Процесс изготовления фольги из труднодеформируемых сплавов методом испарения и конденсации в вакууме

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

Я.Б. Улановский

ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОЛЬГИ
ИЗ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ
МЕТОДОМ ИСПАРЕНИЯ
И КОНДЕНСАЦИИ В ВАКУУМЕ

 

Монография 

Москва  2014

УДК 544.3 
У47

Р е ц е н з е н т ы :
д-р физ.-мат. наук, проф. А.С. Аронин (Институт физики твердого тела РАН);
д-р физ.-мат. наук, проф. А.Л. Петелин

Улановский Я.Б.
У47
Процесс изготовления фольги из труднодеформируемых
сплавов методом испарения и конденсации в вакууме : моногр. / Я.Б. Улановский. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 252 с.
ISBN 978-5-87623-860-3 

Впервые последовательно рассмотрены основные стадии нового технологического процесса изготовления фольги из металлов и сплавов вакуумным
осаждением, созданы физические модели, достаточно адекватно описывающие рассматриваемый процесс и позволяющие проводить инженерные расчеты его основных параметров. Представленные результаты явились научной
основой для создания промышленной технологии производства ультратонкой фольги, в том числе из труднодеформируемых титановых сплавов, а также для разработки в вакуумной технике устройств, аналогичных полупроводникам в электронике.
Для специалистов в области материаловедения, студентов и аспирантов
технических вузов.

УДК 544.3 

ISBN 978-5-87623-860-3 
© Я.Б. Улановский, 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..........................................................................................6
Введение................................................................................................12
Глава 1. Общие закономерности формирования структуры
вакуумных конденсатов и основные требования к процессу
промышленного получения тонкой фольги методом вакуумного
осаждения..............................................................................................16
1.1. Механизмы процесса конденсации из газовой фазы и
«первичная» структура конденсата................................................17
1.1.1. Критическая температура конденсации ...........................19
1.1.2. Влияние температуры подложки на механизм
конденсации ..................................................................................21
1.1.3. Формирование первичной структуры тонких пленок....24
1.2. Структура «толстых» конденсатов ..........................................26
1.2.1. Влияние температуры подложки на структуру
конденсатов...................................................................................27
1.2.2. Текстурные эффекты в структуре вакуумных
конденсатов...................................................................................33
1.2.3. Особенности формирования структуры
при конденсации на движущуюся ленту-подложку..................37
1.2.4. Влияние степени разрежения, состава остаточных
газов, скорости конденсации и толщины осаждаемого
слоя на структуру конденсата ....................................................42
1.3. Основные требования к разработке технологического
процесса изготовления фольги вакуумным осаждением.............45
Глава 2. Создание комплекса специализированного
оборудования и освоение производства фольги................................51
2.1. Создание установок УВФ-75-1, УВФ-78-1 и установки
для термической обработки фольги................................................52
2.2. Создание первой отечественной опытно-промышленной
установки УВ68Л для изготовления фольги вакуумным
осаждением........................................................................................55
2.3. Создание высокопроизводительного агрегата УВФ-2,0
для получения фольги из труднодеформируемых сплавов
и комплекса вспомогательного оборудования. Освоение
производства фольги ........................................................................60

Глава 3. Тепло- и массоперенос при высокоскоростном
электронно-лучевом испарении металлов и вакуумном
осаждении пара на движущуюся ленту-подложку...........................65
3.1. Расчет тепло- и массообмена между испарителем
и подложкой......................................................................................67
3.1.1. Методы описания пространственного распределения
потоков излучения и пара............................................................68
3.1.2. Определение локальных угловых коэффициентов
излучения с ленты на лунку ........................................................80
3.1.3. Расчет плотностей потоков пара и тепла
на поверхности ленты ..................................................................87
3.1.4. Определение толщины конденсата, коэффициента
использования пара и формы выравнивающего экрана ..........90
3.2. Математическое описание переноса тепла в движущейся
ленте-подложке.................................................................................92
3.3. Численное решение задачи.......................................................97
3.3.1. Алгоритм расчета температурного поля,
усредненного по ширине и толщине ленты...............................97
3.3.2. Алгоритм расчета температурного поля,
усредненного по ширине ленты..................................................100
3.3.3. Алгоритм расчета температурного поля,
усредненного по толщине ленты ................................................104
3.4. Проверка адекватности разработанной математической
модели................................................................................................107
3.5. Применение разработанной математической модели для
прогнозирования процессов тепломассопереноса при вакуумном
осаждении..........................................................................................110
Глава 4. Основные закономерности процесса
испарения многокомпонентных сплавов при непрерывной
подпитке ванны.....................................................................................119
4.1. Состав равновесной ванны расплава при произвольном
количестве компонентов сплава ....................................................120
4.2. Кинетика испарения многокомпонентных сплавов ..............124
4.3. Испарение расплавов, близких к разбавленным растворам.......136
4.4. Определение коэффициентов активности и Генри.
Сопоставление методик расчета равновесной ванны расплава........139
Глава 5. Разработка принципов выбора материалов подложки
и антиадгезива.......................................................................................147

Глава 6. Сквозная пористость фольги, полученной методом
вакуумной конденсации.......................................................................155
6.1. Вакуумная герметичность и сквозная пористость фольги ...156
6.1.1. Количественный критерий вакуумной герметичности
фольги............................................................................................157
6.1.2. Экспериментальное определение вакуумной
герметичности фольги..................................................................159
6.2. Влияние параметров процесса вакуумного осаждения
на характеристики сквозной пористости фольги ..........................162
6.3. Модель образования сквозной пористости фольги...............168
6.4. Расчет требуемых значений вакуумной герметичности
фольги................................................................................................176
6.5. Расчет газопроницаемости экранов из пористой фольги
при повышенных температурах ......................................................179
Глава 7. Научно-практические исследования при разработке
процесса получения тонкой фольги методом вакуумного
осаждения пара на движущуюся ленту-подложку ...........................188
7.1. Выбор концентрационного диапазона сплавов
для практических применений ........................................................189
7.2. Подложка и антиадгезив – материал, структура
и структурная взаимосвязь ..............................................................190
7.3. Влияние параметров процесса вакуумного осаждения
на структуру конденсатов................................................................192
7.3.1. Температура подложки ......................................................193
7.3.2. Давление остаточных газов и скорость конденсации .....214
7.4. Влияние параметров процесса конденсации
на механические свойства конденсатов .........................................218
7.5. Использование термической обработки конденсатов...........222
7.6. Влияние условий конденсации на поверхность фольги .......229
Глава 8. Использование результатов работы для решения
производственных задач ......................................................................235
Заключение............................................................................................243
Библиографический список.................................................................244

Посвящается одному из создателей
советской авиационной металлургии
и основателю всесоюзного института
легких сплавов академику
Александру Федоровичу Белову

Предисловие

Монография основана на диссертационной работе автора «Исследование закономерностей формирования структуры вакуумных конденсатов сплавов на основе титана и разработка процесса получения
титановой фольги», представленной на соискание ученой степени
доктора технических наук и успешно защищенной в 1991 г. Работа
выполнялась в период с 1973 по 1990 г. во Всесоюзном институте
легких
сплавов 
(ВИЛС) 
– 
одном
из
основных
научноисследовательских и технологических центров авиационной отрасли
СССР того времени.
По существовавшим в то время положениям работа имела гриф
«Для служебного пользования», что серьезно ограничивало возможности публикации ее результатов. В настоящее время эти формальные препятствия потеряли свою актуальность, а содержательная
ценность систематического изложения для широкого круга научной
общественности всего комплекса решенных проблем, по мнению автора, в полной мере сохранилась. Эту задачу и решает монография,
предлагаемая вашему вниманию.
Основатель Всесоюзного института легких сплавов Министерства
авиационной промышленности СССР академик Александр Федорович Белов был энтузиастом всего нового – технологических процессов, материалов и оборудования. В начале 1970-х годов на Международной конференции по вакуумной металлургии он услышал доклад
американских специалистов, которые сообщили о якобы успешной
разработке ими принципиально нового технологического процесса
изготовления фольги из титановых сплавов методом испарения
и конденсации в вакууме.
Этот метод заключался в следующем. В вакуумную камеру помещали слиток титанового сплава, из которого необходимо было получить фольгу. Поверхность слитка нагревали электронно-лучевой
пушкой. Испаряющийся при этом сплав в виде покрытия осаждался
на поверхность непрерывно движущейся над испарителем ленты

подложки. Затем образовавшееся покрытие отделяли от подложки
в виде готовой фольги. Для обеспечения возможности отделения
конденсата от подложки на ее поверхность предварительно наносили
специальное разделительное вещество – антиадгезив.
Ведущие специалисты ВИЛСа отнеслись к этой идее весьма скептически, так как было очевидно, что разработка такой технологии
связана с необходимостью решения целого ряда принципиально новых задач.
Скептики не без основания говорили, что за многие десятилетия
исследований даже традиционный процесс кристаллизации сплавов
из жидкой фазы не был изучен с исчерпывающей полнотой. Также не
до конца были изучены и процессы, связанные с формированием
структуры фольги при ее последующем получении путем термомеханической обработки. Процесс же кристаллизации титановых сплавов из паровой фазы не был изучен вовсе, не говоря уже об отсутствии информации о возникающей структуре и физико-механических
свойствах получаемой фольги.
Сложную задачу представляло и получение фольги с требуемым
химическим составом, причем с равномерным распределением легирующих элементов по толщине, ширине и длине фольги. Дело в том,
что титановые сплавы содержат легирующие компоненты с упругостью пара, различающейся в сотни и тысячи раз. При этом вначале
из расплава будут испаряться компоненты с более высокой упругостью пара, а затем остальные. Поэтому необходимо было изучить
кинетику и термодинамику процесса испарения сплавов, содержащих компоненты с различной упругостью пара.
Получаемая фольга должна обладать заданной толщиной с минимальными ее отклонениями по ширине и длине. А как известно,
при испарении максимальная толщина образуется непосредственно
над центром испарителя, по мере удаления от него толщина уменьшается. Поэтому необходимо было решить задачу пространственного распределения парового потока при высокоскоростном электронно-лучевом испарении.
Сложной задачей был выбор антиадгезива и технологических параметров его нанесения на ленту-подложку. Дело в том, что если отделение конденсата от подложки произойдет преждевременно над
испарителем, то в этом случае фольга частично оплавится, так как
не будет происходить теплоотвод через подложку. Также не должно
происходить отделение конденсата от подложки при смотке в рулон,

иначе
произойдет
повреждение
преждевременно
отделившейся
фольги, а после завершения процесса конденсат должен легко отделиться от подложки в виде готовой фольги.
Однако несмотря на понятные сложности, предложенная технология выглядела очень заманчиво, поскольку за одну технологическую
операцию можно было получить готовый продукт – тонкую фольгу,
тогда как традиционным методом прокатки для получения фольги
из труднодеформируемых сплавов необходимо выполнить множество технологических операций, а получить тонкую и при этом широкую фольгу из титановых сплавов практически невозможно. Поэтому
академик А.Ф. Белов принял решение о разработке в ВИЛСе технологии получения титановой фольги из труднодеформируемых титановых сплавов методом испарения и конденсации в вакууме, о котором сообщали американские специалисты.
В то время, в период «холодной войны», мы еще не знали, что
разработка новых технологических процессов нашими зарубежными
коллегами сопровождалась разработанным ими своеобразными организационно-экономическими ноу-хау. Если новая разработка оказывалась успешной, то публикации по ней в научно-технической литературе прекращались, также переставали делать доклады по этой теме на международных конференциях. Если же разработка оказывалась неудачной, то появлялось множество публикаций в научнотехнической литературе и делались доклады на международных
научно-технических конференциях о якобы успешной разработке
нового технологического процесса. Для чего это делалось? Вложенные средства на «тупиковую разработку» было уже не вернуть,
в этом случае делалась попытка втянуть противоположную сторону
в разработку этого процесса с тем, чтобы у противоположной стороны также при этом создавались значительные финансовые потери. Монография появилась на свет благодаря этому ноу-хау. Нам
удалось успешно довести до конца разработку нового технологического процесса.
В 1972 г. автор этой книги, выпускник кафедры физической химии Московского института стали и сплавов, тогда еще достаточно
молодой сотрудник ВИЛСа, успешно защитил кандидатскую диссертацию на тему «Диффузия водорода и развитие пористости в алюминии». В работе были получены ответы на наиболее актуальные научные вопросы и решен ряд практических задач по теме, относившейся
к числу основных для ВИЛСА. До того в институте ежегодно прово

дились конференции по взаимодействию водорода с алюминием и
образованию пористости в алюминиевых полуфабрикатах. В своей
кандидатской диссертации автор практически «закрыл» эту тему,
ответив на основные возникавшие вопросы, после чего проведение
дальнейших конференций на эту тему оказалось ненужным.
Хорошее знание физической химии, получение принципиально
важных научных результатов и их успешное внедрение в промышленность, по-видимому, и побудили академика А.Ф. Белова назначить автора научным руководителем, а также организационным руководителем нового подразделения ВИЛСа, создаваемого для решения вышеуказанной проблемы.

Академик А.Ф. Белов и Я.Б. Улановский

Уже через несколько месяцев после назначения, несмотря на всеобщий скепсис, первые образцы фольги из титанового сплава были
получены. Но это было только начало, лишь первые представления
о реальной сложности грядущих проблем.
Наши основные эксперименты и технологические разработки были
связаны с задачей получения фольги из титановых сплавов. Однако установленные в ходе работы закономерности процессов и методы решения
технологических проблем имеют достаточно общий характер и могут
быть применены к процессам получения фольги путем испарения и конденсации в вакууме из сплавов на основе других металлов.

Наряду с разработкой научных основ процесса были разработаны
технологические параметры получения фольги и создан комплекс
оборудования для ее промышленного производства.
В монографии также приведено одно из практических применений получаемой фольги при производстве изделий ответственного
назначения. На основе предложенной нами теории газопроницаемости экранов, состоящих из нескольких слоев титановой фольги с заданной сквозной пористостью, для вакуумной техники разработано
устройство, в чем-то аналогичное полупроводникам в электронике.
Такое экранирующее устройство при невысокой температуре является газопроницаемым и обеспечивает откачку всех остаточных газов
через поры в слоях фольги, а при достаточно высокой температуре
оно становится избирательно газонепроницаемым и перекрывает
доступ «вредных» компонентов остаточных газов к изделию, расположенному под экранами.
Необходимо отметить, что при выполнении данной работы автор
встретился с замечательными учеными и специалистами, участие
которых во многом способствовало успешному воплощению в жизнь
данного замысла. Это, прежде всего, руководитель СКБ «Вакуумных
покрытий» (в настоящее время фирма Сидрабе г. Рига), замечательный ученый и конструктор канд. техн. наук Эдгар Вениаминович
Ядин; директор Института электросварки им. Е.О. Патона (г. Киев)
академик Борис Евгеньевич Патон и начальник отдела того же института академик Борис Алексеевич Мовчан; главный инженер НИИ
им. Векшинского (г. Москва) Владимир Владимирович Иванов, начальник лаборатории того же института Михаил Иванович Виноградов и ведущий специалист Владимир Федорович Ульянов; директор
Харьковского физико-технического института академик Виктор Евгеньевич Иванов; специалисты АНТК им. Туполева: начальник отдела внедрения новой техники (одного из основных подразделений
комплекса) замечательный инженер-конструктор Олег Николаевич
Санков, главный технолог Владимир Васильевич Садков, начальник
лаборатории канд. техн. наук Юрий Викторович Горшков; главный
специалист Министерства авиационной промышленности Лев Исидорович Корселадзе, а также сотрудники ВИЛСа – заместитель директора института проф. Николай Федорович Аношкин, руководитель отделения канд. техн. наук Вячеслав Петрович Митин, начальник научно-производственного комплекса канд. техн. наук Владимир

Михайлович Ловцов, ученый секретарь канд. техн. наук Лев Хаскелевич Райтбарг, старший научный сотрудник канд. техн. наук Борис
Абрамович Копелиович.
Особо хотел бы отметить специалистов, которые работали под
моим
непосредственным
руководством – Евгения
Степановича
Жильцова, Александра Владимировича Бушуева, Валентина Федоровича Елисеева, Георгия Исааковича Дубника, Александра Федоровича Сорокина, Александра Дмитриевича Долматова, Виктора Степановича Жуковского, Тихона Сергеевича Третьякова и многих других.
Я особенно благодарен моему учителю – заведующему кафедрой
физической химии МИСиС, заслуженному деятелю науки и техники
РСФСР проф., докт. хим. наук Александру Абрамовичу Жуховицкому.
В заключение хочу выразить благодарность Ирине Владимировне
Апыхтиной за всестороннюю помощь в оформлении данной монографии, а также заведующему кафедрой физической химии НИТУ
«МИСиС» докт. хим. наук, профессору Михаилу Васильевичу Астахову, докт. физ.-мат. наук Юрию Рахмильевичу Немировскому
за внимание, проявленное ими к настоящей работе.

Введение

Неотъемлемой частью научно-технического прогресса является
создание новых материалов и технологических процессов. Для развития авиационной и космической техники, современных ускорительных устройств, вакуумной техники и ряда других отраслей промышленности потребовалось получить уникальные фольговые материалы, в том числе – широкие ультратонкие из труднодеформируемых металлов, из сплавов сложного химического состава, многослойную фольгу, фольгу с повышенными характеристиками прочности, пластичности, жаропрочности, с регламентированной сквозной
пористостью и др.
Традиционный метод получения фольги прокаткой исходной заготовки обладает рядом существенных ограничений.
Принципиальное ограничение на химический состав получаемой
этим методом фольги накладывает растворимость легирующих элементов в исходном жидком расплаве. Этим методом практически
невозможно изготовить широкую ультратонкую фольгу из труднодеформируемых сплавов. Получение многослойных фольг возможно
лишь
в
ограниченном
интервале
соотношения
толщины
слоев
и в ограниченной комбинации различных материалов. Кроме того,
изготовление фольги из труднодеформируемых сплавов посредством
постепенного многооперационного уменьшения толщины исходного
слитка является весьма трудоемким процессом.
Этих недостатков лишен процесс изготовления фольги вакуумным осаждением. Процесс заключается в испарении сплава в вакууме, осаждении паров на поверхность непрерывно движущейся над
испарителем ленты-подложки и последующем отделении конденсата
от подложки в виде готовой фольги. Для обеспечения отделения
конденсата на подложку предварительно наносят специальное разделительное вещество − антиадгезив.
В то время как в методе прокатки сначала получают толстый слиток и затем постепенно уменьшают его толщину, в данном процессе
фольгу получают, последовательно наращивая ее толщину до требуемых значений.
Потенциальные преимущества такого процесса достаточно очевидны. Он позволяет получать широкую ультратонкую фольгу из разнообразных сплавов, так как ограничения по деформируемости в данном

случае не имеют значения. Можно изготавливать многослойные фольги
путем последовательного осаждения различных металлов и сплавов,
в широких пределах варьировать физико-механические свойства фольги
за счет использования неограниченной растворимости различных элементов в паровой фазе и эффекта быстрой кристаллизации.
Другими преимуществами являются: отсутствие загрязнения окружающей среды, так как процесс осуществляется в герметичном
оборудовании; возможность совмещения большинства технологических операций в одном агрегате и малооперационность процесса;
отсутствие следов масла на поверхности фольги, характерных для
метода прокатки.
Кроме того, указанный процесс создает уникальные возможности
в разработке и исследовании новых сплавов. Обычно при исследовании
и разработке новых сплавов выполняется большой объем работ по выплавке слитков с различной концентрацией выбранных легирующих
элементов, изготовлению из слитков деформируемых полуфабрикатов,
их термообработке, изготовлению образцов для механических испытаний, весьма трудоемкому изготовлению тонких образцов для электронно-микроскопических и других видов исследований и т.д.
Новый процесс позволяет получать за одну операцию уже готовые для непосредственных исследований структуры и свойств образцы фольги с плавно изменяющимся содержанием легирующих элементов. Варьируя температуру подложки, можно изучать в широком
диапазоне влияние скорости кристаллизации на структуру и свойства
получаемых сплавов. На этих же образцах можно затем изучать
влияние режимов термической обработки на структуру и свойства
получаемых новых сплавов.
И, наконец, вследствие неограниченной растворимости различных
материалов в паровой фазе можно получать и исследовать образцы
принципиально новых сплавов, которые не могут быть получены
кристаллизацией из жидкого состояния из-за ограничений в растворимости компонентов.
Вышеуказанные преимущества говорят не только об уникальных
потенциальных возможностях нового процесса, но и о целесообразности его более широкого применения как в металлургической практике, так и в материаловедении.Однако более широкое применение
нового процесса во многом сдерживается отсутствием решения ряда
научных задач, необходимых для разработки основных технологических параметров.