Комплексная электронно-ионно-плазменная обработка поверхности алюминия в едином вакуумном цикле | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/59

Комплексная электронно-ионно-плазменная обработка поверхности алюминия в едином вакуумном цикле

Рассмотрен принцип действия и представлены основные характеристики установки лабораторного типа, предназначенной для электронно-ионно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий в едином вакуумном цикле. На примере системы Al-Ti продемонстрирована возможность многократного повышения механических (микротвердость) и трибологических (износостойкость и коэффициент трения) свойств поверхностного слоя материала в результате реализации в едином вакуумном цикле комплексной обработки, сочетающей формирование легированного титаном поверхностного слоя технически чистого алюминия марки А7 по схеме напыление - облучение (количество циклов от 1 до 20; толщина пленки металла в одном цикле 0.5 и 1 мкм) и последующее электронно-ионное азотирование (540 °С, 8 ч) поверхностного сплава, осуществляемое в плазме несамостоятельного дугового разряда за счет как ионной, так и электронной компонент плазмы.

Comprehensive electron-ion-plasma treatment of the aluminum surface in a single vacuum cycle.pdf Введение В настоящее время технологии, основанные на использовании концентрированных потоков энергии (лазерное излучение [1], высокоинтенсивные электронные [2, 3] и мощные ионные [4] пучки, плазменные потоки и струи [5]), являются одними из наиболее эффективных инструментов для поверхностного модифицирования, что обусловлено не только привлекательными возможностями этих методов (экономичность, экологическая чистота, локальность обработки и т.д.), но и достигнутым уровнем развития оборудования для их реализации. Особенно это относится к комплексным процессам, сочетающим воздействия на поверхность плазменных потоков, ускоренных электронных и ионных пучков [5]. Комплексные электронно-ионно-плазменные методы модификации поверхности предоставляют возможность создавать наноструктурированные многофазные слои, обладающие уникальными свойствами, что позволяет отнести эти разработки к бурно развивающейся области наноматериалов и нанотехнологий. Реализованные к настоящему времени методы комплексной электронно-ионно-плазменной обработки заключаются в последовательной модификации структуры и свойств поверхностного слоя металлов и сплавов с использованием совокупности некоторого числа специализированных установок [6-8]. Недостатки данного подхода очевидны: дороговизна обслуживания серии отдельных установок, каждая из которых имеет дублирующие блоки (вакуумная система, рабочая камера, блоки питания и управления), относительно большая длительность цикла вакуумирования - развакуумирования, нагрева и охлаждения деталей, нарушение чистоты обрабатываемой поверхности (загрязнение модифицированной поверхности атмосферными газами и т.п. при перемещении образцов от одной установки к другой). Следующим очевидным шагом в разработке собственно комплексной электронно-ионно-плазменной технологии является совмещение в едином вакуумном цикле составляющих ее процессов: 1) формирование градиентного многофазного поверхностного слоя путем газофазного насыщения поверхности материала элементами внедрения (азот, углерод, кислород, бор и т.д.); 2) синтез тонких металлических пленок или сверхтвердых наноструктурированных покрытий на основе нитридов (карбидов, боридов и т.д.) тугоплавких металлов (TiCuN, ZrMoN, TiSiN и т.д.) ионно-плазменными методами; 3) формирование поверхностных сплавов при миксинге системы пленка - подложка с прогнозируемыми функциональными свойствами или вплавление в подложку твердых и сверхтвердых покрытий интенсивным импульсным электронным пучком с целью увеличения сил адгезии системы «покрытие/подложка» и дополнительного улучшения свойств модифицированного слоя за счет эффектов высокоскоростной закалки из расплавленного состояния. Целью работы является анализ результатов, полученных при фундаментальных исследованиях закономерностей и механизмов формирования наноразмерных нанофазных состояний в поверхностном слое твердого тела на примере сплавов на основе алюминия, подвергнутых электронно-ионно-плазменной обработке в едином вакуумном цикле на установке, разработанной в лаборатории плазменной эмиссионной электроники Института сильноточной электроники СО РАН. Установка для электронно-ионно-плазменного финишного модифицирования металлов и сплавов в едином вакуумном цикле Разработанная установка предназначена для проведения исследований в области инжиниринга поверхности металлических и керамических материалов и изделий. В установке заложена возможность проведения последовательных, в едином вакуумном цикле, процессов дугового электронно-ионно-плазменного азотирования поверхности металлов и сплавов, плазменно-ассистированного нанесения функциональных слоёв и покрытий, а также электронно-пучковой обработки, включающей в себя полировку поверхности за счет её расплава и электронно-пучковое перемешивание поверхностных слоёв образцов и изделий. С помощью данных процессов можно реализовать комплексный подход к формированию поверхности с заранее заданными свойствами, в том числе радикально отличающимися от свойств подложки. Сущность данного подхода заключается в том, что на поверхности подложки последовательно формируются тонкие слои (до 20) необходимого состава, которые затем перемешиваются с основой с помощью импульсного электронного пучка путем расплава поверхностного слоя. Тем самым формируется градиентный слой, в котором свойства плавно меняются от подложки к поверхности и при этом нет резких переходов свойств материалов, так как граница раздела материалов размывается с помощью электронно-пучкового перемешивания. Сформированные таким образом слои можно подвергнуть азотированию и последующему нанесению на них, например, сверхтвёрдых износостойких покрытий. Таким способом в разработанной установке решается важная задача создания поверхностных слоёв с уникальными свойствами на изделиях, выполненных изначально из недорогих и доступных материалов, которые легко обрабатываются традиционными методами точения и фрезерования. Комплексная лабораторная установка электронно-ионно-плазменного финишного модифицирования металлов и сплавов в едином вакуумном цикле состоит из основания, вакуумной системы, системы охлаждения, автоматизированной системы управления, камеры объёмной ионно-плазменной обработки со смонтированными на ней электродуговыми испарителями и плазмогенератором «ПИНК» [9], камеры электронно-пучковой обработки со смонтированным на ней электронным источником «СОЛО» [6, 8-10], трёхкоординатного манипулятора для перемещения и позиционирования деталей, блоков электропитания плазмогенераторов и электронного источника. Упрощенная конструкция установки в виде 3d-модели представлена на рис. 1, а внешний вид - на рис. 2. Рис. 1. Конструкция комплексной установки для электронно-ионно-плазменного финишного модифицирования металлов и сплавов в едином вакуумном цикле: 1 - блоки питания электронного источника; 2 - электронный источник «СОЛО»; 3 - камера электронно-пучковой обработки; 4 - дуговые испарители; 5 - плазмогенератор «ПИНК»; 6 - окно камеры объёмной ионно-плазменной обработки; 7 - манипулятор; 8 - стойка управления; 9 - источник питания плазмогенератора «ПИНК»; 10 - источники питания дуговых испарителей; 11 - источник электрического смещения Рис. 2. Внешний вид комплексной установки для электронно-ионно-плазменного финишного модифицирования металлов и сплавов в едином вакуумном цикле Технологический цикл обработки в данной установке выглядит следующим образом: при обработке образцов, они обычно закрепляются на плоской пластине из нержавеющей стали, расположенной в горизонтальной плоскости на одном из сателлитов манипулятора. Затем происходит цикл вакуумной откачки. По достижении предельного давления ниже 6.610-3 Па начинается процесс ионно-плазменной обработки. Манипулятор перемещается в камеру объёмной ионно-плазменной обработки, опускается шибер, разделяющий вакуумные камеры, но не препятствующий достижению рабочего давления. Затем производится ионно-плазменная очистка и нагрев деталей с помощью плазмогенератора «ПИНК» в атмосфере аргона при давлении 0.1-0.5 Па. Ток разряда при этом устанавливается в пределах 10-80 А, напряжение смещения плавно повышается вплоть до максимального значения в 1000 В. При этом происходит бомбардировка обрабатываемой поверхности ускоренными ионами с целью её очистки от загрязнений. После очистки происходит напыление слоёв материала в соответствии с технологической картой. При этом запускается один из двух дуговых испарителей с током разряда 30-150 А, ток «ПИНКа» обычно составляет 10-30 А, напряжение отрицательного смещения при напылении металлов - 30-50 В, а при напылении электродуговых керамических покрытий - 150-250 В. Давление при напылении поддерживается в пределах 0.05-0.3 Па, в зависимости от типа покрытия. После проведения напыления производится электронно-пучковое перемешивание (миксинг) поверхностного слоя системы плёнка - подложка с использованием электронного источника «СОЛО» [7, 8]. Для этого поднимается шибер, разделяющий камеры, манипулятор перемещается в камеру электронно-пучковой обработки, позиционируется под пучком и, затем, перемещается в соответствии с заданной программой обработки. Перед началом облучения через импульсный электронный источник осуществляется напуск рабочего газа (аргона) с помощью натекателя до давления 3.510-2 Па. В процессе облучения образцов используются следующие параметры генерации пучка: плотность энергии в импульсе 10-30 Дж/см2; средняя энергия электронов 15-20 кэВ; длительность импульсов 50-200 мкс; частота следования импульсов 0.3-1 с-1; количество импульсов 3-30. После окончания процесса облучения происходит либо перемещение манипулятора в камеру объёмной ионно-плазменной обработки для дальнейшего напыления слоёв или азотирования, либо остывание обработанных образцов или деталей и извлечение их из камеры. Азотирование осуществляется в камере объёмной ионно-плазменной обработки при следующих типичных параметрах: ток разряда «ПИНКа» до 100 А, напряжение отрицательного смещения регулируется в пределах 300-900 В для поддержания необходимой температуры. Давление рабочего газа азота составляет 0.5-1 Па. Процесс азотирования происходит в течение 0.5-2 ч в зависимости от требуемой толщины азотированного слоя, которая может составлять 20-200 мкм. В некоторых экспериментах осуществлялось электронно-ионное азотирование, суть которого рассмотрена ниже. Формирование высокопрочных износостойких поверхностных слоев и покрытий в едином вакуумном цикле методами комбинированной электронно-ионно-плазменной обработки Формирование поверхностного сплава В едином вакуумном цикле осуществлено формирование поверхностного сплава Al-Ti путем синтеза системы пленка (Ti) - (Al)-подложка и последующего облучения интенсивным импульсным электронным пучком при вариации плотности энергии пучка электронов 10, 15 и 20 Дж/см2; длительности импульса 50 мкс, количестве импульсов 10. Количество циклов напыление - облучение - 1, 5 и 20. Толщина пленки титана в одном цикле 0.5 и 1 мкм, скорость напыления пленки титана ≈ 0.2 мкм/мин. Процесс формирования поверхностного сплава состоял из следующих этапов: 1) ионная очистка и нагрев в аргоновой плазме несамостоятельного дугового разряда с накаленным и полым катодами с подачей отрицательного смещения на образец (начальный нагрев образцов до заданной температуры, очистка и активация обрабатываемой поверхности); 2) плазмо-ассистированное электродуговое нанесение металлической (при использовании аргоновой плазмы) пленки (распыляемый катод был изготовлен из технически чистого титана марки ВТ1-0); 3) электронно-пучковая обработка с использованием низкоэнергетического интенсивного импульсного электронного пучка субмиллисекундной длительности. Выявлено многократное повышение твердости (микротвердомер ПМТ-3, нагрузка на индентор 0.2 Н) и износостойкости модифицированного слоя (трибометре Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester (TRIBOtechnic, Франция) при следующих параметрах: шарик из стали ШХ15 диаметром 6 мм, радиус трека - 2 мм, нагрузка на индентор и длина трека варьировалась в зависимости от уровня износостойкости исследуемого материала). Показано, что максимальные значения механических и трибологических свойств достигаются при толщине пленки титана 0.5 мкм в условиях многоцикловой (20 циклов) обработки: твердость легированного слоя 2300 МПа, что превышает твердость алюминия марки А7 примерно в 8.5 раза; коэффициент износа 2.910-4 мм3/(Нм), что меньше коэффициента износа (выше износостойкость) исходного алюминия примерно в 45 раз. Данный результат наблюдается при параметрах облучения системы пленка (Ti) - (Al)-подложка 15 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп. Толщина упрочненного слоя достигает 60 мкм. Методами рентгенофазового анализа (дифрактометр XRD 6000) показано, что повышение твердости и износостойкости модифицированного слоя обусловлено формированием в системе Al-Ti алюминидов состава AlTi, Al3Ti, Al2Ti, TiAl3 и Al5Ti2. При 20-цикловой обработке (толщина пленки титана в цикле 0.5 мкм) выявлено образование многофазного алюминидного слоя, представленного фазами AlTi (53.3 мас. %), Al3Ti (36.6 мас. %) и Al5Ti2 (9.4 мас.%). Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг (прибор JEM 2100F JEOL) установлено, что модифицированный, в результате 20-цикловой обработки, поверхностный объем алюминия имеет слоистое строение, что очевидно обусловлено многоцикловым режимом обработки (рис. 3). Модифицированный слой имеет нано- и субмикрокристаллическую структуру. По мере удаления от поверхности модифицирования в объем образца средние размеры кристаллитов структуры увеличиваются. Так, если у поверхности обработки средние размеры кристаллитов составляют ≈ 100 нм, то на глубине ≈10 мкм - 250 нм. В поверхностном слое толщиной ≈ 10 мкм формирующаяся структура имеет преимущественно столбчатое строение (рис. 3, а). Поперечные размеры столбиков увеличиваются по мере удаления от поверхности модифицирования. При большем удалении от поверхности легирования столбчатая структура нарушается (рис. 3, б, в). Слой алюминия, примыкающий к легированному титаном слою, имеет поликристаллическую структуру, размер зерен которой изменяется в пределах от 0.7 до 2 мкм (рис. 3, г). Микрорентгеноспектральный анализ тонких фольг показал, что в поверхностном слое толщиной ≈ 10 мкм алюминий и титан распределены квазиоднородно (рис. 4). Концентрация титана в данном слое составляет 16.8 ат. % (табл. 1). При большем удалении от поверхности модифицирования концентрация титана снижается (табл. 2), титан распределен неоднородно в алюминиевой матрице (рис. 5). Таким образом, продемонстрирована возможность (на примере системы Al-Ti) формирования легированного титаном поверхностного слоя технически чистого алюминия марки А7 по схеме напыление - облучение (количество циклов от 1 до 20; толщина пленки металла в одном цикле 0.5 и 1 мкм). Установлено, что формирование поверхностных сплавов Al-Ti сопровождается многократным повышением твердости и износостойкости модифицированного слоя. Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры поверхностного слоя алюминия технической чистоты, подвергнутого 20-цикловому легированию титаном: а - слой, примыкающий к поверхности легирования; б - слой, расположенный на расстоянии ≈ 10 мкм от поверхности; в - на расстоянии ≈ 20 мкм; г - на расстоянии ≈ 40 мкм Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение поверхностного слоя алюминия технической чистоты, подвергнутого 20-цикловому легированию титаном (а); изображение данного слоя, полученное в характеристическом рентгеновском излучении атомов алюминия (б) и титана (в) Таблица 1 Результаты микрорентгеноспектрального анализа элементного состава участка фольги, приведенного на рис. 4, а Элемент Концентрация, вес. % Концентрация, ат. % Al 73.6 83.2 Ti 26.4 16.8 Таблица 2 Результаты микрорентгеноспектрального анализа элементного состава участка фольги, приведенного на рис. 5, а Элемент Концентрация, вес. % Концентрация, ат. % Al 93.0 96 Ti 7.0 4 Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение слоя алюминия технической чистоты, подвергнутого 20-цикловому легированию титаном, расположенного у границы раздела легированного слоя и основного объема материала (а); изображение данного слоя, полученное в характеристическом рентгеновском излучении атомов алюминия (б) и титана (в) Насыщение синтезированных поверхностных сплавов системы Ti-Al атомами азота методом электронно-ионного азотирования Суть метода электронно-ионного азотирования (далее по тексту, элионное азотирование) заключается в помещении образцов в плазму, создаваемую несамостоятельным разрядом, и подаче на образец поочередно импульсов положительной и отрицательной полярности. При этом при подаче положительной полярности образец будет интенсивно разогреваться за счет электронной бомбардировки, а при отрицательной - эффективно азотироваться за счет прихода на поверхность положительных ионов атомарного азота. Таким образом, схема элионного азотирования с использованием плазмогенератора «ПИНК» позволяет осуществлять азотирование материала в плазме несамостоятельного дугового разряда за счет как ионной, так и электронной компонент плазмы. При этом электронная компонента плазмы практически не вызывает травления поверхности, а используется для нагрева азотируемого изделия. Бомбардировка ионами плазмы также важна, поскольку позволяет удалять оксидные пленки и другие загрязнения, возникающие во время процесса азотирования, что особенно важно при низкотемпературном азотировании. Ионный ток из плазмы на обрабатываемый образец обеспечивается за счет подачи на него отрицательного потенциала относительно анода разряда - внутренних стенок камеры. При переключении положительного вывода источника питания плазмогенератора «ПИНК» со стенок камеры на обрабатываемые образцы они становятся единственным анодом разряда и практически весь ток электронов в разряде замыкается на образцы, нагревая их до нужной температуры. При регулировании тока разряда регулируется ток электронов на обрабатываемую подложку, а следовательно, и подводимая к образцам энергия, определяющая их температуру. Регулировка поступающей на образец ионной и электронной компонент из плазмы может производиться путем описанного выше чередования во времени отрицательного потенциала и потенциала анода разряда на образце. Другими словами, регулируя частоту следования и длительность импульсов отрицательного и положительного анодного потенциала смещения на подложке, можно добиваться различной температуры изделия и, уменьшая ионную компоненту тока на поверхность изделия, снижать до минимума ионное травление обработанной поверхности. Увеличение частоты следования импульсов при сохранении одного и того же коэффициента заполнения импульса должно приводить, помимо уменьшения колебаний температуры изделия, к дополнительным эффектам, связанным с формированием двойного электростатического слоя возле поверхности, что в конечном итоге должно интенсифицировать процесс азотирования. Изменение коэффициента заполнения импульса будет приводить к изменению соотношения ионной и электронной компонент тока на изделие, а значит, и его температуры. В конечном итоге, управляя током разряда «ПИНКа», коэффициентом заполнения импульса тока и частотой следования импульсов можно изменять эффективность азотирования поверхности. Описываемый метод элионного азотирования с использованием несамостоятельного дугового разряда, генерируемого плазмогенератором «ПИНК», является весьма перспективным, особенно для модифицирования поверхностно легированных материалов. Процесс комплексной обработки образцов в едином вакуумном цикле с азотированием состоял из трех этапов, реализованных как при формировании поверхностного сплава, плюс четвертый этап - элионное азотирование в азотной плазме несамостоятельного дугового разряда с накаленным и полым катодами с чередованием ионной и электронной обработки. В ионном режиме на образец подавалось отрицательное смещение амплитудой импульсов до 250 В, в электронном режиме образцы являлись анодом разряда. В ионном режиме плотность тока достигала 1 мА/см2. При этом коэффициент заполнения импульса составлял 85 %. Трибологические исследования модифицированных образцов технически чистого алюминия марки А7 проводили на трибометре Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester («TRIBOtechnic», Франция) при следующих параметрах: шарик из стали ШХ15 диаметром 6 мм, радиус трека - 2 мм, нагрузка на индентор и длина трека варьировались в зависимости от уровня износостойкости исследуемого материала. Выше было показано, что после 20 циклов обработки системы пленка (Ti) - (Al)-подложка износостойкость образцов увеличилась примерно в 45 раз, коэффициента трения снизился примерно в 1.2 раза. Достигаются данные значения при параметрах электронно-пучковой обработки системы пленка - подложка 15 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп. Последующее насыщение сформированного таким образом поверхностного сплава Al-Ti атомами азота при температуре 540 С в течение 8 ч позволило дополнительно повысить износостойкость поверхностного сплава более чем в 10 раз. Режим обработки, показавший максимальную износостойкость (минимальное значение параметра износа): 20 циклов напыления - облучения электронным пучком при параметрах обработки 10 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп. Одновременно с увеличением износостойкости насыщение атомами азота (режим азотирования 540 С, 8 ч) поверхностного сплава Al-Ti позволяет повысить его твердость примерно в 1.5 раза. Исследования фазового состава комплексно модифицированного слоя алюминия, выполненные методами рентгеноструктурного анализа, выявили формирование многофазного материала (рис. 6). Относительное содержание фаз модифицированных образцов приведено на рис. 7. Рис. 6. Участок рентгенограммы, полученной с образца поверхностного сплава Al-Ti-N, сформированного в результате 20 циклов напыление (Ti, 0.5 мкм) - облучение электронным пучком (10 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп.) с последующим азотированием (540 С, 8 ч) Анализируя результаты рентгенофазового анализа, представленные на рис. 7, можно отметить, что с ростом плотности энергии пучка электронов в интервале 10-20 Дж/см2 увеличивается относительное содержание алюминия (твердый раствор на основе ГЦК-кристаллической решетки), снижается относительное содержание алюминида титана Al3Ti, нитрида алюминия AlN и α-Ti (твердый раствор на основе ГПУ-кристаллической решетки). Рис. 7. Относительное содержание фаз поверхностного слоя технически чистого алюминия марки А7, сформированного в результате 20 циклов напыление (Ti, 0.5 мкм) - облучение электронным пучком с последующим азотированием (540 С, 8 ч): 1 - Al; 2 - Al3Ti; 3 - AlN; 4 - Ti Исследования элементного и фазового состава, дефектной субструктуры сформированных поверхностных сплавов осуществляли методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии (методы TEM, STEM, EDS). Установлено, что модифицированный слой толщиной до 20 мкм имеет субмикрокристаллическую структуру, характерное изображение которой приведено на рис. 8. Размеры кристаллитов изменяются в пределах до 1 мкм и практически не зависят от расстояния от поверхности модифицированного слоя. Методами микродифракционного анализа с последующим индицированием микроэлектронограмм было установлено, что кристаллиты сформированы фазами α-Ti, Al3Ti и Al, выявленными также методами рентгенофазового анализа (рис. 6). В большинстве случаев зерна α-титана и алюминия располагаются цепочками параллельно модифицируемой поверхности образца. В объеме кристаллитов наблюдается дислокационная субструктура в виде хаотически распределенных дислокаций (рис. 8, б). Скалярная плотность дислокаций изменяется в пределах (0.8-1.1)1010 см-2. Рис. 8. Электронно-микроскопическое изображение поверхностного слоя технически чистого алюминия марки А7, модифицированного путем азотирования (540 С, 8 ч) поверхностного сплава, сформированного импульсным плавлением в вакууме системы Al-Ti (20 циклов напыления - облучения электронным пучком с параметрами 10 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп.; толщина пленки титана в каждом цикле 0.5 мкм): а - субмикрокристаллическая зеренная структура; б - дислокационная субструктура в зернах алюминия Частицы нитрида алюминия располагаются по границам и в объеме кристаллитов; размеры частиц 10-20 нм (рис. 9). Рис. 9. Электронно-микроскопическое изображение поверхностного слоя технически чистого алюминия марки А7, модифицированного путем азотирования (540 С, 8 ч) поверхностного сплава, сформированного импульсным плавлением в вакууме системы Al-Ti (20 циклов напыления - облучения электронным пучком с параметрами 10 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп.; толщина пленки титана в каждом цикле 0.5 мкм): а - светлое поле; б - темное поле, полученное в рефлексе [101] AlN; в - микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором получено темнопольное изображение) Микрорентгеноспектральный анализ тонких фольг позволил оценить распределение атомов азота по глубине модифицированного слоя. Установлено, что в слое, расположенном у поверхности образца, относительное содержание атомов азота ≈ 9.6 ат. %, в середине модифицированного слоя ≈ 3.7 ат. %, на границе с алюминием (подложка) ≈ 4.7 ат. %. Таким образом, выполненные исследования показали, что комплексная обработка технически чистого алюминия марки А7, сочетающая азотирование (540 С, 8 ч) поверхностного сплава, сформированного импульсным плавлением в вакууме системы Al-Ti (20 циклов напыления - облучения электронным пучком с параметрами 10 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп.) позволяет повысить твердость примерно в 1.5 раза, а износостойкость поверхностного сплава более чем в 10 раз, что представляет интерес для практического использования полученных результатов при реализации технологических режимов в производстве. Выводы Рассмотрен принцип действия и представлены основные характеристики лабораторной установки, предназначенной для электронно-ионно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий в едином вакуумном цикле. Продемонстрирована возможность (на примере системы Al-Ti) формирования легированного титаном поверхностного слоя технически чистого алюминия марки А7 по схеме напыление - облучение (количество циклов от 1 до 20, толщина пленки металла в одном цикле 0.5 и 1 мкм). Показано, что максимальные значения механических и трибологических свойств достигаются при толщине пленки титана 0.5 мкм в условиях многоцикловой (20 циклов) обработки: твердость легированного слоя превышает твердость алюминия марки А7 примерно в 8.5 раза; коэффициент износа сплава меньше коэффициента износа (выше износостойкость) исходного алюминия примерно в 45 раз. Данный результат наблюдается при параметрах облучения системы пленка (Ti) - (Al)-подложка 15 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп. Толщина упрочненного слоя достигает 60 мкм. Установлено, что комплексная обработка технически чистого алюминия марки А7, сочетающая сформирование поверхностного сплава импульсным плавлением в вакууме системы Al-Ti (20 циклов напыления - облучения) электронным пучком с параметрами 10 Дж/см2, 50 мкс, 10 имп. и последующее азотирование (540 С, 8 ч) позволяет повысить твердость примерно в 1.5 раза, а износостойкость поверхностного сплава - более чем в 10 раз, что представляет интерес для практического использования полученных результатов в промышленности.

Ключевые слова

properties, structure, pulsed melting, formation of hard coatings, «film/substrate» system, nitriding, surface alloying, структура, свойства, comprehensive treatment in a single vacuum cycle, импульсное плавление, формирование твердых покрытий, азотирование, поверхностное легирование, система «пленка/подложка», комплексная обработка в едином вакуумном цикле

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Иванов Юрий ФедоровичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., гл. науч. сотр.yufi55@mail.ru
Коваль Николай НиколаевичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.т.н., профессор, гл. науч. сотр.koval@opee.hcei.tsc.ru
Всего: 2

Ссылки

Девятков В.Н., Коваль Н.Н., Щанин П.М. // Изв. вузов. Физика. - 2001. - Т. 42. - № 9. - С. 36- 43.
Борисов Д.П., Коваль Н.Н., Щанин П.М. // Изв. вузов. Физика. - 1994. - Т. 37. - № 3. - С. 115- 120.
Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов и сплавов / под общ. ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2016. - 312 с.
Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменным методам обработки / под общ. ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2016. - 304 с.
Структура, фазовый состав и свойства титана после комплексных упрочняющих технологий / под ред. В.Е. Громова, Ю.Ф. Иванова. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2015. - 304 с.
Якушин В.Л. // Металлы. - 2005. - № 2. - С. 12-24.
Кадыржанов К.К., Комаров Ф.Ф., Погребняк А.Д. и др. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. - М.: Изд-во МГУ, 2005. - 640 с.
Ласковнев А.П., Иванов Ю.Ф., Петрикова Е.А. и др. Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой. - Минск: Беларус. навука, 2013. - 287 с.
Шулов В.А., Белов А.Б., Львов А.Ф. и др. // Физика и химия обработки материалов. - 2005. - № 2. - С. 61-70.
Поут Дж.М., Фоти Г., Джекобсон Д.К. Модификация и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. - М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.
 Комплексная электронно-ионно-плазменная обработка поверхности алюминия в едином вакуумном цикле | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/59

Комплексная электронно-ионно-плазменная обработка поверхности алюминия в едином вакуумном цикле | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/59