К.т.н. Селиверстов И.А¹, к.т.н. Смирнов И.В²

1. Херсонский национальный технический университет, Украина.

2. Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», Украина.

Процессы ионно-плазменного плакирования порошков

В настоящее время металлизированные порошки находят широкое применение во многих целях. Успешное применение таких порошков обуславливается высоким качеством композиции, широким спектром применяемых материалов с возможностью получения многослойных покрытий. Известны работы в которых металлизированные порошки используют в качестве эффективных химических катализаторов, для изготовления режущего инструмента [1], проведен ряд работ по изучению свойств газотермических покрытий, полученных на основе композиционных плакированных порошков [2,3].

Перспективным направлением в создании такого рода композиционного материала является металлизация порошков в вакууме.

Среди распространенных вакуумных технологий конденсации металлических пленок особое место занимает метод ионно-плазменного распыления металлов в условиях дугового разряда [4]. Этот перспективный, разрабатываемый метод плакирования порошков в силу своих физико-технологических возможностей позволяет обеспечивать равномерную металлическую оболочку с высокими скоростями осаждения. При этом возможно формировать сложные композиции, в том числе при послойном осаждении разных металлов. Отрицательным фактором в процессе плакирования в отдельных случаях может стать высокая температура на поверхности, в результате чего частички порошка активно слипаются, образовывая конгломераты.

В этой связи исследование по усовершенствованию и оптимизации технологических процессов вакуумно-конденсационного осаждения пленок на порошковые смеси, являются актуальными и направлены на создание качественного плакированного порошкового материала для дальнейшего его использования, в том числе и для газотермического напыления покрытий.

Методика эксперимента и исследований. Объектом исследования в данный работе были порошки оксида алюминия и оксида циркония диаметром 40-60 мкм и 20-40 мкм, соответственно. Металлизация порошков проводилась на установке ионно–плазменного напыления “Анга-1”, на порошки наносилось двухслойное покрытие первый слой из титана, последующий из алюминия. Напыляемый порошок загружался в специально разработанное вибрационное устройство и подвергался непрерывному перемешиванию в состоянии виброкипения [5].

Плазменное напыление плакированного порошка осуществлялось плазмотроном, который обеспечивал ламинарное течение высокотемпературного газа. Механические свойства покрытий и пленок изучались с применением известных методик по склерометрии [6].

Элементный состав полученных пленок плакированных порошков, а также плазменных покрытий проводился методом локального микрорентгеноспектрального анализа на растровых электронных микроскопах Camscan-4DV и ZEISS EVO 50XVP, с применением энерго дисперсионного рентгеновского микроанализатора.

Результаты и обсуждения экспериментальных данных. По результатам проведенных экспериментов и расчетов основных параметров плазмы по вольт-амперным характеристикам (ВАХ) одиночного электрического зонда получены соответствующие выводы относительно определения рациональных режимов испарения и конденсации. Установлено, что оптимальным для генерации максимального количества ионов и минимального количества нейтральной фазы является ток 100-110 А для титана и , 60-90 А для алюминия при дистанции напыления 240-320 мм и потенциале смещения 50 В. Определены температуры конденсации покрытия в зависимости от технологических режимов работы установки На рост температуры в первую очередь влияет увеличение силы тока дугового разряда, однако, это же приводит к увеличению концентрации и повышению производительности процесса. С целью улучшения адгезии плакированного слоя поверхность порошка активировалась в тлеющем разряде непосредственно в металлизационном устройстве. Обработка поверхности оксида алюминия увеличивает прочность сцепления с основой в 3-5 раз, как алюминиевых, так и титановых вакуумных пленок.

Анализ плакированных порошков, а также покрытий, полученных газотермическим напылением, свидетельствует, что металлическая оболочка на частицах характеризуется высокой плотностью и ровным рельефом поверхности (рис.1), а полученное покрытие отличается повышенной когезионной и адгезионной прочностью. Химический анализ приведен в таблице1

а)	б)
Рис. 9. Электронное изображение частичек плакированного порошка: а)Al2O3, б) ZrO2

Химический анализ порошка плакированного титаном и алюминием

Таблица 1

Спектр 1-20	В стат.	O	Al	Ti	Zr	Итог	H, nm
							Ti	Al
Среднее Al2O3	Да	31.33	52.38	16.29		100.00	220	388
Среднее ZrO2	Да	36.50	5.61	4.08	53.81	100.00	81	115

Выводы. Определены значения тока дугового разряда, потенциала смещения, которые обеспечивают максимальную концентрацию ионов и формирование равномерной оболочки на частичках порошка при соответствующем расстоянии от катода. Полученные в результате эксперимента данные имеют практическую ценность для определения оптимальных режимов испарения и конденсации при формировании, как оболочек на сферических поверхностях, так и покрытий.

Литература:

1. Шаронов Э.А., Ванновский В.В., Алексеев С.В. Вакуумно-Дуговое напыление меди на порошок керамики Si₂ – FeO_n // Труды 6-и междунар. Конференции «Пленки и покрытия - 2001». - Спб: Изд. Спбгту. - 2001. - С.146-149.

2. Применение композитных порошков типа керамика –алюминий –никель для получений покрытий/ Н. Н. Новиков, С. Р. Пустотина, Б. М. Соловьев, Н. М. Пискарева, В.К. Толок //Порошковая металлургия. –1979. –№11. –С. 24–28.

3. Новые плазменные покрытия многофункционального назначения и их самоорганизация / Н. А Руденская // Защита металлов. –2004. –том 40, №2. –С. 173–177.

4. Костржицкий А. И. Многокомпонентные вакуумные покрытия/ Костржицкий А. И., Лебединский О. В. — М.: Машиностроение, 1987 — 208 с.

5. Селиверстов И.А. Анализ процесса вакуумной металлизации порошковых материалов в виброкипящем слое / И.А.Селиверстов, С.А. Русанов, И.В. Смирнов, В.И.Копылов // Вестник національного технического университета Украины „ Киевский политехнческий інститут” / Машиностроение. —2009. — № 57. — С 50 — 56.

6. Матюнин, В.М. Определение механических свойств и адгезионной прочности ионно-плазменных покрытий склерометрическим методом / В.М. Матюнин, П.В. Быков, Р.Х. Сайдахмедов [ и др. ] //МИТОМ. — 2002. — № 3. — С. 36-39.