Технология нанесения и свойства функциональных покрытий

ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ И СВОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ


Учебник





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791
ББК 34.641
    Т38

Авторы:
Овчинников В. В., Гуреева М. А., Олефиренко Н. А., Сбитнев А. Г.

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П. А. Соловьева»
Шляпин Анатолий Дмитриевич;
доктор технических наук, с. н. с. АО НПО «ЦНИИТМАШ» Феклистов Станислав Ильич

Т38 Технология нанесения и свойства функциональных покрытий : учебник / [Овчинников В. В. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 260 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1285-8

          Обобщены сведения по основам технологии нанесения защитных функциональных покрытий методами газотермического напыления. Приведены данные о свойствах и структуре защитных покрытий, наносимых газотермическим напылением при изготовлении и реновации деталей узлов и механизмов.
          Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов». Может быть полезно широкому кругу инженерно-технических и научных работников различных отраслей промышленности.

УДК 621.791
                                                           ББК 34.641











ISBN 978-5-9729-1285-8

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


    Одна из наиболее серьезных проблем технологического прогресса состоит в необходимости обеспечивать постоянное соответствие между свойствами новых материалов, применяемых в машиностроении, и все более жесткими условиями их работы. Как правило, оказывается, что хотя бы по одному из параметров эти материалы не соответствуют предъявляемым требованиям.
    Чаще всего наиболее слабым элементом в системе «материал - рабочая среда», определяющим допустимые условия эксплуатации и ресурс всей системы, является поверхность материала. Из этого ясно, насколько важна задача разработки методов и технологии нанесения защитных покрытий на поверхность конструкционных материалов.
    Объем и поверхность любой детали следует всегда рассматривать как единую систему. Главным требованием к защищенной поверхности является то, что она должна обеспечивать существенно лучшую защиту детали в агрессивной среде, чем исходная поверхность, или подложка. Система должна быть нечувствительной к условиям работы независимо от того, создается ли защитное покрытие путем модификации поверхности самой детали или же нанесением на подложку моно- или многослойного покрытия из другого материала. В любом случае нанесению покрытия предшествует определенная обработка поверхности детали одним из известных способов. Конкретная комбинация данной подложки с определенным покрытием называется системой покрытия, и в это понятие включается также случай модификации поверхности материала, хотя для него, быть может, точнее, было бы название «поверхностно-модифицированная система».
    Необходимость применения покрытий для материалов, работающих в различных условиях, вытекает из невозможности соответствующего улучшения эксплуатационных характеристик узлов и деталей даже в случае использования новых конструкционных материалов с улучшенным комплексом физических, механических и металлургических свойств. Выбор конкретной системы покрытия определяется балансом результатов и затрат, т. е. соотношением между улучшением эксплуатационных характеристик детали и стоимостью нанесения соответствующего покрытия.
     Разработка научных основ по направленному изменению физикохимических свойств исходных поверхностей изделий посредством нанесения покрытий относится к приоритетным направлениям во многих развитых странах.
     Все вышеперечисленные аспекты находят отражение в изучении курса «Технология и свойства покрытий».
     В одиннадцати разделах настоящего учебного пособия рассматриваются теоретические основы и технологические аспекты различных методов нанесения покрытий. Теоретические основы различных методов нанесения покрытий излагаются по мере необходимости для объяснения физико-химических процессов происходящих при нанесении покрытий.

3

     В первых главах книги освещены аспекты, связанные с классификацией покрытий и методов их получения. Приведены теоретические положения, связанные со строением и свойствами поверхностного слоя. Отражены методы подготовки поверхности изделий к нанесению покрытий и последующего контроля качества нанесенных покрытий.
     В последующих разделах пособия достаточно подробно рассмотрены теоретические и технологические особенности различных методов нанесения покрытий. Основное внимание уделено методам нанесения покрытий, нашедшим широкое применение в современной технике и технологии.
     Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 22.00.00 «Технологии материалов», 15.00.00 «Машиностроение». Также может быть полезен для широкого круга инженерно-технических и научных работников различных отраслей промышленности.

4

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЙ И МЕТОДОВ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
1.1. Назначение и области применения покрытий

     Технология покрытий, наряду с другими наукоемкими и энергосберегающими отраслями промышленности, является одним из основных направлений развития современного производства передовых стран мирового сообщества. Нанесение покрытий позволяет решить две технологические задачи.
     Первая состоит в направленном изменении физико-химических свойств исходных поверхностей изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации, вторая - в восстановлении свойств поверхностей изделий, нарушенных условиями эксплуатации, включая потерю размеров и массы. Использование покрытий позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики изделий: износостойкость, коррозионная стойкость, жаропрочность, жаростойкость и др.
     В настоящее время продолжается совершенствование и поиск новых методов нанесения покрытий.
     Изучение методов нанесения покрытий, их разновидностей; термодинамики процессов при создании покрытий различного типа на металлических и неметаллических поверхностях; строения, структуры и эксплуатационных свойств покрытий; основного оборудования для газотермического и электротермического нанесения покрытий на металлопродукцию.
     Изучение методов повышения качества изделий формированием многослойных и армированных покрытий; метрологического контроля технологических параметров формирования и их свойств.

1.2. Классификация покрытий и методов их получения

     Покрытия - это одно или многослойная структура нанесенное на поверхность для защиты от внешних воздействий (температуры, давления, коррозии, эрозии и так далее).
     Различают внешние и внутренние покрытия.
     Внешние покрытия имеют границу между покрытием и поверхностью изделия. Соответственно размер изделия увеличивается на толщину покрытия, при этом взрастает масса изделия.
     Во внутренних покрытиях отсутствует граница раздела, и размеры и масса изделия остаются неизменными, при этом изменяются свойства изделия. Внутренние покрытия еще называют модифицирующими покрытиями.
     Различают две основные задачи, разрешаемые при нанесении покрытия
      1.       Изменение исходных физико-химических свойств поверхности изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации.
      2.       Восстановление свойств, размеров, массы поверхности изделия, нарушенных условиями эксплуатации.


5

     Основной причиной появления и развития технологии нанесения защитных покрытий явилось стремление повысить долговечность деталей и узлов различных механизмов и машин. Оптимизация системы покрытия предполагает соответствующий выбор состава покрытия, его структуры, пористости и адгезии с учетом, как температуры нанесения покрытия, так и рабочей температуры, совместимости материалов подложки и покрытия, доступности и стоимости материала покрытия, а также возможности его возобновления, ремонта и надлежащего ухода во время эксплуатации.
     Применение недостаточно прочного покрытия, толщина которого за время работы заметно уменьшается, может привести к снижению прочности всей детали вследствие уменьшения эффективной площади ее полного поперечного сечения. Взаимная диффузия компонентов из подложки в покрытие и наоборот может привести к обеднению или обогащению сплавов одним из элементов. Термическое воздействие может изменить микроструктуру подложки и вызвать появление в покрытии остаточных напряжений. С учетом всего перечисленного оптимальный выбор системы должен обеспечивать ее стабильность, т. е. сохранение таких свойств, как прочность (в ее различных аспектах), пластичность, ударная вязкость, сопротивление усталости и ползучести после любого воздействия. Наиболее сильное влияние на механические свойства оказывает эксплуатация в условиях быстрого термоциклирования, а наиболее важным параметром является температура и время ее воздействия на материал; взаимодействие с окружающей рабочей средой определяет характер и интенсивность химического воздействия.
     Механические способы соединения покрытия с подложкой часто не обеспечивают нужное качество сцепления. Гораздо лучшие результаты обычно дают диффузионные методы соединения. Хорошим примером удачного диффузионного покрытия является алитирование черных и цветных металлов.
     В настоящее время существует много разнообразных способов покрытия и методов их получения.
     Во многих публикациях предлагаются различные схемы классификации неорганических покрытий по различным признакам.
     Можно классифицировать покрытия по следующим основным принципам:
      1.       По назначению (антикоррозионные или защитные, жаростойкие, износостойкие, антифрикционные, светоотражающие, декоративные и другие);
      2.       По физическим или химическим свойствам (металлические, неметаллические, тугоплавкие, химостойкие, светоотражающие и т. д.);
      3.       По природе элементов (хромовое, хромоалюминиевое, хромокремни-евое и другие);
      4.       По природе фаз, образующихся в поверхностном слое (алюминидные, силицидные, боридные, карбидные и другие).

6

     Рассмотрим наиболее важные покрытия, классифицированные по назначению.
     Защитные покрытия - основное назначение связано с их разнообразными защитными функциями. Большое распространение получили коррозионностойкие, жаростойкие и износостойкие покрытия. Широко применяются также теплозащитные, электроизоляционные и отражающие покрытия.
     Конструкционные покрытия и пленки - выполняют роль конструктивных элементов в изделиях. Особенно широко также используются при производстве изделий в приборостроении, радиоэлектронной аппаратуры, интегральных схем, в турбореактивных двигателях - в виде срабатываемых уплотнений в турбине и компрессоре и др.
     Технологические покрытия - предназначаются для облегчения технологических процессов при производстве изделий. Например, нанесение припоев при пайке сложных конструкций; производстве полуфабрикатов в процессе высокотемпературного деформирования; сварке разнородных материалов и т. д.
     Декоративные покрытия - исключительно широко применяются при производстве бытовых изделий, украшений, повышении эстетичности промышленных установок и приборов, протезировании в медицинской технике и др.
     Восстановительные покрытия - дают огромный экономический эффект при восстановлении изношенных поверхностей изделий, например, гребных валов в судостроении; шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания; лопаток в турбинных двигателях; различного режущего и прессового инструмента.
     Оптические покрытия - уменьшают отражательную способность по сравнению с массивными материалами, в основном, благодаря геометрии поверхности. Профилеметрирование показывает, что поверхность некоторых покрытий представляет собой совокупность шероховатостей, высота которых колеблется от 8 до 15 мкм. На отдельных макронеровностях формируются микронеровности, высота которых колеблется от 0,1 до 2 мкм. Таким образом, высота неровностей соизмерима с длиной волны падающего излучения. Отражение света от такой поверхности происходит в соответствии с законом Френкеля.
     В литературных источниках встречаются различные принципы классификации методов нанесения покрытий. Хотя следует отметить, что единой системы классификации методов нанесения покрытий нет.
     Ряд исследователей предложили три классификации методов нанесения покрытий:
      1.       По фазовому состоянию среды, из которой происходит осаждение материала покрытия (табл. 1.1).
      2.       По состоянию наносимого материала (табл. 1.2).
      3.       По состоянию процессов, которые определяют одну группу методов нанесения покрытий (табл. 1.3).

7

       Более подробно классификации методов нанесения покрытий представлены в таблице 1.4.

Т а б л и ц а 1.1

Достоинства и недостатки различных методов нанесения покрытий

   Метод            Достоинства                Недостатки        
             Универсальность; могут                              
             осаждаться все твердые     Возможно нанесение       
             элементы и материалы.      покрытий только          
             Возможно получение         на видимую часть         
    PVD      тонких пленок и достаточно поверхности. Плохая      
             толстых покрытий.          рассеивающая             
             Имеются различные          способность. Дорогое     
             модификации метода.        оборудование.            
             Н = 5-260 мкм.                                      
             Конкурирует с методом      Важную роль играет       
             физического осаждения.     источник нагрева.        
             Могут наноситься           Осаждение обычно         
             элементы и соединения      производится при более   
    CVD      химически активные         высоких температурах,    
             и в парообразном           чем в методе физического 
             состоянии. Хорошая         осаждения. Возможен      
             рассеивающая способность.  перегрев подложки.       
             Н = 5-260 мкм.             Возможно нежелательное   
                                        прямое осаждение.        
             Хорошая однородность                                
             и малые размерные          Ограниченные размеры     
             допуски покрытия.          подложки. Неприменим     
Диффузионное Высокая экономическая      для чувствительных       
 осаждение   эффективность процесса.    к высокой температуре    
 из твердой  Наиболее распространенные  подложек. Более тонкие,  
    фазы     материалы покрытия Al      чем при других           
             и Cr. Высокая твердость    диффузионных методах,    
             покрытия.                  покрытия. Возможно       
             Н = 5-80 мкм.              охрупчивание покрытий.   
             Возможность контроля       Качество зависит         
             условий напыления          от квалификации          
             и качества наносимого      оператора. Подложка      
             материала в ходе процесса. должна быть стойкой      
 Напыление   Возможность получения      к нагреву и ударному     
             толстых однородных         воздействию. Покрытия    
             покрытий.                  пористые с грубой        
             H = 75-400 мкм.            поверхностью             
                                        и возможными включениями.

8

О к о н ч а н и е т а б л и ц ы 1.1

     Метод             Достоинства              Недостатки       
                 Возможно нанесение                              
                 толстых покрытий.        Возможно коробление    
  Плакирование   Можно обрабатывать       подложки. Подходит     
                 большие подложки.        для жестких подложек.  
                 Н = 5-10 % толщины                              
                 подложки.                                       
                 Экономически             Требуется тщательная   
                 эффективный процесс      разработка оборудования
                 при использовании        для обеспечения хорошей
                 водных электролитов.     рассеивающей           
                 Возможно нанесение       способности. Применение
                 драгоценных металлов     в качестве электролитов
                 и тугоплавких покрытий   расплавов солей требует
Электроосаждение из расплавов солей.      жесткого контроля      
    (включая     Используется             для предотвращения     
   химическое    для промышленного        попадания влаги        
и электрофорез)  получения керметов.      и окисления. Вредные   
                 Химическое осаждение     пары над расплавом.    
                 и электрофорез применимы Покрытия могут быть    
                 лишь для некоторых       пористыми              
                 элементов и типов        и в напряженном        
                 подложек.                состоянии. Ограничен   
                 Н = 0,25-250 мкм.        особыми областями      
                                          высоких температур.    
                 Относительно толстые                            
    Горячее      покрытия. Метод быстрого                        
    окунание     нанесения покрытий.                             
                 Н = 25-130 мкм.                                 

Примечание: H - толщина покрытия.

9

Таблица 1.2

Классификация методов нанесения покрытий по фазовому состоянию среды

                          Полужидкое        Газовая среда                               
  Твердое     Жидкое    и пастообразное    (атомное, ионное       Раствор       Плазма  
 состояние   состояние     состояние       или электронное                              
                                           взаимодействие)                              
Механическое Горячее   Золь-гель процесс Физическое осаждение Химический      Физическое
соединение   окунание  Шликерный         из паровой фазы      Г альванический осаждение 
Плакирование Напыление Наплавка          Химическое осаждение Электро-        из паровой
Спекание     Наплавка                    из паровой фазы      гальванический  фазы      
        Обработка поверхности