Получение и исследование свойств ионно-плазменных покрытий, нанесенныхс использованием многокомпонентных СВС-прессованных катодов на основе системы Ti-B-Si

Полный текст

Одним из основных направлений улучшения свойств тонкопленочных материалов является формирование многокомпонентных упрочняющих покрытий вакуумно-дуговым распылением в среде азота катодов из композиций на основе титана, легированного кремнием, бором, хромом и другими элементами [1]. Многокомпонентные покрытия могут быть получены двумя способами: одновременным испарением раздельных однокомпонентных катодов, что осложняется трудоемким подбором технологических режимов испарения каждого из катодов, или одного многокомпонентного катода, что позволяет повысить надежность его работы и однородность генерируемой плазмы. Перспективным методом получения многокомпонентных катодов является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [2]. В этой связи представляет интерес изучение состава, структуры и свойств покрытий, получаемых на вакуумно-дуговых установках «Юнион» и ННВ-6.6 с использованием многокомпонентных СВС-прессованных катодов системы Ti-В-Si. Покрытия на плоских цилиндрических образцах диаметром 15 мм и высотой 5 мм из быстрорежущей стали Р6М5, термообработанной на твердость HRС 64…65 Р6М5, получали с использованием вакуумно-дуговых установок «Юнион» и ННВ 6.6. Плоскую поверхность образцов подвергали шлифованию и полированию до Ra = 2 мкм. Образцы располагали плоской поверхностью фронтально относительно плазменного потока. Процесс осуществлялся в следующих режимах. Для установки «Юнион»: катодный ток - 125...130 А, температура подложки - 150…200 °С, давление реакционного газа - азота 0,2…0,27 Па. Для установки ННВ-6.6: катодный ток - 80 А, температура подложки - 250…300 °С, давление реакционного газа - азота 0,25…0,27 Па. Ионно-плазменный поток формировался при использовании многокомпонентных СВС-прессованных катодов состава 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti и 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti при электродуговом испарении. Следует отметить, что реализация ионной очистки ионами металлической плазмы вследствие сильного разогрева катода на вакуумно-дуговой установке «Юнион» оказалась практически невозможной даже при увеличении тока дуги испарителя до критических значений, а в связи с конструктивными особенностями данной установки использование дополнительного испарителя не представлялось возможным. В результате для очистки образцов из стали Р6М5 использовали вакуумную очистку и активацию поверхности потоком ускоренной низкотемпературной газовой плазмы. При получении покрытий на установке ННВ-6.6 ионная очистка осуществлялась ионами металлической плазмы используемого катода. Металлографический анализ, а также исследование характера распределения частиц капельной фазы на поверхности полученных покрытий осуществлялись на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6390А. Результаты исследований приведены на рисунке. Количественные характеристики капельной фазы на поверхности покрытий определялись на участке размером 8×8 мкм. Согласно полученным результатам капельная фаза для всех типов покрытий имеет примерно одинаковые средние размеры. Вместе с тем количество капельной фазы на поверхности покрытий, полученных из многокомпонентных СВС-прессованных катодов, в 2-3 раза меньше, чем на покрытии TiN, что положительно влияет на качество покрытий. Измерение нанотвердости покрытий Н и модуля упругости Е проводилось при помощи наноиндентора Aglient G200. Твердость и модуль упругости определяли по методике Оливера - Фарра с использованием пирамиды Берковича. Результаты измерений приведены в табл. 1 . Результаты исследований показывают, что значения нанотвердости покрытий, полученных с использованием СВС-прессованных катодов на установке «Юнион», ниже, чем покрытий, полученных на установке ННВ-6.6, и покрытия TiN. Модуль упругости покрытий, полученных с использованием СВС-прессованных катодов, в 1,7-2,5 раза меньше по сравнению с его величиной для покрытия TiN при соизмеримых значениях твердости и имеют, таким образом, преимущество по параметру H/E, который служит сравнительной характеристикой сопротивления деформации. а б в г д Морфология поверхностей покрытий TiN(Юнион) (а) и покрытий, полученных с использованием катодов 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti (Юнион) (б); 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti (Юнион) (в); 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti (ННВ-6.6) (г); 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti (ННВ-6.6) (д) Таблица 1 Механические свойства покрытий Состав катода (тип установки) Твердость H, ГПа Модуль упругости E, ГПа H/E Ti (покрытие TiN) (Юнион) 28 ÷ 30 540 ÷ 570 0,052 ÷ 0,053 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti (Юнион) 11 ÷ 13 170 ÷ 220 0,059 ÷ 0,063 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti (ННВ-6.6) 28 ÷ 31 300 ÷ 320 0,093 ÷ 0,096 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti (Юнион) 9,5 ÷ 10 180 ÷ 210 0,048 ÷ 0,053 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti (ННВ-6.6) 29 ÷ 33 320 ÷ 340 0,09 ÷ 0,097 Выполнены сравнительные исследования трибологических свойств покрытий, полученных из СВС-прессованных катодов, и покрытия TiN. Изучение характеристик трения и износа осуществлялось на машине трения по схеме «шарик - диск» при нагрузке 15 Н. Экспериментально определяли коэффициент трения fтр, а также время работы покрытия до образования первых очагов износа tрп. Коэффициент трения fтр определялся как отношение силы трения к величине нормальной нагрузки на контртело. Контртело представляло собой твердосплавный зубок с диаметром сферы 10 мм из твердого сплава марки ВК16 твердостью HRA 86. Процесс изнашивания проводили на воздухе в условиях сухого скольжения со скоростью 580 об/мин относительно вращающегося образца при нагрузке 15 Н, приложенной по нормали к поверхности покрытия. Обработка экспериментальных данных осуществлялась при помощи компьютера с использованием программы Power Graph 3.0, определялось время работы покрытия до появления первых очагов износа. Результаты обработки экспериментальных данных и искомые трибологические свойства покрытий приведены в табл. 2. Таблица 2 Трибологические свойства покрытий Состав катода (тип установки) fтр tрп, с ВТ1-00 (Юнион) 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti (Юнион) №1 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti (Юнион) №2 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti (ННВ-6.6) №1 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti (ННВ-6.6) №2 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti (Юнион) №1 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti (Юнион) №2 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti (ННВ-6.6) №1 40%TiB+40%Ti5Si3+20%Ti (ННВ-6.6) №2 0,2-0,23 0,28-0,37 0,28-0,37 0,16-0,33 0,16-0,33 0,17-0,37 0,17-0,37 0,16-0,33 0,16-0,33 260 55 30 350 146 320 30 300 210 Следует отметить, что образцы с покрытиями, полученными из многокомпонентных катодов на установке «Юнион», характеризуются практически полным отсутствием покрытия на дорожке трения, что позволяет говорить о низких значениях адгезии. Вероятно, это связано с использованием активации поверхности потоком ускоренной низкотемпературной газовой плазмы. В случае с покрытиями, полученными на установке ННВ-6.6, покрытие на дорожке трения отсутствовало лишь частично, что позволяет сделать вывод о более высоких значениях адгезии для данных покрытий. Таким образом, сравнение приведенных результатов показывает, что наибольшее время работы образцов с покрытиями зарегистрировано для покрытия, полученного из СВС-катодов состава 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti на установке ННВ-6.6. Данное покрытие характеризуется наилучшим сочетанием механических свойств. В целом многокомпонентные покрытия, полученные на установке ННВ-6.6, обладают лучшим сочетанием механических свойств, чем традиционное покрытие TiN и многокомпонентные покрытия, полученные на установке «Юнион», что связано с более стабильной работой испарителя при нанесении покрытий.

Об авторах

Сергей Игоревич Алтухов

Самарский государственный технический университет

Email: Аltuhov_serg@mail.ru
аспирант кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Антон Николаевич Асмолов

Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва

инженер кафедры «Производство летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении» 443086, Самара, Московское ш., 34

Валерий Иосифович Богданович

Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва

(д.т.н.), профессор кафедры «Производство летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении» 443086, Самара, Московское ш., 34

Андрей Александрович Ермошкин

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), старший преподаватель кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы». 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Евгений Иванович Латухин

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), доцент «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы