Деловой, научно-технический журнал

Уникальный поверхностный слой

 

В.Г. КУЗНЕЦОВ,
заведующий лабораторией модифицирования
поверхностей материалов Института проблем
машиноведения РАН, д.т.н., лауреат
Государственной премии России
в области науки и техники

  

Вакуумные ионно-плазменные технологии в последние годы находят все более широкое применение в различных областях промышленности. Машиностроение, судостроение, авиация, металлургия, электроника, энергетика, нефтяная и газовая отрасли — далеко не полный список областей использования данных технологий.

 Одним из наиболее эффективных средств повышения эксплуатационных свойств деталей является создание деталей со специальными свойствами поверхностного слоя. Экономически это куда более целесообразно, чем модифицировать весь объем материала детали. Среди разнообразных способов повышения ресурса и надежности работы деталей в последние годы активно развивается ионно-плазменная обработка поверхности в вакууме плазмой вакуумно-дугового разряда.

Обеспечивая высокую чистоту процесса, данный метод позволяет за счет ионного распыления поверхности осуществлять процесс удаления материала, очистку поверхности от загрязнений и оксидных пленок, легирование поверхностного объема, в ряде случаев проводить шлифовку и полировку поверхности, осуществлять обработку поверхности с нанесением покрытий, существенно повышая при этом механическую прочность деталей, улучшая их антикоррозионные свойства и сопротивление износу, изменяя коэффициенты трения, повышая теплозащитность деталей и т.д.

 

Ряд разработанных ИПМАШ РАН высокоэффективных ресурсосберегающих, экологически чистых ион-но-плазменных технологий получили признание не только в машиностроении.


СПРАВКА: Институт проблем машиноведения РАН (ИПМАШ РАН), основанный в Санкт"Петербурге в 1986 году, большое внимание уделяет созданию инновационных конкурентоспособных наукоемких технологий. Способность института осуществлять полный цикл работ, от фундаментальных исследований до конкретных разработок, имеющих успех на рынке, явилась ключевым критерием, определившим возможности выхода на ускоренное созда" ние высоких технологий.

На основе выполненных исследований разработан ряд высокоэффективных технологических процессов, внедренных на промышленных предприятиях.

 

Коррозия не пройдет

Разработанная технология вакуум-но-дугового нанесения коррозион-ностойких и теплозащитных покрытий использована для защиты турбинных лопаток стационарных энергетических газовых турбин, работающих в условиях высокотемпературной сульфидно-оксидной коррозии. В качестве защитных материалов использовались системы CoCrAlY и ZrO2 — Y2O3. Кроме того, оценивалась возможность использования материала системы NiCrWTi. Нанесение покрытий осуществляется в вакуумной камере (РИС. 1) с помощью торцевого холловского плазменного ускорителя. Материал слитка (Co  основа, Ni 0,5%,Cr 27–29%, Al 4–6%), из которого изготавливался катод испарителя, под действием вакуумно-дугового разряда переводится в плазменное состояние. Осаждение покрытия на лопатки осуществляется в виде ионной составляющей, извлекаемой из потока плазмы под действием электрического напряжения, подаваемого на лопатки. Внешний керамический слой формировался при испарении сплава Zr — Y в среде кислорода. Технология отрабатывалась применительно к лопаткам газовой турбины ГТ-100. В качестве материала лопаток в основном использовался сплав ЭИ-893 (Ni основа, Cr 15-17%, W 8-10%, Ti 1,2-1,6%, Al 1,2-1,6%, Mo 3,5-4,5%).

Существует возможность с помощью вакуумно-дуговой технологии наносить покрытия высокого качества толщиной 100 мкм и более. Формируемые покрытия CoCrAlY и NiCrWTi имеют однородную структуру по всей толщине, незначительное содержание микродефектов и характеризуются высокой адгезией к основе даже без термической обработки. Фазовый состав покрытия определяется режимом термической обработки после его нанесения (см. ТАБЛ. 1). Микротвердость покрытий находится на уровне 400-600 кгс/мм2. Теплозащитные покрытия на основе ZrO2 — Y2O3 наносили толщиной около 50 мкм.

Проведенная оптимизация формирования покрытий CoCrAlY позволила разработать технологический процесс вакуумно-дугового нанесения коррозионностойких покрытий на крупногабаритные лопатки энергетических газовых турбин, отличающийся высокими показателями ресурсо-и материалосбережения, экологической чистотой и низкой себестоимостью получаемых покрытий. Кроме того, данный метод, в отличие от известных, позволяет значительно расширить номенклатуру используемых материалов покрытий.

Относительно невысокая и регулируемая температура лопаток в процессе нанесения покрытий, при высокой их адгезии, позволила в ряде случаев исключить операции диффузионного отжига и восстановительной термической обработки лопаток с покрытиями, обязательные для других технологических процессов. Это подтверждено аттестационными испытаниями, а также эксплуатационными испытаиспытаниями лопаток с покрытиями в промышленных условиях на ГРЭС № 3 Мосэнерго и Ивановской ГРЭС. Разработанная технология и установка для нанесения покрытий переданы для промышленного использования на завод турбинных лопаток в Санкт-Петербурге.

И еще одна.

Функционирование промышленно развитого государства невозможно без радиовещания и телевидения, без надежной радиосвязи. При этом особую роль играют мощные радиосистемы. Элементами, определяющими тактико-технические характеристики таких систем, являются генераторные лампы. Многие виды радиолокационных систем как гражданского, так и военного применения также используют генераторные и модуляторные лампы. Кроме этого, мощные лампы находят широкое применение в ряде видов современных технологических установок, а также в некоторых специальных электрофизических установках, предназначенных для ускорения заряженных частиц и исследований в области ядерной физики и термоядерного синтеза.

Генераторные лампы представляют собой триоды и тетроды в метал-локерамической оболочке, использующие в качестве эмиттера электронов вольфрамовый торированный карбидированный катод, сетчатые электроды из тугоплавких материалов для управления электронным потоком и медные аноды.

Несмотря на различное применение и широкий диапазон параметров, все приборы имеют общее конструктивно-технологическое построение. Уровень выходной мощности ламп, выпускаемых промышленностью России, составляет от единиц киловатт до 2,5 мВт в непрерывном режиме и до 5 мВт в импульсном. Диапазон анодных напряжений лежит в пределах от единиц до сотен киловольт, в зависимости от типа ламп и характера применения. По комплексному сочетанию своих параметров (токи, напряжения, мощность, частотный диапазон, удельные массогабаритные показатели, устойчивость к радиационным воздействиям) мощные лампы в настоящее время существенно превосходят твердотельные приборы и в обозримом будущем не могут быть заменены ими.

Основные направления совершенствования мощных ламп — это увеличение удельной мощности на единицу объема и увеличение долговечности при высоком уровне надежности. Увеличение удельной мощности однозначно связано с ростом рабочей температуры сеток и анодов, что в общем случае неизбежно должно вести к снижению надежности и срока службы. Единственным выходом из такого замкнутого круга является интенсивный поиск новых материалов, конструкций и технологий изготовления отдельных элементов и ламп в целом. Что касается анодов и сеток, то во всем мире принято единственно верное направление — широкое применение различных покрытий, удовлетворяющих специальным требованиям. Как показал многолетний опыт, для получения требуемой долговечности (десятки тысяч часов и выше) необходимо наносить специальные покрытия толщиной порядка 10 мкм (при высоком качестве покрытий и при наличии очень высокой адгезии).

С учетом требуемых параметров покрытий для сеток и анодов генераторных ламп, до последнего времени наибольшее распространение имели следующие методы их нанесения: катафорезный, пульверизаци-онный, электроискровой, газодинамический. Однако все эти методы не отвечают высоким требованиям современного производства электровакуумных приборов. Помимо характерных для каждого вида технологий недостатков все они имеют и общие существенные недостатки. Среди них: невозможность обеспечить высокую чистоту наносимых материалов, невысокая адгезия покрытия к основе, возникновение трудностей при нанесении покрытий на изделия сложной формы, использование пожаро- и взрывоопасных веществ и неудовлетворение современным требованиям производства с точки зрения экологии. Кроме того, все эти методы требуют для повышения качества покрытий высокотемпературных вакуумных отжигов, что приводит к повышению себестоимости покрытий.

Наиболее перспективным с точки зрения обеспечения качества и стоимости покрытий представляется применение метода вакуумного ионноплазменного нанесения материала с использованием источников плазмы металлов и их сплавов на основе вакуумно-дугового разряда с интегрально-холодным катодом. Однако такой метод требует тщательной отработки технологии и создания специального оборудования для ее реализации. Связано это в первую очередь со сложной формой и большими размерами сеток и анодов генераторных ламп, а также с высокими требованиями по обеспечению равномерности наносимых покрытий.

Применение вакуумно-дуговой технологии позволило найти на настоящее время наиболее эффективные решения по получению геттер-ных и антиэмиссионных слоев на электродах как из традиционных для этих целей титана, циркония, карбида циркония, так и из некоторых соединений, среди которых наиболее перспективно интерметаллическое соединение Pt3Zr, синтезируемое через карбид циркония.

При разработке технологии нанесения покрытий в первую очередь необходимо было учитывать особенности взаимодействия ускоренных плазменных потоков с изделиями, имеющими сложные геометрические формы. Сетки цилиндрической формы высотой до 0,5 м изготавливаются из тонкой проволоки на основе вольфрама и, в зависимости от вида ламп, густота ее навивки изменяется в широких пределах. Внутренняя поверхность анодов, на которую наносится покрытие, представляет собой цилиндрическую полость преимущественно с поперечными или продольными ребрами. При нанесении покрытий на изделия сложной формы всегда возникают проблемы, связанные с обеспечением равномерности их нанесения.

Для нанесения покрытий на крупногабаритные электроды встала задача разработки специализированного оборудования. Данная проблема решалась двумя путями — созданием установок с большим объемом вакуумной камеры и с многоярусным расположением испарителей, а также созданием установок с испарителями протяженной конструкции.

Качество антиэмиссионных покрытий обычно оценивается по величине термотока сетки при испытаниях в определенных условиях. На РИС. 2. представлена зависимость термотока экранных сеток лампы ГУ-104 с покрытием ZrC+Pt, сформированным вакуумно-дуговой технологией (кривая 1) от мощности рассеяния в сравнении с аналогичным покрытием, полученным плазменным нанесением в динамическом вакууме (кривая 2). Кроме того, для сравнения представлена зависимость для вакуумно-дугового покрытия из чистого циркония (кривая 3).

Как видно из представленных зависимостей, вакуумно-дуговое покрытие карбида циркония с платиной по эмиссионной способности значительно превосходит плазменное. Кроме того, для вакуумно-дугового покрытия не требуется после нанесения термическая обработка.

Внедрение в промышленное производство мощных генераторных ламп нового комплекса оборудования и новых технологий нанесения покрытий способствовало выпуску изделий повышенной надежности и долговечности, не уступающих по своим показателям лучшим мировым аналогам.

Не просто чисто, а идеально чисто

В различных отраслях промышленности для очистки изделий от окалины, ржавчины, масляных пленок и технологических смазок, технологических отложений на поверхностях и пр. используются преимущественно химические методы. Метод химической очистки (травлением в горячих кислотах при 80-90 °С с последующей нейтрализацией и промывкой) имеет следующие основные недостатки: токсичность, возможность загрязнения окружающей среды, сложность утилизации и регенерации больших объемов отходов травильных растворов, тяжелые условия труда, применение дорогостоящих кислотостойких материалов, большие мощности, используемые на нагрев кислот. В связи с наличием существенных недостатков, присущих данному методу, и в первую очередь связанных с экологическими проблемами, длительные годы ведется поиск альтернативных технологий. В последнее время в качестве такой альтернативы активно развивается и предлагается вакуумнодуговая очистка поверхности. Сущность ее заключается в том, что при форвакуумном давлении в камере между очищаемой поверхностью и другим электродом зажигается ва-куумно-дуговой разряд. Катодные пятна вакуумной дуги, перемещаясь по поверхности изделия с высокой скоростью, очищают ее от поверхностных загрязнений.

Вакуумно-дуговая технология уже используется для очистки катанки от окалины, очистки сварочной проволоки, очистки стального листа от окалины, ржавчины и загрязнений, очистки металлической ленты от технологической смазки, очистки внутренней и внешней поверхностей труб от загрязнений, очистки различных изделий в нефтяной и газовой отраслях и т.д. Очищенная таким образом поверхность за счет активации ее плазмой приобретает высокую адгезионную способность ко всем существующим на сегодня защитным покрытиям (металлическим и полимерным). Эксперименты показали, что адгезия к защитным покрытиям возрастает в четыре и более раз по сравнению со всеми существующими способами очистки, а это гарантия на десятки лет, что защитное покрытие не будет отслаиваться, а изделие — разрушаться под действием коррозии.
Институтом проблем машиноведения совместно с ЦНИИ технологии судостроения по заказу ООО «ИНСАЮР-СТАЛЬ» разработана установка очистки ленточного металлопроката от технологической смазки.

 

На РИС. 3 представлены результаты вакуумно-дуговой очистки различных изделий:

а) катанка и лента до и после очистки;

б) очищенная лента на выходе из вакуумной камеры установки;

в) труба до и после очистки.

Существует возможность вакуум-но-дуговой очистки поверхности лопатки газовой турбины от продуктов отложений, образовавшихся в процессе длительной ее эксплуатации. Продолжительность процесса очистки лопатки при токе дуги 100-150 А не превышала 30 секунд. При этом продолжительность процесса откачки вакуумной камеры составляла около 3 минут. Определенные трудности были связаны с процессом управления движением катодных пятен по поверхности сложнопрофильной лопатки. Нельзя допускать остановки движения катодных пятен или их локализации, например, на кромках. Как показали исследования, данную технологию можно использовать и для удаления покрытий, нанесенных на лопатку. Учитывая, что технологию очистки легко совместить в едином технологическом цикле с процессом нанесения покрытий, открываются хорошие перспективы ее использования. Средняя шероховатость поверхности лопатки после очистки не превышала 5 мкм. При небольшой продолжительности процесса очистки не происходит перегрев материала лопатки. Исследования показали, что не изменяются и свойства материала.

Таким образом, можно отметить, что вакуумные ионно-плазменные технологии, являясь ресурсосберегающими и экологически чистыми процессами, могут составить достойную конкуренцию современным технологиям и могут быть использованы в различных отраслях промышленности.

 

Наши партнёры

        

 

     

          

      

 

      

     

User login