Ионно-плазменное наноструктурирование поверхностных слоев высокопрочных сталей и сплавов и нанесение наноструктурных покрытий

Современные знания о природе прочности материалов показывают, что структурно-фазовое состояние тонкого поверхностного слоя имеет значительное, а во многих случаях определяющее влияние на износ и разрушение высокопрочных материалов. В' этой связи разработка методов ионно-плазменного осаждения" покрытий и ионно-пучковой поверхностной модификаций? материалов} является чрезвычайноактуальной:. Еще более важными? становятся эти? методы инженерии поверхности^ сегодня в связи с: расширением поля деятельности. человека на облает®с* экстремальными? условиями? эксплуатациитехники, в которых требования к уровню свойств материалов возрастают многократно, ©-днакошеханизмы: ионно-плазменного-формирования модифицированных поверхностных: слоев и их воздействия на трибомеханические характеристикиматериалов: остаются? во многом неясными, что в значительной степени-сдерживает поиск оптимальных путей их практического применения.

В< физической мезомеханике поверхностные слоинагруженного твердого тела рассматриваются как самостоятельная, подсистема. Отсутствие у атомов поверхности? половины межатомных связей обусловливает особую структуру поверхностного слоя. Его следует рассматривать не просто как ослабленныйкристалл, а как: систему ' нанокластеров, которая ведет себяпринципиально отлично от равновесного кристалла с трансляционной" симметрией. Как следствие, поверхностный слой при нагружении твердого телаболее интенсивно теряет свою сдвиговую устойчивость по сравнению с объемом кристалла и проявляет специфические: механизмы пластического течения недислокациоиной природы.

Сегодня известны направления положительного влиянияионного облучения на трибомеханические свойства ряда металлов и сплавов. Изученные к настоящему времени закономерности структурно-фазовых превращений и связанных с ними изменений свойств материалов относятся в основном к воздействию на поверхность одноэлементных ионных пучков. Однако имеется ряд экспериментальных фактов по воздействию на материалы многоэлементных ионных потоков, — не получивших пока систематического исследования, которые свидетельствуют о гораздоболее эффективном характере их воздействия на материалы. Среди изученных механизмов воздействия ионных пучков слабое внимание уделено эффекту наноструктур ирования поверхностного слоя, хотя как. показывают исследования последних лет именно при наноструктурировании материалов может наблюдаться особенно высокий рост механических свойств. Кроме того основное число установленных закономерностей касается воздействия ионных пучков на структуру и свойства чистых металлов. Рассмотрению поведения высокопрочных сталей и сплавовг при ионной имплантации посвящено ограниченное количество работ. В этой связи актуальным является исследование явления имплантации высокопрочных сталей и сплавов металло-металлоидными ионными пучками,^ как одного из перспективных видов ионно-пучкового модифицирования таких материалов. При этом наиболее важные результаты по повышению прочности, пластичности, износостойкости, усталостных свойств этих материалов могут быть получены в направлении изучения эффекта ионно-пучкового наноструктурирования поверхностного слоя. В настоящее время в промышленности широко применяются ионно-плазменные покрытия на основе соединений переходных металлов, которые характеризуются высокой твёрдостью и износостойкостью. Их недостаткизначительная хрупкость и неудовлетворительная' циклическая стойкость, низкие термическая стабильность и окислительная стойкость ограничивают возможности повышения эксплуатационных характеристик покрытий и сдерживают их распространение на новые области промышленного применения. Для дальнейшего эффективного продвижения по этому пути необходимо не просто увеличивать твердость покрытия и подложки, а выполнять подстройку их структуры друг под друга в области интерфейса. Для этого целесообразно изучить процессы' наноструктурирования и подложки, и покрытия. Плодотворным сегодня оказалось направление по разработке композиционных покрытий. К сожалению, область их практического применения в основном ограничена твердосплавными подложками. Значительное отличие модулей' упругости изначений термического коэффициента линейного расширения" (ТКЛР)1 этих покрытий от сталей не позволяет столь успешно применять их для* защиты стальных деталей. Здесь актуальным является исследование принципов и способов-согласования структуры и свойств покрытий со стальными подложками. В' этом направлении полезным может быть подход, состоящий в" получении чередующихся наноразмерных слоев из разнородных материалов. Формирование нанослоистых покрытий может стать чрезвычайно перспективным направлением как в фундаментальном* аспекте понимания-механизма наноструктурирования материалов, так и в прикладном — при разработке покрытий с уникальными механическими характеристиками для промышленного применения. Актуальным в этом направлении является разработка способов наноструктурирования покрытий и подложки путем ионной бомбардировки.

Отдельное важное место в области создания покрытий и изучения их свойств занимают проблемы формирования многокомпонентных твердосмазочных и многослойных теплозащитных покрытий. Сегодня перспективные антифрикционные покрытия разрабатываются на основе многокомпонентных систем с гетерогенной структурой, состоящей из твердых* частиц в пластичной основе. Нерешенной проблемой остается низкий ресурс работы таких покрытий. Разработка теплозащитных покрытий, применяемых в авиационно-космической технике, также развивается по пути создания многослойной структуры, состоящей из связующих металлических слоев.

CMC) и верхнего керамического слоя (ВКС), наносимыми газотермическими или электроннолучевыми методами. Сегодня изучаются возможности улучшения свойств покрытий путем создания CMC в виде слоистых структур и легирования* ВКС. Однако качественный скачок в совершенствовании-теплозащитных свойств покрытий и повышении их термоциклической стойкости требует разработки новых подходов и методов нанесения таких покрытий. Кроме тогоуказанные покрытия удовлетворительно работают на подложках из жаростойких сталей и суперсплавов (детали* газотурбинных двигателей), имеющих небольшое отличие в TKJIP от CMC. На подложках из медных сплавов, применяемых для? изготовления сопловых аппаратов жидкостных реактивных двигателей, они' не способны работать — разрушаются и отслаиваются в течение нескольких термоциклов из-за значительного отличия" TKJ1P и высокого энергетического воздействия. В настоящее время/ ведется активный поиск и новых материалов, и методов< формирования* теплозащитных покрытий, в частности, вакуумных ионноплазменных. В этом направлении, безусловно, актуальнымможет стать, создание принципиальнонового подхода в разработке теплозащитных покрытий, на основе ионноплазменного формирования термостабильных многофазных наноструктур.

Целью диссертационной работы является разработка научных основ ионноплазменного формирования наноструктурных поверхностных слоев и многокомпонентных и многослойных покрытий на высокопрочных сталях и специальных сплавах. Для достижения целиработы были поставлены следующие задачи:

1. Разработать, методы наноструктурирования поверхностных слоев высокопрочныхсталей и сплавов мартенситного и мартенситно-стареющего классов высокоэнергетическими металло-металлоидными ионными пучками с целью улучшения их триботехнических и механических свойств, исследовать структурно-фазовые состояния наноструктуированных поверхностных слоев и выявить механизмы их влияния на свойства, показать возможности практического применения этих методов.

2. Исследовать процессы формирования нанокомпозитных однослойных покрытий на основе нитридов переходных металлов и интерметаллидов при. осаждении из многокомпонентного плазменного потока способом магнетронного распыления композиционных мишеней и-влияния на них различных методов ионной бомбардировки.

3. Разработать ионно-магнетронные методыполучения нанослоистых композиционных покрытий на основе нитридов переходных металлов, 1 изучить влияние режимов осаждения и* ионнойбомбардировки на их структурно-фазовое состояние и трибомеханические свойства.

4. Разработать структуру и принципы формирования многослойных нанокомпозитных теплозащитных покрытий с высокой термоциклической стойкостью методами ионно-магнетронного напыления.

5. Исследовать термическую стабильность полученных наноструктурных покрытий.

6. Разработать составы и технологии^ нанесения^ ионно-магнетронными методами, исследовать механические свойства и, структурно-фазовое состояние и показать возможности ' практического применения наноструктурных сверхтвердых, износостойких, антифрикционных, термоциклически-стойких покрытий на основе нитридов и оксидов переходных металлов.

7. Разработать экспериментальные устройства и оборудование для наноструктурирования поверхностных слоев сталей и сплавов многоэлементными ионными пучкамии ионно-магнетронного нанесения многокомпонентных и многослойных наноструктурных покрытий.

Методы исследования, обоснованность и достоверность результатов.

Методы исследований определялась требуемым объемом и достоверностью информации, необходимой для достижения поставленной цели работы и были, в основном, экспериментальными. Изучение морфологии и структурно-фазового состояния покрытий и поверхностных слоев материалов проводилось с помощью современных методов физического материаловедения: просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, оптической, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопииДляисследования химического состава использовался1 метод микрорентгеноспектрального анализа и волновой дисперсионнойспектрометрии, — для определения концентрационных профилейграспределения? элементов в поверхностных слоях и слоистых покрытиях— метод масс-спектрометрии вторичных ионов, получаемых при распылении поверхности ионным пучком. Определение триботехнических и механических характеристик образцов с покрытиями и модифицированными поверхностнымислоями выполнялось на современной испытательной базе с помощью приборов «NanoHardnessTester» (СSM), «Revetest-RST» (CSM), «Instron 5582» (USA) и др. Термомеханические характеристики покрытий определялась методомускоренных испытаний термоциклированием с пошаговой фотографическойрегистрацией морфологии поверхности с помощью цифровой микрофотокамеры на длиннофокусном оптическоммикроскопе, теплофизических свойств покрытий — методом огневых испытанийна трехфазном плазмотроне мегаваттного класса в Исследовательском центре им: М. В. Келдыша. Припроведении математического моделирования процессов ионно-пучкового наноструктурирования поверхностных слоев материалов ипокрытий использовались, методы Монте-Карло и. возбудимых клеточных автоматов. Экспериментальное исследование процессов ионно-плазменного наноструктурирования поверхностных слоев материалов и формирования нанокомпозитных покрытий выполнялось с помощью методов импульсно-периодической и непрерывной высокоэнергетической бомбардировки пучками металлических ионов и металло-металлоидными ионными комплексами, магнетронного реактивного распыления композиционных мишеней в импульсном режиме и на постоянном токе, а также в режиме ионной бомбардировки, реализуемой при подаче на подложку отрицательного потенциала смещения или с помощью независимых ионных источников.

Достоверность результатов исследований обеспечивается их систематическим характером, применением комплекса современных экспериментальных методик, сертифицированного оборудования и приборов-и подтверждается сопоставлением полученных результатов эксперимента с расчетными и литературными данными. Все полученные в работе результаты i статистически обработаны и воспроизводимы, часть научных положений и выводов подтверждена при испытаниях в независимых лабораториях и промышленных предприятиях, часть практически реализована.

Научная новизна диссертационной работы заключается-в следующем.

Развит метод ионно-пучковой модификации поверхностных слоев материалов в приложении к высокопрочным конструкционным сталям мартенситного и мартенситно-стареющегоклассов. На основе изучения природы воздействия5 высокоэнергетических пучков ионных комплексов боридов металлов при температурах до 423К экспериментально установлен эффект ионно-пучкового наноструктурирования поверхностного слоя, приводящий в отличие от традиционных способов упрочнения1 к одновременному повышению как прочностных, так и пластических свойств этих материалов. В. рамках методологии физической мезомеханики показано, что в результате его действия создается поверхностный демпфирующий-слой со значительными сжимающими остаточными напряжениями внутри' и «шахматным» распределением сжимающих и растягивающих напряжений на интерфейсе. Такой слой, с одной стороны, обладая низкой сдвиговой устойчивостью и большим количеством мелких пространственно" распределенных концентраторов напряжений на интерфейсе, облегчает образование дислокаций, повышая пластичность материала. С другой стороны, в силу отсутствия крупных концентраторов напряжений и образования наноструктуры и высоких сжимающих напряжений внутри слоя затрудняет зарождение и распространение микротрещин у внешней и внутренних поверхностей раздела, что задерживает деградацию и предотвращает преждевременный износ и разрушение материала.

На примере систем №-А1, Бе-Сг-М, ЭьАШ, ТьАШ, И-С-И, ТьСи-И, Ть г.

А1−81-]М, Бе-Сг-М-Ы, Zv-Y-0 развиты методы ионно-магнетронного формирования наноструктуры в покрытиях путем смешивания атомарных потоков* разных металлов и установлены основные закономерности и механизмы ее влияния-на трибомеханические свойства покрытий. Проведено-систематическое изучение процесса наноструктурирования покрытий в условиях воздействияионных потоков разного типа и состава. Обнаружено и всесторонне исследовано влияние ионного наноструктурирования поверхности подложек на структуру и свойства формируемых на ней многофазных покрытий.

Разработаны и исследованы комбинированные методы формирования слоистых нанокомпозитных покрытий с помощью магнетронного распыления композиционных мишеней и обработки конденсатов потоком металлических ионов в едином вакуумном цикле. Установлены общие закономерности и" отличительные особенности, основные механизмы формирования структурно-фазовых состояний в покрытиях этого класса, их взаимосвязь с трибомеханическими свойствами и термической стабильностью.

С позиций физической мезомеханики сформулированы основные принципы конструирования многослойных теплозащитных покрытий с высокой термоциклической стойкостью. Впервые показано с помощью методов математического моделирования и физического материаловедения, что эффективным путем повышения термоциклической стойкости покрытий при оптимальном составе материала слоев является многоуровневое наноструктурирование системы «подложка-покрытие». На основе предложенных принципов выявлены и экспериментально обоснованы закономерности формирования многослойных нанокомпозитных теплозащитных покрытий на медных подложках, кратно превосходящих по термоциклической стойкости известные промышленные образцы таких покрытий.

Научная и практическая ценность.

Научная-ценность работы определяется полученными новыми знаниями о процессах ионно-пучкового наноструктурирования поверхностных слоев высокопрочных материалов и ионно-магнетронного формирования наноструктурных покрытий, которые могут быть положены в основу дальнейшего развития науки о поверхностных слоях и тонких пленках в физике конденсированного состояния1 и физическом материаловедении. Разработанные ионно-пучково-плазменные методы наноструктурирования поверхностных слоев материалов и формирования наноструктурных покрытий используются при выполнении фундаментальных исследований по программам СО РАН 111.20.1 «Физическая мезомеханика, физика прочности и неравновесная термодинамика твердых тел как многоуровневых систем и проблемы создания на их основе новых материалов, включая наноструктурные» и Ш. 20.2 «Научные основы создания материалов и покрытий, с неравновесными структурно-фазовыми состояниями на основе многоуровневого подхода», по интеграционным междисциплинарным программам Президиума РАН «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий и физика сильно сжатого вещества» и «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов», а также другим программам, выполняемым в в ИФПМ и других институтах СО РАН, Национальных исследовательских Томском политехническом и Томском государственном университетах, Исследовательском Центре им. М. В. Келдыша и др.

Практическая ценность заключается в возможности использования полученных результатов для разработки нового поколения технологий поверхностной обработки и нанесения покрытий с целью создания нового класса высокопрочных материалов с высоким уровнем усталостной долговечности, износостойкости и термоциклической стойкости для применения в авиационнокосмической отрасли, ядерной> и теплоэнергетике, транспортном и< нефтехимическом" машиностроении, инструментальной промышленности!' медицине, а также для' разработки и введения' новых разделов в научно-образовательные, курсы по физике конденсированного состояния и физическому материаловедению в высших учебных заведениях. В качестве конкретных примеров могут служить, проекты, выполненные или выполняемые с использованием полученных в данной работе результатов:

— госконтракт № 16.513.11.30 304 от 12.04.2011 г. «Разработка* ионно.

I ' магнетронного метода1 создания многослойных композиционных покрытий на экспериментальных образцах деталей авиационно-космической'техники",.

— госконтракт № 02.513.11.3432 от 25.11.2008 г. «Создание многослойных и градиентных термически стабильных покрытий в. едином технологическом цикле»,.

— госконтракт № 02.513.12.0019 от 25.08.2008^ г. «Разработка принципов создания наноструктурных многоуровневых термоциклически стойких покрытий для. перспективных изделий, ракетно-космической техники нового поколения»,.

— договор № 008/10/008−3331 от 03.02.2010 г. «Разработка опытной технологии* нанесения' специальных покрытий' на стекло, фонаря» (заказчик ОАО «НАПО-им. В.П.Чкалова»),.

— договор № 004/10 от 14.01.2010 г. «Разработка технологии нанесения ионно-плазменных покрытий на медицинский инструмент» (заказчик ООО НИМ «Сибмединструмент»),.

— договор № 73/08 от 02.08.2009 г. «Упрочнение поверхностных слоев элементов конструкций, выполненных из конструкционных сталей и титанового сплава для увеличения усталостных характеристик» (заказчик ОАО «ОКБ Сухой»).

— договор № 035/09 от 12.09.2009 г. «Разработка и поставка технологии и> установки ионно-плазменного нанесения покрытий на основе нитрида титана» (заказчик ООО «Медсервис»),.

— проект РФФИ, № 09−01−12 026;офим «Научные основы создания наноструктурных композиционных теплозащитных покрытийна металлической и керамической основе для работы в условиях, высокоэнергетических воздействий»,.

— проект РФФИ № 08−08−13 679-офиц «Разработка принципов конструирования многослойных наноструктурных защитных покрытий с высокой адгезией и термоциклической стойкостью для сопел ЖРД и создание лабораторного образца оборудованиядля нанесения таких покрытий»,.

— договор № 03/08 от 16.02.2008 г. «Разработка технологии ионно-плазменного нанесения износостойких покрытий на» рабочую поверхность деталей компрессоров II каскада производства полиэтилена высокого-давления" (заказчик ООО «Томскнефтехим»),.

— договор № 105/05 от 30.12.2005 г. «Разработка и поставка’технологии и установки ионно-плазменного нанесенияпокрытий» (заказчик Фонд «Международный Центр Развития — Железногорск») и другие договоры, и контракты.

Основные положения, выносимые на, защиту:

1″. Метод ионно-пучкового наноструктурирования поверхностных слоев высокопрочных сталейулучшающий комплекс их трибомеханических свойств, и закономерности изменения структурно-фазового состояния во взаимосвязи с трибомеханическими свойствами мартенситных и мартенситно-стареющих сталей при использовании ионных пучков боридов металлов с высокой энергией.

2. Совокупность экспериментальных данных о структурно-фазовом состоянии и трибомеханических свойствах однослойных нанокомпозитных покрытий на основе нитридов переходных металлов, формируемых путем смешивания атомарных потоков разных металлов и ионной бомбардировки.

3. Закономерности ионно-магнетронного послойного' формирования? наноструктур-и их влияния на трибомеханические свойства в нанослоистых покрытиях наоснове’П-ЗьАМФ.

4. Метод ионного наноструктурирования поверхностного слоя медной? подложкш и комплекс экспериментальных результатов о влиянии режимов ионно-магнетронного осаждения нанокомпозитных теплозащитных покрытий" на основе Ег-У-О и" 81-А1-К на их структурно-фазовый^ состав и термоциклическую стойкость.

5. Основные принципыконструирования' многослойных теплозащитных покрытий с высокой термоциклической стойкостью на медных подложках.

Личнышвклад* автора Диссертационная работа — результат обобщения* многолетних исследований, часть из* которых выполнена лично автором, а часть, в соавторстве с сотрудниками лаборатории материаловедения покрытий и нанотехнологий, лаборатории физической мезомеханикии неразрушающих методов контроля, лаборатории физики поверхностных явлений Учреждения РАН' Института физики прочности и материаловедения СО РАН. Личный вклад автора состоит в постановке общих и конкретных задач исследований-, выборе методов их решения, в анализе и обобщении результатов исследований, формулировке выводов и защищаемых положений. В* работах, опубликованных в соавторстве с коллегами, фамилии которых указаны в списке публикаций, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах диссертации.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались более чем на 50 научно-технических конференциях, в т. ч.: Научной сессии Президиума СО РАН по науке и нанотехнологиям, Новосибирск, 2007, Международных конференциях по физической. мезомеханикё, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Россия, Томск, 1999, 2006, 2008, 2009), Международных конференциях по модификации материалов? пучками частиц, и плазменными потоками! (РоссияТомск, 1996, 2002, 2004; 2008, 2010), Международных конференциях «Пленки и покрытия» (Россия, С-Петербург, 1998; 2001),. Российско-Китайских симпозиумах по новым материалам и технологиям (Россия, Байкальск, 1999, КНР, Пекин, 2001), 6-й Международной конференции: «Актуальные проблемы материаловедения» (РоссияНовокузнецк, 1999), 13-м Международномсимпозиуме по воздействию плазмы, на материалы (КНР, Далянь,. 2000), Научно-практической конференции материаловедческих обществ. России «Новые конструкционные материалы» (Москва, 2000), Международных симпозиумах «Фазовые превращения' в твердых растворах и сплавах» (РоссияСочи, 2002, 2003, 2004, 2005), Международшлх конференциях «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (УкраинаХарьков- 2002, 2003) — Международных конференциях «Физика прочности и пластичности материалов» (Россия, Тольятти- 2003; Самара- 2009), Научной конференции «Материалы ядерной' техникиРадиационная* повреждаемость и свойства — теория, моделирование, эксперимент» (Россия, Агой, 2003) — 3-й Конференции «Материалы Сибири», «Наука, и технология наноструктурированных материалов» (РоссияНовосибирск,! 2003) — 6-ой Международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (Украина, Харьков, 2003), 8-м Корейско-Российском симпозиуме по науке и технологиям (Россия, Томск, 2004), Международных конференциях «Актуальные проблемы прочности» (Россия, Вологда- 2005, Белгород, 2006),.

14-й Международной конференции по прочности материалов (КНР, Сиань, 2006), Всероссийских конференциях по наноматериалам (Новосибирск, 2007, Екатеринбург, 2009), Международном конгрессе по разрушению (Россия, Москва, 2007), Международных симпозиумах «Упорядочение в минералах и сплавах» (Россия, Ростов-на-Дону — Лоо, 2007, 2009), Международных конференциях «Деформация и разрушение материалов1 и наноматериалов» (Россия, Москва, 2007, 2009), Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2007), 1-й Всероссийской конференция- «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (Москва, 2008), 5-м Международном симпозиуме «Прикладная синергетика в нанотехнологиях» (Россия, Москва, 2008), 17-й Европейской конференции по разрушению (Чешская республика, Брно, 2008), 3-м Международном форуме по стратегическимтехнологиям (Россия, Новосибирск, 2008), 5-й Международной конференции «Материалы и покрытия* в экстремальных условиях» (Украина, Большая Ялта, Жуковка, 2008), Международной конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты воздействия внешних полей на материалы» (Россия, Новокузнецк, 2010), 2-м Международном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (Россия, Ростов-на-Дону — Лоо, 2010), 12-й Международной конференции «Multiscaling ofsynthetic and natural systems with self-adaptive capability» (Тайвань, Тайбэй, 2010), 2-й Международной конференция «Наноструктурные материалы» (Украина, Киев, 2010), 6-й Международной конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Россия, Черноголовка, 2010).

Публикации1.

По теме диссертации опубликовано 107 печатных работ, из них 3 — в монографиях, 42 — в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 5 — патенты РФ и 57 — в тематических сборниках статей. Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения на 26 стр.,. списка использованной литературы из 325 наименований, всего 539 стр., включая 168 рисунков и 52 таблицы.

Основные выводы по диссертации следующие:-1., На-основе изучения природы воздействия-ионных пучковгна механические: свойства высокопрочных конструкционных сталей мартенситного и мартенситно-стареющего классов притемпературах. ниже 423К экспериментально установленэффект ионно-пучкового наноструктурирования поверхностного слоя-, приводящий в отличие от традиционныхспособов, упрочнения к одновременному повышению, с одной стороны, мйкротвердости, прочности, износостойкости, с другой — пластичности и усталостной долговечности. Наибольшей/ величины он достигает приобработке поверхностивысокоэнергетическими пучками ионных комплексов боридов на основе, легких металлов с большим атомным радиусом, чем у железа, которые в силу малой массы слабо распыляют поверхностный слой, но внедряются на большую^ глубину, осуществляяпри этом сильные, искажения кристаллической.- решетки материала и создавая высокий градиент напряжений. Эффект связан с измельчением зерен мартенсита до наноразмерного уровня за счет радиационно-стимулированной рекристаллизации поверхностного слоя стали. Одновременно в поверхностном слое происходит увеличение плотности дислокаций, растворение частиц исходных вторичных фаз и образование тонкодисперстных частиц новых фаз, которые стабилизируют сильнодефектную наноструктуру. Величина эффекта и* оптимальная доза? облучения, при которой он достигает максимума, определяются составом ионного пучка и видом обрабатываемого материала.

2. Одновременное повышение износостойкости и снижение коэффициента трения поверхностного слоя подшипниковой стали ШХ-15 мартенситного класса можно получить путем имплантации атомами отдачи, 1 при бомбардировке высокоэнергетическими пучками ионов молибдена предварительно нанесенной тонкой пленки Мо8х. Величина изменения свойств. увеличивается с дозой облучения и зависит от толщины пленки и условий испытания образцовна трение и износ. Повышение износостойкости связано с наноструктурированием ионами' молибдена поверхностного слоя стали, а уменьшение коэффициента трениям — с наноструктурированием пленки. Мо8х.

3. На примере систем №-А1, Ре-Сг-№, ТьАШ, ТьС-ТЧ, ТьСи-Ы, ТьА^Ш, Бе-Сг-М-К установлено, что наиболее высокий комплекс трибомеханических свойств покрытий можно получить, если их сформировать в наноструктурном состоянии. В> составе покрытия должно быть не менее двух фаз: основная, обеспечивающаяэксплуатационные характеристики покрытия и дополнительная, выделяющаяся по границам еезерен и ограничивающая их. рост. Оптимальное их соотношение достигается путем регулированиярежимов магнетронного осаждения с использованием многокомпонентных мишеней и газовых смесей, или с применением комбинированных схем напыления-бомбардировки, с помощью нескольких магнетронов и ионных источников.

4. Непрерывное увеличение содержания одного из компонентов в исследованных двухи трехфазных покрытиях приводит, как правило, к измельчению зеренной структуры до наноразмерного уровня только в определенном концентрационном интервале и, соответственно, к значительному улучшению только в этой области трибомеханических свойств покрытий.

5. Сопровождение процесса осаждения покрытий бомбардировкой, ионами рабочего > газа, инициируемой с помощью приложения к подложке отрицательного потенциала смещения, приводит к уменьшению среднего размера зерен основной фазы и уровня внутренних упругих напряжений, изменению, текстуры, химического и фазового состава, и, вследствие этого, к* существенному изменению твердости, износостойкости и коэффициента трения покрытий. При магнетронном напылении покрытий с промежуточной обработкой слоев ионным пучком от независимого ионного источника позволяет получать твердые и износостойкие нанокристаллические покрытия1 при комнатной температуре путем динамического ионного перемешивания осаждаемых атомов* При этом происходит понижение в покрытиях объемной доли основной' фазы и повышение дополнительной, уменьшается размер зерен и параметр дальнего атомного порядка, изменяется уровень внутренних напряжений и текстура покрытий. Рост дозы облучения усиливает эти эффекты.

6. Разработан и детально исследован ионно-магнетронный метод осаждения нанослоистых композиционных покрытий с чередующимися слоями и прослойками из разных материалов. С помощью проведения непрерывной бомбардировки газовыми ионами в процессе осаждения"такого покрытия можно изменять как толщину этих слоев, так и их структурно-фазовое состояние. Однако более высокий эффект изменения структуры и свойств покрытий достигается при проведении избирательной ионной бомбардировки осаждаемых слоев. В этом случае величина эффекта зависит от вида слоев, которые подвергаются бомбардировке ионами металлов.

7. По сравнению с однослойными нанокомпозитными покрытиями на той же элементной основе нанослоистые покрытия имеют невысокую величину микротвердости, но кратно большую износостойкость и низкий" коэффициент трения. При этом микротвердость не зависит от. толщины чередующихся слоевтогда как износостойкость и коэффициент трения определяются ею. Ионная бомбардировка повышает и микротвердость и* износостойкость покрытий, тогда как отжиг — только микротвердость, износостойкость падает, причем тем больше, чем выше температура отжига. Наблюдаемое изменение трибомеханических свойств связано с изменением структурных характеристик и количественного соотношения фаз в процессе формирования4 покрытия.

Введение

бронзовых прослоек между разнородными1 слоями повышает антифрикционные свойства нанослоистых покрытий. Величина этого эффекта экстремальным образом зависит от толщины прослоек и усиливается при отжиге покрытий. Его возникновение обусловлено низкой' сдвиговой устойчивостью материала прослоек.

8. Одним из основных путей повышения термоциклической стойкости системы «теплозащитное покрытие — подложка» является1 управление состоянием интерфейса с помощью обработки поверхностного слоя подложки сильноточным потоком тяжелых ионов перед нанесением покрытия. Происходящий при, этом процесс наноструктурирования поверхностного слоя подложки приводит к изменению его морфологии, структурно-фазового состояния и комплекса физико-механических свойств. В результате адгезия осаждаемых теплозащитных покрытий повышается в 2−5 раз, а их термоциклическая стойкость — в 1,5−2 раза.

9. Формируемые методом импульсного ионно-магнетронного распыления композиционных мишеней и катодов слои Тх-Ч-О и 8ьА1-М теплозащитного покрытия имеют глобулярную мезоструктуру, состоящую из нанозеренных конгломератов. Они обладают трехфазной структурой, которая обеспечивает высокий уровень трещиностойкости и термомеханических свойств в покрытиях за счет механизмов зернограничного, дисперсионного и трансформационного упрочнения. Установлена взаимосвязь термомеханических свойств покрытий и их термической, стабильности со структурно-фазовым и химическим составом: Сопровождение процесса-напыления покрытий бомбардировкой-ионами позволяет уменьшить, с одной стороны, средний размер зерен в покрытии, с другой, регулировать объемные доли дополнительных фаз.

10. Сформулированы основные принципы конструирования^ многослойных теплозащитных' покрытий с высокой* термоциклической стойкостью на> медных подложках. На" основе предложенных принципов разработаны оптимальные режимы нанесения и составы трехслойных теплозащитных покрытий. Лабораторные испытания полученных по этим режимам покрытий, показали" увеличение термоциклической стойкости до 90−95 циклов, что превышает лучшие результаты, получаемые на однослойных покрытиях в-2−6 раз. Проведение огневых испытаний таких покрытий’во ФРУП «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша» на плазмотроне мегаваттного класса экспериментально подтвердила их работоспособность как в стационарном режиме воздействия потока плазмы, мощностью 26 МВт/м? и температурой 4000К, так и в режиме термоциклирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе представлена разработка научных основ ионноплазменного формирования наноструктурных поверхностных слоев и многокомпонентных и многослойных покрытий на высокопрочных сталях и сплавах. Полученные результаты использованы для создания новых технологий и оборудования? ионно-плазменного поверхностного наноструктурирования — конструкционных сталей и нанесения покрытийкоторые внедрены на 10-ти предприятиях в Российской' Федерации и Китае. В настоящее времяИститутом физики прочности и материаловедения? СО РА1Г ведется совместная деятельность с ОАО «ОКБ Сухой» и НАПО им. В.П. ЧкаловаИсследовательским? Центром им. М. ВКелдыша и ГКНПЦ им. М. В. Хруничева по разработке и внедрению технологий ионно-пучковой обработки материалов и нанесению теплозащитных покрытий с применениемрезультатовщиссертации в авиационно-космическом комплексе России: