Розробка і дослідження технологічного процесу і устаткування для формування багатокомпонентних покриттів на лопатки газотурбінних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

Спеціальність 05.03.07 - “Процеси фізико-технічної обробки”

УДК 621.793.79.002.5

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Автореферат

РОЗРОБКА І ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ФОРМУВАННЯ БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ ПОКРИТТІВ НА ЛОПАТКИ ГТД

Колесник Валерій Володимирович

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, м. Харків.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Падалка Валентин Глебович

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Добротворський Сергій Семенович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри технології машинобудування та різальних верстатів, м Харків;

кандидат технічних наук Яковлєв Володимир Григорович, Волочиський машинобудівний завод, головний інженер, м Волочиськ.

Провідна установа: Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м Запоріжжя.

Захист відбудеться “15” червня 2007 р. о “14” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий “28” квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Застела

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Застосування захисних покриттів на деталях машин, що працюють у важких зовнішніх умовах (підвищені температури, вібрація, ерозія, корозія і т.д.), ставить перед інженерами і ученими задачі по:

· розробці високоефективних технологій отримання покриттів;

· вивченню і освоєнню нових, екологічно чистих, енергозберігаючих методів формування покриттів.

Питання формування багатокомпонентних покриттів із заданими характеристиками і регульованим компонентним складом в науково-технічній літературі відображені достатньо широко. Проте не всі питання, пов'язані з вивченням технологічного процесу і його характеристик знайшли віддзеркалення в дослідженнях.

Широке розповсюдження покриттів знайшло застосування в авіа- і ракетобудуванні. Застосування захисних покриттів має місце при проектуванні і ремонті деталей авіаційних двигунів.

Однією з основних причин виходу з ладу компресорів газотурбінних двигунів (ГТД) є пиловий ерозійний знос пера лопаток, який особливо сильно виявляється при експлуатації літаків і вертольотів на грунтових аеродромах і на малих висотах польотів в умовах сильної запорошеної атмосфери. З другого боку, для підвищення ККД турбін наземного і повітряного використання необхідне збільшення температури газів на вході в турбіну, що приводить до великих температурних навантажень на деталі “гарячого тракту”, зокрема, на лопатки. Тому збільшення терміну служби двигунів напряму пов'язано з терміном служби лопаток.

Одним з методів збільшення терміну служби ГТД є захист лопаток компресорів і турбін від ерозійного і термічного дій шляхом нанесення захисних покриттів.

Існує досить багато способів отримання захисних покриттів вакуумними методами. У теперішній час однією з найважливіших задач вакуумних технологій є отримання багатокомпонентних покриттів. Інтерес до таких покриттів викликаний більш широким спектром їх властивостей в порівнянні з однокомпонентними покриттями. При отриманні однокомпонентних покриттів на перше місце виходила задача підвищення продуктивності процесу при одночасному зниженні енергетичних витрат і поліпшення якості покриттів. Ця задача була успішно вирішена. При формуванні конденсатів на основі багатокомпонентних матеріалів на перше місце виходить інша задача: отримання покриттів заданого складу. Існує велика кількість методів осадження багатокомпонентних покриттів у вакуумі. Найпоширенішими методами є пряме електронно-променеве випаровування і дугові методи осадження. Генерація потоку частинок випаровуванням супроводиться значною зміною складу потоку в порівнянні зі складом матеріалу, що випаровується. Дуговим методам генерації потоку частинок, властиві: наявність значної кількості крапель в покритті, що приводить до нерегулярності структури одержуваного покриття, а також вибірковість масопереносу. Найприйнятнішим способом генерації потоку частинок багатокомпонентних матеріалів є розпилення мішеней іонним бомбардуванням, оскільки в даному випадку склад потоку частинок практично відповідає складу катоду, що розпилюється. Серед методів, в основі яких лежить розпилення катода іонним бомбардуванням, найбільші можливості мають магнетронні методи осадження, але і вони не позбавлені недоліків (порівняно низький коефіцієнт використання матеріалу мішені (~25% для плоскої мішені); порівняно висока нерівномірність плівки по товщині; трудомісткість виготовлення мішеней складного складу і т.д.).

Усунення перерахованих вище недоліків веде до ускладнення технологічних установок і, як наслідок, до збільшення собівартості продукції. Тому пошук інших методів отримання захисних багатокомпонентних покриттів представляє значний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно державним науково-технічним програмам України:

· “Електроракетні двигуни космічних літальних апаратів. Іонно-плазмові технології та обладнання”, 1997 - 1999 рр., державний реєстраційний номер ДР № 0198У001613;

· “Теорія та методологія принципу створення сучасних іонно-плазмових силових космічних установок”, 2000 - 2002 рр., державний реєстраційний номер Д/Р № 0100U003429;

· “Наукові основи створення плазмових генераторів та прискорювачів для космічних та технологічних цілей”, 2003 - 2005 рр., державний реєстраційний номер Д/Р № 0103U005066;

· “Фізико-технічні засади створення плазмово-іонних джерел та прискорювачів для космічних та технологічних цілей”, 2006 - 2008 рр., державний реєстраційний номер Д/Р № 0106U001056.

Матеріали роботи були використані при виконанні госпрозрахункових договорів.

Мета і задачі дослідження. Комплексне дослідження технологічних процесів формування жаростійких багатокомпонентних покриттів із заданими параметрами на лопатках ГТД і устаткування для його реалізації.

Для досягнення мети необхідно вирішити наступні задачі:

· розробити модель оцінки процентного змісту компонентів покриття;

· виготовити діагностичний комплекс і дослідити локальні параметри електронної і іонної компонентів плазми в установці, що досліджується, за допомогою зондових вимірювань;

· провести вимірювання просторових розподілів фізичних параметрів плазми (температури, густини електронів, енергії іонів плазмоутворюючого газу, а також потенціалу плазми);

· дослідити залежність швидкості осадження від енергії іонів, що бомбардують підкладку;

· показати можливість отримання і дослідити багатокомпонентні жаростійкі покриття типу MeCrAlY;

· проаналізувати результати проведених досліджень і вибрати оптимальні технологічні параметри (напругу розряду, тиск робочого газу, величину замикаючого потенціалу і т.д.);

· розробити рекомендації по застосуванню дослідженого джерела плазми для формування жаростійких багатокомпонентних покриттів із заданим регульованим компонентним складом.

Об'єкт дослідження: процес формування багатокомпонентних покриттів іонно-плазмовими методами.

Предмет дослідження: процес формування багатокомпонентних жаростійких покриттів типу MeCrAlY із заданими параметрами за допомогою іонного магнетрона з газовим анодом.

Методи дослідження. Для дослідження локальних характеристик розряду в схрещених електричному і магнітному полях використовувалися апробовані зондові методики діагностики плазми, математичні теорії і чисельні методи рішення рівнянь. Результати експериментів оброблялися на ПЕОМ.

Для аналізу технологічних можливостей досліджуваної системи використаний рентгеноспектральний мікроаналіз і рентгенофлюоресцентний аналіз поверхні дослідних зразків.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше:

· розроблена модель розрахунку процентного змісту компонентів при формуванні багатокомпонентних покриттів, що підтверджена експериментом;

· вивчені процеси формування багатокомпонентних, багатокомпонентних багатошарових жаростійких покриттів в установці, що досліджується;

· розроблена нова схема установки для формування багатокомпонентних жаростійких покриттів на лопатках ГТД;

· досліджені розрядні характеристики джерела плазми і локальні параметри плазми в лабораторній установці.

Практичне значення отриманих результатів:

· модифікована лабораторна установка “Вихор” для реалізації технологічного процесу формування багатокомпонентних покриттів із заданим процентним змістом компонентів;

· по розробленій моделі розрахунку процентного змісту компонентів проведений розрахунок процентного змісту сформованих покриттів різного стехіометричного складу;

· на основі проведених експериментів розроблені рекомендації по визначенню раціональних параметрів технологічного процесу формування багатокомпонентних покриттів;

· виготовлений діагностичний комплекс і досліджені локальні параметри електронної і іонної компонент плазми в установці, що досліджується, за допомогою зондових вимірювань;

· обгрунтована можливість формування багатокомпонентних, багатошарових покриттів з товщиною шарів від декількох нанометрів до десятків (а при необхідності і сотень) мікрометрів з можливістю управління стехіометричним складом, як всього покриття, так і кожного з шарів.

Особистий внесок здобувача. Ідея, моделювання, проектування генератора плазми, а також практична реалізація експериментальних методик, весь комплекс вимірювань, аналітичні і чисельні розрахунки виконані здобувачем самостійно. Він брав безпосередню участь при аналізі отриманих результатів, підготовці наукових статей і докладів до публікації. Внесок співавторів публікацій в представлені результати полягає в наступному: В.Г.Падалка здійснював загальне керівництво роботою; С.С.Іващенко і інші співавтори брали участь в обговоренні і інтерпретації експериментальних даних.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації представлені і докладалися на конференціях: Third International conference MPSL`99 (Sumy, Ukraine, 1999); наукової конференції молодих вчених факультету РТС ЛА (Харків, ХАІ, 1999); IV, VI міжнародної молодіжної науково-практичної конференції “Людина і Космос” (Дніпропетровськ, 2002, 2004), IX міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 2003); 2-ої науково-технічної конференції “Нові розробки і технології в газотурбобудуванні” (Кривий Ріг, 2004); IX, X міжнародному конгресі двигунобудівників (Рибач'є, 2004, 2005), міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (Харків, 2004, 2005), 2nd Korea - Ukraine gas turbine technology symposium (DaeJeon, Korea, 2005).

Публікації. Результати досліджень опубліковані в 8 друкарських працях в збірках, що рекомендуються ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з введення, трьох розділів та основних висновків, викладена на 136 сторінках, містить 41 рисунок і 4 таблиці, список літератури зі 120 найменувань та 2 додатків.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко представлений стан проблеми і актуальність дослідження, сформульована мета і задачі дисертації, наукова новизна, практична цінність роботи, приведені дані про апробацію роботи, публікації, структурі і об'єму дисертації.

В першому розділі проведений огляд сучасних методів отримання захисних покриттів на лопатках ГТД. Приведена класифікація покриттів за технологією формування. Стисло розглянуті переваги і недоліки існуючих методів. Приведено обгрунтовування доцільності застосування магнетронного методу нанесення покриттів. Визначений напрям дослідження.

Реалізація багатьох властивостей покриттів залежить від технології їх отримання. Існують два основні методи їх отримання:

· атмосферні методи, у тому числі дифузійні (метод порошків, метод суспензій, газовий метод, метод занурення);

· вакуумні методи.

Основні недоліки дифузійних покриттів: трудність отримання покриттів, рівномірно легованих по товщині елементами, що підвищують їх захисні властивості.

Основними характеристиками вакуумних методів є: менші енергетичні витрати, можливість отримання покриттів практично вільних від домішок.

Існують і використовуються в промисловості три методи генерації потоку матеріалу покриття: випаровування, розпилення і їх суперпозиція (дугові методи).

Основним недоліком методів отримання покриттів шляхом випаровування є складність формування багатокомпонентних покриттів.

Основним недоліком дугових методів є наявність мікрокраплинної фази.

Методи катодного розпилення позбавлені недоліків, які існують у методах, розглянутих вище. На цей час, найбільш поширений один з різновидів методів катодного розпилення: магнетронні розпилювальні системи (МРС). Проте традиційні МРС мають ряд недоліків: порівняно невисокий коефіцієнт використання матеріалу мішені; трудомісткість виготовлення мішеней складного складу.

Огляд теоретичних і експериментальних робіт указує на наявність значних можливостей по подальшому вдосконаленню існуючих технологічних процесів формування багатокомпонентних жаростійких покриттів на лопатках ГТД і устаткування для його реалізації на основі досліджень за наступними напрямами:

· вдосконалення схеми установки і джерела плазми для формування багатокомпонентних покриттів;

· визначення технологічних параметрів джерела плазми;

· дослідження процесу формування багатокомпонентних жаростійких покриттів.

На цій підставі була сформульована мета дисертаційної роботи і задачі, що вирішуються.

В другому розділі описані техніка, умови досліджень, експериментальна установка, експериментальні методики: зондових вимірювань, температури і густини електронів; енергії іонів, що рухаються в радіальному напрямі; потенціалу плазми. Приведено параметри джерела плазми і результати вимірювань локальних параметрів плазми. Визначено характерні для даного типу систем інтервали значень технологічних параметрів, які можуть бути використані в процесах модифікації поверхонь лопаток ГТД.

Для удосконалення існуючого технологічного устаткування була вибрана схема джерела плазми, геометрія якого близька до конструкції інверсного магнетрону. Для реалізації вибраної схеми використана модифікована лабораторна установка “Вихор”. Особливістю досліджуваної установки є:

· наявність великої кількості катодів-мішеней, що розпилюються (в даному випадку 12), які можна виготовляти з компонентів, що становлять покриття;

· простота виготовлення мішеней;

· велика площа, на яку можливо осаджувати покриття;

· можливість розпилення магнітних металів і сплавів;

· високий коефіцієнт використання матеріалу катодів-мішеней, в порівнянні з традиційними МРС.

Експериментальна установка є вакуумною камерою, в якій розташовані основні вузли генератору плазми. Особливістю цієї установки є те, що створення коаксіального магнітного поля забезпечується поєднанням елементів вакуумної камери з елементами магнітної системи (рис. 1).

Визначено магнітне поле в серединній площині розрядної камери. Його індукція може змінюватися в межах (1.75...2.5)10-2 Тл; магнітне поле такої величини забезпечує стабільне горіння розряду. В привісьової області топографія магнітного поля аналогічна магнітній пастці з пробковим відношенням:

,

де Ван - магнітна індукція в області анодів, В0 - магнітна індукція в серединній площині системи. Для досліджуваної системи 1,92.

Принцип дії вживаної системи заснований на використанні магнітного поля для збільшення часу існування електронів і створення замкнутого холловського електронного струму. При цьому параметри Холлу для іонів і електронів істотно різні: ()e >> 1 і ()i < 1.

Конфігурація електричного і магнітного поля така, що електрони плазмоутворюючого газу не потрапляють на підкладку, тобто, зменшується густина потоку енергії, що приходить на неї, підкладка знаходиться, в основному, в потоці розпиленого матеріалу, що осідає у вигляді атомів і іонів. Це приводить до зниження температури підкладки, і можливості проводити нанесення покриттів навіть на матеріали, що не допускають істотного нагріву.

При дослідженні отримано вольтамперні характеристики (ВАХ) розряду. При зміні зовнішніх параметрів джерела плазми (магнітної індукції B; анодної напруги Uа і тиску плазмоутворюючого газу P) струм розряду в досліджуваній системі поводиться аналогічно розрядному струму в інших системах зі схрещеними полями.

Визначено потенціал плазми, температура і густина електронів. Ці параметри дозволяють класифікувати досліджувану систему. Вимірювання проведені за допомогою зондових методик діагностики плазми.

При обчисленні густини плазми по іонному струму насичення на зонд (при великих негативних потенціалах зонда щодо плазми) потрібно враховувати повний іонний струм на зонд:

,

де , і

струми іонів аргону, алюмінію і нікелю відповідно.

Були проведені оцінні розрахунки концентрації частинок Ar, Al і Ni. Концентрація іонів аргону більш ніж на три порядки перевищує концентрацію іонів алюмінію. Таким чином, при обчисленні густини плазми по величині іонного струму насичення можна не враховувати багатокомпонентність іонної складової плазми, а припустити, що в плазмі існують тільки іони аргону.

Плавне зниження потенціалу плазми від осі у напрямі кільцевого катода свідчить про існування радіального електричного поля у всьому об'ємі плазми, що характерне для холловських систем з протяжною зоною прискорення іонів. Характер розподілу температури і густини електронів, а також енергії направленого руху іонів добре узгоджується з результатами досліджень різних моделей прискорювачів з протяжною зоною прискорення іонів.

Результати розрахунків кінетичної енергії радіального руху іонів за даними досліджень радіальних розподілів повної енергії і потенціалу плазми (в припущенні однозарядності іонів) представлені на рис. 3, показують, що енергія направленого руху іонів досягає величини 0.5 eU.

Проведені дослідження інтегральних і локальних параметрів розряду дозволили зробити висновок, що досліджувана система може бути успішно використана для формування багатокомпонентних жаростійких покриттів.

Основними параметрами, що визначають технологічні можливості установки, є: розподіл густини іонного струму і ерозії матеріалу уздовж мішені; вплив величини і знака потенціалу прикладеного до катодів-мішеней на швидкість їх розпилення; залежність швидкості осадження від енергії іонів, що бомбардують підкладку. покриття стехіометрія сплав плазма

Розподіли густини струму уздовж мішені, виконані за допомогою плоского зонду, представлені на рис. 4. Найбільші значення густини струму реєструються з боку мішені зверненій до аноду; розподіл густини іонного струму уздовж катоду-мішені має максимум в серединній площині системи. Це підтверджує електростатичне фокусування іонного пучка.

Значному розпиленню піддається не тільки фронтальна, але і тильна сторона мішеней, що дозволяє реалізувати режим рівномірного осадження продуктів іонного травлення мішеней на поверхнях складної конфігурації.

В досліджуваній системі існує можливість подачі різних по величині і знаку потенціалів до однієї, або до іншої групи катодів-мішеней. Шляхом підбору, затримуючого і замикаючого потенціалів на одній з груп мішеней можна формувати покриття заданого стехіометричного складу.

Отримана залежність швидкості осадження від енергії іонів, що бомбардують підкладку. Максимальна швидкість осадження спостерігалася при енергії іонів аргону ~ 60 еВ, що добре узгоджується, в межах погрішності експерименту, з даними інших авторів.

Проведені дослідження показали, що шляхом зміни потенціалу на підкладці можливі: проведення очищення зразків високоенергетичними іонами Ar+; обробка осідаючого конденсату іонами аргону середньої енергії.

Такі можливості досліджуваної системи забезпечують, з одного боку, високу адгезію покриття до основи, з іншого, - формування конденсату із заданими структурними властивостями.

В третьому розділі описано особливості формування багатокомпонентних жаростійких покриттів. Представлено модель оцінки процентного змісту компонентів покриття. Обговорюються результати дослідження двокомпонентного покриття типу Me-Al, багатокомпонентного покриття типу Me-Cr-Al-Y, а також багатокомпонентного багатошарового покриття типу Me-Cr-Al-Y. Розроблені рекомендації по використанню моделі розрахунку процентного змісту компонентів в багатокомпонентних покриттях для попереднього визначення параметрів технологічного процесу.

Враховуючи фізичні характеристики матеріалів, що становлять покриття, площу поверхні катодів-мішеней і зміну густини струму на них, можна заздалегідь оцінити одержуваний склад покриття.

При розробці моделі розрахунку процентного змісту компонентів багатокомпонентного покриття вводиться припущення, що формування покриття кожного компоненту відбувається пошарово і відношення товщини плівки одного з компонентів до загальної товщини отриманого конденсату чисельно рівно процентному змісту даного компоненту.

Отриманий вираз для визначення товщини однокомпонентного покриття () на одиничному майданчику має вигляд:

,

де - коефіцієнт використання i - го матеріалу, що розпилюється; - площа поверхні i - го компоненту, що розпилюється; - загальна площа поверхні, на яку наноситься покриття; - коефіцієнт розпилення i - го компоненту, залежний від енергії іонів плазмоутворюючого газу, що бомбардують катод-мішень; - атомна вага i - го компоненту; - густина i - го матеріалу, що розпилюється; - густина струму на i - ую групу мішеней; - час напилення i - го компоненту.

Визначення товщини отриманого покриття показало, що її (товщину) можна приблизно оцінити як суму товщини кожного з компонентів, якби вони осідали пошарово. Результати рентгенофлюоресцентного аналізу показали, що відношення товщини компонентів числено рівно процентному вмісту цих компонентів в покритті (в межах погрішності експерименту).

Таким чином, при формуванні багатокомпонентного покриття його товщину можна розглядати як суму товщини покриттів кожного компоненту:

.

Таким чином, можна приблизно оцінити процентний зміст i - го компоненту в покритті:

,

де - товщина покриття i - го компоненту; - товщина багатокомпонентного покриття.

Найбільш часто при аналізі складу багатокомпонентних сплавів використується співвідношення вагових відсотків. Для визначення вагового процентного змісту i - го компоненту в покритті, необхідно знати вагу i - го компоненту:

,

де - вага сформованого покриття i - го компоненту на одиничному майданчику.

Таким чином, загальна вага сформованого покриття визначається:

.

Використуючи отримані вирази можна оцінити ваговий процентний зміст i - го компоненту в покритті:

.

Для перевірки можливості формування покриттів із заданим стехіометричним складом в досліджуваній установці був проведений експеримент по формуванню двокомпонентного покриття алюмінідного типу, яке широко застосовується для захисту лопаток ГТД, що складається з двох серій. Перша серія: до мішеней, виготовлених з нікелю, прикладався затримуючий потенціал (Uз=+600 В), а друга група мішеней, виготовлених з алюмінію, мала потенціал катоду (зразок №1). Друга серія: до мішеней, виготовлених з алюмінію, прикладався затримуючий потенціал (Uз=+600 В), а друга група мішеней, виготовлених з нікелю, мала потенціал катоду (зразок №2).

Проведені експерименти з формування покриттів показали наступні результати (див. табл. 1).

Таблиця 1 - Результати рентгенофлюоресцентного аналізу алюмінідних покриттів

Номер зразка	Al	Cr	Mn	Fe	Ni
	теорія	експеримент				теорія	експеримент
Підкладка Х18Н10Т	0,35	18,13	1,27	66,21	13,21
Зразок №1	53	26,21	3,59	0,44	26,15	47	43,3
Зразок №2	13	6,87	4,08	0,48	14,58	87	72,86

Розбіжність результатів теоретичної оцінки стехіометричного складу покриття з експериментально отриманими даними обумовлена допущеннями, прийнятими при розробці методики: не враховується наявність домішок в матеріалах катодів-мішеней, з яких формуються покриття; не враховується дифузія компонентів в процесі відпалу.

Відмінність в процентному змісті алюмінію на зразку №1, отриманому за допомогою мікроаналізатора, і теоретичною оцінкою пояснюється таким чином: відпал алюмінідних покриттів, легованих хромом, приводить до прискорення дифузійних процесів і швидкого зниження концентрації алюмінію, що узгоджується з даними інших авторів.

Для обгрунтовування можливості використання досліджуваного устаткування в технологічних процесах формування покриттів на основі багатокомпонентних сплавів були проведені експерименти по отриманню покриттів на основі сплаву типу MeCrAlY (Co-(18.20%)Cr-(5.7%)Al-(0,3.0,4%)Y) з додаванням додаткових компонентів (алюмінію, нікелю і хрому).

В табл. 2 представлені результати визначення процентного змісту компонентів методом рентгенофлюоресцентного аналізу. Набір хімічних елементів в покритті на кожному із зразків однаковий, а концентрація їх змінюється в широкому діапазоні відповідно до порядку проведення експериментів.

Таблиця 2 - Результати рентгенофлюоресцентного аналізу зразків.

Номер зразка	Al	Cr	Fe	Co	Ni	Cu	Ti	Y	Zr
1	6.0	19.0	8.1	50.0	1.7	2.3	10.5	0.45	1.4
2	36.5	13.6	5.0	33.0	0.55	3.2	6.2	0.27	0.6
3	21.5	8.9	2.2	25.4	36.4	0.67	3.0	0.4	0.09
4	22	16	2.4	14.6	40.3	0.2	3.6	0.3	0.09

Наявність сторонніх домішок в покритті викликана конструктивними особливостями вакуумного відсіку. Так, наприклад, полюси магнітної системи виготовлені з магнитопровідної сталі, а екрани, закриваючі ізолятори - з титану. Як видно з представлених результатів незначному розпиленню піддаються і елементи конструкції вакуумної камери.

Процентний зміст компонентів при формуванні багатокомпонентних покриттів оцінювався за допомогою моделі розрахунку стехіометрічного складу покриття (табл. 3). Проведені дослідження отриманих зразків показують достатньо добру відповідність запропонованої моделі і експерименту.

З метою виявлення можливості використання досліджуваної системи для формування багатошарового багатокомпонентного покриття проведений ряд експериментів.

Таблиця 3 - Порівняння теорії і експерименту

Номер зразка	Al	Ni	Cr
	теорія	експеримент	теорія	експеримент	теорія	експеримент
2	37	36.5	-	0.55	-	13.6
3	15	21.5	36.7	36.4	-	8.9
4	24	22	45	40.3	19	16

Формування багатошарового покриття здійснено в наступній послідовності:

· спочатку розпилявся жароміцний сплав CoCrAlY. На мішені з алюмінію і нікелю подано замикаючий потенціал;

· другий шар покриття формувався розпиленням всіх мішеней розташованих у вакуумній камері. Всі катоди-мішені мають одинаковий потенціал;

· третій шар формувався розпиленням мішеней, виготовлених з алюмінію і нікелю. На катоди, виготовлені із сплаву CoCrAlY, подано замикаючий потенціал;

· зовнішній шар покриття формувався розпиленням алюмінієвої мішені. Мішені з нікелю і сплаву знаходяться під замикаючим потенціалом.

Результати рентгенофлюоресцентного аналізу поверхні зразка №5 (табл. 4) показали, що набір хімічних елементів, які розпилені, присутній в сформованому покритті.

Таблиця 4 - Результати рентгенофлюоресцентного аналізу

номер зразка	Al	Cr	Fe	Co	Ni	Cu	Ti	Y
5	70,5	2,8	10,9	1,2	8,0	0,8	5,9	0,06

За наслідками рентгеноспектрального мікроаналізу в режимі поточечного лінійного сканування видно, що сформовано багатошарове покриття із заданими характеристиками. Процентний вміст хімічних елементів в сформованому покритті відповідає порядку зміни основних і додаткових компонентів.

Чіткої межі між шарами немає. В процесі розпилення якої-небудь групи катодів-мішеней на решту мішеней, що знаходяться під замикаючим потенціалом, осідає частина матеріалу, яка розпилюється. При перемиканні замикаючого потенціалу відбувається, в початковий момент часу, розпилення матеріалу, що був раніше осаджений на цю групу катодів-мішеней, а потім розпиляються самі мішені. Таким чином, формується перехідна зона між шарами. Відзначений ефект “перепилення мішеней” є сприятливим чинником для формування багатошарових покриттів. Досліджувана система також дозволяє одержувати багатошарове покриття з чіткими межами між шарами. Для цього необхідно експериментально підібрати замикаючий потенціал так, щоб на “замкнутих мішенях” не осідав розпилений матеріал.

Розподіл хімічних елементів в покритті визначений в режимі картировання показує, що отримано багатошарове багатокомпонентне покриття з рівномірним розподілом компонентів по товщині шару.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В роботі, відповідно до сформульованої мети, проведено комплексне теоретичне і експериментальне дослідження особливостей іонного магнетрону з газовим анодом і показана можливість використвання технологічних установок з подібним генератором плазми для створення багатокомпонентних покриттів з регульованим складом для вирішення необхідних технологічних задач.

Основні результати:

· найприйнятнішим методом формування багатокомпонентних покриттів є магнетронний метод, оскільки при розпиленні мішеней іонним бомбардуванням склад потоку частинок відповідає складу катоду, що розпилюється;

· на основі аналізу особливостей застосування зондових вимірювань в електричному розряді в схрещених електричному і магнітному полях, експериментально і теоретично відпрацьовані методики, що дозволяють провести достовірні вимірювання локальних параметрів електронної і іонної компонентів плазми (температури і густини електронів, енергії іонів, що рухаються в радіальному напрямі, а також потенціалу плазми);

· дослідження локальних параметрів плазми дозволило встановити, що іонний магнетрон з газовим анодом, який використовується як розпилююча система є плазмовим прискорювачем радіального типу з протяжною зоною прискорення іонів. В системі реалізується режим всесторонньої дії плазми на поверхню мішеней, що дозволяє наносити однорідні покриття на вироби складної конфігурації;

· розроблена система дозволяє одержувати одно- і багатокомпонентні покриття із заданим регульованим по товщині складом.

Вивчення розрядних характеристик джерела плазми дозволило встановити, що досліджувана система поводиться аналогічно іншим системам з схрещеними полями. Експериментально отримана залежність густини струму на мішенях від прикладеного до них потенціалу.

Вивчено залежність швидкості осадження конденсату від енергії іонів плазмоутворюючого газу, що бомбардують підкладку. Встановлено, що шляхом зміни потенціалу на підкладці можливі: іонне очищення зразків, що знаходяться на підкладці, високоенергетичними іонами Ar+; обробка осідаючого конденсату іонами аргону середньої енергії.

Розроблено модель розрахунку компонентного складу багатокомпонентного покриття для даного класу установок. Запропоновано використовувати дану модель для визначення технологічних параметрів процесу формування багатокомпонентних покриттів різного стехіометричного складу.

Встановлено факт “перепилення катодів-мішеней, що є сприятливим чинником для формування багатошарових покриттів. Система дозволяє також одержувати багатошарове покриття з чіткими межами між шарами. Для цього необхідно підібрати замикаючий потенціал так, щоб на “замкнутих мішенях” не осідав розпилений матеріал.

Аналіз отриманих покриттів дозволив встановити, що:

· розподіл хімічних елементів по товщині покриттів рівномірний;

· покриття щільне;

· досліджувана система дозволяє одержувати багатошарові багатокомпонентні покриття.

Отримані результати показали переваги досліджуваної системи для нанесення багатошарових багатокомпонентних покриттів, перед впровадженими у виробництві системами. Оскільки на відміну від вже існуючих систем, де для отримання багатокомпонентних покриттів необхідно використовувати катод з того ж матеріалу. Розроблена система дозволяє формувати покриття шляхом сумісного розпилення катодів-мішеней, виготовлених з компонентів, що складають покриття. Тому дана система може бути рекомендована до застосування в машинобудуванні і для формування багатошарових структур в мікро- і наноелектрониці.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВИСВІТЛЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Колесник В.В., Падалка В.Г., Лунев И.В. Исследование процессов генерирования ионных потоков в ионном магнетроне. // Авиационно- космическая техника и технология: Сб. науч. трудов,- Вып.12.- Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”, 1999.- С. 58-61.

2. Формування перехідного шару при взаємодії потоків металевої плазми з діелектриками. / Пеліхатий М.М., Білан М.В., Колісник В.В. та ін.// Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, № 496, 2000 р. серія фізична „Ядра, частинки, поля”, вип. 4 /12/. - с. 63 - 68.

3. Формирование многокомпонентных покрытий. / Колесник В.В., Гнап А.К., Иващенко С.С. и др. // Технология приборостроения, №1,2002, С. 72 - 74.

4. Формирование жаростойких покрытий типа Me-Cr-Al-Y. / Колесник В.В., Белан Н.В., Иващенко С.С., Колесник В.П. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. трудов. Вып. 30(3). Харьков, 2002 С.175-177.

5. Формирование многокомпонентных многослойных жаростойких покрытий на лопатки ГТД с помощью ионного магнетрона. / В.В. Колесник, Н.В. Белан, С.С. Иващенко и др. // Физическая инженерия поверхности. - 2003. - том 1. - № 3 - 4. - С. 316 - 318.

6. Формирование многослойных многокомпонентных защитных покрытий. / Н.В. Белан, В.В. Колесник, С.С. Иващенко и др. // Авиационно - космическая техника и технология. - 2004. - №7 (15). - С.231 - 235.

7. Исследование влияния состава газовой смеси на электрические параметры разряда в установке квазимагнетронного типа. / В.В. Колесник, С.С. Иващенко, В.П. Колесник и др. // Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы. - Харьков “ХАИ”, 2004. 12 с.

8. Исследование влияния давления рабочих газов на характеристики разряда в квазимагнетронной установке. / В.В. Колесник, С.С. Иващенко, В.П. Колесник и др. // Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы. - Харьков, “ХАИ”, 2004. 10 с.

9. Исследование локальных параметров плазмы в вакуумных технологических установках. Определение потенциала плазмы, температуры и плотности электронов. / В.В. Колесник, С.С. Иващенко, Н.В. Белан и др. // Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы. - Харьков “ХАИ”, 2004. 14 с.

10. Определение процентного содержания компонентов в многокомпонентном покрытии. / В.В. Колесник, С.С. Иващенко, В.П. Колесник и др. // Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы. - Харьков “ХАИ”, 2004. 14 с.

11. Определение параметров технологического процесса формирования многокомпонентных покрытий. / В.В. Колесник, Н.В. Белан, В.П. Колесник // Авиационно-космическая техника и технология. - Х.: ХАИ, 2005. - Вып. 8/24. - С. 21-24.

12. Колесник В.В., Колесник В.П., Белан Н.В. Методы нанесения многокомпонентных, многослойных покрытий на лопатки турбин. // The 2-nd Korea-Ukraine Gas Turbine Technology Symposium. August 25-26, 2005, pp.77-88.

13. Формирование многослойных защитных покрытий. / В.В. Колесник, Н.В. Белан; С.С. Иващенко и др. // V Всеукраїнська молодіжна наук. практ. конф. “Людина і космос”. Національний центр аерокосмічної освіти молоді України, Тез. доп., Дніпропетровськ, - 2003. - С.15-18.

14. Колесник В.В. Зависимость скорости осаждения конденсата от энергии ионов, бомбардирующих подложку. // Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції „Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні”.ІКТМ'2004, Харків, „ХАІ”, - 2004. - С.127.

АНОТАЦІЯ

Колесник В.В. Розробка і дослідження технологічного процесу і устаткування для формування багатокомпонентних покриттів на лопатки ГТД. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню технологічного процесу формування багатокомпонентних покриттів на лопатки ГТД і устаткування для його реалізації. Представлено результати дослідження нового технологічного устаткування, яке дозволяє формувати багатокомпонентні покриття з регульованою стехіометрією. Визначені технологічні параметри установки. Розроблена модель розрахунку процентного змісту компонентів при формуванні багатокомпонентних покриттів. Показана можливість формування: багатокомпонентних покриттів, багатошарових багатокомпонентних покриттів з рівномірним розподілом компонентів по товщині шару.

На підставі результатів досліджень розроблені рекомендації по використанню моделі розрахунку процентного змісту компонентів в багатокомпонентних покриттях для попереднього визначення параметрів технологічного процесу.

Ключові слова: жаростійкі покриття, іонний магнетрон, катод-мішень, багатошарові багатокомпонентні покриття, стехіометрія.

Колесник В.В. Разработка и исследование технологического процесса и оборудования для формирования многокомпонентных покрытий на лопатки ГТД. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи повышения конкурентоспособности и качества выпускаемых газотурбинных двигателей и установок для наземного использования на основе исследования технологического процесса и оборудования для формирования защитных многокомпонентных покрытий.

Актуальность работы обуславливается необходимостью увеличения срока службы газотурбинных двигателей (ГТД). Одним из методов решения этой проблемы является защита лопаток компрессоров и турбин от эрозионного и термического воздействий путем нанесения многокомпонентных покрытий. Однако существующие технологические процессы, применяемые на производстве, имеют свои недостатки. Поэтому поиск других методов получения жаростойких многокомпонентных покрытий представляет значительный интерес.

Научную основу диссертации составляет разработка модели расчета процентного содержания компонентов при формировании многокомпонентных покрытий, которая подтверждена экспериментом, а также новая схема установки для формирования многокомпонентных жаростойких покрытий, позволяющая формировать многокомпонентные покрытия с заданной стехиометрией путем совместного распыления катодов-мишеней, изготовленных из компонентов составляющих покрытие. Основными особенностями разработанной установки являются: наличие множества распыляемых катодов-мишеней, которые изготавливаются из компонентов составляющих покрытие; простота конструкции катодов-мишеней; большая площадь, на которую наносится покрытие; возможность распыления магнитных сплавов; более высокий коэффициент использования материала катодов-мишеней, по сравнению с традиционными МРС; возможность эффективной очистки поверхности деталей перед нанесением покрытий.

Представлены результаты исследования нового технологического оборудования, которые позволяют классифицировать исследуемую систему. Определены технологические параметры установки, которые позволяют управлять качеством и стехиометрией получаемых покрытий. Разработана модель расчета процентного содержания компонентов при формировании многокомпонентных покрытий, учитывающая физические характеристики материалов, составляющих покрытие, площадь поверхности катодов-мишеней и изменение плотности тока на них. Показана возможность формирования: многокомпонентных покрытий.

На основе результатов металлографических исследований установлено хорошее соответствие предложенной модели расчета и эксперимента. Расхождение теории и эксперимента не превысило 30 %. По результатам рентгеноспектрального микроанализа в режиме поточечного линейного сканирования показано, что химический состав по толщине покрытий равномерный, диффузионная зона практически отсутствует, что обусловлено довольно низкой энергией ионов материала, осаждаемого на подложку.

Показана возможность формирования многослойных многокомпонентных покрытий с равномерным распределением компонентов по толщине слоя. По результатам рентгеноспектрального микроанализа в режиме поточечного линейного сканирования видно, что сформировано многослойное покрытие с заданными характеристиками. Процентное содержание химических элементов в сформированном покрытии соответствует порядку изменения основных и добавочных компонентов. Распределение химических элементов в покрытии, определённое в режиме картирования показывает, что получено многослойное многокомпонентное покрытие с равномерным распределением компонентов по толщине слоя.

На основании результатов проведенных исследований разработаны рекомендации по использованию модели расчета процентного содержания компонентов в многокомпонентных покрытиях для предварительного определения параметров технологического процесса.

Ключевые слова: жаростойкие покрытия, ионный магнетрон, катод-мишень, многослойные многокомпонентные покрытия, стехиометрия.

Kolesnik V.V. Development and research of technological process and equipment for forming of multicomponent coverages on the GTD shoulder-blades. - Manuscript.

Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.03.07 - Processes of physical-technical treatment - the National aerospace university the name of N.E. Gukovskogo the “Kharkov aviation institute”, Kharkov, 2007.

Dissertation is devoted to research of technological process of forming of multicomponent coatings on the GTD shoulder-blades and equipment for its realization. The results of research of a new technological equipment which allows to form multicomponent coatings with managed stehiometriey are presented. The technological parameters of setting are definite. The model of computation of percentage of components at forming of multicomponent coatings is developed. Possibility of forming is shown: multicomponent coatings, multilayer multicomponent coatings with the even distributing of components on the thickness of layer.

On the basis of results of researches recommendations on the use of model of computation of percentage of components in multicomponent coatings for preliminary determination of parameters of technological process are developed.

Keywords: heat-resistant coatings, ionic magnetron, cathode-target, multilayer multicomponent coatings, stehiometriya.

Размещено на Allbest.ru