Введение

Обработка поверхностей деталей ионно-плазменным методом предусматривает использование плазменных потоков вещества с E_i=1–10⁴ эВ и j_i=1–10⁶ A/м². Для генерации и управления этими потоками применяют технологические плазменные ускорители различных типов, возможности которых в научных исследованиях и промышленности рассмотрены в работе [1], и промышленные установки на основе стационарных электродуговых эрозионных ускорителей плазмы с расходуемым катодом [2–5]. Генерация потока плазмы осаждаемого вещества в этих устройствах осуществляется в вакуумном дуговом электрическом разряде с поверхности катода, изготовленного из материала покрытия (чистого металла или сплава) [6]. Катод эродирует под действием катодных пятен вакуумной дуги, плотность теплового потока в которых достигает 10⁹–10¹⁰ Вт/м², в которых присутствуют твердые и жидкие микрочастицы материала покрытия. Степень ионизации плазмы и доля микрочастиц в потоке определяются как теплофизическими свойствами материала катода, так и условиями горения вакуумной дуги на его поверхности (температура поверхности, наличие загрязнений в материале катода, состав и давление остаточных газов в вакуумной камере и т. д.). Формирование покрытия происходит в процессе конденсации продуктов эрозии катода на поверхности подложки.

Использование для обработки поверхности твердого тела потоков вещества в сильно ионизованном состоянии позволяет достаточно просто управлять энергией конденсирующихся ионов. Полная энергия иона, взаимодействующего с поверхностью твердого тела (подложки), может быть представлена в виде:

 Е_i=Е₀+Z·e·U,                                                           (1)

где Е₀ – энергия иона на границе двойного электрического слоя [7], разделяющего поверхность подложки от плазмы, эВ; Z – кратность заряда иона; e – заряд электрона, Кл; U – разность потенциалов (напряжение) между опорным электродом и подложкой, В.

Варьируя величину отрицательного электрического потенциала подложки, с помощью источника напряжения в цепи «подложка–опорный электрод» можно управлять энергией падающего иона и характером процессов, имеющих место на обрабатываемой поверхности (конденсация, распыление, легирование, нагрев). Причем минимальный уровень энергии иона зависит от значения энергии Е₀, которая по данным работ [8–10] определяется условиями генерации плазмы на катоде и для большой группы металлов изменяется в пределах от 20 до 70 эВ.

Таким образом, ионно-плазменный технологический процесс благодаря управлению энергией ионов, взаимодействующих с подложкой, при осаждении покрытий из плазмы вакуумного дугового разряда обладает рядом важных преимуществ. В первую очередь – это возможность проводить ионное травление покрываемой поверхности, что затем позволяет наносить покрытия на поверхность, очищенную от загрязнений на атомном уровне.

По данным работы [11] пороговые значения энергии ионов, бомбардирующих поверхность, при которых наблюдается начало ее распыления, составляет ~10 эВ, а интенсивный характер распыление приобретает при энергиях ионов в сотни эВ. При U=0 В энергия ионов составляет несколько десятков вольт и получает незначительное приращение в двойном электрическом слое, отделяющем подложку от плазмы. При подаче на подложку потенциала 30–50 В приращение энергии иона в двойном слое обеспечивает величину полной энергии конденсирующегося иона заметно больше пороговой энергии распыления металлической подложки, что ведет к снижению скорости осаждения вследствиекатодного распыления подложки под действием ионной бомбардировки. Существует пороговое значение величины U,при превышении которого происходит переход от осаждения покрытия к ионному травлению подложки.

Цель данной работы – определение пороговых значений отрицательного электрического потенциала для ряда новых жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) и сплавов для нанесения новых покрытий. Данная характеристика необходима для разработки промышленных ионно-плазменных технологических процессов нанесения покрытий на лопатки турбин перспективных ГТД для их защиты от высокотемпературного окисления.

Материалы и методы

Образцы для испытаний изготавливали из отливок с монокристаллической структурой (кроме сплава ВЖЛ21 для равноосного литья) без проведения дополнительной термообработки, составы приведены в табл. 1.

Таблица 1

Состав жаропрочных литейных никелевых сплавов (средние значения)

  * Сплав содержит 4% Ru.

** Сплав содержит 0,15% Hf.

Исследования по определению пороговых значений распыления в вакууме ЖНС проводились на промышленной ионно-плазменной установке с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП) типа МАП-2, обеспечивающей нанесение широкого спектра защитных высокотемпературных покрытий на изделия из ЖНС [18–29]. Для работ в качестве трубных испаряемых расходуемых катодов в камере ионно-плазменной установки МАП-2 для формирования металлической плазмы использовали экспериментальные сплавы, составы которых приведены в табл. 2.

Таблица 2

Составы сплавов для трубных катодов

* Сплавы дополнительно легированы гафнием.

Цилиндрические образцы Ø25×3 мм из ЖНС для проведения ионно-плазменной обработки в плазме катодов составов 1, 2 и 3 устанавливали в специальную оснастку в вакуумную камеру установки. После откачки высокого вакуума до уровня давления ниже 0,05 Па зажигали вакуумную дугу и проводили обработку поверхности образцов при следующих значениях напряжений смещения, подаваемых на образцы: 350, 250, 150 и 50 В. Остальные параметры режимов ионной обработки поверхности образцов были неизменными: ток дуги 700 А, давление в камере 2,66·10^-2 Па (2·10^-4 мм рт. ст.). После процесса ионной обработки в течение 60 мин на установке МАП-2 образцы взвешивали с точностью 0,0001 г.

Удельное изменение массы образцов после ионно-плазменной обработки в вакууме (Δm_τ (г/м²) после испытаний продолжительностью τ (ч)) рассчитывали по формуле:

 Δm_τ=(m_τ-m₀)/S,                                                           (2)

где m_τ – масса образца после испытаний продолжительностью τ (ч), г; m₀ – масса образца в исходном состоянии, г;  S – площадь поверхности образца в исходном состоянии, м².

Результаты

Зависимости удельного изменения массы образцов из ЖНС от величины отрицательного потенциала подложки в процессе ионно-плазменной обработки в установке МАП-2 представлены на рис. 1 и 2. По результатам испытаний определены пороговые значения распыления ЖНС в плазме катодов на никелевой основе (табл. 3).

Рис. 1. Зависимости удельного изменения массы образцов из никелевых жаропрочных сплавов ЖС32 (а), ВЖМ4 (б), ВЖМ5У (в) и ВКНА-25 (г) в процессе ионно-плазменной обработки в плазме катодов составов 1 (●), 2 (●), 3 (●) на установке МАП-2

Рис. 2. Зависимости удельного изменения массы образцов из никелевых жаропрочных сплавов ВКНА-1В (а), ВИН3 (б), ВЖЛ21 (в) и Rene N5 (г) в процессе ионно-плазменной обработки в плазме катодов составов 1 (●), 2 (●), 3 (●) на установке МАП-2

Таблица 3

Пороговые значения напряжения на подложке при распылении ЖНС

в плазме никелевых катодов

Полученные пороговые значения U начала распыления ЖНС в плазме никелевых катодов необходимы для выбора режимов очистки поверхности деталей ГТД перед нанесением защитных ионно-плазменных покрытий. При величине напряжения смещения, подаваемого на обрабатываемое изделие, выше порогового значенияU происходит гарантированное травление поверхности изделия ионами металлов, входящих в состав катода. При уменьшении величины напряжения смещения ниже порогового значения, начинается осаждение ионов металлов и формируется конденсированное покрытие на основе сплава катода.

Наибольшие пороговые значения U получены при использовании катода из сплава 3, в котором количество хрома максимальное среди рассмотренных сплавов для покрытий (до 22%). Возможно, это связано с уменьшением кратности заряда ионов металлов в плазме вакуумного дугового разряда и с катодом из многокомпонентного сплава [8–10].

Обсуждение и заключения

Определены пороговые значения величины электрического потенциала подложки U,при превышении которого происходит переход от осаждения покрытия к ионному травлению подложки из сплавов ЖС32, ВЖМ4, ВЖМ5У, ВКНА-25, ВКНА-1В, ВИН3, ВЖЛ21 и Rene N5 в плазме вакуумного дугового разряда трех многокомпонентных никелевых сплавов для перспективных покрытий системы Ni–Al–Cr–Ta–Re–Hf–Y.

Установлено, что величина порогового значения Uимеет максимальное значение (~300 В) в случае покрытия с содержанием хрома 18–22%.