Способ нанесения покрытий на подложку

 

Изобретение относится к нанесению покрытий с помощью мощных источников направленной энергии, в частности путем наплавки импульсным пучком релятивистских электронов, и может быть использовано в машиностроении для придания обрабатываемой поверхности твердости, износостойкости и других заданных свойств Цель изобретения - повышения качества покрытий путем пред - отвращения перегрева подложки и увеличения скорости закалки при высоком давлении Процесс осуществляется при воздействии импульсного сильноточного релятивистского электронного пучка на слой наносимого материала , находящегося на некотором расстоянии от подложки Расплавленный слой наносимого материала наплавляется на подложку , а импульсный релятивистский электронный пучок подвергается деструкции Плотность мощности пучка выбирают из диапазона 5 -10to- 5 1012 Вт/м2 Ззпф-лы (Л С

".ООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 23 К 15/00/ /С 23 С 14/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

-« (46) 15.06.92.6юл. N 22 (21) 4730389/27 (22) 14.08.89 (72) В.И.Шеремет, В.T.Óâàðîâ, Ю.В.Ткач и

А.В.Пащенко (53) 621.791,72(088.8) (56) Скринский А.Н. и др. Высокопроизводительные наплавка и оплавление порошковых покрытий пучком релятивистских электронов. — ДАН, 1985, т.283, йг 4, с.865-869.

Вавра И.-и др, Обработка импульсным электронным пучком повврхности тонких . пленок ЙЬзбе на ленте из нержавеющей стали, Дубна: ОИЯИ, 1988, с,32 — 36. (54) СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА

ПОДЛОЖКУ (57) Изобретение относится к нанесению покрытий с помощью мощных источников направленной энергии, в частности путем

Изобретение относится к нанесению покрытий с помощью мощных источников направленной энергии, в частности путем наплавки импульсным пучком РЭП, и может быть использовано в машиностроении для придания обрабатываемой поверхности твердости, износостойкости и других полезных свойств.

Цель изобретения — повышение качества покрытий путем предотвращения перегрева подложки и увеличения скорости закалки при высоком давлении. Способ включает облучение слоя наносимого материала импульсным сильноточным релятивистским пучком с его расплавлением и последующей наплавкой на подложку.

ÄÄ5UÄÄ 1630154 А1 наплавки импульсным пучком релятивистских электронов, и может быть использовано в машиностроении для придания обрабатываемой поверхности твердости, износостойкости и других заданных свойств, Цель изобретения— повышения качества покрытий путем предотвращения перегрева подложки и увеличения скорости закалки при высоком лавлении, Процесс осуществляется при воздействии импульсного сильноточного релятивистского электронного пучка на слой наносимого материала, находящегося на некотором расстоянии от подложки. Расплавленный слой наносимого материала наплавляется на подложку, а импульсный релятивистский электронныйый пучок подвергается деструкции.

Плотность мощности пУ2чка выбирают из диапазона 5 10 — 5 10 Вт/м . 3 з.п.ф-лы, При этом облучают слой, отделенный от подложки. а электронный пучок в промежутке между слоем и подложкой подвергают деструкции. Плотность мощности электро : ного пучка, облучающего слой. выбиоают из соотношений 5.10 < q < 5 10 Вт/м

Слой из наносимого материала оЬлучают на расстоянии от подложки не меньшем, чем протяженность зоны деструкции, но не большем расстояния каплеобр зевания расплавленного слоя наносимого материала. Для транспортировки электронного пуч- ка может быть использовано магнитное поле. При этом деструкцию пучка производят, ослабляя магнитное поле между слоем и подложкой. Для ослабления магнитного

1б30154 расплавления слоя заданной толщины. Изменяя степень деструкции пучка, регулируют соотношение между температурами слоя и подложки, что расширяет технологические возможности способа.

Расплавление слоя осуществляют электронным пучком с плотностью мощности q> 5 10 Втl м . Плотности мощности, 1О меньшей 5 10 Втlм2, недостаточно для

10 интенсивного испарения слоя с поверхности, обращенной к пучку,и для приведения. его в ускоренное движенйе по направлению к подложке, При повышении плотности мощности до р > 5 10 Втlм наступает а неприемлемый режим абляции, при котором пучок испаряет слой беэ его существенного расплавления. Расплавление наносимого слоя электронным пучком осуществляют при удалении слоя иа некоторое расстояние от подложки. Интенсивное истечение вещества приводит слой в ускоренное движение. Летящий к подложке слой в начальной стадии полета продолжает Облучаться электронами пучка, заряжаясь отрицательно. 8 жидком слое, находящемся под воздействием сил поверхностного натяжения, развивается гидродинамическая неустойчивость типа неустойчивости

Релей-Тейлера. При возникновении небольших возмущений поверхности силы электростатического расталкивания увеличивают эти возмущения вплоть до разрыва жидкого слоя на капли. При этом сплошность осаждаемого покрытия нарушается, Время (С) возникновения Релей-Тейлеровской гидродинамической неустойчивости порядка 6T

O D — — — - инкремент не-щ7 да р устойчивости;

o — эффективный коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, 0 — характерный поперечный размер летящего слоя,м;

О толщина слоя. м;

p — плотность вещества слоя. кгlм, Это время определяет максимальное расстояние от подложки, на котором может находиться слой. Закон реактианогодвиже. ния слоя под воздействием облучения электронным пучком, полученный из решения соответствующего дифференциального уравнения в результате теоретического анализа процесса, имеет аид:

5 Z= — — t -In iki} d V:, Ю р т =с . 1, где р — плотность мощности пучка. Вт/и;

2, L — удельная энергия испарения, Дж/кг;

ПОЛЯ МЕЖДУ CЛ0< .М M ПОДЛОЖКОЙ МОЖНО ИС" пол ьзоялть экран из ферромагнитного материала, Б способР испзрившзяся часть слОЯ

:: е попадает HB подложку, но другая расплавленная его часть приводится в реактив- 5 иге ускоренное движение в направлении подложки, В процессе полета слой подзаряжается пучком и получает дополнительное ускоря 1ИР зз счет элсктростатического при тяжеиия к заземленной подложке. Расплав- 10 ленный лучком слой с большой скоростью налетает нз практически холодную поверхность подложки и частично расплавляет ее, Ь!зтеризл слоя смешивается и вступает в хими соску о реакцию с материалом подлож- 15 ки л спе ифических условиях, При закалке из ж лкого сосгояиия результат структурных и фазовых превращений определяется во " è!ië 0LLI;i i давлением в рзсплавах в про,и ссе их Охлз>кдеиия, которое при скорости 20 иллетз)oгце жидкости 100 м/с достигает значений 10 — 3 10 Пэ. Скорость, приобл . 9 регзомзя слоем, в данном техническом решен м под воздействием электронного пучка, может достигать десятков км/с. При 25 этом измеия отся температуры фазовых переходов и рзсширя отся диапазоны концен-.ðçöèй -!; диаграмма>. состояния и т,д. Все зти изменения используют для формирования покры.гий с необходимыми свойствами, 30 например, для повышения твердости, износостойкос.и или для зморфизации, Б качестве наносимых слоев использу" ют 00 етаиия фольг. и различных материалов, -l также порошковые композиции на 35 тонких фольгах, Для активации в слое химических реакций, структурн ых и фазовых преврзгцаиий энергия пучка должна быть эффективно введена в наносимый слой, Электронный пучок подвергают деструкции 40 для предотврзц<еиия его попадания на пОверхиость подложки. Существенное ослабление электронного пучка происходит в процессе его прохождения через слой. Дополнительная деструкция остаточного пуч- 4 кз может быть Осуществлена различными способами. Например, при использовании электронных пуФхов с магнитной транспортировкой использовано локальное изменение магнит .nro поля, приводящее к 5 рассеиванию пучка. В - астиости, необходимое изменение магнитного поля в способе осуществляется зкранированием проме- жутка слой — подложка ферромагнитным материалом. Применение деструкции элек- 5 тронного пучка в промежуткР слой под ложка приводит к тому, что длительность импульса и :нергия электронов пучка не яв-. ляются больше критическими, Они выбира отся из соображений обеспечения полного

1630154 го через слой пучка, определяется формулой: где  — магнитное поле транспортира: ки, Тл; д — степень деструкции пучка;

0 — поперечный размер нанос; "loro слоя, м;

0О - диаметр пучка, м.

В пределах укаэанного выше интервала находят оптимальное расстояние, обеспечивающее Образование покрытия с требуемыми свойствами. В результате удаления наносимого слоя от подложки и деструкции остаточного пучка появляется воэможность совместить высокотемпературный химический синтез при больших давлениях со сверхбыстрым охлаждением. Это позволяет получать и фиксировать в покрытиях метастабильные фазы и структурь<.

Способ апробировался при нанесении покрытия из алюминия на подложку, изготовленную иэ меди марки М1, Слой, подлежащий расплавлению с испарением, представлял собой алюминиевую фольгу толщиной 100 мкм, Этот слой облучали эпектрОнным пучкол1 с магнитной транспортировкой и параметрами: ток пучка I -= 3 кА; ускоря<ощее напряжение 0 =- 350 кэВ; длительность пучка t =- 2,5 мкс. Расстояние Z между слоем и подложкой выбирали в соответствии с соотношением 7п < Z < Ъ,, где Уп- протяженность эоны деструкции; Zj(— расстояние, на котором происходит каплеобраэование. Zl< определяли иэ формулы:

Ц ОЭ к (° г1 0

В условиях опыта d =- 100 MKM, Lvr< = l0,88 х х 10" Дж/кг: V = 1600 м/с; г1 = 0,91 Н/м: 0=

= 0.01 м; q = 5 10 — 5 1О г Вт/мг. Поэтому, например, дпя q =- 5 10 Вт/м расстояние

10 2

Zl, равно 1,6 мм, а для ц =- 5 10 Бт/м Zg =

lZ

=160 мм. Промежуток между слоем и подложкой экранировапи от тра«спортирующеГО- магнитного пол я цил индpoM иэ ферромагнитного материала (армко-железо) толщиной 20 мл<. Протяженность зоны деструкции пучка определяли согласно формуле 2п = 10 — (- — ) . Магнитное погЛ

01о ле транспортировки В составляло в ": ытах 0,8

Тл. Для сравнения покрытий, полученных облучением пучками с различной плотностью мощности (от 5. 10 Вт/м до 5 10

10 2 . !г

Вт/м ) степень деструкции пучка изменяли соответственно от д -- 2 до д = 200 дпя того, чтобы плотность мощности оспабпен«ого деструктором пучка оставалась бы постояне8 2 йС у О"

40 где Й вЂ” электронная циклотронная частота, рад/с;

О1 — электронная плазменная частота в промежутке слой — подложка, рад/с; уо — релятивистский фактор;

 — магнитное поле, Тл;

m — масса электрона, кг; е — заряд электрона, Кл;

С вЂ” скорость света, м/с. 50

При выполнении этого условия деструкции нарушается транспортировка пучка и он рас еивается под действием цен тробежны х.и зле тростатических сил в радиальном направлении. Анализ процесса распространения пучка в промежутке слой — подложка показывает, что минимальная протяженность зоны деструкции вдоль оси пучка, необходимая для достаточного ослабления прошедшеЧ вЂ” скорость истечения вещества с облучаемой поверхности, м/с;

1 — время, с.

При т«1 эта формула приобретает вид

D d V 2 5

q г

Расстояние 2, при котором наступает кяппеобоазование, получают подстановкой

«7 в эту формулу

10 о,<13,+

Е =2 - =-1. Q D где q — плотность мощности пучка, Вт/м; г.

d — толщина слоя из наносимого материала,м; 15

0 — поперечный размер наносимого

СЛОЯ. м;

V — скорость истечения вещества с облучаемой поверхности слоя,м/с;

L — удельная энергия испарения, Дж/кг; о — коэффициент поверхностного натяжения расплавленного слоя, Н/м.

Достаточно наличия развитой гидродинамической неустойчивости, чтобы заряженная жидкость раздробилась на капли в силу того, что последний процесс протекает значительно быстрее первого. Минимальное расстояние слоя от подложки Z„ onpeреп е сп протяженностью зоны деструкции, то есть области, в которой электронный пучок рассеивается, снижая свою интенсивность до приемлемой величины. В случае транспортировки электронного пучка магнитным полем деструкцию пучка осуществляют ослабленЪем магнитного поля в промежутке между споем и подложкой до величины, определяемой из условия:

1630154

В 1 иой, При д-2-200и — = — протяженность

0р 6 эоны деструкции 7л составляет - 0,7...7 мм соответственно.

Выли проведены испытания при 7д-7 мм и различных плотностях мощности пучка, облучающего слой, которые показали, что при q =- 5 10 Вт/м покрытие отсутствова1О ло, Это связано с тем „что плотность мощности пучка была недостаточной для того, ггобы ускорить расплавленную фольгу. При повышении q до значения 6 10 Бт/м образовывалось

10 сплошное покрытие с удовлетворительным ка1еством. Up»q=-4 10 Вт/м получено покры11 2 тие с высоким качеством поверхности, хорошим сцеплением и толщиной 30-35 мкм, Твердость покрытия составляла Hp =570050

7200 МПа, При q -- 3 1012 Вт!м покрытие

Обладало такими же хорошими сцеплением с подложкой и твердостью, однако толщина em составляла 20-75 мкм, то есть разброс по толщине увеличился.

При дальнейшем повышении плотности мощности до q - 5 10 Вт/м поверх12 2 ность становилась неровной, толщина покрытия колебалась от 0 до 150 мкм, на поверхности наблюдались кратеры. Таким образом, приемлемое качество покрытий получается, когда о находится в диапа оие 5 101"< q< 5 . 1012 Втlм2

При q = 4 10 Втlм были проведены испы11 2 тания по определению оптимального расстояния Z слоя от подложки. Вначале алюминиевую фольгу толщиной 100 мкм расположилл непосредственно на подложке, После облучения электронным пучком с параметрами, указанными выше, получали оплавленную неровную поверхность медной подложки со следами алюминия на поверхности. При удалении фольги от подложки на расстояние 2 мм получали сплошное покрытие с микротвердостью Н p - 4260-3710

МПа. Начинал с расстояния 6 мм наблюдалось сплошное равномерное двухфазное покрытие с микротвердостью Н,и50

5700-7200 МПа. При увеличении расстояния

Z от 10 до 65 мм поверхность покрытия становилась все более неровной, а при Z > 65 мм наблюдались брызги на подложке, то есть покрытие теряло сплошиость. Таким образом,расстояния Е, прикоторыхобразуются сплошные покрытия с высокой микротвердостью, входят в интервал допустимых значений 7д < Z< Z1. Наиболее качественные покрытия наблюдались прй Z - б мм, Они имели равномерную толщину, гладкую поверхность и высокую микротвердость. Во всех опытах по определению Оптимального расстояния зона деструкции пучка полно1. Способ нанесения покрытий иа под35 ложку, при котором осуществлгиот наплавку наносимого матерлала иа подложку импульсным сильноточиым релятивистским электронным пучком. отличающийся тем, что. с целью повышения качества покрытий

40 путем предотвращения перегрева подложки и увеличения скорости закалки при высоком давлении. слол наносимого материала устанавливают с зазором относительно подложки. а электронный пучок в зазоре между

45 Слоем наносимого материала и подложкой подвергают деструкции, при этом плотность мОщнОсти ц электронного Г1учка выбирают из соотношения 5 10 О < q<

1О 12 2, Способ по п.1, о т л и ч " ю шийся

50 тем, что величину зазора между слоем наносимого материала и подложкой выбирают больше протяженности зоны деструкции, но меньше расстояния каплеобраэоваиия расплавленного слоя наносимого материала.

55 3. (;пособ по пп,1 и 2. о т л и ч а ю щ и йс я теМ, что деструкцию электронного пучка осуществляют ослаблением м-.:гилтиого поля в зазоре между слоем иаиосимог;..;атериаЛа и ПОдЛожкОй.

30 стью перекрывала расстояние между фольгой и подложкой. При облучении пучком фольги без дополнительной деструкции остаточного пучка микротвердость покрытия уменьшалась.

Так при расстоянии = 5 мм микротвердость

Н р составляла 5700-7220 МПа с деструк" цией и 3500-4100 МПа беэ деструкции остаточного электронного пучка. Эксперименты показали, что для получения качественных покрытий остаточный пучок необходимо подвергать деструкции, Если расстояние между слоем и подложкой превышает Zp, то даже при осуществлении деструкции Остаточного пучка нарушается сплошиость покрытий иэза каплеобразоваиия в результате развития гидродинамической неустойчивости расплавленного слоя.

Как показали результаты рентгеиоструктурного анализа, покрытие, образовавшееся на подложке в результате взаимодействия слоя расплавленного алюминия с медной подложкол, состоит иэ двух алюминидов СювЧ1 и At2Cu с измененными параметрами решетки. Их микротвердость составляет соответственно 4700 и 5490 МПа.

Таким образом, твердость фаэ, из которых состоит полученное по данному способу покрытие, превышает твердосгь полученных известными способами фаэ на 21 и 32 р и сравнима с твердость1о закаленной стали, Формула изобретения

1630154

Составитель Г. Квартальнова

Техред М. Моргентал Корректор А. Обручар

Редактор Т. Куркова

Заказ 2810 Тираж 286 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по "изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

4. Способ по п,3, отличающийся тем. что, с целью ослабления магнитного поля в зазоре, между слоем наносимого материала и подложкой испольэуют экран иэ ферромагнитного материа- ла.