Метод получения наноструктурированных топокомпозитов для повышения несущей способности конструктивных элементов энергооборудования

МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИННОВАЦИИ

Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 2. С. 253-258.

УДК 620.1:620.22-022.532

П.Б. Гринберг, В.Н. Горюнов, К.Н. Полещенко, Е.Е. Тарасов

МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТОПОКОМПОЗИТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ

Разработан метод получения наноструктурированных топокомпозитов посредством ионно-плазменного комбинированного воздействия. Для реализации метода разработана катодная система, позволяющая в едином вакуумном цикле осуществлять эффективное распыление обрабатываемой поверхности с развитым микро- и нанорельефом, нанесение промежуточного металлизированного подслоя с последующим нанесением наноструктурного покрытия. Изучены особенности развития микро- и нанорельефа поверхности материалов.

Ключевые слова: метод получения, наноструктурные топокомпозиты, метастабиль-ный слой.

Введение

Трудами зарубежных и отечественных ученых развивается новое научное направление - surface engineering [1], ориентированное на создание твердотельных объектов с тонкими покрытиями и модифицированными слоями, получивших название топокомпозитов [2; 3]. Развитие этого направления позволяет по иному подойти к проблеме обеспечения несущей способности контактных поверхностей изделий, в частности к формированию топологии поверхности и выбору толщины модифицированных слоев изделий.

Данное направление, изучающее получение топокомпозитов и включающее в себя технологию создания и расчет оптимальной конструкции поверхностного слоя, ориентировано на конструирование данного класса материалов посредством апробированных и новых технологий нанесения покрытий и модифицирования поверхностных слоев, в том числе и гибридных. Сущность гибридных технологий заключается в совмещении в одном технологическом процессе модифицирования поверхностных слоев от воздействия двух или более потоков вещества с разными энергетическими характеристиками. Использование гибридных технологий позволяет осуществлять как внедрение атомов вещества, так и их осаждение на обрабатываемую поверхность с формированием наноструктурированных слоев.

Научный и практический интерес к наноструктурам обусловлен обнаруженными эффектами значительного повышения химических, физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных материалов, пленок и покрытий [4]. Создание нанокристаллических пленок и покрытий в настоящее время является одним из перспективных направлений наноматериаловедения, поскольку в них могут быть сформированы зерна размерами до 3-5 нм, что практически недостижимо путем наноструктурирования материалов методами порошковой металлургии [5]. Кроме того, высокая дефектность зерен и их границ может рассматриваться в качестве важного фактора получения наноструктурных покрытий с повышенной адгезионной прочностью к материалу основы.

Наноразмерные покрытия представляют собой новое поколение материалов. Они сформированы, по крайней мере, двумя отдельными фазами с нанокристаллической или аморфной структурами. Наноразмерные материалы состоят из зерен с линейными размерами порядка 10 нм и более, которые окружает развитая граница. Типы наноструктурных покрытий приведены на рис. 1.

© П.Б. Гринберг, В.Н. Горюнов, К.Н. Полещенко, Е.Е. Тарасов, 2012

наноколонны

нанозерна

нанозерна

ох

нанозерна нанозерна

б

Рис. 1. Схематическое изображение структур нанопокрытий: а - столбчатая; б - нанозерна, окруженные некоторой фазой; в - смесь нанозерен

Наиболее предпочтительной моделью трибоструктурного состояния является градиентная структура поверхностных слоев с плавно изменяющимися свойствами по глубине при наличии нанодисперсных фаз в тонком поверхностном слое. При этом сдвиговая неустойчивость слоистой структуры в условиях трения будет проявляться при одновременном выполнении условия сочетания «жесткой» границы между покрытием и основой и наличия «нежестких» границ между слоями покрытия.

Идеализированная модель поверхностных слоев, обеспечивающих релаксационные и адаптивные процессы при трибокон-такте, представлена на рис. 2. Формирование слоистой структуры с различными сдвиговыми характеристиками поверхностных слоев может наиболее эффективно способствовать понижению размера деформируемых объемов и тем самым снижению уровня пиковых напряжений в условиях эксплуатации модифицированных конструктивных элементов.

аде

Слой 1

Слой 2~* Граница-*!

Слой 3-*І2.

Граница Слой

Предлагаемая авторами идея конструирования наноструктурированных топоком-позитов триботехнического назначения основана на совместном развитии представлений о влиянии топологических особенностей контактных поверхностей трибосоп-ряжений и их наноструктурного состояния на несущую способность изделий.

В частности, в последнее время интенсивно развиваются способы снижения сил трения в контакте трущихся деталей путем создания на одной из поверхностей маслоемкого микрорельефа. По данным Ю.Г. Шнейдера [6], А.Е. Проволоцкого [7] и других авторов [8-10], поверхности, обладающие одинаковой иррегулярной шероховатостью по параметру Ыа, но имеющие большую мас-лоемкость за счет формообразования на ней регулярного или частично регулярного микрорельефа, увеличивают износостойкость в 3-6 раз, период приработки уменьшается в 1,5-3 раза, снижается уровень шума и повышается плавность хода сопряженных деталей (рис. 3).

Нанодисперсные

фазы

Материал

покрытия

Рис. 2. Модель идеализированной трибоструктуры

б

Рис. 3. Разновидности рельефа накатанных поверхностей (по Д.Г. Громаковскому): а - с непрерывной системой каналов гексагональной формы; б - с системой дискретных микролунок

а

в

• *

Рис. 4. Схематичное изображение направления процессов переноса на микронеоднородных поверхностях различного топологического типа:

1 - поверхность материала основы; 2 - кластерные образования (выпуклости); 3 - впадины (области с пониженной концентрацией элементов); 4 - образованная в результате химических реакций новая фаза в направлении скольжения.

Вместе с тем, использование смазки, особенно в прецизионных трибосопряжени-ях, не всегда допустимо. Тем не менее идеи формирования рельефа в связи с обеспечением минимизации интенсивности изнашивания материалов конструктивных элементов на этапе приработки за счет формирования оптимальных вторичных трибострук-тур, в том числе и debris-слоя, могут оказаться весьма продуктивными. Следует отметить, что некоторые авторы полагают, что образование debris-слоя [11] как раз не зависит от исходной топологии контактирующих поверхностей, а определяется исключительно структурно-фазовым состоянием и температурно-скоростными условиями эксплуатации изделий.

Напротив, структуры топологического типа следует рассматривать с точки зрения их деформационных особенностей. Очевидно, что релаксации сдвиговых деформаций топологических наноструктурированных структур могут осуществляться как путем пластиче-

ской деформации в окрестности наноразмер-ных кластерных образований, так и посредством диффузионного массопереноса вдоль направления скольжения (рис. 4г).

Создание наноструктурированных то-покомпозитов триботехнического назначения связано с рядом проблем технологического характера. Качество наноструктури-рованных пленок и покрытий, помимо технологических режимов их получения, во многом будет определяться финишной операцией подготовки поверхности основы. При этом финишную операцию перед нанесением покрытий можно рассматривать и как способ формирования микрорельефа (топологии), так и как способ активации ее структурно-фазового состояния (табл. 1).

Как правило, эта операция сводится к удалению чужеродных веществ: поверхностных оксидных слоев, частиц от абразива или полировальной пасты, адсорбированных атомов и молекул из остаточной атмосферы вакуумной камеры.

Таблица 1

№ п/п Способ Оборудование Состояние активированной поверхности Недостаток метода

1 Пескоструйный Пескоструйный аппарат Вершины профиля с округленной формой Остатки песка в ямках, наклеп

2 Дробеструйный Дробеструйный аппарат То же Остатки металла и оксидов, наклеп

3 Нарезка «рваной резьбы» Токарно-винторезный станок Профиль резьбы с зазубринами Высокая дефектность поверхности

4 Напыление подслоя Оборудование для напыления Пористая, шероховатая Проблема выбора материала, связаная с химической совместимостью

5 Иглофрезерование с вынужденными колебаниями Специальный станок Выступы и кратеры разной высоты Незакаленная поверхность

6 Плазменно-дуговой Плазменно-дуговая установка Значительный разогрев поверхности Ограниченность использования

б

а

в

г

Одним из наиболее эффективных способов финишной очистки поверхности материала основы является бомбардировка в вакууме ионами газа или металла, генерируемыми материалом катода [12]. Инициация активационных локально неравновесных процессов ионно-плазменным воздействием способствует развитию и накоплению различных типов дефектов (ростовых, дефор -мационных), которые, выходя на поверхность, формируют поверхностно-локализованные структурно-энергетические области, служащие впоследствии при нанесении покрытий центрами образования новых фаз.

Кроме того, очистка распылением может сопровождаться модифицированием поверхности материала в результате термического воздействия, внедрения атомов, а также изменением микро- и нанорельефа поверхности.

Данные предпосылки легли в основу разработанного метода получения наноструктурных топокомпозитов триботехнического назначения с метастабильным слоем.

В качестве методологических принципов получения наноструктурных топоком-позитов использованы следующие:

• структурирование твердотельного объекта в направлении понижения размерности формируемых слоев: макроструктура ^ ^ микроструктура ^ мезоструктура ^ наноструктура;

• использование «перекрестных эффектов» плазменного перемешивания в потоках ионов при интенсивном распылении и активации макроструктуры материала основы путем формирования развитого микро- и нанорельефа;

• образование на активированной поверхности промежуточного пластичного металлизированного слоя в результате развития центров кристаллизации метастабиль-ных фаз (мезоструктуры);

• создание наноструктурного покрытия кластерного типа.

Методика эксперимента

Комбинированное ионно-плазменное

распыление поверхности осуществлялось на модернизированной установке ННВ-6.6 с использованием трех катодов, обеспечивающих воздействие на обрабатываемую поверхность под различными углами. Создание данной конструкции позволяет осуществлять как последовательное распыление поверхности образца, так и обработку тремя потоками плазмы, генерируемой за счет одновременного распыления трех катодов. Подобная конструкция дает возможность перемешивания потоков плазмы для эффективного распыления обрабатываемой поверхности за счет образования многозарядных кластеров и минимизировать вероятность формирования капельной фазы. Атмосферное давление составляло 2-2,5 х х 10-3 мм рт. ст. Энергия ионов составляла Е =1700 эВ. Составы используемых катодов: Т1, А1, Сг. В качестве рабочего газа использовался азот. Топологические изменения обрабатываемой поверхности исследовались с помощью зондового атомно-силового микроскопа ЭТЕОКА и растрового электронного микроскопа ЛЕОЬ.

Результаты и их обсуждение

На рис. 5 показаны электронно-микроскопические изображения формирования поверхностных слоев наноструктурирован-ных топокомпозитов

Обращает на себя внимание то, что на поверхности топокомпозита формируется покрытие, содержащее кластерные образования (рис. 6), размер которых определяется плотностью тока.

Варьируя значениями плотности тока, появляется возможность регулирования размерами кластерных образований. Характеристика структурно-фазового состояния наноструктурированного топокомпозита приведена в табл. 2.

Структурно-фазовое состояние наноструктурного топокомпозита

Таблица 2

Состав и структура основных фаз

1. Наноструктурированный верхний слой (до 30 нм) нитрида хрома

2. Слой твердых растворов на основе

нитрида титана типа її и її ^^)

3. Слой на основе алюминида титана

4. Слой сбмикромикрокристаллических зерен титана

5. Слой материала основы

Состав и морфология вторых фаз

и включении

Частицы О^, окруженные более мелкими кристаллами оксида хрома

Нанокристаллические выделения нитрида алюминия AlNз

Включения оксидов и нитридов Al и ^ по границам зерен

Вид структуры по глубине

а б в

Рис. 5. Электронно-микроскопические изображения формирования поверхностных слоев наноструктурированных топокомпозитов: а - изображение поверхности после распыления, б - после нанесения металлизированного подслоя, в - изображение покрытия кластерного типа

а б

Рис. 6. Изображение покрытия, содержащее кластерные образования: а - плотность тока \ = 10 мА/см2; б - плотность тока \ = 20 мА/см2

Функциональные возможности использования данного топокомпозита обусловлены прежде всего тем, что на начальном этапе трибовзаимодействия с контртелом физикохимические процессы будут определяться деформационным поведением нанострукту-рированного слоя. Это обусловлено тем, что неравновесные границы зерен в нанострук-турированных покрытиях вследствие наличия в их структуре дефектов с предельно высокой плотностью обладают избыточной энергией и полями дальнодействующих упругих напряжений. Тем самым их состояние как термодинамическая система находится в «более» неравновесном состоянии по сравнению с равновесным, характерным для крупнозернистых покрытий большей толщины. Неравновесные процессы в трибосистеме могут приводить к снижению производства энтропии и, следовательно, интенсивности изнашивания и устойчиво протекать при образовании диссипативных структур при самоорганизации (адаптации). При этом наиболее вероятным откликом поверхности как синергетической системы будет изменение ее фрактальной топологии, задающей дальнейших сценарий развития самоподоб-

ных структур на активированной поверхности.

Фактически это было подтверждено исследованиями деформационного поведения наноструктурированного композита в условиях трения.

В условиях трения формируются частицы, образующие упорядоченный массив. Они имеют вытянутую в направлении скольжения форму, продольные размеры которой составляют порядка 400-600 нм. В поперечным направлении размеры конгломератов составляют порядка 150-200 нм. Конгломераты окружены сфероподобными частицами, диаметр которых составляет от 10 до 30 нм (рис. 7а). Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что в процессе формирования поверхностного слоя происходит его фрагментация с образованием разориентированных мезообъемов (рис. 7б), способствующих эффективной

диссипации энергии в трибосистеме.

На основе проведенных исследований разработана модель процессов, определяющих формирование и эксплуатационное поведение наноструктурированного топоком-позита (рис. 8).

а б

Рис. 7. Электронно-микроскопические изображения поверхности: а - наночастиц по границам ячеек, б - фрагментированных мезообъемов

Рис. 8. Модель процессов, определяющих формирование и эксплуатационное поведение наноструктурированного топокомпозита

ЛИТЕРАТУРА

[б]

[1] Bell T. Towards Designer Surfaces // industrial Lubrication and Tribology. 1992. Vol. 44. № 1. P. 3-11.

[2] Современная трибология: Итоги и перспективы / отв. ред. К. В. Фролов. М. : Изд-во ЛКИ, 2008. 480 с.

[3] Воронин Н. А. Топокомпозиты - новый класс конструкционных материалов триботехнического назначения. Ч. 1 // Трение и износ. 1999. Т. 20. № 3. С. 313-320.

[4] Панин В. Е., Сергеев В. П., Панин А. В., Почи-валов Ю. И. Наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурированных покрытий - эффективный способ упрочнения современных конструкционных и инструментальных материалов // Физика металлов и металловедение. 2007. Т. 104. № б. С. 650-660.

[5] Панин В. Е., Сергеев В. П., Панин А. В. Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Томск : Изд-во ТПУ, 2008. 286 с.

[7]

[8]

[9]

Шнейдер Ю. Г. Технология финишной обработки давлением: справочник. СПб. : Политехника, 1998. 414 с.

Проволоцкий А. Е. Струйно-абразивная обработка деталей машин. Киев: Техника, 1989. 177 с. Чеповецкий И. Х. Триботехнология формирования поверхностей. Киев : Наука и техника, 1989. 226 с.

Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безыз-носность). М. : Изд-во МСХА, 2001. 616 с.

[10] Исупов М. Г., Крекнин Л. Т. Повышение эксплуатационных свойств прецизионных пар трения струйно-абразивной обработкой // Вестник машиностроения. 2001. № 7. С. 68-69.

[11] Ибатуллин И. Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев : монография. Самара : Самар. гос. техн. ун-т, 2008. 387 с.

[12] Белоус В. А, Лапшин В. И., Марченко И. Г., Неклюдов И. М. Радиационные технологии модификации поверхности. 1. Ионная очистка и вы-сокодозовая имплантация // Физическая инженерия поверхности. 2003. Т. 1. № 1. С. 40-48.