Технические науки/ 8. Обработка материалов в машиностроении

¹докторант PhD Платонова Е.С., ¹д.т.н. Жетесова Г.С.,

²к.ф.-м.н. Юров В.М., ²магистр Гученко С.А.

¹Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

²Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова, Казахстан

Влияние технологических параметров
на энергию разрушения покрытий

Введение

Уже в 80-х годах прошлого столетия стало понятно, что необходимо идти не по пути создания специальных сплавов, а создавать различные технологии нанесения функциональных покрытий (жаростойких, износостойких и т.д.) на детали механизмов и машин, работающих в экстремальных условиях [1]. В последующие годы интерес к функциональным покрытиям продолжал расти
в связи с развитием ракетной и космической техники, энергетики и т.д. [2-4].

Непосредственное влияние на структуру и физические свойства покрытий, полученных методом ионно-плазменного осаждения, оказывают следующие параметры [5]: давление реакционного газа в рабочей камере; потенциал основы; ток разряда дуги; свойства материала катода; температура подложки.

Поверхностное натяжение и энергия разрушения покрытий

Поверхностное натяжение твердого тела σ представляет собой удельную поверхностную энергию Е_п = σ∙S (S - удельная поверхность). Определение поверхностного натяжения твердого тела представляет собой сложную задачу, поскольку атомы (молекулы) поверхности неподвижны. Исключение составляет пластическое течение чистых металлов при температуре, близкой к температуре плавления. Обзор методов определения поверхностного натяжения твердых тел дан в работах [6-9]. Покрытие будет разрушено, если энергия разрушения Е_р ≈ Е_п. Таким образом, энергию разрушения покрытия можно оценить, определяя его поверхностное натяжение. В настоящей работе поверхностное натяжение определялось по методике [10].

Влияние технологических параметров на энергию разрушения ионно-плазменных покрытий

В настоящей работе покрытия наносились на стальную подложку площадью 1 см² ионно-плазменным методом на установке ННВ-6.6 И1 с использованием композиционных катодов.

Рассмотрим влияние температуры подложки на энергию разрушения композиционных покрытий. Результаты измерения приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Зависимость энергии разрушения покрытия от температуры
подложки площадью 1 см²

Покрытие	Температура подложки, °С			Энергия разрушения покрытия, Дж
Zn–Cu–Al	350	400	450	2,06	2,43	2,14
Cr–Mn–Si–Cu–Fe–Al	350	400	450	6,06	7,11	6,21
Mn–Fe–Cu–Al	350	400	450	3,24	3,67	3,09

Оптимальная температура подложки для всех композиционных покрытий оказалась равной около 400 °С. Измельчение зерновой структуры материала покрытия с увеличением температуры подложки сопровождается ростом твердости и поверхностного натяжения до некоторого критического среднего размера зерна. Снижение твердости при дальнейшем уменьшении среднего размера зерна в покрытии происходит из-за проскальзывания по межзеренным границам (ротационный эффект).

Рассмотрим влияние величины тока дуги на свойства композиционных покрытий. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Зависимость энергии разрушения покрытия от тока дуги

Покрытие	Ток дуги испарителя, А				Энергия разрушения покрытия, Дж
Zn–Cu–Al	30	50	70	90	2,43	2,31	2,29	2,27
Cr–Mn–Si–Cu–Fe–Al	30	50	70	90	7,11	6,97	6,95	6,92
Mn–Fe–Cu–Al	30	50	70	90	3,67	3,42	3,12	308

Увеличение тока разряда дуги приводит к увеличению толщины покрытия, однако при возрастании тока свыше 130 А снижается совершенство структуры, и резко повышается количество капельной фазы, которая является причиной снижения прочности сцепления подложки с покрытием. При малой мощности разряда (ток дуги <(20-30) А) из-за уменьшения коэффициента ионизации плазмы в пленку «замуровываются» нейтральные частицы реакционного газа
и катода, что способствует повышению концентрации дефектов покрытия.

Результаты влияния остаточного давления в вакуумной камере на свойства композиционных покрытий представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Зависимость энергии разрушения покрытия от давления газа
в камере (площадь покрытия 1 см²)

Остаточное давление газа в камере, мм. рт. ст.	Энергия разрушения покрытия, Дж
	Zn–Cu-Al	Cr–Mn–Si–Cu–Fe–Al	Mn–Fe–Cu–Al
10^-8	2,02	6,32	3,28
10^-7	2,11	6,54	3,43
10^-6	2,43	7,11	3,67
10^-5	2,38	6,87	3,42

Проанализировав результаты исследования, можно сделать вывод о том, что образцы, полученные при давлении азота Р = (0,081-0,81) Па, имеют наиболее равномерно распределенную мелкую плотную структуру, минимальное содержание капельной фазы, пор, наплывов, отслоений и наибольшие значения поверхностного натяжения.

Оценка энергии разрушения многоэлементных покрытий

В настоящее время возрос интерес исследователей к технологиям получения многоэлементных однофазных высокотвердых покрытий [11].

В работе [9] нами показано, что для чистых металлов поверхностное натяжение σ, а, значит, и энергия разрушения связаны с их температурой плавления Т_пл соотношением: σ = 0,7∙Т_пл. Это означает, что, подбирая соответствующие элементы по их температуре плавления, можно прогнозировать свойства многоэлементных покрытий, учитывая аддитивные свойства поверхностного натяжения. В случае наличия в поверхностном слое различных фаз (нитридных, сульфидных и т.д.) можно воспользоваться методами определения поверхностного натяжения соответствующих фаз, изложенных в работе [9]. Там же приведены уже табличные значения поверхностного натяжения чистых металлов, их нитридов, окислов и т.п. для большинства металлов периодической системы элементов.

Заключение

Из приведенных выше результатов исследования следует, что получение покрытий с заданными свойствами возможно при соблюдении основных технологических параметров процесса их осаждения. Качественную оценку свойств покрытий можно получить, зная их поверхностную энергию, температуру плавления и концентрацию соответствующих элементов или фаз в покрытии.

Литература

1 Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. - Киев: Наукова думка, 1983. - 232 с.

2 Мубояджян С.А., Лесников В.П., Кузнецов В.П. Комплексные защитные покрытия турбинных лопаток авиационных ГТД. - Екатеринбург: Изд-во «Квист», 2008. - 208 с.

3 Gao W., Li Zh. (Eds.) Developments in High Temperature Corrosion and Protection of Materials. - Woodhead Publishing Ltd, 2008. - 658 p.

4 Madhusudana Chakravarti V. Thermal Contact Conductance. - Springer International Publishing Switzerland, 2014. XVIII. - 260 p.

5 Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.

6 Gilman J.P. Direct Measurements of the surface energies of crystals // J. Appl. Phys., 1960. - V. 31. - № 2. - P. 2208-2216.

7 Гохштейн А.Я. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. - М.: Наука, 1976. - 256 с.

8 Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008. - 508 с.

9 Юров В.М., Портнов В.С., Лауринас В.Ч. и др. Размерные эффекты
и физические свойства малых частиц и тонких пленок. - Караганда: Изд-во Казахстанско-Российского ун-та, 2013. - 116 с.

10 Юров В.М., Лауринас В.Ч., Гученко С.А., Завацкая О.Н. Поверхностное натяжение упрочняющих покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия, 2014. - № 1. - С. 33-36.

11 Соболь О.В., Андреев А.А., Горбань В.Ф. и др. О воспроизводимости однофазного структурного состояния многоэлементной высокоэнтропийной системы Ti-V-Zr-Nb-Hf и высокотвердых нитридов на ее основе при их формировании вакуумно-дуговым методом // Письма в ЖТФ, 2012. - Т. 38. - В. 13. - С. 40-47.