способ нанесения покрытий

Формула изобретения

Способ нанесения покрытий, включающий установку плазмотрона в камеру с пониженным давлением, размещение подложки для нанесения покрытия в камере, поддержание динамического вакуума в камере, подачу плазмообразующего газа и порошка напыляемого материала в плазмотрон и распыление материала сверхзвуковым потоком плазмы в камере с образованием расплавленных частиц порошка и паровой фазы распыляемого материала, отличающийся тем, что перед подложкой, на которую наносят покрытие, устанавливают маску с отверстиями и перемычками между ними, обеспечивают обтекание перемычек только паровой фазой напыляемого вещества, создают за перемычками волны разрежения, в которых происходит конденсация паровой фазы с образованием наночастиц, которые выпадают на подложку и формируют покрытие в виде узких полос, состоящих из наночастиц и находящихся вокруг участков покрытия, созданного напротив отверстий маски из частиц порошка, при этом сдвигают маску относительно нанесенного покрытия и формируют следующие слои покрытия на нанесенном слое с получением покрытия со структурой из нескольких нанесенных слоев.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нанотехнологий, используемых для нанесения покрытий, и может найти применение в машиностроительной промышленности, а именно в ракетостроении и авиастроении.

Известен способ нанесения покрытий [1], в котором при помощи плазменного распыления порошков материалов микронных размеров сверхзвуковыми потоками плазмы в камерах с пониженным давлением наносятся покрытия на подложку. Во время нанесения покрытия в камере поддерживается динамический вакуум, т.е. процесс происходит в камере, в которую с одной стороны из плазмотрона поступает плазма, а с другой стороны постоянно ведется откачка атмосферы камеры вакуумными насосами.

Недостатком данного способа является то, что полученные покрытия обладают коэффициентом температурного расширения (КТР), как правило, в 2-3 раза отличающимся от КТР подложки, что приводит при наличии многократных термоциклических нагрузок к появлению трещин в покрытии и его разрушению.

Задачей предлагаемого изобретения является существенное улучшение рабочих характеристик покрытия при многократных термоциклических нагрузках за счет проведения с ним продольного послойного наноструктурирования.

Для достижения этого технического результата в предлагаемом способе нанесения покрытий, включающем установку плазмотрона в камеру с пониженным давлением, размещение подложки для нанесения покрытия в камере, поддержание динамического вакуума в камере, подачу плазмообразующего газа и порошка напыляемого материала в плазмотрон и распыление материала сверхзвуковым потоком плазмы в камере с образованием расплавленных частиц порошка и паровой фазы распыляемого материала, перед подложкой, на которую наносится покрытие, устанавливают маску с отверстиями и перемычками между ними, обеспечивают обтекание перемычек только паровой фазой напыляемого вещества, создают за перемычками волны разряжения, в которых происходит конденсация паровой фазы с образованием наночастиц, которые выпадают на подложку и формируют покрытие в виде узких полос, состоящих только из наночастиц и находящихся вокруг участков покрытия, созданного напротив отверстий маски из частиц порошка, кроме того, сдвигают маску относительно нанесенного покрытия и формируют следующие слои покрытия на уже нанесенном покрытии для получения структуры из нескольких покрытий.

На фигуре 1 представлена схема расположении плазмотрона, подложки и маски, с помощью которой может быть осуществлен предлагаемый способ. В вакуумную камеру помещается плазмотрон [2], в плазмообразующий газ которого добавляется порошок материала, которым наносится покрытие. Струя плазмы, содержащая плазмообразующий газ, расплавленные частицы порошка и материал в паровой фазе, в которую он частично перешел в плазмотроне и сверхзвуковом сопле 1 плазмотрона, истекает в область динамического вакуума. В недорасширенной струе плазмы при этом возникает висячий скачок уплотнения 2, внутри которого реализуется сверхзвуковое течение, совпадающее с истечением струи в вакуум [3].

Перед подложкой 3 устанавливается маска 4, в которой имеются отверстия 5 произвольной формы с перемычками 6 между ними. На подложке напротив отверстий 5 происходит обычное нанесение покрытия 7, характерное для плазменно-кластерной технологии. В этой части покрытия на подложке присутствуют как крупные частицы, так и мелкие частицы напыляемого вещества с наличием крупных пор между ними. В то же время в областях покрытия напротив перемычек 6 (в так называемых «затененных областях» от прямого натекания плазмы) реализуется течение Прандтля-Майера -сверхзвуковое обтекание перемычки паровой фазой материала в маске с образованием веера волн разряжения 8, проходя который из паровой фазы напыляемого материала конденсируются наночастицы, которые выпадают на подложку и образуют узкие полосы 9 в покрытии, состоящие целиком из наночастиц, при практически полном отсутствии пор между ними. В этом случае, в тех частях покрытия, которые расположены напротив отверстий, полностью сохраняются защитные свойства традиционного покрытия, а в узких полосах вокруг этих областей покрытие состоит из одних наночастиц, которые обладают повышенной адгезионной прочностью по сравнению с обычным покрытием, но с несколько ухудшенными защитными свойствами за счет отсутствия пор между ними.

Таким образом, в продольном направлении образуется ячеистая структура покрытия (см. фиг.1), состоящая из областей обычного сплошного покрытия 7 и узких полос 9, окаймляющих этих области, состоящие из наночастиц. Такая конструкция покрытия приводит к тому, что в случае приложения к покрытию многократных термоциклических нагрузок заметные трещины, вызванные отличием КТР материала покрытия и материала подложки, не образуются вообще из-за малых размеров по абсолютной величине областей с обычным покрытием, либо в случае возможного образования трещина не выходит за пределы этой области, т.к. она окружена полосой покрытия, состоящего из наночастиц, обладающих более высокими прочностными характеристиками, хотя и меньшими защитными свойствами.

Сдвигая маску в продольном направлении относительно нанесенного слоя покрытия на величину, меньшую, чем размер ячейки, наносится следующий слой наноструктурированного в продольном направлении покрытия. Таким образом, наносится требуемое количество слоев для выполнения защитных функций покрытия. В результате образуется многослойное защитное наноструктурированное в продольном направлении покрытие на подложке (см. фиг.2), воздействие на которое многоразовых термоциклических нагрузок не приведет к разрушению покрытия из-за наличия в слоях перемычек из наночастиц, обладающих повышенной адгезионной прочностью на интерфейсе между слоями и областями с обычным покрытием внутри каждого слоя.

Предлагаемое техническое решение позволяет достаточно просто получать наноструктурированное в продольном направлении покрытие, которое обладает повышенной устойчивостью к воздействию на него многоразовых термоциклических нагрузок; при этом способ получения части покрытия с помощью наночастиц является экологически безопасным, т.к. весь процесс образования наночастиц из паровой фазы напыляемого материала до нанесения на подложку происходит в замкнутом объеме вакуумной камеры, полностью изолированной от обслуживающего персонала.

Источники информации

1. В.В.Кудинов, Г.В.Бобров. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: Металлургия, 1992, стр.144-148.

2. С.Г.Ребров, М.Н.Полянский, Р.Н.Ризаханов. Плазмотрон для нанесения покрытий. Патент РФ, заявка № 2007147821 от 25.12.2007.

3. B.C.Авдуевский, Э.А.Ашратов, А.В.Иванов, У.Г.Пирумов. Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй. - М.: Машиностроение, 1989.