RU2046835C1 - Method of vacuum deposition of coatings - Google Patents
Method of vacuum deposition of coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2046835C1 RU2046835C1 SU5057787A RU2046835C1 RU 2046835 C1 RU2046835 C1 RU 2046835C1 SU 5057787 A SU5057787 A SU 5057787A RU 2046835 C1 RU2046835 C1 RU 2046835C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- layer
- substrate
- deposition
- coatings
- Prior art date
Links
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам напыления покрытий в вакууме и может быть использовано в авиа, судо-, автомобилестроении, инструментальном производстве и космических технологиях, связанных с эксплуатацией жаро-, износостойких сталей и сплавов. The invention relates to methods for spraying coatings in a vacuum and can be used in aircraft, shipbuilding, automotive, tool manufacturing and space technology related to the operation of heat-, wear-resistant steels and alloys.
Известен способ вакуумного напыления, заключающийся в осаждении положительных ионов катода на подложку [1]
К недостаткам указанного способа следует отнести неравномерность осаждаемого напыления на поверхность изделий, что вызывает "нештатные" ситуации в части изменения напряженного состояния слоя покрытия, например, на лопатках турбин, определяющих годность, надежность и эксплуатационные характеристики реактивных двигателей.A known method of vacuum deposition, which consists in the deposition of positive cathode ions on a substrate [1]
The disadvantages of this method include the unevenness of the deposited deposition on the surface of the products, which causes "contingency" situations regarding changes in the stress state of the coating layer, for example, on turbine blades that determine the suitability, reliability and performance of jet engines.
Главным недостатком следует считать скачок напряжения между поверхностью подложки и граничной областью (зоной) слоя покрытий, что при повышенных температурах и вибрациях, резких перепадах ("хлопках") пороговых сверхзвуковых давлений, включая и резонансные явления, встрече с лазерными источниками, распаде покрытий вследствие реагирования с агрессивными средами кислот и щелочей, реагирование с космической пылью, имеющей большую массу и активность, нежели известные на Земле редкоземельные элементы, например при встрече с пылью звезд квазаров, приводит(ет) к перераспределению напряженного состояния граничного подповерхностного слоя. The main drawback is the voltage jump between the surface of the substrate and the boundary region (zone) of the coating layer, which at elevated temperatures and vibrations, sudden changes ("pops") of threshold supersonic pressures, including resonance phenomena, encounter with laser sources, collapse of coatings due to reaction with aggressive environments of acids and alkalis, reaction with cosmic dust, which has a greater mass and activity than rare earth elements known on Earth, for example, when meeting with dust of quasic stars moat leads (a) to redistribute the stress state of the boundary of the subsurface layer.
Кроме того, рассеивание покрытия по камере для вакуумного напыления приводит к удорожанию процесса, а совмещение компонентов в катоде в различных процентных соотношениях оставляет невостребованными композиции целой гаммы покрытий с промежуточным элементом оксидом алюминия Аl2O3, который, являясь меньшим по массе и активности, реагирует с элементами покрытия в первую очередь, опережая взаимодействие покрытия со слоем материала подложки (детали).In addition, scattering of the coating along the chamber for vacuum deposition leads to a costlier process, and the combination of components in the cathode in various percentages leaves unclaimed compositions of a whole gamut of coatings with an intermediate element Al 2 O 3 , which, being smaller in mass and activity, reacts with coating elements, primarily, ahead of the interaction of the coating with a layer of substrate material (part).
Прочность связей компонентов покрытия ухудшается при его наклепе шариками, так как более чем 15-кратное попадание в одну точку (согласно теории проф. д.т.н. Кудрявцева из КуАИ) приводит к образованию перенаклепа, а следовательно, и трещин, рождающихся в граничной зоне слоя покрытия с подложкой. Кроме того, производя наклеп поверхности шариками, мы пытаемся совместить два совершенно различных процесса: процесс внедрения ионов со скоростью от 5 до 40 мкм/с при высокой степени разреженности рабочей камеры и механическое взаимодействие шариков и слоя покрытия, недостаточно полно меняющих структуру приповерхностной зоны от 1 до 2 мкм, что особенно маловероятно при встрече шариков с микронным слоем оксида алюминия, являющегося износостойкой смазкой при встрече с шариками (Проспект фирмы "САНДВИК КОРОМАНТ", 1982, раздел "О нанесении износостойких покрытий на поверхность режущих пластин"). Скорость полета шарика колеблется от 30 до 120 км/ч, что в 60 и более раз меньше скорости внедрения компонентов катода в подложку, несоизмеримо и пятно контакта. The strength of the bonds of the coating components deteriorates when it is hardened with balls, since more than 15-fold hit at one point (according to the theory of Prof. Doctor of Technical Sciences Kudryavtsev from KuAI) leads to the formation of pereklep and, consequently, cracks originating in the boundary the area of the coating layer with the substrate. In addition, by hardening the surface with balls, we are trying to combine two completely different processes: the process of introducing ions at a speed of 5 to 40 μm / s with a high degree of rarefaction of the working chamber and the mechanical interaction of the balls and the coating layer, not completely changing the structure of the surface zone from 1 up to 2 microns, which is especially unlikely when the balls meet with a micron layer of aluminum oxide, which is a wear-resistant lubricant when meeting with balls (Prospect of the company "SANDVIK KOROMANT", 1982, section "On applying wear resistant coatings on the surface of the cutting inserts "). The ball’s flight speed ranges from 30 to 120 km / h, which is 60 or more times less than the speed of introduction of the cathode components into the substrate, and the contact spot is incommensurable.
Отсутствие знакопеременного магнитного поля, удерживающего массу иона в зоне расположения напыляемого объекта, реверсирование направления движения подложек с амплитудой, зависящей от свойств (напряженности) магнитного поля системы и возможности перехода от кольцевого к разделенному (ым) потоку(ам), ограничивает технологические возможности процесса в части волнообразного осаждения ионов на подложки с резонированием их скорости потока и удержанием этого резонанса при одновременном снижении мощности излучения и получении активного тепловыделения от ускорения потока ионов. The absence of an alternating magnetic field that holds the ion mass in the area of the sprayed object, reversing the direction of motion of the substrates with an amplitude that depends on the properties (intensity) of the magnetic field of the system and the possibility of transition from annular to divided flow (s) limits the technological capabilities of the process in parts of the wave-like deposition of ions on substrates with resonance of their flow velocity and retention of this resonance while reducing the radiation power and obtaining active flooding from accelerated ion flow.
Промежуточный слой оксида алюминия между активными компонентами покрытия продлевает срок его службы как в процессе хранения, так и в процессе эксплуатации изделий. The intermediate layer of aluminum oxide between the active components of the coating extends its service life both during storage and during operation of the products.
Анализ недостатков прототипа, наряду с его положительными сторонами в части упорядочения активности и масс элементов покрытия относительно поверхности подложки позволяет сделать вывод о необходимости совершенствования известного технического решения, целью которого является: образование плавной переходной зоны напряжений от подложки ко всему сечению слоя покрытия на всей площади напыления с одновременным повышением качества, долговечности, снижением расхода массы катода, что приводит к более высокой адгезионной способности покрытия. Analysis of the disadvantages of the prototype, along with its positive aspects in terms of streamlining the activity and mass of coating elements relative to the substrate surface, allows us to conclude that it is necessary to improve the well-known technical solution, the purpose of which is: the formation of a smooth transitional stress zone from the substrate to the entire cross-section of the coating layer over the entire spraying area while improving the quality, durability, reducing the consumption of cathode mass, which leads to higher adhesive ability of the coating tions.
Это достигается тем, что способ вакуумного напыления покрытий, заключающийся в осаждении ионов покрытия на подложку, отличающийся тем, что компоненты покрытия наносят послойно в знакопеременном магнитном поле с толщиной слоя 1-10 мкм, с реверсивным вращением подложек вокруг собственной оси, с амплитудой, зависящей от свойств магнитной системы, причем компоненты катода наносят по степени убывания их активности, а между слоями поверхности подложки и покрытием, а также между каждой парой слоев наносимого покрытия осаждают как минимум 1 мкм оксида алюминия (Al2O3).This is achieved by the fact that the method of vacuum deposition of coatings, which consists in the deposition of coating ions on a substrate, characterized in that the coating components are applied layer-by-layer in an alternating magnetic field with a layer thickness of 1-10 μm, with a reverse rotation of the substrates around its own axis, with an amplitude depending from the properties of the magnetic system, and the cathode components are applied in the degree of decrease in their activity, and between layers of the surface of the substrate and the coating, as well as between each pair of layers of the deposited coating, at least 1 μm sida alumina (Al 2 O 3).
Магнитное кольцевое поле периодически разделяют на секторные участки за каждый цикл прямого и обратного хода стола и вращающейся подложки (детали). The magnetic annular field is periodically divided into sector sections for each cycle of the forward and reverse motion of the table and the rotating substrate (part).
Раздельное осаждение ионов каждого компонента от подвижного катода и поджигающего электрода, удержание ионов в ограниченной зоне расположения подложек, которым придается планетарное и собственное реверсивное движение, воздействие на потоки ионов различной концентрацией магнитных потоков, разделение кольцевого (ых) потока (ов) на секционные управляемые с помощью систем программного обеспечения, укладка различных композиций покрытий с разделением слоев как минимум одним слоем оксид алюминия 1-2 мкм, упорядочение укладки ионов в соответствии с активностью и массой все это способствует повышению адгезионной способности покрытий и предотвращает скачкообразный переход напряжений от поверхности подложки к слою покрытия. Separate deposition of ions of each component from the movable cathode and the ignition electrode, the retention of ions in a limited area of the substrate, which is given planetary and proper reverse motion, the effect on the ion flux of different concentration of magnetic fluxes, the separation of the ring (s) stream (s) into sectional controlled using software systems, laying of various coating compositions with separation of layers by at least one layer of aluminum oxide of 1-2 microns, arranging the arrangement of ions according to Combined with activity and mass, all this contributes to an increase in the adhesion ability of coatings and prevents an abrupt transition of stresses from the substrate surface to the coating layer.
Это позволяет сделать вывод о том, что все указанные существенные признаки связаны единым изобретательским замыслом. This allows us to conclude that all these essential features are connected by a single inventive concept.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом [1] позволило установить соответствие критерию новизны. При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, что в определенной степени обеспечивает заявленному техническому решению соответствие критерию "Существенные отличия". A comparison of the proposed technical solution with the prototype [1] made it possible to establish compliance with the novelty criterion. In the study of other well-known technical solutions in this technical field, the features that distinguish the claimed invention from the prototype were not identified, which to some extent ensures the claimed technical solution meets the criterion of "Significant differences".
Результаты исследований по предложенному способу показали возможность плавного изменения напряжений поверхностного слоя, например, для материала ЭП 741. The research results on the proposed method showed the possibility of a smooth change in the stresses of the surface layer, for example, for the material EP 741.
Пример осуществления способа. An example implementation of the method.
В вакуумной камере на базе модели УЭЛ 175, на вращающемся столе, располагают под углом детали между охлаждаемыми кольцевыми магнитами. Лопатки турбин типа МВ или СТ первой ступени ГТД изготовляют из материалов жаростойких сплавов типа ЭП 741-746. Они находятся в одной радиальной плоскости с поджигающими электродами. In a vacuum chamber based on the UEL 175 model, on a rotating table, parts are placed at an angle between cooled ring magnets. Turbine blades of type MV or ST of the first stage of a gas turbine engine are made of materials of heat-resistant alloys of type EP 741-746. They are in the same radial plane with the ignition electrodes.
Напыляемые изделия поворачивают относительно собственной оси и оси планетарно вращающегося стола. Регистрация скорости осаждения компонентов: никеля, хрома, алюминия, иттрия, цезия и др. производится с помощью фотоэлементов. Условия осаждения ионов распыляемого катода выбираются из рабочей характеристики распределения воздушных потоков, способствующих износу контактных зон изделия лопатки турбины по 1-му закону. Эффективность использования излучаемых объемов электронов, соединяющихся с инертным(и) и газом(ами), например с аргоном или азотом и, переходящих в положительные ионы, перед осаждением на подложку выбирают из условий преимущественного осаждения их на выпуклой поверхности изделия за счет обращения этой зоны к излучаемому потоку ионов, а также путем ограничения зоны распространения ионов магнитными импульсами, посылаемыми от тороидных кольцевых (секционных) электромагнитов, имеющих водяное охлаждение. Смена полярности осесимметричных полей заставляет с заданной амплитудой изменять траекторию полета ионов, излучаемых от катода. За счет этого значительно снижается потеря энергии потока ионов вследствие параллельного удержания "исходной траектории полета" ионов. Секционное включение тороидных магнитных полей со сменой их полярности позволяет придать управляемому потоку ионов определенный смысловой рисунок, который может быть задан с помощью ЦПУ ЭВМ. Например, можно фокусировать наибольшее скопление ионов у радиусной части лопатки турбины с уменьшением слоя укладки ионов по всей выпуклой с большим радиусом ее активной поверхности, так как наибольшее скоростное течение тепловых полей или агрессивных сред будет способствовать прежде всего разрушению наносимого покрытия в процессе эксплуатации изделий в реактивном двигателе самолета или при эксплуатации турбин для перекачки нефти или агрессивных кислот или щелочей. The sprayed products are rotated about their own axis and the axis of the planetary rotating table. Registration of the deposition rate of components: nickel, chromium, aluminum, yttrium, cesium, etc. is performed using photocells. The deposition conditions of the sputtered cathode ions are selected from the operating characteristics of the distribution of air flows that contribute to the wear of the contact zones of the turbine blade product according to the 1st law. The efficiency of using the emitted volumes of electrons, which combine with inert (s) and gas (s), for example, argon or nitrogen, and transform into positive ions, is selected from the conditions of their predominant deposition on the convex surface of the product by deposition of this zone to radiated ion flux, as well as by limiting the zone of ion propagation by magnetic pulses sent from toroidal ring (sectional) electromagnets having water cooling. A change in the polarity of the axisymmetric fields makes it necessary to change the flight path of the ions emitted from the cathode with a given amplitude. Due to this, the energy loss of the ion flux is significantly reduced due to the parallel retention of the "initial flight path" of the ions. Sectional inclusion of toroidal magnetic fields with a change in their polarity makes it possible to give the controlled ion flux a definite semantic pattern that can be set using a computer CPU. For example, it is possible to focus the largest accumulation of ions at the radius of the turbine blade with a decrease in the ion-laying layer along the entire convex surface with a large radius of its active surface, since the highest flow rate of thermal fields or aggressive media will primarily contribute to the destruction of the applied coating during the operation of products in a reactive in an airplane engine or in the operation of turbines for pumping oil or aggressive acids or alkalis.
Разделение слоев покрытия оксидом алюминия, как и разделение поверхности подложки слоем 1-2 мкм оксида алюминия будет способствовать резкому снижению температуры лопаток турбин; например при наружной температуре 1100-1150оС рабочая поверхность основного металла (сплава) лопатки турбины будет снижена до 650-700оС, т.е. до порога переходного состояния перлита в аустенит имеется определенный запас от 30 до 80оС. Металл, сохраняя свои физико-механические свойства, не перестраивает кристаллическую решетку и тем самым ярко выраженного перераспределения напряжений между поверхностным слоем лопатки и слоем(ями) покрытия не пpоисходит в процессе эксплуатации изделий в экстремальных ситуациях, причем слой оксида алюминия имеет меньшую массу и активность и пока он не прореагирует с металлом и легирующими элементами изделия и элементами покрытия, чему не способствует окисная пленка алюминия, защищающая одновременно контактирующие с ней зоны, покрытие будет сохранять свою прочность. Термоциклические нагружения на слои покрытия будут носить изменяющийся характер наведения из-за наличия оксида алюминия, являющегося одновременно "смазкой" на межмолекулярном уровне дислокационных связей окружающих его материалов, что в определенной степени вызывает и "рессорный эффект" теплового поля, объясняющего резкий перепад температур между наружной поверхностью покрытия и основным материалом изделия. Это также тесно связано с расплавлением микрометрического слоя алюминия, приводящего к компенсации изменений формы слоев покрытия.The separation of the coating layers of aluminum oxide, as well as the separation of the surface of the substrate with a layer of 1-2 microns of aluminum oxide will contribute to a sharp decrease in the temperature of the turbine blades; for example at an external temperature of 1100-1150 ° C working surface of the base metal (alloy) of the turbine blades will be reduced to 650-700 ° C, i.e. up to the threshold of the transition state of perlite to austenite, there is a certain margin of 30 to 80 ° C. The metal, while retaining its physical and mechanical properties, does not rearrange the crystal lattice and thereby a clearly pronounced redistribution of stresses between the surface layer of the blade and the coating layer (s) does not occur in the process of operation of products in extreme situations, moreover, the layer of aluminum oxide has less mass and activity and until it reacts with metal and alloying elements of the product and coating elements, which is not the way There is an aluminum oxide film that protects the zones in contact with it simultaneously; the coating will retain its strength. Thermocyclic loading on the coating layers will have a changing character of guidance due to the presence of aluminum oxide, which is also a “lubricant” at the intermolecular level of dislocation bonds of the materials surrounding it, which to a certain extent also causes a “spring effect” of the thermal field, which explains the sharp temperature difference between the external coating surface and the main material of the product. This is also closely related to the melting of the micrometric layer of aluminum, leading to compensation for changes in the shape of the coating layers.
Осаждение никеля, хрома, алюминия, иттрия производится, например, в следующем соотношении, 70, 17, 13, 0,05 + 0,3. The deposition of nickel, chromium, aluminum, yttrium is carried out, for example, in the following ratio, 70, 17, 13, 0.05 + 0.3.
Исследование остаточных напряжений сжатия в прототипе показали, что на глубине залегания слоя покрытия 210 мкм, т.е. на уровне его контакта с поверхностью изделия непосредственно у материала лопатки из ЭП 741, остаточные напряжения сжатия по отношению к величине сжимающих напряжений в слое покрытия отличаются на 150 МПа. Эти напряжения снижаются до нуля через 60 мкм слоя покрытия. The study of residual compressive stresses in the prototype showed that at a depth of 210 μm, i.e. at the level of its contact with the surface of the product directly at the material of the blade made of ЭП 741, the residual compressive stresses in relation to the value of compressive stresses in the coating layer differ by 150 MPa. These stresses are reduced to zero through a 60 μm coating layer.
В новом техническом решении эти напряжения принимают другой вид, что позволяет выполнить плавный переход напряжений на всем протяжении наносимых слоев покрытия. In a new technical solution, these stresses take a different form, which allows a smooth transition of stresses throughout the applied coating layers.
Разрушение (разделение) скачка напряжения приведет к ликвидации резкой переходной зоны от основы к покрытию с образованием зоны сжатия, вторичных напряжений сжатия и растяжения относительно каждой переходной ступени слоя покрытия от 1 до 10 мкм. The destruction (separation) of the voltage jump will lead to the elimination of a sharp transition zone from the base to the coating with the formation of a compression zone, secondary compressive and tensile stresses relative to each transition stage of the coating layer from 1 to 10 μm.
Удлинение зоны "скачка напряжений" за счет их перераспределения по участкам наносимого покрытия позволит повысить число циклов нагружения на изделие. При столкновении иона с изделием образуется лунка размером от 1 до 100 
Использование предлагаемого способа и установки по заявке N 4945652 (с положительным решением от 25.06.92) позволит получить высокий экономический эффект от внедрения не только при использовании его для нанесения покрытий на двигатели, но и на инструменты и различного рода механизмы, работающие в экстремальных условиях температур и агрессивных сред, а также при значительных термоциклических нагружениях. Using the proposed method and installation according to application N 4945652 (with a positive decision of 06.25.92) will allow to obtain a high economic effect from the introduction not only when using it for coating engines, but also on tools and various kinds of mechanisms operating in extreme temperature conditions and aggressive environments, as well as with significant thermal cyclic loads.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5057787 RU2046835C1 (en) | 1992-08-05 | 1992-08-05 | Method of vacuum deposition of coatings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5057787 RU2046835C1 (en) | 1992-08-05 | 1992-08-05 | Method of vacuum deposition of coatings |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2046835C1 true RU2046835C1 (en) | 1995-10-27 |
Family
ID=21611121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5057787 RU2046835C1 (en) | 1992-08-05 | 1992-08-05 | Method of vacuum deposition of coatings |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2046835C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2456371C2 (en) * | 2006-10-10 | 2012-07-20 | Эрликон Трейдинг Аг, Трюббах | Laminated system with layer of mixed crystals of multicomponent oxide |
-
1992
- 1992-08-05 RU SU5057787 patent/RU2046835C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Авторское свидетельство СССР N 1685101, кл. C 23C 11/32, 1989. * |
| 2. Предварительные результаты, полученные на установке магнетронного распыления при изготовлении высокоотражающих зеркал для УФ и рентгеновского диапазонов длин волн. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2456371C2 (en) * | 2006-10-10 | 2012-07-20 | Эрликон Трейдинг Аг, Трюббах | Laminated system with layer of mixed crystals of multicomponent oxide |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10822956B2 (en) | Components with cooling channels and methods of manufacture | |
| US10260143B2 (en) | Method and apparatus for application of metallic alloy coatings | |
| KR100813544B1 (en) | Abradeable seal system | |
| US11859499B2 (en) | Turbine clearance control coatings and method | |
| Herman | Plasma spray deposition processes | |
| US8036341B2 (en) | Stationary x-ray target and methods for manufacturing same | |
| US4377371A (en) | Laser surface fusion of plasma sprayed ceramic turbine seals | |
| US7879411B2 (en) | Method and apparatus for efficient application of substrate coating | |
| US20140302278A1 (en) | Components with double sided cooling features and methods of manufacture | |
| US20050287296A1 (en) | Method and apparatus for dispersion strengthened bond coats for thermal barrier coatings | |
| CN1908221A (en) | Method for microstructure control of ceramic thermal spray coating | |
| JP2001525015A (en) | Laser-segmented thermal barrier coatings for turbine shrouds. | |
| US4430360A (en) | Method of fabricating an abradable gas path seal | |
| US9249672B2 (en) | Components with cooling channels and methods of manufacture | |
| JPH01139754A (en) | Abrasion resistant coated article | |
| US20130078418A1 (en) | Components with cooling channels and methods of manufacture | |
| EP1526111B1 (en) | Nano-multilayered structures, components and associated methods of manufacture | |
| CN102839993A (en) | Component with cooling channels and manufacturing method thereof | |
| US10053987B2 (en) | Components with cooling channels and methods of manufacture | |
| US20100078308A1 (en) | Process for depositing a coating on a blisk | |
| JP6254820B2 (en) | Component with microcooled patterning coating layer and method of manufacturing | |
| RU2046835C1 (en) | Method of vacuum deposition of coatings | |
| US3620815A (en) | Vapor collimation in vacuum deposition of coatings | |
| JPH02230902A (en) | Method for improving corrosion resistance and erosion resistance of vane for rotating heat engine and protection film | |
| Kuzmin et al. | Air-plasma spraying of cavitation-and hydroabrasive-resistant coatings |