Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
(
1. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ (ТСП) И
ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ МЕТОДОВ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ 8
4 1.1. Принцип работы материалов ТСП и обоснование их выбора 8
1.2. Обоснование и выбор магнетронной распылительной системы
(МРС) для формирования ТСП. Постановка задачи 20
2. ПОСТРОЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В МРС И ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЯ.
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ 34
Физическая модель процесса в МРС 34
Моделирование электрических разрядов в магнетронах 43
Особенности конденсации и расчет профиля покрытия, осаждаемого
в планарном и цилиндрическом магнетронах 60
2.4. Разработка и анализ конструктивных схем и конструкций
'*. магнетронов 71
1 *
2.5. Обоснование и выбор МРС с планарной дисковой мишенью и её
отработка 77
л
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА МРС. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ 83
Состав экспериментальной установки и средства измерений 83
Методика определения физико-химических свойств покрытия , 94
Оборудование и методика квалификационной оценки и определения триботехнических свойств покрытий 100
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И
ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТСП 107
, 4.1. Формирование ТСП из графитовых мишеней и доработка
\ конструкции МРС 107
» 4.2. Формирование ТСП активным распылением и оценка их
характеристик 111
4.3. Обоснование и выбор ТСП на основе нитрида титана TiN и его
характеристики 118
Формирование ТСП на основе нитрида титана TiN реактивным распылением на сплавах и исследование их свойств 122
Результаты квалификационной оценки покрытий на сплавах по комплексу методов применительно к авиационным ГТД 134
Трибологические свойства ТСП на основе TiN на керамике Si3N4 145
Получение композиционного ТСП на базе TiN и свинца РЬ и определение его эксплуатационных свойств 148
РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ОПЫТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МРС ПРАКТИЧЕСКАЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 154
5.1. Разработка структуры и элементов автоматизированной установки с
МРС 154
Исследование возможности нанесения покрытия на внутреннюю поверхность труб с помощью магнетрона 158
Разработка конструкции магнетрона с повышенным ресурсом
мишени 161
Опытные технологии нанесения высокотемпературных ТСП применительно к узлам авиационных двигателей 166
Опытный технологический процесс и результаты испытаний ТСП на
базе нитрида титана TiN на образцах и в составе изделий 166
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 174
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 178
ПРИЛОЖЕНИЯ 188
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Т - температура (С), (К)
Р - давление Па, нагрузка (Н)
ир, Ui, U - напряжение разряда, потенциал ионизации, {В)
I - ток, (А)
Е - энергия частиц, (эВ)
Вт, Во, В - индукция магнитного поля, (Тл)
Е0, Е - напряженность электрического поля, (В/м)
хг, хк, х - ширина зон разряда, координата, (м)
dk - ширина темного катодного пространства ТКП, (м)
ив, «і - частоты столкновений ионов и электронов, (с"1)
те, ті - время пробега электронов и ионов, (с)
Me(me), Мі(ші) - масса электронов и ионов, (г), (кг)
Гл«, гЛ| - ларморовские радиусы электронов и ионов, (м)
пе, П|, По - концентрации электронов, ионов, атомов, (м3)
i*i Ji - плотности электронного и ионного токов, (А/м2)
Voc, Ve, Vi - скорости осаждения, электронов, ионов, (м/с)
R, га, гк - радиусы мишени, анода, катода, (м)
А*, Х\, Ха - средняя длина пробега электронов, ионов, атомов, (м)
K{W|) - коэффициент распыления (ат/ион)
5, Н - толщина пленки, покрытия, (м)
f - коэффициент трения
ТС - твердая смазка
ТСП - твердое смазочное покрытие
МРС - магнетронная распылительная система
ДЛА - двигатели летательных аппаратов
ГТД - газотурбинный двигатель
ЖРД - жидкостный ракетный двигатель
Введение к работе
Одним из перспективных направлений повышения эффективности работы узлов трения разрабатываемых двигателей летательных аппаратов (ДЛА) является использование материалов и покрытий, особенно для работы в экстремальных условиях эксплуатации. В условиях высоких и низких температур, при наличии агрессивной среды, в вакууме, при жестком излучении или невесомости, высоких удельных нагрузках, использование традиционных органических жидких смазок невозможно. Поэтому для достижения заданных триботехнических свойств контактирующих поверхностей в узлах трения ДЛА в таких условиях используются неорганические твердые смазки.
Практика использования твердых смазок показала, что выносливость некоторых твердых смазок может превышать предел текучести материала деталей конструкции, а спой твердой смазки создает хорошую защиту от механической коррозии при переменных нагрузках. Установлено, что долговечность слоев твердой смазки со временем не ухудшается и она не требует специального ухода. Наиболее эффективной является работа ТС (и ТСП, в частности) при малых скоростях скольжения и больших нагрузках, когда традиционная жидкая смазка перестает работать. Можно обеспечить надежную работу ТС и ТСП при высоких температурах (более 1000С) и низких температурах (около -20СҐС). ТСП мало подвержены влиянию грязной и пыльной среды, не создают проблем загрязнения (экологически чисты), они эффективны также при работе механизмов, работающих периодически с перерывами.
Однако, наряду с отмеченными достоинствами, можно указать и недостатки твердых смазок и покрытий на их основе - такие, как плохое, в отличие от жидких смазок, рассеяние тепла в узлах трения, особенно при высоких скоростях. При истирании покрытия часть слоя удаляется безвозвратно, а при повреждении пленку твердой смазки трудно восстановить. Кроме того, твердая смазка не обеспечивает хорошей амортизации при переменных нагрузках.
Отсюда следует, что одной из основных задач практического применения ТСП в узлах трения ДЛА является выбор износостойкого и коррозионностойкого материала ТС с приемлемыми триботехническими свойствами, или формирование такого материала в процессе нанесения ТСП на рабочие, контактирующие поверхности узлов трения. Поэтому другой важной задачей является выбор метода нанесения ТСП. В производстве ДЛА наиболее распространены следующие методы
формирования ТСП: механические (натирание, шликер, ротапринтное натирание, галтовка) и из растворов (окунание, набрызгивание, электрофизическое и электрохимическое осаждение).
В последнее время значительно возросло внимание к использованию плазменных и вакуумно-плаэменных методов, причем последние обеспечивают формирование ТСП из газообразного (атомарного) состояния, что позволяет
, получать недостижимые другими методами характеристики покрытий, такие как
морфология, состав, структура, адгезионные свойства, износо- и коррозионностойкость.
Однако, несмотря на перспективность, широкого практического применения новые вакуумно-плазменные методы формирования неорганических ТСП, в том числе с помощью МРС, в производстве ДЛА не нашли. Это может быть связано с двумя основными причинами. Во-первых, недостаточно изучены и систематизированы процессы, протекающие в используемом вакуумно-плазменном оборудовании при нанесении конкретных ТСП. Во-вторых, не разработаны опытные технологии получения ТСП вакуумно-плазменными методами и не проведены исследования свойств получаемых покрытий, которые могли бы подтвердить
* эффективность новых технологических процессов.
Изложенное выше определяет актуальность разработки и исследования
моделей рабочих процессов в магнетронных технологических установках получения ТСП, а также методик комплексного исследования физико-химических и эксплуатационных характеристик ТСП, позволяющих подтвердить высокие рабочие свойства разработанной ТС, ее заданный ресурс и надежность.
Цель настоящей работы - разработка и исследование технологии получения ТСП в магнетронных распылительных системах применительно к узлам трения ДЛА. В соответствии с этим для реализации поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
- анализ работы материалов, используемых в качестве ТСП, и обоснование
і их выбора;
I - обоснование и выбор магнетронной системы для формирования ТСП,
разработка конструктивных схем МРС;
- разработка математических моделей электрического разряда в МРС;
- анализ особенностей конденсации и расчет профиля покрытия,
осаждаемого в цилиндрическом и планарном магнетронах;
- формирование покрытий из различных материалов и обоснованный выбор
нитрида титана TiN в качестве ТСП;
,, - определение и исследование физико-химических и эксплуатационных
свойств ТСП на основе нитрида титана TiN;
4 - разработка элементов оборудования и опытных технологических
процессов формирования ТСП на базе TIN и практическая реализация
і результатов работы.
На защиту выносятся следующие основные положения;
математические модели электрического разряда в цилиндрическом и планарном магнетронах;
модель конденсации покрытия и расчет профиля покрытия, осаждаемого в планарном цилиндрическом магнетронах;
конструктивные схемы магнетронов с повышенным ресурсом мишени;
опытные технологические процессы формирования ТСП на основе нитрида титана на стали, на керамике Si3N4 и в композиции со свинцом РЬ;
результаты сравнения физико-химических свойств ТСП на базе нитрида
* титана, полученных в МРС, с покрытиями полученными другими методами;
- высокие характеристики ТСП по износостойкости и усталости при
к переменных нагрузках с хорошими трибологическими свойствами;
- результаты практического использования полученных ТСП на базе
нитрида титана на элементах двигателей летательных аппаратов в
* реальных изделиях и в лабораторных условиях {КБ «Энергомаш», ЦИАМ
і
им П.И.Баранова и SEP, Франция).
