Способ получения покрытий на основе системы ti-al, синтезированных в среде реакционных газов

Изобретение относится к получению износостойких покрытий и может быть использовано для повышения надежности и срока службы широкого ассортимента режущих инструментов. Способ получения покрытия на основе интерметаллидов системы Ti-Al на детали из твердого сплава в газовой среде вакуумно-дуговым осаждением включает предварительное обезжиривание поверхности обрабатываемой детали из твердого сплава, помещение упомянутой детали в вакуумную камеру, в которой создают рабочее давление 8·10^-3 – 5·10^-2 Па, проведение ионной очистки обрабатываемой детали, нагрев и активацию ее поверхности сначала сильноточным плазменным источником с накальным катодом до температуры 350-400°C, а затем до температуры 400-450°C электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона. После указанных нагрева и активации поверхности обрабатываемой детали наносят покрытие на основе системы Ti-Al в газовой среде азота, кислорода, ацетилена и аргона с использованием двух независимо регулируемых испарителей при ассистировании процесса сильноточным плазменным источником с полым катодом с образованием фаз TiN, TiO, TiC, AlN, Al₂O₃, AlC, TiAl, Ti₃Al, TiAl₃. Обеспечивается повышение физико-механических свойств детали путем получения различных интерметаллидных и твердых фаз в многослойном покрытии, синтезированном в среде реакционных газов. 1 пр.

 

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий, в частности к получению износостойких покрытий и может быть использовано для повышения надежности и срока службы широкого ассортимента режущих инструментов.

Известен способ получения износостойкого покрытия на основе интерметаллида системы Ti-Al, по которому обрабатываемую деталь размещают в вакуумной камере установки, содержащей плазменный источник с накальным катодом и два электродуговых испарителя в виде катодов из алюминия и титана, расположенных в одной плоскости напротив друг друга. Осуществляют ионную очистку поверхности детали плазменным источником с накальным катодом и ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа при нагреве поверхности до температуры 300-350°C. Наносят на поверхность детали нижний слой титана посредством титанового катода. Наносят слой на основе нитрида интерметаллида системы Ti-Al посредством двух катодов, затем наносят слой на основе интерметаллида системы TiAl посредством двух катодов. Нанесение слоев покрытия осуществляют при ассистировании плазменным источником с накальным катодом. При нанесении слоя на основе интерметаллида изменение его фазового состава осуществляют путем изменения расположения обрабатываемой детали в вакуумной камере (Патент РФ №2489514, МПК C23C 14/02, опубл. 22.03.2012).

Недостатком такого способа является то, что осаждение происходит в стационарном режиме, что затруднят обработку сложнопрофильных деталей, имеющих теневые зоны и отверстия.

Известен способ получения ионно-плазменного покрытия на лопатках компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на основе никеля, включающий в себя помещение деталей в вакуумную камеру, создание требуемого вакуума, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку поверхности с последующим нанесением на нее заданного количества пар слоев титана и соединения титана с металлами. (Патент РФ №2496910, МПК С23С 14/06, опубл. 27.12.2012).

Недостатком аналога является небольшая глубина диффузионного слоя вследствие использования метода ионной имплантации.

Известен способ повышения стойкости режущего инструмента, при котором на его поверхность вакуумно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие из нитрида ниобия (Табаков В.П., Чихранов А.В., Долженко Я.А. Влияние состава износостойких покрытий на основе нитрида ниобия на механические свойства и работоспособность режущего инструмента // Материалы и технологии XXI века: сборник статей XVI Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2019. - С. 76-80).

Недостатком данного аналога являются низкие физико-механические характеристики, что приводит к уменьшению ресурса работы режущего инструмента.

Известен способ получения многослойного покрытия на поверхности технологических инструментов, включающий ионную очистку поверхности в среде аргона тлеющим разрядом и нанесение на нее слоев покрытия магнетронным распылением, причем ионную очистку поверхности и нанесение слоев покрытия осуществляют дуальной магнетронной системой с титановым и алюминиевым магнетронами, причем слои наносят при расстоянии от мишеней до поверхности 140-150 мм, скорости вращения поверхности 20-25 об/мин и температуре поверхности 473-523 К, ионную очистку поверхности проводят титановым и алюминиевым магнетронами в течение 5-6 мин при разрядных токах 1-2 А, давлении аргона 0,27-0,28 Па, напряжении на поверхности 1000-1200 эВ с ее нагревом до температуры 473-523°К, после ионной очистки напряжение на поверхности снижают до опорного -50 В и наносят подслой титана Ti в среде аргона при давлении 0,27-0,28 Па с увеличением разрядного тока на титановой мишени до 13,5 А в течение 6-8 мин, затем наносят переходный слой нитрида титана TiN магнетронным распылением титановой мишени в газовой смеси азота и аргона при парциальном давлении 0,27-0,28 Па с увеличением разрядного тока на титановой мишени до 14,5-15,0 А в течение 8-10 мин, после чего наносят чередующиеся слои нитрида титана TiN и Ti-Al-N с нанокристаллической и поликристаллической структурой в газовой смеси азота и аргона при их соотношении N₂/Ar : 12/88% и парциальном давлении 0,27-0,28 Па, при этом слои Ti-Al-N с нанокристаллической структурой наносят посредством титановой и алюминиевой мишеней и с увеличением разрядного тока на алюминиевой мишени до 14,5-15,0 А в течение не менее 185-190 мин, а слои Ti-Al-N с поликристаллической структурой наносят со снижением разрядного тока на титановой и алюминиевой мишенях до 13,0-14,0 А и с увеличением величины опорного напряжения до -(55-60)В в течение не менее 110-115 мин, причем нанесение чередующихся слоев повторяют не менее двух раз до получения необходимой толщины покрытия и верхним наносят слой Ti-Al-N с нанокристаллической структурой (Патент РФ №2533576, МПК С23С 14/35, С23С 14/06, опубл. 20.11.2014).

Недостатком данного способа является невысокая скорость осаждения покрытий.

Известен способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента, представляющего собой сложный нитрид титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия и тантала (TiZrNbVHfTa)N со стабильной однофазной структурой (Патент РФ №2620521, МПК С23С 14/22, С23С 14/06, опубл. 26.05.2016).

Недостатком приведенного аналога является сложный состав многокомпонентного катода, а также трудности его получения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения покрытия на основе интерметаллидов системы Ti-Al, включающий синтезирование покрытия в среде азота путем вакуумно-дугового осаждения из двух независимо регулируемых испарителей, по которому обрабатываемую деталь помещают в вакуумную камеру, предварительно обезжирив поверхность, в камере создают рабочее давление 8⋅10^-3 - 5⋅10^-2 Па, осуществляют ионную очистку, нагрев и активацию поверхности в два этапа, причем в первом этапе ее нагрев осуществляют сильноточным плазменным источником с накальным катодом до температуры 350-400°С, на втором этапе поверхность детали нагревают до температуры 400-450°С электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона, после этого наносят первый слой титана, следующим наносят покрытие на основе интерметаллида системы Ti-Al в среде азота, при этом нанесение покрытия осуществляют при ассистировании процесса сильноточным плазменным источником с накальным катодом и с образованием фаз TiN, AlN, TiAl, Ti₃Al, TiAl₃ (Патент РФ № 2689474, МПК С23С 14/24, С23С 14/02, С23С 14/06, опубл. 28.05.2019).

Недостатком данного способа, принятого за прототип, является то, что осаждение происходит в одной смеси газа, что не позволяет сформировать дополнительные фазы.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - улучшение качества поверхности и увеличение ресурса работы детали.

Технический результат, на решение которого направлено заявляемое изобретение - повышение физико-механических свойств детали путем получения различных интерметаллидных и твердых фаз в многослойных покрытии, синтезированном в среде реакционных газов.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в способе получения покрытия на основе интерметаллидов системы Ti-Al на детали из твердого сплава в газовой среде вакуумно-дуговым осаждением, включающем предварительное обезжиривание поверхности обрабатываемой детали из твердого сплава, помещение упомянутой детали в вакуумную камеру, в которой создают рабочее давление 8⋅10^-3 - 5⋅10^-2 Па, проведение ионной очистки обрабатываемой детали, нагрев и активацию ее поверхности сначала сильноточным плазменным источником с накальным катодом до температуры 350-400°С, а затем до температуры 400-450°С электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона, согласно изобретению, после указанного нагрева и активации поверхности обрабатываемой детали наносят покрытие на основе системы Ti-Al в газовой среде азота, кислорода, ацетилена и аргона с использованием двух независимо регулируемых испарителей при ассистировании процесса сильноточным плазменным источником с полым катодом с образованием фаз TiN, TiO, TiC, AlN, Аl₂О₃, AlC, TiAl, Ti₃Al, TiAl₃.

Пример конкретной реализации способа

В вакуумной камере устанавливают предварительно обезжиренную обрабатываемую деталь, например, фрезу из твердого сплава. Затем в камере создают рабочее давление равное 8⋅10^-3 - 5⋅10^-2 Па. Проводят ионную очистку в среде инертного газа Аг в два этапа. На первом этапе инструмент нагревают до температуры 350-400°С. На втором этапе поверхность инструмента нагревают до температуры 400-450°С при помощи электродуговых испарителей. Следующим этапом наносят покрытие на основе системы Ti-Al в среде газов азота, кислорода, ацетилена, аргона при ассистировании процесса сильноточным плазменным источником с полым катодом с образованием фаз TiN, TiO, TiC, AlN, Аl₂О₃, AlC, TiAl, Ti₃Al, TiAl₃.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить физико-механические свойства детали путем формирования различных интерметаллидных и твердых фаз в многослойных покрытии, синтезированном в среде реакционных газов.

Способ получения покрытия на основе интерметаллидов системы Ti-Al на детали из твердого сплава в газовой среде вакуумно-дуговым осаждением, включающий предварительное обезжиривание поверхности обрабатываемой детали из твердого сплава, помещение упомянутой детали в вакуумную камеру, в которой создают рабочее давление 8·10^-3 – 5·10^-2 Па, проведение ионной очистки обрабатываемой детали, нагрев и активацию ее поверхности сначала сильноточным плазменным источником с накальным катодом до температуры 350-400°C, а затем до температуры 400-450°C электродуговыми испарителями в среде инертного газа аргона, отличающийся тем, что после указанных нагрева и активации поверхности обрабатываемой детали наносят покрытие на основе системы Ti-Al в газовой среде азота, кислорода, ацетилена и аргона с использованием двух независимо регулируемых испарителей при ассистировании процесса сильноточным плазменным источником с полым катодом с образованием фаз TiN, TiO, TiC, AlN, Al₂O₃, AlC, TiAl, Ti₃Al, TiAl₃.