Deposition of a multi-layer coating in a gas-metal beam-plasma formation at low pressure.pdf Введение Повышение износостойкости поверхности конструкционных и инструментальных материалов является одной из важнейших задач развития машиностроения. Применяемые в промышленности вакуумные электронно-ионно-плазменные методы [1] отличаются высокой экологичностью и широкими возможностями упрочнения поверхности металлических материалов. Использование плазмы разрядов низкого (≈ 1 Па) давления в процессах химико-термической обработки поверхности [2, 3] и напылении функциональных покрытий [4, 5] позволяет независимо контролировать такие основные рабочие параметры, как энергия ионов, воздействующих на обрабатываемую подложку, плотность ионного тока из плазмы, температура подложки, состав газовой смеси [6]. Несмотря на перспективность применения такой плазмы в процессах упрочнения поверхности материалов, существует ряд проблем, препятствующих внедрению в производственные циклы цифрового интеллектуального автоматизированного оборудования на этой основе. Одной из них является сложность синтеза плазмы в больших (> 0.1 м3) вакуумных объемах с требуемой степенью однородности плазмы. Перспективным с этой точки зрения является генерация плазмы в несамостоятельном тлеющем разряде с полым катодом, позволяющая формировать плазму с низкой степенью неоднородности и независимой регулировкой основных рабочих параметров. Синтезируемая в полом катоде тлеющего разряда с внешней инжекцией электронов плазма по методу ее генерации может быть отнесена к пучково-плазменным образованиям (ППО) [7]. Под пучково-плазменным образованием понимается плазменная среда, для образования которой, во-первых, необходимо наличие электродной системы, обеспечивающей самоподдержание разряда в определенном диапазоне рабочих параметров или горение разряда с некоторой степенью несамостоятельности и определяющей степень неоднородности концентрации плазмы. Во-вторых, обязательна инжекция в разрядную систему пучка заряженных частиц, например, электронов, которые значительным образом изменяют характеристики разряда и соответственно параметры и состав плазмы. Кроме того, электроны служат источником дополнительных реакций вблизи и на поверхности обрабатываемой подложки. Особый интерес вызывают процессы плазменно-ассистированного напыления покрытий на поверхность изделий в газометаллических пучково-плазменных образованиях. Одними из основных факторов, влияющих на структуру и фазовый состав покрытий, осаждаемых на различные материалы вакуумно-дуговым или магнетронным методами, являются величина и соотношение плотности потока ионов и нейтральных частиц Ji/Ja на поверхность растущей пленки, где Ji - плотность потока ионов, Ja - плотность потока нейтральных частиц [1]. Изменить данное соотношение в широких диапазонах можно путем плазменного ассистирования при вакуумно-дуговом напылении с источником дополнительной газовой плазмы. Использование отдельных источников газовой плазмы, генерирующих плазму с большим градиентом концентрации в зоне перемещения обрабатываемых деталей, не позволяет поддерживать одинаковую величину Ji/Ja на пути движения детали в рабочей камере, что усложняет процесс разработки технологических режимов и интерпретацию результатов обработки. Пучково-плазменные образования обеспечивают относительно однородный поток газовых ионов на поверхность подложки. В данной работе проводилось сравнение структуры и фазового состава многослойных нитридных покрытий на основе Ti и Al, полученных при напылении в традиционной системе плазменно-ассистированного вакуумно-дугового напыления и в системе генерации газометаллических пучково-плазменных образований, формируемых в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления при одновременном горении вакуумно-дуговых разрядов. Материалы и методы исследования Процессы осаждения покрытий плазменно-ассистированным методом проводились на установке «КВАДРО», входящей в состав Комплекса уникальных электрофизических установок «УНИКУУМ» (http://www.hcei.tsc.ru/ru/cat/unu/unikuum/unikuum.html), с использованием двух разрядных схем. В традиционной схеме (рис. 1, а) применялись два электродуговых испарителя с титановым и алюминиевым катодами для генерации металлической плазмы, а также источник газовой плазмы «ПИНК». Анодом для источников плазмы являлись внутренние стенки вакуумной камеры из нержавеющей стали, имеющей размеры 650650650 мм. Источник газовой плазмы формировал плазму с градиентом концентрации, направленным к стенкам камеры, при этом область максимальной концентрации находилась вблизи выходной апертуры источника. Максимальная плотность потока газовых ионов на образец была характерна для области вблизи выходной апертуры «ПИНКа», а минимальная - на максимальном удалении от нее. Потоки металлической плазмы, создаваемые вакуумно-дуговыми испарителями, также имели направленный характер с максимумами плотности потока металлической плазмы вблизи катодов испарителей. Рис. 1. Схемы экспериментальных установок для реализации процессов плазменно-ассистированного напыления: а - традиционная разрядная схема; б - разрядная схема для генерации пучково-плазменного образования в несамостоятельном тлеющем разряде с полым катодом Во второй разрядной схеме (рис. 1, б) газометаллическое пучково-плазменное образование формировалось в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда. Тлеющий разряд зажигался между полым катодом (внутренняя поверхность стенок вакуумной камеры) и плоским анодом, который также являлся анодом для дуговых разрядов. Для стабильного горения тлеющего разряда при низких давлениях использовалась инжекция электронов из плазмы несамостоятельного дугового разряда с накаленным и полым катодом, формируемого в источнике «ПИНК». Анодом для несамостоятельного дугового разряда являлся электрод, перекрытый мелкоструктурной сеткой (0.4×0.4 мм), имеющий потенциал полого катода тлеющего разряда. Часть потока электронов, попадающего на электрод, проходила сквозь ячейки сетки, а затем ускорялась в прикатодном падении потенциала, осциллируя в полости и ионизируя рабочий газ. Осцилляция электронов в полом катоде позволяет создавать плазменную среду с низкой, до нескольких десятков процентов, степенью неоднородности. Снижению степени неоднородности способствует уменьшение рабочего давления, повышение напряжения горения разряда, а также уменьшение соотношения Sa:Sc до величины, равной ≈ (2me/M)1/2. Дополнительное улучшение однородности достигается при увеличении тока тлеющего разряда за счет повышения тока инжектированных электронов при условии, что поток извлекаемых из вспомогательной плазмы электронов рассеивается при инжекции в плазму тлеющего разряда за счет неплоской геометрии эмиссионного электрода. В эксперименте для генерации потока металлической плазмы использовались два дуговых испарителя с цилиндрическими катодами диаметром 80 мм из титана марки ВТ1-0 и алюминия марки А7. Газовая аргоновая или азотная плазма, формируемая источником газовой плазмы в традиционной разрядной схеме или в несамостоятельном тлеющем разряде, позволяла проводить предварительную очистку поверхности изделий от оставшихся диэлектрических, в том числе оксидных, пленок путем ионного травления газовыми ионами, нагрев подложки, а также служила для ассистирования при напылении покрытий. Образцы из сплава ВК8 размерами 15×15×5 мм с исходной шероховатостью поверхности (Ra) образцов - 0.1 мкм размещались в центре камеры на подложкодержателе на уровне выходных апертур вакуумно-дуговых испарителей. Во время процесса подложкодержатель с образцами вращались вокруг центральной оси камеры на расстоянии 200 мм от нее, а также вокруг своей оси. До начала эксперимента вакуумная камера откачивалась турбомолекулярным насосом до предельного давления 10-2 Па. Подачей рабочего газа аргона через плазменный источник «ПИНК» рабочее давление устанавливалось на уровне 0.3 Па. При зажигании газового разряда и приложении напряжения смещения величиной -600 В на подложкодержатель с образцами осуществлялся нагрев подложек до температуры около 400 ºC. После очистки поверхности образцов ионной бомбардировкой и ее химической активации производилось зажигание разрядов в дуговых испарителях и напыление покрытия. При напылении нитридов использовался напуск азота, а для осаждения композиций из чистых металлов - аргон. В табл. 1 приведены параметры режимов осаждения многослойных покрытий на основе систем TiAl и TiAlN для двух исследуемых разрядных схем. Покрытие состояло из последовательно чередующихся четырех слоев системы TiAl и четырех слоев TiAlN. Покрытия с такой архитектурой показали [8] высокую износостойкость на режущем инструменте и высокую коррозионную стойкость. Основным отличием режимов осаждения в используемых для напыления разрядных системах являлась разница в распределении концентрации газовой плазмы в рабочей камере. На пути перемещения образцов в полом катоде тлеющего разряда плотность тока газовых ионов на их поверхность была в среднем одинаковой за счет низкой степени неоднородности газовой плазмы. При обработке в установке с традиционной разрядной схемой максимальная плотность тока газовых ионов была вблизи выходной апертуры источника газовой плазмы «ПИНК». Таблица 1 Режимы осаждения покрытий Газ (нечет. шаг / / чет. шаг) Рабочее давление p, Па Общее время процесса t, ч Ток и напряжение горения газового разряда в «ПИНКе» / несам. тлеющ. разряда Id, А (Ud, В) Токи вак.-дуг. испарителей (Ti-катод / / Al-катод) Id,, А Напряжение смещения подложки Uсм, В Температура подложки, (схема 1 / / схема 2) T, °С Ar / N2 0.15 2.5 20 (50) /17 (66) 80/60 180 400/420 Структуру поверхности образцов после напыления исследовали методом сканирующей электронной микроскопии на приборе SEM-515 «Philips». Элементный состав покрытий изучали с помощью энергодисперсионного рентгеновского микроанализатора Genesis, встроенного в растровый электронный микроскоп SEM-515 «Philips». Фазовый состав покрытий определяли методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре Shimadzu XRD в излучение CuK. Анализ фазового состава проведен с использованием баз данных PDF 4+, а также программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.4. Измерения микротвердости по Викерсу проводили на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентор Р = 0.5 Н. Шероховатость поверхности покрытий определяли с помощью контактного профилометра. Результаты исследований и их обсуждение На рис. 2 приведены изображения структуры поверхности образцов из сплава ВК8 с многослойным покрытием системы TiAl / TiAlN после напыления в традиционной разрядной схеме (а) и после напыления при ассистировании газовыми ионами в пучково-плазменном образовании, формируемом в несамостоятельном тлеющем разряде (б). Микроструктура поверхности образцов характеризуется наличием микрокапель размером от долей микрометров до нескольких микрометров (рис. 2). Толщина полученных покрытий составила около 3 мкм (табл. 2). Исследование структуры поперечного сечения образцов показало, что покрытие, полученное в ППО (рис. 1, б), имеет такую же многослойную структуру, как и покрытие, осажденное в традиционной разрядной схеме (рис. 1, а). Рис. 2. Морфология поверхности покрытия системы TiAl/TiAlN, сформированного при напылении: а - в традиционной разрядной схеме; б - при ассистировании в пучково-плазменном образовании, формируемом в несамостоятельном тлеющем разряде Таблица 2 Характеристики покрытий Режим Толщина h, мкм Шероховатость Ra, мкм Элементный состав, ат. % Al / Ti Микротвердость HV0.05, ГПа Схема 1 (традиц.) ~ 3 0.327 36 / 64 20 Схема 2 (ППО) ~ 3 0.359 28 / 72 18 Особенностью разрядной схемы для генерации пучково-плазменных образований (рис. 1, б) является интенсивное травление и распыление стенок полого катода, внутри которого размещаются напыляемые изделия. Важным является вопрос о влиянии процесса распыления поверхности полого катода на элементный состав осаждаемых покрытий. Рентгеноспектральный анализ, результаты которого приведены в табл. 2, показал отсутствие в покрытии элементов, входящих в состав нержавеющей стали. Исследование элементного состава покрытий также свидетельствует, что в покрытии, напыленном в ППО, содержание алюминия ниже на 8 ат. %. Вероятно, это связано с совокупной более высокой средней величиной плотности потока ионов на поверхность растущей пленки в несамостоятельном тлеющем разряде. Усиление ионной бомбардировки вызывает стравливание алюминия в процессе осаждения, что приводит к снижению его концентрации в покрытии. При используемой величине напряжения смещения (-180 В) коэффициент распыления Al примерно в 2 раза выше, чем для Ti. Об этом косвенно свидетельствует и шероховатость, которая чуть ниже после обработки в традиционной разрядной системе. Рентгеноструктурный анализ (рис. 3) не выявил отличий в фазовом составе покрытий TiAlN/TiAl, сформированных при использовании разных разрядных схем. Отличия наблюдаются в объемной доле фаз, обнаруживаемых в покрытиях. В покрытии, сформированном в ППО, генерируемом в несамостоятельном тлеющем разряде, содержание нитридной фазы TiAlN2 незначительно выше, чем в покрытии, полученном в традиционной разрядной схеме. Рис. 3. Участки рентгенограмм образцов из сплава ВК8 с покрытием системы TiAl/TiAlN после напыления: 1 - в традиционной разрядной схеме; 2 - при ассистировании в пучково-плазменном образовании, формируемом в несамостоятельном тлеющем разряде Заключение В результате сравнения многослойных нитридных покрытий на основе Ti и Al, напыленных в традиционной системе плазменно-ассистирован¬ного вакуумно-дугового напыления и в системе генерации газометаллических пучково-плазменных образований, формируемых в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления, не выявлено значительных отличий в элементном и фазовом составах покрытий. Результаты рентгеноспектрального анализа свидетельствуют об отсутствии элементов, входящих в состав материала полого катода (нержавеющая сталь), в покрытии, осажденном в пучково-плазменном образовании, формируемом в несамостоятельном тлеющем разряде. Газометаллические пучково-плазменные образования, генерируемые в полом катоде несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления, являются перспективными в процессах нанесения функциональных покрытий вакуумно-дуговым плазменно-ассистированным методом.

Скачать электронную версию публикации