Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение

Настоящая работа выполнена в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. Цель работы – разработка технологии и технологических устройств для нанесения наноструктурированных покрытий, взамен использующихся в промышленности в нас...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2013
Hauptverfasser: Гришкевич, А.Д., Гринюк, С.И., Коваленко, В.В., Кучугурный, Ю.П.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2013
Schriftenreihe:Техническая механика
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88415
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение / А.Д. Гришкевич, C.И. Гринюк, В.В. Коваленко, Ю.П. Кучугурный // Техническая механика. — 2013. — № 4. — С. 43-57. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-88415
record_format dspace
spelling irk-123456789-884152015-11-16T19:59:15Z Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение Гришкевич, А.Д. Гринюк, С.И. Коваленко, В.В. Кучугурный, Ю.П. Настоящая работа выполнена в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. Цель работы – разработка технологии и технологических устройств для нанесения наноструктурированных покрытий, взамен использующихся в промышленности в настоящее время. Проводились экспериментальные исследования, расчеты параметров рабочих процессов и конструкторская разработка плазменных технологических устройств. Использовались стандартные методики исследований и расчетов. Разработаны новые, запатентованные в Украине, плазменные технологические устройства различных типов для нанесения наноструктурированных покрытий на внутренние и наружные рабочие поверхности пар трения типа «цилиндр–поршень». Получены и испытаны образцы покрытий, плазменных технологических устройств и изделий с покрытиями. Подтверждена эффективность принятых технических решений. При использовании разработки в промышленности ожидается экологический и социальный эффект. Дана робота виконана в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України. Мета дослідження – розроблення технології і технологічних пристроїв для нанесення наноструктурованних покриттів замість технологій, що використовуються в промисловості на цей час. Проводились експериментальні дослідження, розрахунки параметрів робочих процесів і конструкторська розробка плазмових технологічних пристроїв. Використовувались стандартні методики досліджень і розрахунків. Розроблені нові, запатентовані в Україні, плазмові технологічні пристрої різноманітних типів для нанесення наноструктурованих покриттів на внутрішні і зовнішні робочі поверхні пар тертя типу «циліндр–поршень». Отримано і випробувано зразки покриттів, плазмових технологічних пристроїв і виробів з покриттями. Підтверджено ефективність прийнятих технічних рішень. При використанні розробки в промисловості очікується екологічний і соціальний ефект. The present work was performed by the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine. The work objective was to develop a technology and technological devices for applying nanostructurized coatings instead of the existing ones. Experimental investigations, calculations of parameters of the working processes and engineering development of plasma technological devices were carried out. Standard techniques of studies and calculations were used. New plasma technological devices of various types, patented in Ukraine, for applying nanostructurized coatings to the internal and external working surfaces of friction pairs of the cylinder–piston type are developed. Samples of coatings, plasma technological devices and coated products are obtained and tested. The efficiency of technical decisions taken is validated. Ecological and social effects of the development are intended to use in industry. 2013 Article Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение / А.Д. Гришкевич, C.И. Гринюк, В.В. Коваленко, Ю.П. Кучугурный // Техническая механика. — 2013. — № 4. — С. 43-57. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88415 621.002.56 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Настоящая работа выполнена в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. Цель работы – разработка технологии и технологических устройств для нанесения наноструктурированных покрытий, взамен использующихся в промышленности в настоящее время. Проводились экспериментальные исследования, расчеты параметров рабочих процессов и конструкторская разработка плазменных технологических устройств. Использовались стандартные методики исследований и расчетов. Разработаны новые, запатентованные в Украине, плазменные технологические устройства различных типов для нанесения наноструктурированных покрытий на внутренние и наружные рабочие поверхности пар трения типа «цилиндр–поршень». Получены и испытаны образцы покрытий, плазменных технологических устройств и изделий с покрытиями. Подтверждена эффективность принятых технических решений. При использовании разработки в промышленности ожидается экологический и социальный эффект.
format Article
author Гришкевич, А.Д.
Гринюк, С.И.
Коваленко, В.В.
Кучугурный, Ю.П.
spellingShingle Гришкевич, А.Д.
Гринюк, С.И.
Коваленко, В.В.
Кучугурный, Ю.П.
Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение
Техническая механика
author_facet Гришкевич, А.Д.
Гринюк, С.И.
Коваленко, В.В.
Кучугурный, Ю.П.
author_sort Гришкевич, А.Д.
title Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение
title_short Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение
title_full Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение
title_fullStr Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение
title_full_unstemmed Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение
title_sort технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. разработка и применение
publisher Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate 2013
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88415
citation_txt Технологические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Разработка и применение / А.Д. Гришкевич, C.И. Гринюк, В.В. Коваленко, Ю.П. Кучугурный // Техническая механика. — 2013. — № 4. — С. 43-57. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series Техническая механика
work_keys_str_mv AT griškevičad tehnologičeskieplazmennyeustrojstvanaosnoverazrâdaszamknutymdrejfomélektronovrazrabotkaiprimenenie
AT grinûksi tehnologičeskieplazmennyeustrojstvanaosnoverazrâdaszamknutymdrejfomélektronovrazrabotkaiprimenenie
AT kovalenkovv tehnologičeskieplazmennyeustrojstvanaosnoverazrâdaszamknutymdrejfomélektronovrazrabotkaiprimenenie
AT kučugurnyjûp tehnologičeskieplazmennyeustrojstvanaosnoverazrâdaszamknutymdrejfomélektronovrazrabotkaiprimenenie
first_indexed 2025-07-06T16:12:44Z
last_indexed 2025-07-06T16:12:44Z
_version_ 1836914693750390784
fulltext 43 УДК 621.002.56 А. Д. ГРИШКЕВИЧ, C. И. ГРИНЮК, В. В. КОВАЛЕНКО, Ю. П. КУЧУГУРНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПЛАЗМЕННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ Настоящая работа выполнена в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. Цель работы – разработка технологии и технологических устройств для нанесения наноструктурированных покрытий, взамен использующихся в промышленности в настоящее время. Проводились экспериментальные исследования, расчеты параметров рабочих процессов и конструкторская разработка плазменных технологических устройств. Использова- лись стандартные методики исследований и расчетов. Разработаны новые, запатентованные в Украине, плазменные технологические устройства различных типов для нанесения наноструктурированных покры- тий на внутренние и наружные рабочие поверхности пар трения типа «цилиндр–поршень». Получены и испытаны образцы покрытий, плазменных технологических устройств и изделий с покрытиями. Подтвер- ждена эффективность принятых технических решений. При использовании разработки в промышленности ожидается экологический и социальный эффект. Дана робота виконана в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Держав- ного космічного агентства України. Мета дослідження – розроблення технології і технологічних пристроїв для нанесення наноструктурованних покриттів замість технологій, що використовуються в промисловості на цей час. Проводились експериментальні дослідження, розрахунки параметрів робочих процесів і конс- трукторська розробка плазмових технологічних пристроїв. Використовувались стандартні методики дос- ліджень і розрахунків. Розроблені нові, запатентовані в Україні, плазмові технологічні пристрої різнома- нітних типів для нанесення наноструктурованих покриттів на внутрішні і зовнішні робочі поверхні пар тертя типу «циліндр–поршень». Отримано і випробувано зразки покриттів, плазмових технологічних при- строїв і виробів з покриттями. Підтверджено ефективність прийнятих технічних рішень. При використан- ні розробки в промисловості очікується екологічний і соціальний ефект. The present work was performed by the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sci- ences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine. The work objective was to develop a technology and technological devices for applying nanostructurized coatings instead of the existing ones. Experimental investiga- tions, calculations of parameters of the working processes and engineering development of plasma technological devices were carried out. Standard techniques of studies and calculations were used. New plasma technological devices of various types, patented in Ukraine, for applying nanostructurized coatings to the internal and external working surfaces of friction pairs of the cylinder–piston type are developed. Samples of coatings, plasma techno- logical devices and coated products are obtained and tested. The efficiency of technical decisions taken is validat- ed. Ecological and social effects of the development are intended to use in industry. В современном машиностроительном производстве велика роль покры- тий. Покрытия рабочих поверхностей элементов конструкции машин и меха- низмов позволяют существенно улучшить их функциональные и эксплуата- ционные характеристики без расширения потребления редких и дефицитных конструкционных материалов. Современные технологии нанесения покрытий базируются на достижениях нанотехнологии и постепенно вытесняют тради- ционные, зачастую малоэффективные и экологически неблагоприятные, тех- нологии. Широкое использование современных технологий нанесения наносруктурированных покрытий в производственной практике сдерживает- ся отсутствием специализированного технологического ионно-плазменного оборудования, адаптированного для обработки конкретных типов деталей. Цели и задачи работы. Основными целями и задачами наших исследо- ваний за период с 2009 по 2013 год было удовлетворение потребностей авиа- космического машиностроения в разработках, базирующихся на современ- ных достижениях нанотехнологии. Конкретизация направления исследова- ний была связана с текущими потребностями государственных предприятий ГП Антонов и ГП ПО «Южмаш» в разработке технологии, плазменных тех-  А. Д. Гришкевич, C. И. Гринюк, В. В. Коваленко, Ю. П. Кучугурный, 2013 Техн. механика. – 2013. – № 4. 44 нологических устройств и технологической оснастки для нанесения функци- ональных покрытий на внутренние рабочие поверхности титановых гидроци- линдров стоек шасси самолетов АН. Cтойки шасси в процессе эксплуатации испытывают значительные ди- намические нагрузки и абразивный износ. Давление гидрожидкости в поло- сти гидроцилиндра стойки составляет 500 атм. При этом требуется обеспе- чить абсолютную герметичность полости высокого давления гидроцилиндра. Важнейшим показателем является усталостная долговечность деталей с по- крытиями. Использующиеся в настоящее время промышленные технологии модификации свойств поверхности уже не удовлетворяют современным тре- бованиям. Была поставлена задача разработать технологический комплекс, включающий технологию нанесения функционального покрытия на рабочие поверхности пар трения типа «цилиндр–поршень», технологические плаз- менные устройства и технологическую оснастку для нанесения покрытий в промышленных условиях. Разработанная технология должна заменить уста- ревшие технологии нанесения покрытий, в частности экологически неблаго- приятную технологию гальванического хромирования. Покрытия должны удовлетворять современным требованиям улучшенной функциональности и эксплуатационной долговечности. Для использования разработки в произ- водстве предусматривалась модернизация стандартной технологической ионно-плазменной установки «Булат 3». Методы исследований. Экспериментальные условия. Исследования носили в основном экспериментальный характер. При теоретическом иссле- довании конфигурации полей в плазменных разрядных устройствах исполь- зовался метод конечных элементов, реализованный в компьютерной про- грамме FEММ 4.2. При отработке технологии нанесения покрытий использо- вался минимальный набор методик, позволяющих судить о зависимости вы- ходных характеристик покрытий от параметров технологического процесса. Определение параметров плазмы, физико-механических свойств и парамет- ров микроструктуры покрытий выполнялось с использованием стандартных методик. При расчете параметров процессов распыления катода и конденса- ции покрытия использовались разработанные нами модельные представления [1], учитывающие специфику процессов в полузамкнутом внутреннем про- странстве обрабатываемого изделия. Наноструктурированнось покрытий устанавливалась по взаимосвязи между размером зерна и микротвердостью. Микротвердость покрытий измерялась микротвердомером ПМТ-3. Парамет- ры микроструктуры покрытия и величины микронапряжений определялись с помощью рентгеновского дифрактометра с использованием стандартных ме- тодик. Экспериментальные исследования проводились с использованием ваку- умных установок с объемом вакуумных камер 1 м3 и 0,25 м3. Камеры откачи- вались до давления 5×10-5 Торр. Каждая установка была оснащена системами снабжения рабочими газами, электро- и водоснабжения, системами измере- ния электрических параметров технологических устройств. Была разработана и изготовлена нестандартная система модулированного напуска технологи- ческих газов в рабочую зону. Использовались внутрикамерные координатные устройства для перемещения плазменных устройств, обрабатываемых дета- лей, экспериментальных образцов, электрических токоприемников и локаль- ных зондов. 45 Постановка задачи исследований. Был выполнен аналитический обзор состояния исследований в области технологии нанесения наноструктуриро- ванных покрытий и определен мировой технический уровень разработок тех- нологических устройств для их нанесения [2]. По данным обзора была под- тверждена актуальность выбранного направления исследований. Методы со- здания наноструктурированных слоев изучены, отработаны и применяются на практике. Использование современных представлений о способах управ- ления структурой материала и основ ионно-плазменных технологий позво- ляют формировать покрытия с уникальным сочетанием свойств, отличаю- щихся от свойств массивных материалов. В научно-технических и патентных источниках информации выявлено значительное число аналогов разрабатываемых плазменных устройств. По- давляющее большинство исследований и изобретений предназначено для ис- пользования в инструментальной промышленности. Прототипы плазменных устройств для нанесения наноструктурированных покрытий на внутренние поверхности малого диаметра выявлены не были. Были определены базовые моменты теории и практики модификации свойств поверхности путем нанесения наноструктурированных покрытий. На этом основании был произведен выбор технологии и технологических устройств для нанесения функциональных наноструктурированных покрытий на внутренние рабочие поверхности титановых гидроцилиндров. По результатам аналитического обзора были уточнены направления ис- следований. Сформулирована задача: изучить особенности функционирова- ния плазменных устройств с замкнутым дрейфом электронов в специфиче- ских условиях обработки внутренних поверхностей. Результаты исследова- ний использовались при разработке специализированных плазменных устройств для нанесения наноструктурированных функциональных покрытий на внутренние поверхности малого диаметра. Выбор покрытия. Первым шагом решения прикладной задачи создания ионно-плазменной технологии взамен гальванического хромирования был выбор покрытия. Выбор гальванического твердого хрома как материала для защитного покрытия внутренних рабочих поверхностей гидроцилиндров, ра- ботающих в условиях интенсивного коррозионного и абразивного износа, являлся вполне обоснованным решением. Хром обеспечивает высокий уро- вень антикоррозионной защиты и обладает превосходными трибологически- ми характеристиками [3]. Основным недостатком гальванического твердого хрома является его микротрещиноватость, что не удовлетворяет требованиям абсолютной герметичности полости высокого давления силового гидроци- линдра. Кроме того, требование улучшения потребительских свойств изде- лий предполагает дальнейшее улучшение трибологических характеристик рабочих поверхностей пар трения (в частности микротвердости), а также по- вышение усталостной долговечности изделия с покрытием. Наноструктури- рованное ионно-плазменное хромовое покрытие должно обладать всеми до- стоинствами гальванического хрома, но при этом иметь беспористую струк- туру, повышенную твердость, низкий уровень внутренних напряжений и по- вышенную усталостную долговечность. Для улучшения функциональных свойств рабочих поверхностей титано- вых гидроцилиндров перспективны также наноламинатные (слоистые) по- крытия типа Cr-CrN. Перспективно покрытие из наноламината типа Ti-TiN. 46 Выбор технологии осаждения покрытия. Ионно-плазменные техноло- гии реализуются в вакууме, что обеспечивает экологическую чистоту техно- логического процесса. Относительная сложность ионно-плазменных техно- логических плазменных устройств и технологической оснастки компенсиру- ются высокой управляемостью и воспроизводимостью параметров техноло- гического процесса и основных свойств покрытий. При выборе технологии осаждения, альтернативной гальваническому хромированию, ключевым вопросом является создание технологических плазменных устройств, способных реализовать выбранную технологию нане- сения покрытия при обработке внутренних поверхностей малого диаметра. При нанесении высококачественных хромовых покрытий в промышленности используется технология, основанная на электронно-лучевом испарении ма- териала покрытия [4]. Однако конструктивная сложность и габаритность технологического оборудования делает невозможным применение этой тех- нологии при обработке внутренних поверхностей малых диаметров. Большое распространение получила ионно-плазменная технология нане- сения покрытий, использующая испарители вакуумно-дугового типа [5]. Ва- куумно-дуговая технология, в силу органически присущих ей особенностей, может иметь только ограниченную применимость для нанесения покрытий на внутренние поверхности гидроцилиндров. Вакуумно-дуговой разряд ока- зывает существенное термическое влияние на подложку и генерирует макро- частицы материала покрытия, что затрудняет получение совершенной нано- структуры покрытия. Наличие микрокапельной фазы в вакуумно-дуговых покрытиях требует финишной механической обработки. Установлено, что абразивная обработка неблагоприятно влияет на показатель усталостной дол- говечности изделий с покрытием. Нами была выбрана технология и техноло- гические плазменные устройства на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Типичными представителями устройств этого типа являются ав- тономные источники энергетических газовых ионов (АИИ) [6] и магнетрон- ные распылительные системы (МРС) [7, 8]. Магнетронная технология оказы- вает более низкое термическое влияние на подложку, что важно при обра- ботке титановых сплавов. Магнетронные покрытия не ухудшают параметр шероховатости поверхности подложки. На основании изучения литературной и патентной информации установ- лено, что действенным технологическим способом получения нанострукту- рированных покрытий является дополнительное энергетическое стимулиро- вание процесса осаждения покрытия, так называемое плазменное или ионное ассистирование. Стимулирование осуществляется путем бомбардировки по- верхности конденсации энергетичными частицами, извлекаемыми из плазмы. Для получения эффекта наноструктурирования достаточно, чтобы плотность тока энергетичных частиц на подложку была более 1 мА/см2 при средней энергии 30 – 100 эВ. Ионно-плазменная технология нанесения покрытий с ионным ассистированием может обеспечить получение требуемых свойств хромового покрытия. Разработка технологических плазменных устройств. Разработка распыляющих плазменных устройств. Принято выделять основные составляющие технологического процесса нанесения покрытия: предварительная ионная подготовка поверхности, формирование потока ма- 47 териала покрытия и, собственно, процесс формирования покрытия. При про- стейшей аппаратурной реализации технологического комплекса эти три за- дачи решаются различными техническими средствами. При совершенствова- нии технологического комплекса стремятся к интеграции ряда технологиче- ских функций в одном технологическом устройстве. Для генерации потока частиц материала покрытия в ионно-плазменной технологии используются два типа плазменных устройств: вакуумно-дуговые испарители (ВДИ) цилиндрического и торцевого типа и магнетронные рас- пылительные системы (МРС) цилиндрического и планарного типа. Для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность длинных трубча- тых изделий проходного типа нами была принята конструкция цилиндриче- ской магнетронной распылительной системы (ЦМРС) с продольным скани- рованием кольцевого разряда. Основной особенностью процесса ион- но-плазменной обработки внутренней поверхности является ограниченность внутреннего объема полости обрабатываемого изделия. Во внутренней поло- сти обрабатываемого изделия, на его оси, необходимо разместить плазменное устройство. В полости устройства должна размещаться магнитная система, создающая поле с индукцией не менее 40 мТл. Эти условия определяют ми- нимальный диаметр катода, а значит и минимальный внутренний диаметр обрабатываемого изделия. Другим ограничивающим фактором является возможность изготовления тонкостенного трубчатого катода, обладающего необходимым запасом рас- пыляемого материала. Это условие легко выполнимо для катодов из пла- стичных материалов (алюминий, медь, титан). Из твердого и хрупкого хрома тонкостенный трубчатый катод изготовить практически невозможно. При изготовлении хромового катода ЦМРС нами было использовано гальваниче- ское хромовое покрытие, которое наносилось на поверхность тонкостенной неферромагнитной трубки. Были испытаны и использовались трубчатые ка- тоды из нержавеющей стали с наружным диаметром 12 мм с хромовым по- крытием толщиной 0,1 мм. Опытным путем было установлено, что характерный размер области, за- нятой магнетронным разрядом, примерно равен величине межполюсного за- зора магнитной системы. При обработке внутренних поверхностей малого диаметра неизбежно использование обрабатываемого изделия в качестве анода. Было определено, что при уменьшении межэлектродного зазора до величины, равной половине межполюсного зазора, эффективность магне- тронного разряда несколько падает, но его распылительная способность со- храняется. При величине межполюсного зазора 5 мм магнетронный разряд сохраняет распыляющие характеристики до величины межэлектродного промежутка около 3 мм. При выбранной конструкции ЦМРС минимальный диаметр обрабатываемой поверхности может равняться 13 – 15 мм. Благодаря тому что при обработке поверхностей малого диаметра по- верхность конденсации находится в непосредственном контакте с плазмой магнетронного разряда, при осаждении покрытия реализуется режим плаз- менного ассистирования. При увеличении внутреннего диаметра обрабатыва- емого изделия создаются условия при которых анодная граница магнетрон- ного разряда отдаляется от обрабатываемой поверхности. Это позволяет вве- сти в конструкцию ЦМРС дополнительный электрод (анод), что открывает 48 возможности использования режима осаждения покрытия с ионным ассисти- рованием. Нами были разработаны, испытаны и использовались цилиндрические магнетронные системы с наружной и внутренней распыляемой поверхно- стью, ЦМРС и ИнвЦМРС соответственно. Для генерации потока частиц материала покрытия нами использовались также цилиндрические, торцевые и планарные генераторы магнетронного и вакуумно-дугового типа традиционной конструкции. Магнетронное распылительное устройство с коническим катодом. Объектом нанесения покрытия на внутренние поверхности являются гидро- цилиндры «проходного» и «непроходного» (с донышком) типа. Необходимо было обеспечить возможность нанесения слоя покрытия на внутреннюю по- верхность непроходного типа вплотную к замыкающему внутреннюю по- лость донышку. Для решения этой задачи разработана магнетронная распы- ляющая система с коническим катодом – КМРС. Фото и конструктивная схе- ма устройства представлены на рис. 1, где 1 – магнитные полюса, 2 – посто- янный магнит, 3 – распыляемый катод, 4 – анод. Большее основание кониче- ского катода входило в обрабатываемую полость с зазором 4 мм. Рис. 1 [13] На оси трубы подвода и отвода охлаждающей воды был выполнен канал, по которому был проложен токоподвод к дисковому аноду КМРС, смонтиро- ванному на малом торце плазменного устройства (на фото рис. 1 анод КМРС снят). Наличие независимого анода позволило использовать КМРС в режиме плазменного и ионного ассистирования. Коническая геометрия катода харак- теризовалась повышенным, по сравнению с планарной и цилиндрической конфигурацией, коэффициентом полезного использования распыляемого ма- териала. КМРС использовалась как в индивидуальном порядке, так и в составе интегрированных плазменных технологических устройств. Разработка плазменных устройств «гибридного» типа. Для объеди- нения в одной конструкции достоинств различных технологических устройств были разработаны плазменные устройства, включающие элемен- ты, функционирующие на основе вакуумно-дугового разряда и разряда с за- мкнутым дрейфом электронов. Первым опытом создания подобной кон- струкции было плазменное устройство [9]. Конструкция устройства включа- ла генератор частиц материала покрытия на основе двух расположенных встречно торцевых ВДИ и коаксиальную ускорительную ступень, работаю- щую на основе разряда с замкнутым дрейфом электронов. Конструкция 49 устройства (см. рис. 2) оказалась достаточно сложной в изготовлении и эксплуатации и не получила дальнейшего развития. Другой вариант плазменного устройства «гибридного» типа [10] включал два распо- ложенных соосно цилиндрических плазмен- ных устройства. Устройства работали пооче- редно. Одним из устройств являлось ВДИ, другим – МРС. Конструктивная схема устройства показана на рис. 2, где 1 – КМРС, 2 – ЦВДИ. Гибридное устройство включает: магнитные полюса – 2, постоянные магниты – 3, распыляемый катод КМРС – 4, общий анод – 5 и трубчатый катод ЦВДИ – 6. На фото рис. 5 показано это устройство для нанесения бронзового покрытия на внутрен- нюю поверхность стальной муфты. При ра- боте устройства в режиме ВДИ производи- лась предварительная ионная подготовка об- рабатываемой поверхности. Катоды ВДИ и МРС были изготовлены из разных металлов для получения биметаллическо- го покрытия. Совмещение в одной конструкции ВДИ и МРС позволило упро- стить процесс инициирования вакуумно-дугового разряда. С этой целью ис- пользовалась плазма, генерируемая МРС. Особенностью технологического плазменного устройства подобного типа является необходимость питания разрядов ВДИ и МРС раздельными источниками различных типов. Разработка плазменных устройств интегрированного типа. Другим подходом к созданию технологических плазменных устройств было исполь- зование двух специализированных плазменных устройств, объединенных в один технологический комплекс, но работающих независимо. Такую схему мы называем плазменным технологическим устройством интегрированного типа. Были разработаны и испытаны различные конфигурации устройств та- кого типа, предназначенные для обработки трубчатых изделий проходного типа. 1. В разряде с замкнутым дрейфом электронов плазма сосредоточена в области, где существует магнитное поле, т. е. у катода магнетрона. Это явля- ется и достоинством, и недостатком МРС. Для осаждения покрытия с допол- нительным энергетическим воздействием (плазменное, ионное ассистирова- ние) у обрабатываемой поверхности подложки должна существовать плазма. Это обеспечивается различными способами, суть которых сводится к исполь- зованию дополнительных источников электронов. Нами разработана и испытана [11] схема магнетронного устройства с то- чечным источником электронов на основе полого катода. Дополнительный источник электронов позволил понизить рабочее давление магнетрона, что позволило увеличить дистанцию нанесения покрытия и сделало возможным обработку изделий объемной конфигурации. При этом облегчались условия создания плазмы у поверхности конденсации. Появилась возможность эф- фективной предварительной ионной обработки поверхности конденсации и ионного ассистирования процесса осаждения. Рис. 2 [10] 50 Рис. 3 [12] Рис. 4 Рис. 5 2. Для обработки внутренней поверхности трубчатых изделий проходно- го типа малого диаметра и большой длины было разработано устройство [12, 13], включающее цилиндрические магнетроны прямого и инверсного типа. Устройство использовалось для решения прикладной задачи нанесения хромового покрытия на внутреннею рабочую поверхность гильзы титанового гидроцилиндра диаметром 30 мм. Конструктивная схема устройства показана на рис. 3, где 1 – газовый «скафандр». «Скафандр» смонтирован на оси ин- версного магнетрона – 11 и может совершать возвратно-поступательное пе- ремещение вдоль оси распыляемого катода ЦМРС. От катода ЦМРС «ска- фандр» и смонтированное в его полости распыляемое изделие – 2 изолиро- ван диэлектрическими втулками – 7. Общий вид технологического устрой- ства в вакуумной камере показан на рис. 5. При относительном перемеще- нии ИнвМРС и обрабатываемой поверхности осуществлялась ее предвари- тельная ионная подготовка. Нанесение покрытия на внутреннюю поверх- ность детали осуществлялось путем продольного сканирования магнитной системы в полости трубчатого водоохлаждаемого катода ЦМРС. Элемент магнитной системы ограничивал замкнутую область магнетронного разряда в поперечном сечении трубчатого катода. В полости распыляемого катода мог- ли последовательно располагаться несколько элементов магнитной системы. Таким путем увеличивался суммарный ток магнетронного разряда и повы- шалась производительность нанесения покрытия. Ограничением производи- тельности устройства является возможность обеспечения протока охлажда- ющей воды через катод. Нормой протока воды принимался расход 1 л/мин на 1 кВт мощности разряда. 3. С использованием КМРС было разработано интегрированное плазмен- ное устройство дуального типа. Устройство включает две расположенных 51 оппозитно КМРС [14] и предназначено для нанесения биметаллических по- крытий на внутреннюю поверхность изделия проходного типа с плазменным ассистированием. В устройствах дуального типа между индивидуальными плазменными устройствами создается расширенная область замкнутого (обобщенного) магнитного поля, что облегчает организацию предваритель- ной ионной обработки изделия и ионного ассистирования. Конструкция устройства показана на рис. 6. 4. Другое интегрированное устройство дуального типа включало два магнетронных распылителя планарного типа с объединенным магнитным полем [15]. Как показано на рис. 7, обрабатываемое изделие располагалось между плазменными устройствами в области существования разреженной плазмы, что использовалось для предварительной ионной обработки и ион- ного ассистирования. 5. КМРС была использована в интегральном устройстве, включающем соосно расположенные в полости трубчатого изделия КМРС и автономный источник газовых ионов на основе ускорителя ионов с анодным слоем (УАС) [16]. Магнитные системы устройств создавали обобщенное магнитное поле, Рис. 6 [14] Рис. 7 [15] Рис. 8 как в дуальной схеме конических магнетронов. Автономный ионный источ- ник с замкнутым дрейфом электронов и узкой областью ускорения (ускори- тель с анодным слоем – УАС) мог работать в режиме генерации плазмы и в режиме генерации ускоренных газовых ионов. Поток ускоренных ионов слу- жил для предварительной ионной подготовки поверхности, а из плазмы на подложку экстрагировались низкоэнергетичные газовые ионы ассистирова- ния. Конструкция устройства показана на рис. 8. 6. Была разработана и использовалась для решения прикладной задачи интегрированная схема плазменных устройств для нанесения покрытий на внутреннюю и наружную рабочие поверхности штока силового двухступен- чатого гидроцилиндра. Для обработки внутренней поверхности использовал- ся магнетрон с коническим катодом. Магнитное поле конического магнетро- на, выходящее на наружную поверхность штока, использовалось для под- держания магнетронного разряда, служившего для ионной подготовки по- верхности. Обработка наружной поверхности обеспечивалась двумя оппо- зитно расположенными планарными магнетронами несбалансированного ти- 52 па. Конструктивная схема интегрированного устройства аналогична схеме устройства, показанного на рис. 7. 7. Интегрированное устройство, изображенное на рис. 9, предназнача- лось для нанесения молибденового покрытия толщиной 50 мкм на наружную поверхность цапфы диаметром 30 мм. На рисунке показаны: 1 – катод ВДИ; 2 – катод ИнвЦМРС; 4 – обрабатываемое изделие. Производственная техно- логия, основанная на использовании торцевого вакуумно-дугового испарите- ля, характеризовалась чрезвычайно низким (порядка 10 %) использованием материала катода и соответственно низкой производительностью нанесения покрытия. Была разработана схема интегрированного плазменного устрой- ства с инверсным цилиндрическим магнетронным распыляющим устрой- ством. Использование материала катода в ИнвЦМРС достигает 90 %. Для предварительной подготовки поверхности цапфы использовался торцевой ВДИ с молибденовым катодом. Рис. 9 [15] Исследование несбалансированности магнитной системы МРС. Так как наиболее действенным способом наноструктрирования покрытия являет- ся бомбардировка растущего конденсата низкоэнергетичными ионами (ион- ное ассистирование), подробно исследовались конструкции МРС, обеспечи- вающие возможность извлечения газовых ионов из разряда МРС [17, 18]. Были выполнены теоретические и экспериментальные исследования пара- метрических способов управления разрядными характеристиками МРС путем создания несбалансированности магнитного поля в магнетронах планарного и цилиндрического типов. Разработка несбалансированной цилиндрической распыляющей си- стемы (НбЦМРС). В результате исследований характеристик несбалансиро- ванности магнитного поля в магнетронах различных типов была создана ори- гинальная, не имеющую аналогов в мировой практике, конструкция магне- тронного устройства, позволяющая выполнять все технологические функции нанесения наноструктурированного покрытия на внутреннюю поверхность [19]. По сравнению с планарным прототипом несбалансированного магне- трона цилиндрическая несбалансированная магнетронная распыляющая си- стема имеет отличительный признак, позволяющий сканировать поверхность конденсации покрытия потоком ионов ассистирования. Это достигается управлением конфигурацией магнитного поля НбЦМРС электромагнитными катушками. Конструктивная схема показана на рис. 10, где: 2 – обрабатывае- мая поверхность; 3, 4 – источники питания; 5 – распыляемый катод; 6 – маг- 53 нитные полюса; 7 – постоянные магниты; 8 – электромагнитные катушки. На рис. 11 показана картина магнитного поля в НбЦМРС в положении с откло- ненным потоком ионов ассистирования. Разработанный тип плазменного устройства позволяет реализовать концепцию ионно-плазменной установки коаксиального типа (с осевым расположением распыляющего устройства) для нанесения наноструктурированных покрытий по групповой технологии. Рис. 10 Рис. 11 Исследование рабочих режимов плазменных устройств. Исследова- ние рабочих режимов производилось с целью определения пределов техно- логического применения разработанных плазменных технологических устройств и с целью разработки технологических процессов обработки кон- кретных изделий. Исследовалось влияние геометрических параметров устройства и обра- батываемого изделия на характеристики магнетронного разряда. С помощью экспериментального устройства с подвижными анодами было определено положение анодной границы магнетронного разряда и его зависимость от конструктивных и разрядных параметров магнетрона. Исследовалась прямая и инверсная конструкция магнетрона. Особенности поведения анодной гра- ницы обсуждались выше. Экспериментально обнаружено существование ка- тодной границы разряда. Оказалось, что катодная граница ограничивает об- ласть разряда, объем которой существенно превышает объем области темно- го катодного пространства тлеющего разряда. Подробное изучение причин обнаруженной аномалии не производилось. Изучалась связь профиля ионной эрозии катода с распределением плот- ности разрядного тока поперек зоны магнетронного разряда и с конфигура- цией магнитного поля в магнетронном разряде. Установлено, что известные из литературных источников [20] представления о соответствии профиля эрозии катода профилю плотности тока и распределению величины магнит- ной индукции в том же сечении справедливы только для плоской поверхно- сти катода. При выработке катода профиль эрозии оказывается существенно уже поперечного распределения магнитной индукции. Подробное изучение этих зависимостей не производилось, так как в разработанных нами устрой- ствах при сканировании поверхности катода магнетронным разрядом наблю- дается равномерная эрозия катода. При работе с минимальными межэлектродными расстояниями эффекты обратной диффузии и рассеивания распыленного материала катода становят- ся несущественными. Это позволяет работать при повышенных давлениях рабочего газа, что создает возможность ограничения области плазменной об- 54 работки «скафандром», давление в котором может поддерживаться выше давления в вакуумной камере. Такая мера позволяет изолировать область об- работки от среды, в которой имеются загрязняющие углеводородные компо- ненты (пары вакуумного масла) и повысить чистоту покрытия. Конструкция устройства со «скафандром» была реализована в интегрированном плазмен- ном устройстве [13]. В разработанных плазменных устройствах предварительная ионная под- готовка обрабатываемой поверхности обеспечивалась газовыми или метал- лическими энергетическими ионами, генерируемыми интегрированными устройствами, или газовыми ионами ассистирования при высоковольтном смещении на подложке. Для предварительной ионной подготовки замеча- тельными свойствами обладает разряд инверсного магнетрона. Легко регули- руемая величина плотности тока и энергии ионов магнетронного разряда позволяет рассматривать его как эффективное средство для нагрева и ионно- го травления обрабатываемой поверхности (см. рис. 3). К сожалению этот способ предварительной подготовки не универсален и применим только для изделий из неферромагнитных металлов. При обработке сравнительно массивных (4 – 5 кг и более) изделий обна- ружилось, что за время, необходимое для нагрева изделия до технологиче- ской температуры (более 300 – 350°С) происходит ионное растравливание прецизионной обрабатываемой поверхности. Для предотвращения этого не- желательного эффекта в качестве плазмообразующего газа был использован гелий. При равной мощности магнетронного разряда при работе на гелии скорость нагрева практически не изменилась, а скорость ионного травления была снижена почти на порядок. Такое техническое решение эквивалентно использованию электронного нагрева, но не требует использования дополни- тельного оборудования. В наших экспериментах был отработан оригинальный режим предвари- тельной подготовки поверхности при работе несбалансированного магнетро- на. В режиме предварительной подготовки на обрабатываемое изделие пода- вался катодный потенциал магнетронного разряда. При этом реализовался режим работы плазменного устройства, аналогичный режиму работы разряд- ной ячейки Пеннинга. Подобный режим удобно использовать для нанесения покрытий на малогабаритные изделия и опытные образцы. При обработке массивных изделий этот режим неприменим, так как первые слои покрытия конденсируются на недостаточно подготовленную (холодную) поверхность подложки. Это может быть причиной неудовлетворительной адгезии покры- тия. При использовании режима Пеннинга для ионной подготовки массивных изделий нами использовался гелий, что существенно ослабляло влияние не- желательного эффекта нанесения первого слоя покрытия на неподготовлен- ную поверхность. Режимы работы наших магнетронных устройств по основным характери- стикам мало отличались от общепринятых. С целью повышения производи- тельности генерации частиц покрытия нами использовались магнетронные устройства с высоким значением магнитной индукции. При мощности разря- да 2,5 кВт величина плотности разрядного тока магнетрона достигала 200 мА/см2 и более. При нанесении хромового покрытия в режиме работы НбПлМРС с диаметром катода 70 мм, при Up = 500 В и Ip = 5 А, величина удельной эрозии катода изменяется от 8,3×10-4мг/Дж (при неэродированом, 55 новом катоде), до 9,2×10-4 мг/Дж (на катоде с предельной эрозионной выра- боткой). Характеристики покрытий и технологий их нанесения. На внутрен- нюю рабочую поверхность гильзы штатного титанового гидроцилиндра диа- метром 30 мм наносилось наноструктурированное хромовое покрытие. Мик- ротвердость покрытия превышала микротвердость твердого гальванического хрома и достигала значения 1500 кгс/см2. Стендовые ресурсные испытания гидроцилиндра показали сохранение герметичности на всем протяжении рас- четного срока эксплуатации изделия. Была продемонстрирована работоспо- собность изделия с покрытием в течение периода, превышающего расчетное значение ресурса. Для нанесения на внутреннюю поверхность слоистых (ламинатных) по- крытий Ме–МеN была разработана система синхронной модуляции расхода азота. Подача азота в реакционную зону синхронизировалась с периодом ска- нирования внутренней поверхности магнетронным разрядом. Выбором пара- метров сканирования и модуляции расхода азота можно было создавать равно- толщинные или разнотолщинные ламинатные покрытия с различными свой- ствами. Получены образцы ламинатных покрытий (см. рис. 12). Твердость по- крытия превышала твердость наноструктурированного хрома, полученного в режиме с ионным ассистированием, и достигала 2000 кгс/см2. Подтверждено, что ионное ассистирование поверхности конденсации ионами аргона с энергией до 100 эВ и плотностью тока 1 – 10 мА/см2 приво- дит к измельчению структуры покрытия. Выводы сделаны на основании ре- гистрации уширения линии хрома, полученной на рентгеновском дифракто- метре. Величина уширения определялась относительно уширения линии хрома, полученной на образце хрома из распыляемого катода. Выявлено, что микротвердость хромового покрытия, полученного в прерывистом режиме, имитирующем режим нанесения покрытия с вращением и продольным ска- нированием, выше микротвердости, полученной при непрерывном режиме Рис. 12 Рис. 13 нанесения покрытия, и соответствует микротвердости ламината. На рис. 13 показан шлиф покрытия, полученного с остановкой процесса нанесения. Видна граница, которая, по-видимому, формируется из-за наличия паров ва- куумного масла в вакуумной камере. Покрытия наносились как на экспериментальные образцы, так и на натурные изделия. Нанесение покрытий на образцы натурных изделий ис- пользовались как для отработки параметров технологи обработки, так и для исследования характеристик покрытий, работающих в составе изделия в натурных условиях. 56 Практическое использование результатов исследований и разрабо- ток. Экспериментальные работы производились на экспериментальном ваку- умно-плазменном стенде. Отработаны технические решения плазменных устройств и технологической оснастки. Разработан проект модернизации ионно-плазменной установки Булат 3 с использованием разработанных плаз- менных устройств и оснастки. Разработан концептуальный проект специали- зированной установки для ионно-плазменной обработки рабочих (внутрен- них и наружных) поверхностей широкой номенклатуры деталей пар трения типа «цилиндр – поршень». Разработанные плазменные устройства и технологическая оснастка ис- пользовались для нанесения различных покрытий на другие, предлагаемые нашими традиционными заказчиками детали. Отрабатывалась технология нанесения ферромагнитного никелевого покрытия. На цапфы наносилось мо- либденовое покрытие. На кольца торцевого уплотнения наносилось много- слойное покрытие медь – нержавеющая сталь – медь. На внутреннюю по- верхность муфты наносилось антифрикционное бронзовое покрытие. Имели место и другие подобные разовые применения. Разработка ориентирована на использование в производстве титановых гидроцилиндров специального назначения (для стоек шасси самолетов АН), однако не исключается ее использование в массовом производстве гидроци- линдров разнообразного назначения, включая гидроцилиндры горных машин и проходческих комплексов, а также гильз кристаллизаторов машин непре- рывного литья трубной заготовки. 1. Кучугурный Ю. П. Особенности пространственной структуры потока распыленных атомов в магнетрон- ных устройствах цилиндрического типа / Ю. П. Кучугурный, С. И. Гринюк, А. Д. Гришкевич // Пробле- мы высокотемпературной техники. – 2011. – С. 64 – 70. 2. Гришкевич А. Д. Наноструктурированные покрытия как альтернатива гальваническому хромированию внутренних поверхностей / А. Д. Гришкевич // Техническая механика. – 2013. – № 3. – С. 117 – 127. 3. Ройх И. Л. Нанесение защитных покрытий в вакууме / И. Л. Ройх, Л. Н. Колтунова, С. Н. Федосов. – М. : Машиностроение, 1976. – 368 с. 4. Мовчан Б. Л. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме / Б. Л. Мовчан, И. С. Малашенко. – Киев : Наукова Думка, 1983. – 272 с. 5. Вакуумная дуга / И. И. Аксенов, А. А. Андреев, В. Л. Белоус, В. Е. Стрельницкий, В. М. Хороших. – Ки- ев : Наукова думка, 2012. – 727 с. 6. Гришин С. Д. Плазменные ускорители / С. Д. Гришин, Л. В. Лесков, Н. П. Козлов. – М. : Машинострое- ние, 1983. – 226 с. 7. Данилин Б. С. Магнетронные распыленные системы / Б. С. Данилин, В. К. Сырчин. – М. : Радио и связь, 1982. – 287 с. 8. Кузьмичев А. И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магне- тронного распыления / А. И. Кузьмичев. – Киев : Аверс, 2008. – 244 с. 9 Деклараційний патент на винахід №63164А, Україна, МПК С23С 14/00. Плазмовий пристрій / Гришке- вич О. Д., Масляний М. В. ; заявник і патентоволодар Інститут технічної механіки НАНУ и НКАУ. – 2003021162 ; заяв.10.02.2003 ; опубл. 15.01.2004. Бюл. №1. – 4с. 10.Патент на винахід №93833U, Україна, МПК С23С 14/00. Іонно-плазмовий пристрій «гібридного» типу / Гришкевич О. Д. ; заявник и патентоволодар Інститут технічної механіки НАНУ и НКАУ. – a201005613 ; заяв.11.05.2010 ; опубл. 10.03.2011. Бюл. №5. – 4с. 11.Гришкевич А. Д. Использование плазменного источника электронов в магнетронной системе ионного распыления // А. Д. Гришкевич, А. В. Хитько / Проблемы высокотемпературной техники. – 2011. – С. 42 – 45. 12. Гришкевич А. Д. Нанесение функционального покрытия на внутреннюю стенку осесимметричного изделия малого диаметра / А. Д. Гришкевич / Проблемы высокотемпературной техники. – 2011. – С. 37 – 41. 13. Патент на винахід №38845U, Україна, МПК С23С 14/00. Плазмовий пристрій / Гришкевич О. Д. ; за- явник і патентоволодар Інститут технічної механіки НАНУ и НКАУ. – u200808700 ; заяв.01.07.2008 ; опубл. 26.01.2009. Бюл. №2. – 4с. 14. Патент на винахід №93471, Україна, МПК С23С 14/35, 14/56. Ионно-плазмова установка / Гришке- вич О. Д., Гринюк С. І. ; заявник и патентоволодар Інститут технічної механіки НАНУ и НКАУ. – а201005669 ; заяв.11.05.2010 ; опубл. 10.02.2010. Бюл. №23. 57 15.Патент на винахід №38846, Україна, МПК С23С 14/35, 14/56. Установка для нанесення нанометричних покрттів с періодичною структурою / Гришкевич О. Д., Кучугурный Ю. П. ; заявник и патентоволодар Інститут технічної механіки НАНУ и НКАУ. – а200808701 ; заявл.01.07.2008 ; опуб. 26.01.2009. Бюл. № 2. 16. Гришкевич А. Д. Ионно-плазменная технология и технологические плазменные устройства для нанесе- ния защитных покрытий на внутренние рабочие поверхности / А. Д. Гришкевич // Технологии упрочне- ния, нанесения покрытий и ремонта : теория и практика : Часть 2. Материалы 15-ой международной научно-практической конференции. – СПб : Изд-во Политех. ун-та, 2013. – С. 133 – 138. 17. Гришкевич А. Д. Исследование характеристик несбалансированности магнетронной распылительной системы. / А. Д. Гришкевич, С. И. Гринюк // Проблемы высокотемпературной техники. – 2012. – С. 42 – 49. 18. Гришкевич А. Д Исследование топологии электрического и магнитного полей в магнетронных распы- лительных системах / А. Д. Гришкевич // Информационные технологии в управлении сложными систе- мами – 2013 [Электронный ресурс] научная конференция (19 – 20 июня 2013 г.) : сборник докладов / Под редакцией академика НАН Украины В. В. Пилипенко. – Днепропетровск : Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украи- ны, 2013. – Режим доступа к сборнику http://www.itm.dp.ua/ 19. Гришкевич А. Д. Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием / А. Д. Гришкевич // Техническая механика. – 2013. – № 2. – С. 3 – 13. 20. Бурмакинский И. Ю. Расчет профиля выработки катода для магнетронных систем ионного распыления / И. Ю. Бурмакинский // ЖТФ. – 2003. –Т. 73, В.9. – С. 46 – 50. Институт технической механики Получено 04.10.13, НАН Украины и ГКА Украины, в окончательном варианте 25.10.13 Днепропетровск