Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
ЛАЗЕРНО
-
ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ НОВЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МОРОЗОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА
ХЛАДОСТОЙКИХ СТАЛЯХ И СПЛАВАХ
Багаев
С.Н.
1
, Грачёв
Г.Н.
1
,
Пинаев
П.А.
1
,
Смирнов
А.Л.
1
,
Стаценко
П.А.
1
,
Хомяков
М.Н.
1
, Борисов
В.О.
2
, Демин
В.Н.
2
, Смирнова
Т.П.
2
.
1
Инстит
ут лазерной физики
СО РАН
(ИЛФ СО РАН)
, Новосибирск, Россия
2
Институт неорганической химии
им.
А.В.
Никола
ева СО РАН
(ИНХ СО РАН)
,
Новосибирск, Россия
[email protected]
Введение
Р
абота
направлен
а
на решение проблемы увеличения ресурса технических ср
едств и
сооружений
,
эксплуатируемых
в экстремальных условиях Арктики путём упрочнения
поверхностных слоёв металлов и сплавов, так как именно они определяют усталостную
прочность и износостойкость деталей отвеча
ю
щих за ресурс техники и
металлоконструкций.
В
настоящее время в машиностроении и производстве
инструмента отчетливо наблюдается ускоренное развитие методов и широкое
внедрение технологий поверхностной обработки, связанных с термическим
воздействием на поверхностный слой или получением защитных и удар
опрочных
покрытий. В этом направлении в Институте лазерной физики СО
РАН (совместно с
ИНХ СО
РАН) в последние годы разработаны основы новых высокопроизводительных
лазерно
-
плазменных
(ЛП)
методов
упрочнения
поверхности металлов и синтеза
защитных (износо
-
и
коррозионно
-
устойчивых) или функциональных (сверхтвердых,
ударопрочных, эмитирующих) покрытий на металлах [
1,
2, 3
].
Лазерно
-
плазменные методы основаны на применении плазмы оптического
пульсирующего разряда (ОПР), который зажигается повторяющимися с вы
сокой
частотой следования (десятки кГц) лазерными импульсами в фокусе луча СО
2
лазера в
скоростных потоках газов с примесями реагирующих компонентов или на
обрабатываемой
поверхности.
Экспериментальными и теоретическими методами определено (детальнее,
со
ссылками в [
1
]), что плазма ОПР для плазмохимических применений обладает
уникальным сочетанием свойств, недоступным для существующих способов (СВЧ,
тлеющий, дуговой и непрерывный оптический разряды, пиролиз, горение):
-
рекордной (для плазмохимических
методов) удельной мощностью энерговыделения
в объеме г
а
зовой фазы до 5
ГВт/см
3
;
-
возможностью получения локально равновесной (время обмена ~ 10
нс) плазмы при
давлении 1 и более атм.;
-
высокой температурой (до 20
-
30
к˚К) и концентрацией (10
18
–
10
19
см
-
3
) частиц;
-
высоким уровнем УФ радиационного обмена, благоприятного для диссоциации,
ионизации, возбуждения частиц, а также активации осаждаемых нанокластеров и
поверхности подложки, что приводит к интенсификации синтеза покрытия;
-
быстрым (за м
икросекунды) охлаждением плазмы ОПР, что обеспечивает
контролируемое гомогенное зародышеобразование без загрязнений, уменьшение
размера образующихся частиц, подавление их роста за счет коалесценции, получение
не только наночастиц, но и нанокластеров.
На
ряду с физико
-
химическими преимуществами ЛП
методов
отметим общие
преимущества для разработки промышленных нанотехнологий, которые состоят в
следующем:
-
п
роцесс может проводиться при давлениях Р>1
атм. что позволяет во многих случаях
исключить из технол
огий дорогостоящие вакуумные системы, отказаться от рабочей
камеры и проводить нанесение
покрытий
на крупногабаритные изделия сложной
конфигурации автоматизированными манип
уляторами по заданной программе;
-
э
ффективный обмен энергией между лазерной плазм
ой и металлом обеспеч
и
вает 7
-
10 кратное увеличение производительности ЛП
технологий
по сравнению с
традиционной лазерной закалкой и 3
-
4 кратное для технологий наплавки, легир
о
вания
;
-
в
ысокие рабочие давления обеспечивают осаждение нанокомпозитных покрыт
ий со
скоростями синтеза на 2
-
3 порядка большими, чем в известных
PCVD
методах;
-
м
етод позволяет использовать широкий спектр исходных компонентов (газы,
аэрозоли, пары) и выбирать из них наиболее подходящие для про
мышленной
реализации технологии;
-
ш
и
рокие диапазоны управления характеристиками импульсно
-
периодического
излучения, скоростью потока (
5
0
–
500
м/с), сортом и составом буферного или рабочего
газа (Ar, He, Ne, Н
2
, N
2
, O
2
, воздух, СО, СО
2
и др.) обеспечивают возможности
широкого поиска и оптимиза
ции по эффективнос
ти варианта технологии;
-
н
аконец, возможность проведения направленного синтеза наноматериалов с
использованием исходных компонентов в виде стехиометрической смеси аэрозолей (в
т.ч. тугоплавких), что значительно упрощает (и удешевляет)
задачу подбора исходных
реагентов.
Важно, что
ЛП технологии
обеспечивают
малое время воздействия на поверхность
металла не приводящее к изменению фазовой структуры основного объёма и
увеличению хладноломкости деталей
.
Наиболее перспективно внедрение
лазерно
-
плазменных технологий обработки
хладостойких сортовых конструкционных сталей для машин строительной, дорожной и
горнодобывающей техники, работающей
в экстремальных условиях Арктики
,
а также в
производстве
металлоконструкций для нефте/газодобывающи
х платформ и
транспортных сооружений
подверженных абразивному износу и коррозии
.
Описание лазерно
-
плазменной технологической установки.
Основой лазерно
-
плазменной установки, определяющей её технологические
возможности, является импульсно
-
периодическая С
О
2
-
лазерная система генератор
-
усилитель (СГУ) средней мощностью до 2
кВт и импульсной сотни кВт (рис.
1, слева
на заднем плане) с возможностью управления частотой следования (до 120
кГц) и
длительностью лазерных импульсов [
4
]. Оригинальная оптическая схема
СГУ
позволяет формировать луч с плоским фронтом, плавным распределением
интенсивности и качеством близким к дифракционному пределу, а также устранить
эффекты самовозбуждения системы «лазер
-
металл вблизи фокуса», которые приводят
к искажению формы импуль
са (снижению импульсной мощности), а также
распределения интенсивности и в результате к нестабильности лазерно
-
плазменной
обработки.
На рисунке 1 показан общий вид установки, процесс
ЛП
синтеза нанокомпозитных
покрытий из карбонитрида кремния на нержаве
ющей стали (на врезке справа) и схема
обработки листовых или слабоизогнутых материалов.
Лазерный луч, поворотными зеркалами расположенными на перемещающихся
портале и каретке программно
-
управляемого 2
-
х координатного стола (рис.
1, справа),
направляется
на линзу лазерно
-
плазменной обрабатывающей головки и фокусируется
на поверхности металла (рис.
5) для
упрочнения,
или на оси газового потока с
примесями реагирующих компонентов (рис.
1
4а
) для синтеза покрытий. Такое
техническое решение позволяет проводить
лазерно
-
плазменную
обработку
непосредственно в атмосфере и только необходимых/заданных областей.
схема обработки материалов
Рис.
1. Лазерно
-
плазменная технологическая установка.
Установка включает «Систему измерения характеристик излучения СГУ и
контроля
процесса лазерно
-
плазменной обработки», которая д
ает возможность регистрировать:
-
частоту следования
и форму
лазерных импульсов (рис.
2а);
-
распределение интенсивности излучения СГУ в ближней и дальней зонах (рис.
2б);
-
излучение и стабильн
ость поддержания лазерной плазмы (рис.
3);
-
форму рассеянного мишенью лазерного импульса, прошедшего через плазму (рис.
3).
Набор осциллограмм (рис.
3) получаемый при проведении ЛП обработки позволяет
определить, когда и при какой мощности излучения
наступает превышение
интенсивности над порогом зажигания и возникает лазерная плазма, а также динамику
и эффективность поглощения лазерного излучения образующейся плазмой.
а
б
Рис.
2. Характеристики излучения СГУ а) форма лазерных импульсов и б)
распределение интенсивности луча СГУ.
Двухканальная
система подготовки и дозирования реагирующих компонентов
(р
ис.
4)
дополнительно к плазмообразующему газу (аргон, азот, кислород…) обеспечивает
подачу двух исходных веществ (например, паров гексаметилд
исилазана и ацетонитрила
при ЛП синтезе покрытий из карбонитрида кремния) с возможностью регулировки и
контроля потока газа
-
носителя с записью режимов расхода на персональный
компьютер.
Таким образом, лазерно
-
плазменная технологическая установка обеспеч
ивает
широкие диапазоны условий ЛП обработки по интенсивности луча (до 2
-
3
ГВт/см
2
),
скорости потока (до 500
м/с) и давлению газа в плазмохимической камере (до 5
атм.) с
возможностью работы в
трех
вариантах
-
для модификации поверхности металлов с
приповер
хностной плазмой (1), для лазерно
-
плазменной наплавки (2) и
для синтеза
наноструктурированных материалов и покрытий в скоростных потоках газа
(3).
Измерительно
-
регистрирующий комплекс обеспечивает контроль и регистрацию
параметров установки и лазерно
-
плазм
енных технологий.
Рис.
3. Осциллограммы лазерного
импульса, свечения плазмы
и
отраженного
от металла лазерного импульса.
Рис.
4. Двухканальная система подачи
реагентов плазмохимического синтеза.
Лазерно
-
плазменный метод модификации поверхности металл
ов
В методе лазерно
-
плазменной модификации
(ЛПМ)
поверхности металлов (детально
в [
2
]) повторяющиеся с высокой частотой следования лазерные импульсы
сфокусированные на перемещающейся поверхности металла зажигают плазму ОПР
(рис.
5) в потоке рабочего/лег
ирующего газа (например: азота при нитридизации). В
зависимости от частоты следования лазерных импульсов, размера пятна облучения и
относительной скорости перемещения луча и детали цикл обработки может включать
десятки/сотни воздействий лазерной плазмы на
поверхность. Как правило,
длительность цикла обработки в условиях интенсивного воздействия луча и лазерной
плазмы (десятки МВт/см
2
) ограничена расплавлением/разрушением поверхностного
слоя превышающем допуски на шероховатость обработанной поверхности.
Вмес
те с
тем, для достижения большей равномерности и улучшения технологических
характеристик изделия (например:
твёрдости и глубины зоны лазерно
-
плазменной
модификации
) циклы обработки могут повторяться путем сканирования луча
перпендикулярно направлению обраб
отки с частотой 50
-
300
Гц и амплитудой
3
-
10
мм
.
Рис.
5. Схема лазерно
-
плазменной
обработки металла с фотографией
приповерхностной плазмы.
Рис.
6. Лазерно
-
плазменная обработка
металла со сканированием на
координатном столе.
Для реализации этой возм
ожности был разработан и изготовлен сканатор.
Применение в конструкции сканатора двухзеркальной схемы, симметризованной по
кинематике перемещения зеркальных узлов, обеспечило приемлемые габариты
устройства и уровень возникающих при его работе вибраций, и т
ем самым, позволило
установить его на подвижной каретке стандартного координатного стола для лазерной
обработки
.
Лазерно
-
плазменная обработка металла со сканированием на координатном
столе приведена на
рис.
6
.
Отметим, что периодическое (20
-
100
кГц) дей
ствие лазерной плазмы на поверхность
металла в легирующей атмосфере одновременно формирует:
-
высокотвердое наноструктурированное покрытие из соединений металла с
легирующими элементами (нитриды, карбиды,...);
-
волну диффузии, образование легированног
о слоя или твердого раствора (например
-
твёрдый раствор азота в титане
);
-
тепловую волну и структурно
-
фазовые (например
-
мартенситные) превращения;
-
гиперинтенсивный (амплитуда до 10
-
15
МПа) ультразвук способствующий
уплотнению микроструктуры в гор
ячей зоне.
В ходе выполнения работы п
роведена ЛП обработка образцов из сталей 40Х, 60С2,
65Г и 30ХГСА (
минимальная рабочая температура
-
50°С
[
5
]
)
, а также стали 10Г2С
1
(применяется
для изготовления различных деталей и элементов сварных конструкций,
рабо
тающи
х
при температуре
до
-
70°С
[
6
]
)
с применением сканирования фокуса
лазерного излучения.
Режимы лазерно
-
плазменного воздействия были выбраны на
основании данных предшествовавших
исслед
о
ваний [
7
, 8
]
.
Для исследования
микроструктуры и твёрдости по глубине
зоны лазерно
-
плазменного воздействия
готовили микрошл
и
фы образцов стали под углом 12
0
к плоскости обработанной
поверхн
о
сти. Твёрдость измеряли на сканирующем нанотвердомере НаноСкан
-
3
D
.
Микротвердость поверхностного слоя этих сталей после лазерно
-
плазм
енной
обработки приведена на
рисунке
7.
Для исследованных образцов
микротвердость
упрочненного слоя достигает величин 10
-
14
ГПа
(в 2
-
4 раза тверже основы)
, толщина
слоя
-
0,3
-
1
мм. Исследованы зависимости твёрдости и глубины упрочненного слоя от
параметров
лазерно
-
плазменной обработки: давления и сорта рабочего газа (азот,
воздух), частоты сканирования, степени фокусировки излучения на образце, скорости
перемещения образцов относительно лазерного луча, способа охлаждени
я образцов в
процессе обработки
-
обра
зцы охлаждали снизу, со стороны противоположной
обрабатываемой, водой или воздухом
.
Т
вёрдост
ь
и глубин
а
зоны лазерно
-
плазменного
воздействия
при
различных значени
ях
удельной (на 1
кВт мощности лазера)
производительности ЛП обработки
п
оказан
ы
на рисунке 8
.
Рис.
7. Микротвердость поверхностного слоя сталей после лазерно
-
плазменной
обработки
(НаноСкан
-
3D).
а
б
в
г
Рис.
8. Твёрдость и глубина зоны лазерно
-
плазменного воздействия в зависимости от
удельной (на 1
кВт мощности лазера) производительн
ости ЛП обработки
(НаноСкан
-
3D)
а) сталь 40Х б) сталь 65Г в) сталь 30ХГСА г) сталь 10Г2С1
На
рисунке
9
приведены фотографии микроструктур, полученных в зоне лазе
р
но
-
плазменного воздействия
феррито
-
перлитной
стали 40Х.
В зоне лазерного влияния
образцов, изготовленных из материала в состоянии поставки, при нагреве до
температур ниж
е
первой
критической точки
Ас
1
, фазовых пр
е
вращений не происходит
(
рис.
9а
). В зоне, в которой при нагреве происходит неполное фазовое превраще
ние,
образование мартенсита начинается по границам перлитных к
о
лоний
(
рис.
9б
).
Следует отметить особенности строения мартенсита, полученного при неравн
о
весных
условиях фазовых превращений. При наблюдении в микроскоп эти мартенситные
участки, граничащие
с ферритом, напом
и
нают строение пластинчатого эвтектоида (см.
фото на
рис.
9в
). Иде
н
тификация фаз произведена методом измерения микротвёрдости.
Аналогичное строение участков мартенсита, образовавшегося при и
м
пульсном
лазерном воздействии, отмечалось в раб
оте [
9
] при исслед
о
вании фазовых
превращений в инструментальной заэвтектоидной стали. Очевидно, что наблюдаемый
микрорельеф связан с неполным растворением пластин цементита при фазовом
превращении перлита в ауст
е
нит в условиях скоростного нагрева.
а
б
в
г
Рис.
9. Микроструктура характерных участков зоны лазерного влияния в стали 40Х.
Наиболее высокая температура, вызывающая плавление и исп
а
рение материала, при
лазерной обработке возникает на поверхности обрабатываемых изделий.
При
последующем
охлаждении за счёт интенсивного теплоотвода в холодную сердцевину
металла в зоне пла
в
ления происходит закалка из жидкого состояния
(
ЗЖС
)
и
образование мартенсита с микротвёрдостью 11,0
–
13,0
ГПа. К участкам зоны ЗЖС
прилегает зона мартенсита, с твёрдостью
6,0
–
7,0
ГПа, полученного з
а
калкой при
охлаждении из твёрдого аустенитного состояния
–
ЗТС (
рис.
9г
).
Применение метода ЛП модификации для обработки
технически чисто
го
титан
а
ВТ1
-
0 и (α+β)
-
титаново
го
сплав
а
ВТ6
приводит к
образованию
азотированн
ого
сл
о
я
с
микро
тверд
остью 18
-
20
ГПа (в 7
-
10 раз тверже основы
), толщиной 50
-
100
мкм.
Лазерно
-
плазменн
ый метод наплавки порошков
Нанесение порошковых покрытий с разнообразными свойствами, такими как
твердость, износостойкость, защита от коррозии, устойчивость
к агрессивным средам
оказывается востребованным в различных направлениях техники и производства.
Зачастую такие покрытия способствуют заметному повышению или восстановлению
рабочего ресурса отдельных узлов и элементов конструкций. Широкий круг методов
нап
лавки охватывает огромный спектр задач.
Свойства и качество требуемого покрытия определяются способом нагрева исходного
легирующего вещества. Повышение вкладываемой энергии, открывает новые
горизонты использования керамических тугоплавких соединений (ок
сиды, бориды,
нитриды, карбиды), как правило, с уникальным набором свойств. Таких как: высокая
твёрдость, близкая к алмазу (WC,
VN
,
BN
, Al
2
O
3
), износоустойчивость (Al
2
O
3
,
TiN
,
TiC
,
TiB
2
), защита от коррозии (
NbC
), диэлектрические и п/п свойства (
SiC
,
B
4
C
),
жаростойкость (
BN
,
TiB
2
), также эти соединения находят применение в электронной и
ядерной промышленности (
ZrC
,
HfC
,
CaB
6
,
BaB
6
). Температура плавления их лежит в
диапазоне от 2000 до 3500
0
С. Нагрев тугоплавких соединений целесообразно
проводить высокоэне
ргетичными источниками, например плазмой.
Наряду с широко применяемыми в мире плазменными методами наплавки, нами
разрабатывается новый
лазерно
-
плазменный
метод наплавки. В основе метода лежит
получение на поверхности материала пульсирующей лазерной пла
змы.
Сфокусированное на поверхности подложки импульсно
-
периодическое лазерное
излучение зажигает оптический пульсирующий разряд (ОПР) при атмосферном
давлении или выше. В зависимости от вида плазмообразующего газа плазма имеет
температуру 10
–
30
к
º
К. В обла
сть нахождения приповерхностной плазмы подается
присадочный порошок. При этом происходит одновременный нагрев поверхности
подложки и порошка. Высокая скорость нагрева и охлаждения плазмы ОПР (10
6
0
С/с)
приводит к образованию закалочных структур в основе ма
териала, что также
способствует повышению эксплуатационных свойств.
Схема экспериментального
стенда по лазерно
-
плазменной наплавке представлена на рисунке
10а.
а
б
Рис.
10 Схема (а) экспериментального стенда по лазерно
-
плазменной наплавке и
внешний в
ид (б) наплавленных дорожек, где
2а
–
NiCrBSi
с оплавлением
поверхности,
2б
–
NiCrBSi
без оплавления поверхности
Подача порошка осуществляется через вибрационный дозатор с регулировкой
массового расхода от 0
–
8
кг/ч. Осевой и транспортирующий поток
Q
1
и
Q
2
регулируется датчиками расхода
PFM
711 (2
-
100
норм.
л/мин). Осевой газ используется
для защиты поверхности линзы от паров и случайного попадания расплавленных
частиц. На выходе из коаксиального сопла формируется направленный поток частиц с
углом схождени
я конуса 40º, расстояние до образца 5
-
8
мм
.
Впервые опробована методика лазерно
-
плазменного нанесения самофлюсующихся
NiCrBSi порошков на поверхности сталей 40ХНМА
и 65Г (эксплуатируется до
–
50
º
С
[5]
).
Внешний вид покрытия представлен на рисунке 1
0б
.
Для создания новых композиционных морозостойких покрытий составляли смесь из
порошков твердой фракции TiC и относительно легкоплавкой матрицы на основе
NiCrBSi порошка. Твердость покрытия измерена на
микро
твердомере ПМТ
-
3 при
нагрузке 2
Н, и изменяется о
т величины 7
–
8
ГПа, вблизи подложки до 20
–
25
ГПа,
вблизи поверхности. Данные значения твердости характерны для NiCrBSi и TiC
порошков (рис.
1
1
).
а
б
Рис.
11. а) Микрофотография наплавленного слоя порошка NiCrBSi на стали и
б) соответствующая микротв
ердость поверхности (микротвердомер ПМТ
-
3).
Методами электронной микроскопии и энерго
–
дисперсионного анализа получено
изображение структуры и элементный состав образцов композитных покрытий
(рис
.
1
2
).
На основании измерений микротвердости, элементного
анализа,
микроструктуры, можно заключить что
,
во
-
первых, наблюдается рост микротвердости
по глубине покрытия от нижней
поверхности
к верхней (от 7 до 25
ГПа)
,
во
-
вторых, в
ванне
расплава происходит интенсивное перемешивание материала основы (Fe) с
материал
ом
порошка.
Рис.
1
2
.
Морфология поверхности
и электронно
-
дисперсионный анализ покрытия TiC+
NiCrBSi
.
Лазерно
-
плазменный метод синтеза сверхтвердых покрытий
Лазерно
-
плазменный метод
синтеза функциональ
ных (сверхтвердых, ударопрочных
)
покрытий осно
ван на применении плазмы оптического пульсирующего разряда в
сочетании со скоростным (
10
0
-
3
00
м/с) потоком газа для лазерного плазмохимического
осаждения в реакторе атмосферного давления (детальнее в
[
3
] и [
10
]).
Излучение мощной импульсно
-
периодическо
й (10
-
100
кГц) СО
2
лазерной системы
фокусируется в скоростных газовых потоках с целью достижения высокой скорости
охлаждения газовой фазы после лазерного импульса, уменьшения размеров
образующихся нанокристаллических зародышей и быстрого выноса продуктов с
интеза
на обрабатываемую поверхность (
рис.
1
3
).
В совместных исследованиях с Институтом неорганической химии
им.
А.В.Николаева СО РАН разработан лазерно
-
плазменный процесс получения
покрытий на основе
карбонитрида кремния
(
SiCN
)
в бескамерном варианте
и
з паров
гексаметилдисилазана
-
(
CH
3
)
3
SiNHSi
(
CH
3
)
3
, выбор которого в качестве исходного
вещества обусловлен тем, что в нем содержатся все необходимые компоненты для
получения карбонитрида кремния и его доступностью для использования в
масштабных технологичес
ких процессах
(рис.
1
4
)
[
11
].
Разработана и реализована
система шприцевой подачи гексаметилдисилазана в зону лазерной плазмы.
Оптимизированы параметры процесса, позволяющие осаждать покрытия со скоростью
~ 1
мкм/мин.
Рис.
1
3
.
Принципиальная с
хема экспер
иментальной установки для лазерного
плазмохимического синтеза
покрытий.
Карбонитрид кремния
–
уникальный многофункциональный материал, в котором
удачным образом сочетаются лучшие свойства карбида и нитрида кремния.
Устойчивость к высоким температурам
, агрессивным и окислительным средам,
высокая твердость, высокие диэлектрические характеристики делают карбонитрид
кремния перспективным материалом для широкого применения в ряде современных
технологий в качестве упрочняющих, радиационно и химически
-
стойки
х защитных и
оптических покрытий.
а
б
в
Рис.
14 Схема (а), фотография процесса (б) и результат (в) лазерно
-
плазменного синтеза
SiCN покрытий на нержавеющей стали при линейном перемещении плазмы.
Проведено комплексное исследование состава, струк
туры и свойств покрытий
карбонитрида кремния, синтезируемых в бескамерном варианте процесса на
поверхности пластин из нержавеющей стали
(12Х18Н10Т)
в зависимости от
параметров синтеза
-
скорости потоков газов, температуры подложки, концентрации
гексаметилд
исилазана в потоке плазмообразующего газа
-
аргона. Установлено, что
образование слоя карбонитрида кремния идет по механизму нуклеации зародышей в
газовой фазе с соударением их об подложку с образованием, при определенных
условиях, сплошного слоя н
анострук
турированного покрытия.
Исследования показали, что покрытия являются рентгеноаморфными, в которых
кремний образует химические связи с азотом (
Si
-
N
) и углеродом (
Si
-
C
). Соотношение
Si
-
C
и
Si
-
N
групп определяется условиями получения покрытия (концентрации
прекурсора в газе носителе, температурой подложки, скоростью потоков газа). Это
соотношение увеличивается с 0,4 до 1,8
c
увеличением температуры подложки. Анализ
спектров комбинационного рассеяния показал, что в получаемом материале
формируются также клас
теры углерода, в которых кроме
sp
2
C
-
Csp
2
связей
присутствуют
sp
3
C
-
Csp
3
конфигурации, концентрация которых составляет до ~30%.
а
б
Рис.
15.
Микротвердость
SiCN
покрытий на нержавеющей стали от соотношения
Si
-
C
/
Si
-
N
(а) и пример измерений (на НаноСкан
-
3D) при соотношении Si
-
C/Si
-
N равном 1,05 (б)
1
-
нержавеющая сталь (подложка), 2
–
нерж.сталь с
SiCN
покрытием (толщина
покрытия 450 нм),
3
-
результат расчета твердости с учетом толщины покрытия по
модели
Jonson
and
Hogmark
[12]. Цифры возле точек на гр
афике означают нагрузку в мН.
Микротвердость покрытий
(рис.
1
5
)
определяется их химическим составом и
увеличивается с 12
ГПа до 20
–
25
ГПа с увеличением соотношения
Si
-
C
/
Si
-
N
, а также
из
-
за наличия в материале химических
C
-
C
связей с
sp
3
гибридизацией
, что
подтверждается параллельным анализом спектров комбинационного рассеяния и
измерениями микротв
е
рдости образцов.
Исследованиями микрорельефа
SiCN
покрытий синтезированных на подложках из
нержавеющей стали определён средний размер шероховатости покры
тий
составляющий ~50 нанометров (Рис.
1
6
), что обосновывает перспективу их применений
в качестве износостойких и антифрикционных покрытий.
Рис.
1
6
. Характеристики микрорельефа
SiCN
покрытий на нержавеющей стали (
получено
на
НаноСкан
-
3
D
)
.
Заключение
Таким образом, в результате выполнения работы значительно развиты
технологические возможности лазерно
-
плазменных методов. Впервые проведены
эксперименты по получению покрытий на хладостойких сталях. Исследованы свойства
и структура полученных покрытий.
Показана перспективность применения лазерно
-
плазменных методов для упрочнения поверхностных слоев хладостойких металлов и
сплавов, что приведет к увеличению ресурса технических средств и сооружений,
эксплуатируемых в экстремальных условиях Арктики.
Раб
ота выполнена при поддержке Программы
Президиума
РАН «Поисковые
фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны
Российской Федерации».
Литература
1.
С.Н.
Багаев, Г.Н.
Грачев, А.Г.
Пономаренко, А.Л.
Смирнов, В.Н.
Демин,
А.В.
Ок
отруб, А.М.
Бакланов, А.А.
Онищук.
Наука и нанотехнологии
, изд.
СО
РАН,
Новосибирск
, 2007, 123
-
135.
2.
С.Н.
Багаев, Г.Н.
Грачев, А.Л.
Смирнов, П.Ю.
Смирнов.
Патент
RU
425 907 С2 от
28.04.2009
,
о
публикован: 10.08.2011 Бюл. № 22
3.
С.Н.
Багаев, Г.Н.
Грач
ев, В.Н.
Демин, А.Л.
Смирнов, П.Ю.
Смирнов,
Т.П.
Смирнова.
Патент
RU
2
416 673 С2
,
о
публикован: 20.04.2011 Бюл. № 11
4.
П.А.
Стаценко, Г.Н.
Грачев, А.Л.
Смирнов, А.А.
Мякушина.
Сб. докл. 22
-
й межд.
конф. «Лазеры. Измерения. Информация
–
2012»
, 2012,
2
, 1
68
–
176.
5.
Б.Н.
Арзамасов.
Матер
иаловедение: Учебник для вузов
, М.:
Изд
-
во МГТУ
им.
Н.Э.
Баумана, 2003.
6.
А.С.
Зубченко.
Марочник сталей и сплавов
,
М.:
Машиностроение, 2003.
7.
С.Н.
Багаев, Г.Н.
Грачев, В.Н.
Демин, А.Л.
Смирнов, П.Ю.
Смирнов,
Т.П.
С
мирнова, М.Н.
Хомяков.
Бюллетень ОУС ОАО «РЖД»
, 2012,
6
, 42
-
52.
8.
С.Н.
Багаев, Г.Н.
Грачев, А.Л.
Смирнов, М.Н.
Хомяков, А.О.
Токарев,
П.Ю.
Смирнов.
Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты)
, 2014,
№1 (
62
)
, 14
-
23.
9.
А.О.
Токарев. Упро
чнение деталей машин износостойкими покрытиями
Новос
и
бирск: Изд
-
во НГАВТ, 2000.
10.
S.N.
Bagayev, G.N.
Grachev,
А
.G.
Ponomarenko,
А
.L.
Smi
r
nov, V.N.
Demin,
A.V.
Okotrub,
А
.M.
Baklanov,
А
.
А
.
Onischuk.
Proc. SPIE
, 2007,
6732
-
673206.
11.
В.Н.
Демин, Т.П.
Смирнова, В.О.
Борисов, Г.Н.
Грачев, А.Л.
Смирнов,
М.Н.
Хомяков.
Физика и химия стекла
, 2015,
№2 (
41
)
.
12.
B.
Jönsson, S.
Hogmark.
Thin Solid Films
, 1984,
114
,
257
-
269.
Приложенные файлы
