Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения износостойкого покрытия на основе интерметаллида системы Ti-Al

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к получению износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких покрытий и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей машин и инструмента.

Известен способ нанесения нанокомпозитного однослойного покрытия Ti1-xAlxN на установке вакуумного напыления типа «Квант» с помощью магнетрона с составной мишенью из сплава титана (57 ат. %) и алюминия (43 ат. %) диаметром 120 мм, работающего от источника постоянного тока, оснащенного системой защиты от микродуг. Для получения покрытия со столбчатой структурой нагрев образцов в вакуумной камере перед напылением и поддержание температуры в процессе напыления покрытия осуществляется с использованием молибденового нагревателя, с глобулярной структурой - дополнительной подачи постоянного потенциала смещения Us=-200 В на нагретые до температуры 623 К подложки (см. В.П. Сергеев, М.В. Федорищев, А.В. Воронов, О.В. Сергеев, В.П. Яновский, С.Г. Псахье. Трибомеханические свойства и структура нанокомпозитных покрытий Ti1-xAlxN // Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. 2. С. 149-153).

Недостатком известного способа является то, что процесс распыления составной мишени наиболее чувствителен к изменению технологических параметров процесса. При отклонении от последних может неконтролируемо изменяться скорость распыления легкоплавкого элемента Al, входящего в состав в мишени, что приведет к нестабильности свойств покрытия и мишени, неконтролируемому изменению свойств осаждаемого покрытия.

Известен способ нанесения износостойкого покрытия на основе нитрида или карбонитрида титана, содержащего алюминий и легирующий компонент молибден. Покрытие наносят вакуумно-плазменным методом двумя противоположно расположенными составными катодами, содержащими титан и алюминий, и размещенным между ними составным катодом, содержащим титан и молибден TiAlMoN (Патент РФ №2269596, МПК С23С 14/06, 10.02.2006).

Недостатком известного аналога является сложность изготовления и использования составных катодов и невозможность управлять фазовым составом, так как процентное соотношение Ti и Al будет постоянно, и его невозможно будет менять в ходе процесса напыления.

Известен способ получения износостойкого покрытия, включающий очистку поверхности инструмента и вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия с использованием реакционного газа. Помещают инструмент в вакуумную камеру установки, оснащенной магнетронами, электродуговыми испарителями и нагревателем, проводят очистку поверхности в три этапа, на первом - в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности инструмента нагревателем до 100°С, на втором - в плазме магнетронного разряда, на третьем - проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа, нагревая поверхность инструмента на 400-450°С. Затем на подложку наносят нижний слой титана электродуговым испарителем титанового катода в среде инертного газа и чередующиеся слои из двухкомпонентного нитрида титана и трехкомпонентного нитрида титана и алюминия в газовой смеси инертного и реакционного газов. Первым наносят слой нитрида титана, а последним - слой нитрида титана и алюминия. Слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени, а слои нитрида титана и алюминия получают при одновременном электродуговом испарении алюминиевого катода и магнетронном распылении титановой мишени (Патент РФ №2429311, МПК С23С 14/06, 20.09.2011).

Недостатком известного способа является неравномерность толщины покрытия на изделиях сложной формы, малая скорость роста покрытия, отсутствие возможности формирования покрытия нужного состава.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения износостойкого покрытия на основе интерметаллида системы Ti-Al. 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°С. 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 С23С 14/02, 22.03.2012).

Недостатком данного способа, принятого за прототип, является то, что осаждение происходит в стационарном режиме, а значит осаждения не будет в определенных точках. Так, например, при осаждении на цилиндрическую деталь покрытие необходимо нанести на всю поверхность, но существуют теневые зоны, в которых осаждения не будет. Помимо этого, невозможно осаждать сложнопрофильные детали.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - улучшение качества поверхности за счет получения однородности фазового состава по всему объему покрытия.

Технический результат, на решение которого направлено заявляемое изобретение, - формирование различных интерметаллидных фаз в покрытии при вращении детали, однородность фазового состава по всему объему покрытия, равномерность толщины покрытий на деталях сложной формы и управление фазовым составом за счет ассистирования процесса напыления плазменным источником с накальным катодом, нанесения покрытия двумя электродуговыми испарителями из титана и алюминия.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в способе получения износостойкого многослойного покрытия на основе интерметаллидов системы Ti-Al, стальную деталь помещают в вакуумную камеру, содержащую плазменный источник с накальным катодом и два электродуговых испарителя в виде катодов из алюминия и титана, расположенных в одной плоскости напротив друг друга, проводят ионную чистку плазменным источником с накальным катодом в среде аргона при нагреве детали до температуры 300-350°C в течение 30 минут, проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа при нагреве поверхности детали до температуры 400-450°C, наносят на деталь нижний слоя из титана посредством электродугового испарителя с катодом из титана, наносят следующий слоя на основе нитрида интерметаллида системы Ti-Al в среде реакционного газа азота при давлении 6⋅10-4 мм рт.ст. при одновременном распылении двух упомянутых электродуговых испарителей, наносят слой на основе интерметаллида системы Ti-Al в среде аргона при давлении 2⋅10-3 мм рт.ст., при этом нанесение слоев покрытия проводят при ассистировании плазменным источником с накальным катодом, вращая деталь в вакуумной камере со скоростью 1 об/мин с формированием покрытия с разным интерметаллидными фазами системы Ti-Al. Кроме того, согласно изобретению могут быть сформированы фазы интерметаллида TiAl, Ti₃Al или TiAl₃.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображена схема реализации способа получения покрытия на основе интерметаллидов системы Ti-Al. Схема содержит подложку, электродуговые испарители (катоды Ti и Al), аноды, вакуумную камеру. А так же приведены зоны образования определенного фазового состава: A) Ti₃Al, Б) TiAl, В) TiAl₃. На фигуре 2 указаны слои покрытия Ti и Al.

Пример конкретной реализации способа

В вакуумной камере устанавливают обрабатываемую стальную деталь по кольцевой траектории, например, обрезную матрицу из инструментальной стали Р6М5. Затем в камере создают рабочее давление, равное 2⋅10^-4 мм. рт.ст.. На первом этапе проводят ионную чистку плазменным источником с накальным катодом в среде Ar, при этом детали нагревают до температуры 300-350°C.Очистку проводят в течении 30 минут. Далее проводят ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа при нагреве поверхности до температуры 400-450°C. Далее в среде инертного газа при том же давлении наносят первый слой из Ti дуговым испарителем с титановым катодом для лучшей адгезии в течении 5 минут. Следующий слой на основе нитрида интерметаллида системы TiAl(Ti₃Al, TiAl₃) наносят в среде реакционного газа азота при давлении 6⋅10^-4 мм. рт.ст.. Формирование TiAlN(Ti₃AlN, TiAl₃N) происходит при одновременном распылении двух дуговых испарителей с титановым и алюминиевым катодами, расположенными в одной плоскости противоположно друг другу. Следующим наносят покрытие на основе интерметаллида системы TiAl(Ti₃Al, TiAl₃) в среде инертного газа Ar при давлении 2⋅10^-3 мм. рт.ст.

Итак, заявляемое изобретение позволяет формировать различные интерметаллидные фазы в покрытии при вращении детали, дает однородность фазового состава по всему объему покрытия, равномерность толщины покрытий на деталях сложной формы и управление фазовым составом, за счет ассистирования процесса напыления плазменным источником с накальным катодом, нанесения покрытия двумя электродуговыми испарителями из титана и алюминия.