RU74128U1 - Многокомпонентное наноструктурированное пленочное покрытие - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к многокомпонентным покрытиям и может быть использована в электронной, атомной, оптической промышленности и других областях техники. Многокомпонентное наноструктурированное пленочное покрытие включает в себя N≥1 пленок, каждая из которых получена способом ионно-плазменного нанесения на подложку с распылением мозаичной мишени, содержащей основные компоненты покрытия, в атмосфере инертного газа. При этом покрытие включает в себя по крайней мере одну пленку, полученную способом ионно-плазменного нанесения с импульсной подачей в зону распыления мишени реактивного газа, являющегося дополнительным компонентом покрытия, и образующего соединение с по меньшей мере одним из основных компонентов. В результате обеспечивается создание химически и механически стойких покрытий, включающих различные устойчивые соединения металлов с неметаллами, в частности, нитридов, оксидов, карбидов и т.п. 5 з.п.ф.

Description

Полезная модель относится к многокомпонентным покрытиям и может быть использована в электронной, атомной, оптической промышленности и других областях техники.

Известно многокомпонентное наноструктурированное пленочное покрытие, включающее в себя N≥1 пленок, каждая из которых получена способом ионно-плазменного нанесения на подложку с распылением мозаичной мишени, содержащей основные компоненты покрытия, в атмосфере инертного газа (см. патент РФ 2210620, С23С 14/35, опубл. 20.08.2003 - выбран в качестве наиболее близкого аналога). В известном покрытии пленка или пленки включают в себя основные компоненты, которые в виде вставок размещают в зоне эрозии распыляемой мозаичной мишени (например, в виде цилиндров, каждый из которых выполнен из определенного материала, являющегося одним из основных компонентов покрытия). Недостатком известного покрытия является то, что пленки в нем могут быть образованы только из твердых основных компонентов - в основном металлов и углерода. В то же время при решении некоторых задач для создания химически и механически стойких покрытий может потребоваться включение в их состав различных устойчивых соединений металлов с неметаллами, в частности, нитридов, оксидов, карбидов и т.п.

Полезная модель направлена на преодоление указанных трудностей, известных на предыдущем уровне техники и создание многокомпонентных покрытий, содержащих помимо основных твердых компонентов дополнительные компоненты, образующие с основными компонентами устойчивые соединения.

Поставленная цель достигается в многокомпонентном наноструктурированном пленочном покрытии, включающем в себя N≥1 пленок, каждая из которых получена способом ионно-плазменного нанесения на подложку с распылением мозаичной мишени, содержащей основные компоненты покрытия, в атмосфере инертного газа, которое, согласно полезной модели, включает в себя по крайней мере одну пленку, полученную способом ионно-плазменного нанесения с импульсной подачей в зону распыления мозаичной мишени реактивного газа, являющегося дополнительным компонентом покрытия, и образующего соединение с по меньшей мере одним из основных компонентов.

В качестве указанного дополнительного компонента может быть выбран газ из группы, включающей: азот, кислород, оксид углерода.

В частном случае покрытие может содержать больше одной пленки.

При этом каждая из пленок может содержать соединение дополнительного компонента с по крайней мере одним основным компонентом.

В частном случае покрытие может содержать по крайней мере две пленки с различающимися дополнительными компонентами, выбранными из указанной группы газов.

Предпочтительно, толщина каждой пленки покрытия лежит в пределах 30-60 нм.

Заявленное покрытие по сравнению с известным ранее характеризуется более широкой областью применения и большими функциональными возможностями за счет добавления в него устойчивых нитридов, оксидов и карбидов, является при этом технологичным в связи с тем, что оно может быть получено с использованием хорошо известного метода ионно-плазменного напыления с незначительными изменениями (добавлениями) с получением тонких пленок, вследствие чего обеспечивается достижение требуемых параметров покрытия при незначительных технологических затратах и небольшом расходе исходного сырья.

Получение покрытий методом магнетронного ионно-плазменного нанесения на подложку хорошо известно и описано, например, в наиболее близком аналоге (RU 2210620). Заявленное покрытие изготавливается аналогично с незначительными изменениями, касающимися только этапов, необходимых для получения в составе покрытия соединений исходных и дополнительных компонентов.

Выбирают мозаичную мишень, содержащую в зоне эрозии вставки, выполненные из материалов, являющихся основными компонентами требуемого покрытия (преимущественно этом твердые материалы, такие как металлы, графит и т.п.). Согласно известным на предшествующем уровне техники правилам процентное содержание (в ат. %) каждого из основных компонентов в покрытии (или отдельной соответствующей его пленке, если оно многослойное) может определяться как отношение суммарной площади испарения всех вставок соответствующего основного компонента в мишени к суммарной площади зоны эрозии мишени. Далее подложка (поверхность, на которую наносится покрытие) может размещаться на аноде на расстоянии от мишени, например, равном утроенной величине линейной неоднородности последней (величина линейной неоднородности определяется как расстояние между центрами ближайших однородных

вставок в мишени). Процесс распыления мишени производится в магнетронной системе при известных значениях технологических параметров - остаточной магнитной индукции, потока рабочего инертного газа (например, аргона), плотности мощности разряда магнетрона. При этом для получения нового покрытия согласно настоящей полезной модели в процессе распыления мишени осуществляют периодическую (импульсную) подачу в зону распыления дополнительного компонента в виде реактивного газа, способного к образованию соединений с распыляемыми основными компонентами при заданных (указанных) условиях распыления мишени. К таким газам, без ограничения общности, можно отнести азот (с образованием в результате нитридов), молекулярный кислород (с образованием оксидов), окись углерода (с образованием карбидов) и т.п. (например, галогены). Процентное содержание (в масс.%) образованных таким образом соединений в покрытии (отдельной пленке, если их несколько) будет пропорционально объему реактивного газа, поданному в зону распыления в процессе получения этого покрытия (соответственно, пленки), а толщина пленок может составлять 60 нм и менее. Образованное в результате новое наноструктурированное покрытие может использоваться в различных областях техники в зависимости от использованных основных и дополнительных компонентов, что подтверждается приведенными ниже примерами получения многокомпонентного покрытия по полезной модели.

ПРИМЕР 1. Многослойное наноструктурированное покрытие (количество пленочных слоев более 100) Cr+CrN+Cr.... Покрытие получается путем послойного магнетронного ионно-плазменного распыления мишени со вставками из Cr с нанесением слоев на подложку в газовой среде Ar+N, с чередованием слоя Cr со слоем CrN в соотношении 1:1. Толщина покрытия составляла 5-6 мкм. Данный тип покрытия относится к коррозиестойким и может применяться для снижения налипания и приваривания алюминиевого сплава на пресс-формы и оформляющие стержни оснастки для алюминиевого литья под давлением, что, в конечном итоге, повышает срок службы литейной формы; получение таких благоприятных свойств покрытия связано с чередующимся нанесением на поверхность подложки (например, пресс-формы) нанопленок Cr и CrN за счет автоматического регулярного включения в системе газонапуска подачи азота на 25 сек с последующим отключением его подачи также на 25 сек.

ПРИМЕР 2. Многослойное наноструктурированное покрытие Al:Ti (N), полученное методом магнетронного ионно-плазменного распыления мозаичной мишени, состоящей из алюминиевой матрицы с добавлением Ti - вставок (в процентном

соотношении Al:Ti - 70:30 ат. %) в газовой смеси Ar+N. Толщина такого покрытия составляла 3,6 мкм, адгезия - более 70 Н, микротвердость - 2850 кг/мм², а коэффициент трения при нагрузке 10-80 Н составил 0,4+0,6. Данный тип покрытия относится к износостойким и может применяться, прежде всего, для повышения ресурса работы инструмента; реактивный газ (азот) подавали аналогично примеру 1, подбор процентного содержания нитрида в конечном покрытии осуществляли в предварительных экспериментах регулированием суммарного объема подачи N.

ПРИМЕР 3.. Многослойное наноструктурированное покрытие, содержащее оксиды алюминия, циркония и иттрия, полученное методом магнетронного ионно-плазменного распыления мозаичной мишени в газовой смеси Аr+O с импульсным напуском в зону распыления молекулярного кислорода в экспериментально подобранных заранее объемах; мишень состоит из алюминиевой матрицы с иттриевыми и циркониевыми вставками (в процентном соотношении Al:Y:Zr - 40:30:30%); толщина такого покрытия составляет 25-30 мкм, которое является внешним покрытием на лопатки турбин газотурбинных двигателей, эксплуатируемых в активной окислительной среде; при этом иттрий и стабилизирует процесс образования оксидов Аl₂О₃ и Zr₂O₂, и, одновременно, повышает высокотемпературную стойкость система "лопатка-покрытие".

Таким образом, экспериментально подбирая необходимые режимы (объемы и длительность импульсов) подачи реактивных газов в зону распыления можно получать многокомпонентные покрытия, включающие в себя исходные основные компоненты (твердые материалы) и/или соединения этих компонентов с дополнительными компонентами (указанными газами).

Следует отметить, что приведенные в описании примеры не являются исчерпывающими и могут служить лишь для пояснения сущности полезной модели и ни в коей мере не ограничивают объем испрашиваемой правовой охраны, определяемый исключительно прилагаемой формулой полезной модели.

Claims (6)

1. Многокомпонентное наноструктурированное пленочное покрытие, включающее в себя N≥1 пленок, каждая из которых получена способом ионно-плазменного нанесения на подложку с распылением мозаичной мишени, содержащей основные компоненты покрытия, в атмосфере инертного газа, отличающееся тем, что оно включает в себя по крайней мере одну пленку, полученную способом ионно-плазменного нанесения с импульсной подачей в зону распыления мишени реактивного газа, являющегося дополнительным компонентом покрытия и образующего соединение с по меньшей мере одним из основных компонентов.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что в качестве указанного дополнительного компонента выбран газ из группы, включающей азот, кислород, оксид углерода.

3. Покрытие по п.2, отличающееся тем, что N>1.

4. Покрытие по п.3, отличающееся тем, что каждая из пленок содержит соединение дополнительного компонента с по крайней мере одним основным компонентом.

5. Покрытие по п.4, отличающееся тем, что оно содержит по крайней мере две пленки с различающимися дополнительными компонентами, выбранными из указанной группы газов.

6. Покрытие по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что толщина каждой пленки лежит в пределах 30-60 нм.