радикально улучшающих свойства изделий по жаростойкости, износостойкости, стойкости к агрессивным средам;
• Оперативный ремонт и восстановление систем водоснабжения в ЖКХ путем нанесения металлических покрытий на месте с использованием мобильных, в том числе переносных установок. Антикоррозионная защита труб, арматуры и оборудования с пожизненной гарантией.
• Оперативный ремонт техники, оборудования, металлоконструкций, трубопроводов с использованием мобильных, в том числе переносных установок для нанесения покрытий. Высокопрочные, надежные, герметичные, коррозионностойкие и недорогие соединения различных материалов без предварительной подготовки, очистки соединяемых, восстанавливаемых поверхностей, а также без их нагрева (на рисунке представлено экспресс-соединение арматуры, а также соединение медного стержня со стальным гвоздем).
• Ремонт и восстановление оборудования в металлургической, трубной промышленности. Нанесение защитных и функциональных покрытий на наиболее нагруженные элементы оборудования для придания им повышенных свойств износостойкости и жаропрочности.
• Упрочнение и повышение стойкости режущего инструмента, высоконагруженных элементов бурового оборудования, проходческих щитов. Ремонт и восстановление оборудования на месте с использованием мобильных, в том числе переносных установок для нанесения покрытий.
• Нанесение сверхтонких керамических покрытий на гибкие электротехнические провода с высокими электроизоляционными характеристиками с большим запасом электрической прочности.

Руководитель направления

Первый заместитель генерального директора —

Тел.: +7 (499) 190-89-99 доб. 89-69

© 1998 – 2020 АО «ТВЭЛ»
Все права защищены

Острая проблема износа оборудования присуща практически всем инфраструктурным отраслям российской экономики. Приблизительные данные износа мощностей по данным Госкомстата за 2010 год, которые оцениваются на уровне 60% для различных отраслей промышленности, приведены на рис.1.


Рис.1 Износ оборудования в различных отраслях промышленности

Изношенное оборудование ТЭС и котельных приводит к снижению КПД при их работе и нарастающее число отказов с соответствующими отрицательными последствиями.

Согласно данным статистики до 70% оборудования в отечественном тяжелом и атомном машиностроении имеет средний возраст 20 и более лет. Это означает, что подавляющая часть основных фондов устарела не только морально, но и физически.

Так как темпы модернизации во многих отраслях промышленности ниже необходимых, именно поэтому нужно содействовать внедрению передовых технологий, таких как методы нанесения функциональных наноструктурированных покрытий методами газотермического напыления.

Используемые ООО «ТСЗП» технологии газотермического напыления представляют собой совокупность процессов, при которых напыляемый материал частично расплавляется, диспергируется (распыляется) и переносится на обрабатываемую поверхность посредством газовой струи. При ударе о поверхность частица напыляемого материала мгновенно остывает (скорости охлаждения могут достигать миллиона градусов в секунду) и деформируется, плотно сцепляясь с ней. Благодаря применению специальных технологических приемов и/или наноструктурированных материалов покрытия формируются с наноструктурой, что можно наблюдать при различных увеличениях с использованием электронной микроскопии (рис.2).


Рис.2 Микроструктура и наноструктура функциональных покрытий

Применение функциональных газотермических покрытий в различных отраслях

Первоочередной задачей, стоящей перед энергетикой, тяжелым и атомным машиностроением, является восстановление, защита от коррозии и продление эксплуатации изношенного оборудования. Это может быть достигнуто с помощью:

  • поверхностной модификации критичных узлов оборудования;
  • повышения эксплуатационных качеств оборудования;
  • существенного увеличения ресурса деталей машин;
  • снижения затрат на закупку инструмента;
  • увеличения межремонтных циклов предприятий;
  • снижения стоимости эксплуатации оборудования российского ТЭК.
Читайте также:  Технические характеристики жестких минераловатных плит

Данные задачи могут быть решены с помощью внедрения современных методов газотермического нанесения функциональных покрытий. Внедрение этих методов доказало свою эффективность. Поверхностная модификация поверхностного слоя приводит к увеличению ресурса деталей, узлов оборудования, а, следовательно, к снижению расходов на ремонт и эксплуатацию[1].

Методами газотермического напыления можно наносить разные виды покрытий с различными свойствами.

Целью нанесения износостойких покрытий является, во-первых, восстановление утраченной поверхности, во-вторых, придание ей свойств, как правило, превышающих свойства новой детали[1].

Результаты испытаний на износ различных износостойких материалов, нанесенных методом ГТН (газотермического напыления), показывают, что величина износа с увеличением нагрузки у закаленной стали ЭИ415 растет, причем все покрытия имеют более высокую износостойкость и лучшее значение критической нагрузки схватывания, чем эталонная сталь ЭИ415 таб. 1.

Состав покрытий, масс.% Износ покрытий, мм 3 , при нагрузке, МПа Критическая нагрузка схватывания, МПа
400 800 1200 1600 2000
Сталь ЭИ415 (эталон) 0,20 0,4 0,6 0,8 1,0 4750
Al2O3+30% Ni 0,035 0,06 0,09 0,12 0,15 8250
Cr3C2-NiCr 0,035 0,045 0.06 0,07 0,08 5200
WC+15%Ni 0,01 0,015 0.018 0,02 0,025 5750
ПГ-СР2 0,185 0,25 0,4 0,5 0,7 8250
СНГН-55 0,135 0,175 0,25 0,3 0,55 7750
СНГН-55+5%Mo+5%Al 0,055 0,1 0,14 0,2 0,25 8100
СНГН-55+35% (TiC-Ni)+20% (Ni-Al) 0,03 0,05 0,065 0,085 0,105 2000
ВСНГ-35+35% (СНГН-55)+15%(Ni-Al) 0,01 0,015 0,025 0,03 0,035 5750

Таким образом, проведенные исследования позволяют рекомендовать газотермические покрытия с содержанием твердых фаз — карбидов для узлов тяжело-нагруженных деталей агрегатов, особенно в случаях, особенно в случаях, когда необходима высокая стойкость против схватывания [2].

Термобарьерные покрытия представляют собой композиционные металлокерамические покрытия с керамическим слоем (или слоями), обладают низкой теплопроводностью. Термобарьерные покрытия наносят на различные детали тепловых машин: на клапаны, поршень, головку цилиндра дизельных двигателей, рабочие и сопловые лопатки и детали камеры сгорания газовых турбин и др. Схема работы такого покрытия представлена на рис. 3.


Рис.3 Схема работы термобарьерного покрытия, нанесенного на сопловую лопатку газовой турбины

Использование термобарьерных покрытий для защиты лопаток газовой турбины позволяет повысить температуру рабочего газа на выходе в турбину при сохранении неизменной температуры сплава, из которого изготовлена лопатка, уменьшить расход газа, используемого для охлаждения, снизить температуру стенки лопатки при неизменной температуре рабочего газа, использовать более загрязненное топливо, так как термобарьерные покрытия обеспечивают защиту от коррозии за счет нанесения коррозионного металлического подслоя [3].

Жаростойкость (стойкость к окислению) материала покрытия определяется термодинамическими характеристиками наносимых материалов.

Механизм защиты от окисления можно себе представить как диффузионный процесс перемещения, например, алюминия в процессе нагрева сплава (покрытия) из области, богатой Al, к поверхности детали, где он превращается в оксид. По мере увеличения толщины оксида наступает момент, когда пленка оксида скалывается из-за термических напряжений. Таким образом, длительность защиты жаропрочного сплава пленкой оксида алюминия зависит от концентрации Al в сплаве.


Рис.4 Оптимизация состава покрытия для защиты от окисления

Главным способом защиты жаропрочных сплавов от окисления в шестидесятые годы было диффузионное алитирование. Однако, защита внешних поверхностей лопаток алитированием явно недостаточна, так как из-за снижения усталостной прочности в лопатках толщина алитированного слоя не превышает 40-60 мкм.

Коррозионноактивные элементы, попадающие в горячую зону двигателя из топлива, вызывают сульфидную, натриевую, ванадиевую и др. виды коррозии. Это вызвало разработку защитных покрытий в системе M(Co,Ni)СrAlY[1]. Оптимизация состава покрытия для защиты от окисления, используемого в качестве подслоя для термобарьерных покрытий, представлена на рис.4.

Применение новых технологий часто сопряжено с риском. Поэтому специалистами ООО «ТСЗП» выполняются большое количество НИОКР, в том числе по техническому заданию заказчика, когда результаты НИОКР остаются его собственностью, так же, как и патенты и ноу-хау.

Многие задачи по НИОКР были решены в цветной металлургии, энергетики и нефтяной промышленности, доказав свою экономическую эффективность.

Успешно применяют новые интенсивные технологии, которые позволяют достичь увеличения объемов добычи и переработки нефти, выплавки цветных металлов, а также в защите от кавитации в деталях гидроэлектростанций.

Экономическая целесообразность применения функциональных газотермических покрытий

Одним из многих примеров экономической эффективности является напыления защитных покрытий в «Газпром добыча Астрахань». Эффект от внедрения защитных покрытий внутренней поверхности колонн абсорберов и емкостей за период с 2001 по 2007 год составил более пяти миллиардов рублей [4].


Рис.5 Внутренней поверхности колонн абсорберов: а) коррозионно-эрозионный износ металла абсорберов; б) нанесение покрытия на внутреннюю поверхность абсорбера

Для выполнения работ по защите внутренней поверхности абсорберов от коррозионноэрозионного износа специалистами ООО «ТСЗП» были разработаны технологии защиты и ремонта аппаратов в условиях завода (без их демонтажа) рис. 5. Специалистами ООО «Газпром добыча Астрахань» совместно с ООО «ТСЗП» были проведены испытания различных типов покрытий, разработана схема напыления абсорберов.

Повреждение единственной трубы или сварного шва теплообменника, не высокой стоимости, может привести к аварийной остановке агрегата большой стоимости. Простой оборудования во время ремонта приводит к огромным финансовым потерям рис.6 б).


Рис.6 Защита от коррозии теплообменного оборудования: а) теплообменник; б) сравнительные затраты работы теплообменника с покрытием и без покрытия

Срок службы теплообменников сравнительно невелик по причине высокотемпературной коррозии и эрозии, а также газоабразивного износа стенок труб, вызванных аддитивным разрушающим воздействием высоких температур кипения и частиц продуктов горения.

Специалистами ООО «ТСЗП» был испытан ряд покрытий, из которых, наиболее перспективными для применения при защите теплообменников. При этом надо учитывать, что нанесение покрытия на теплообменники увеличивает поверхность теплообмена на 10-20%.

Разработка научных программ по проблемам износостойкости и коррозионностойкости диктует экономической значимостью этой проблемы для народного хозяйства. Следует еще раз подчеркнуть, что износ является главной причиной снятия машин и оборудования с эксплуатации для производства ремонта, и потери от этого могут, сокращены путем применением рациональных способов восстановления и упрочнения. Поэтому применение методов газотермического напыления сможет решить национальные проблемы, такие как экономия энергии, сокращение расхода материалов, а также надежность и безопасность механических систем.


Рис.7 Диаграмма износостойкости шеек коленчатых валов

Примером применения газотермических покрытий для восстановления изношенных валов и других деталей двигателя является большой экономический эффект рис.7 [2].

Процессы газотермического напыления получили широкое распространение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими методами нанесения покрытий:

  • возможность нанесения покрытий на объекты практически любых размеров и форм;
  • широчайший спектр напыляемых материалов и подложек;
  • нанесение газотермических покрытий не вызывает значительного разогрева обрабатываемых поверхностей;
  • отсутствуют температурные деформации напыляемых деталей;
  • отсутствие структурных изменений в материале обрабатываемой детали;
  • высокая экономическая эффективность и экологичность.

Безусловно, описанные процессы следует отнести к ресурсо и энергосберегающим, поскольку они продлевают срок эксплуатации оборудования, позволяют восстанавливать изношенные узлы, а не заменять их новыми. Применение функциональных покрытий дает возможность экономить дорогостоящие материалы, изготавливая основной объем детали из более дешевого металла. Внедрение в производство современных автоматизированных процессов газотермического напыления позволяет выпускать продукцию с высокими эксплуатационными свойствами, отвечающими требованиям современных технологий[1].

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ТурбоЗайм
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector