Разработка технологии получения износостойких твердосмазочных покрытий в магнетронных распылительных системах для узлов трения ДЛА

• Автор: Ушаков, Алексей Михайлович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 209 с.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ (ТСП) И ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ МЕТОДОВ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ
1.1. Принцип работы материалов ТСП и обоснование их выбора
1.2. Обоснование и выбор магнетронной распылительной системы
(MPC) для формирования ТСП. Постановка задачи
2. ПОСТРОЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В MPC И ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЯ. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ
2.1. Физическая модель процесса в MPC
2.2. Моделирование электрических разрядов в магнетронах
2.3. Особенности конденсации и расчет профиля покрытия, осаждаемого
в планарном и цилиндрическом магнетронах
2.4. Разработка и анализ конструктивных схем и конструкций
магнетронов
2.5. Обоснование и выбор MPC с планарной дисковой мишенью и её отработка
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА MPC. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ
3.1. Состав экспериментальной установки и средства измерений
3.2. Методика определения физико-химических свойств покрытия
3.3. Оборудование и методика квалификационной оценки и определения триботехнических свойств покрытий
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТСП
4.1. Формирование ТСП из графитовых мишеней и доработка
конструкции MPC
4.2. Формирование ТСП активным распылением и оценка их характеристик
4.3. Обоснование и выбор ТСП на основе нитрида титана TiN и его характеристики

4.4. Формирование ТСП на основе нитрида титана TiN реактивным распылением на сплавах и исследование их свойств
4.5. Результаты квалификационной оценки покрытий на сплавах по комплексу методов применительно к авиационным ГТД
4.6. Трибологические свойства ТСП на основе TiN на керамике Si3N4
4.7. Получение композиционного ТСП на базе TiN и свинца РЬ и определение его эксплуатационных свойств
5. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ОПЫТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ MPC ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
5.1. Разработка структуры и элементов автоматизированной установки с

5.2. Исследование возможности нанесения покрытия на внутреннюю поверхность труб с помощью магнетрона
5.3. Разработка конструкции магнетрона с повышенным ресурсом
мишени
5.4. Опытные технологии нанесения высокотемпературных ТСП применительно к узлам авиационных двигателей
5.5. Опытный технологический процесс и результаты испытаний ТСП на
базе нитрида титана TiN на образцах и в составе изделий
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Т - температура (СС), (К)
Р - давление Па, нагрузка (Н)
Up, Ui, U - напряжение разряда, потенциал ионизации, (В)
I - ток, (А)
Е - энергия частиц, (эВ)
Вт, В0, В - индукция магнитного поля, (Тл)
Е0, Е - напряженность электрического поля, (В/м)
Xf, хк, х - ширина зон разряда, координата, (м)
dk - ширина темного катодного пространства ТКП, (м)
юв, он - частоты столкновений ионов и электронов, (с'1)
Те, Т| - время пробега электронов и ионов, (с)
Me(me), Mj(mi) - масса электронов и ионов, (г), (кг)
Гле, гЛ| - ларморовские радиусы электронов и ионов, (м) п*, П|, По - концентрации электронов, ионов, атомов, (м"3)
Je, jl - плотности электронного и ионного токов, (A/M2)
Voc, Ve, V, - скорости осаждения, электронов, ионов, (м/с)
R, г„ Гк - радиусы мишени, анода, катода, (м)
Хе, Х|, Яа - средняя длина пробега электронов, ионов, атомов, (м) K(W|) - коэффициент распыления (ат/ион)
5, Н - толщина пленки, покрытия, (м) f - коэффициент трения
ТС - твердая смазка
ТСП - твердое смазочное покрытие
MPC - магнетронная распылительная система
ДЛА - двигатели летательных аппаратов
ГТД - газотурбинный двигатель
ЖРД - жидкостный ракетный двигатель
положительных ионов Аг+ у поверхности мишени в этом случае становится значительной, что и приводит к интенсивной ионной бомбардировке ее и возникновению потока распыленных атомов 11. Плотность ионного тока Jlr в планарных MPC может достигать значений 2000 А/м2 и выше. Предельная скорость распыления определяется теплопроводностью материала мишени и условиями его охлаждения водой, которое предотвращает высокий нагрев мишени и ее оплавление. Распыляемый материал осаждается на подложку 12 со скоростями 5-50 нм/с.
В технике применения магнетронных распылительных систем важную роль играет оценка параметров разряда в зависимости от геометрических размеров и рабочих характеристик системы. Геометрические размеры магниторазрядного промежутка определены и обозначены на Рис. 2.1.
Важнейшим элементом физической модели MPC является анализ движения электронов в системе, и описать его аналитически с учетом всех составляющих движения исключительно трудная задача. Однако оценочные инженерные расчеты, позволяющие понять физику процесса и определить значения рабочих параметров и их границы MPC, крайне полезны [57].
Известно [58], что критерием оценки характера движения частиц в плазме является отношение Е/р, где Е - напряженность электрического поля в разряде, р -давление газа и при больших отношениях направленное движение частиц преобладает над беспорядочным (диффузионным). Для MPC, которые работают при низких давлениях, характерны высокие напряженности электрического поля из-за существования объемных зарядов в довольно узких областях катодного и анодного падения потенциалов. Тогда, если в MPC будет Е/р > 105В/(м Па) [59], то дпижонио электронов и ионов будет направленным.
Оценка дебаевского числа ND, позволяющее оценить неидеальность плазмы, проведенное в работе [59] дает значение ND = (4я73)-и,Л]> > 102, где пе -концентрация электронов, XD - дебаевский радиус экранирования. Это позволяет считать плазму MPC идеальным газом, в котором взаимодействием заряженных частиц между собой можно пренебречь.
В технике применения магнетронных распылительных систем важную роль играет оценка предполагаемых параметров зажигания и существования разряда в зависимости от геометрических размеров и рабочих характеристик системы [60, 61].
Так, по результатам [61] давление рабочего газа Р и индукция магнитного поля В оказывают однонаправленное воздействие на возникновение и существование