Плазменного распыления

Технологические способы повышения циклической прочности. Металлургические факторы. Большое влияние на циклическую прочность оказывает технология выплавки стали. Спокойные стали (раскисленные алюминием) Имеют более высокие пределы выносливости, чем кипящие (раскисленные Мп и Si). Повышенной циклической прочностью обладают стали вакуумной плавки, а также полученные методами электроннолучевого и плазменного переплава или электродугового переплава под слоем синтетического шлака.

Технологические способы повышения циклической прочности. Металлургические факторы. Большое влияние на циклическую прочность оказывает технология выплавки стали. Спокойные стали (раскисленные алюминием) имеют более высокие пределы выносливости, чем кипящие (раскисленные Мп и Si). Повышенной циклической прочностью обладают стали вакуумной плавки, а также полученные методами электроннолучевого и плазменного переплава или электррдугового переплава под слоем синтетического шлака.

Большинство суперсплавов производят, комбинируя вакуумную индукционную выплавку с электродуговым или с электрошлаковым переплавом, — приемы, разработанные в 1950-х и 1960-х гг. Процессы переплава были усовершенствованы; управление ими позволило добиться хороших результатов в ограничении макросегрегации и снижении микросегрегации. Поскольку конструкторы двигателей требовали все новых улучшений качества, металлурги добились большей чистоты сплавов (ибо было показано, что повышение чистоты ведет к явному улучшению надежности вращающихся деталей). Сейчас, чтобы еще успешнее управлять главными процессами выплавки, стремятся выяснить возможности двойного вакуумного электродугового переплава с расходуемым электродом, а также рафинирования путем электронно-лучевого переплава на холодном поду или плазменного переплава. Это новые разработки, они сочетают различные процессы выплавки, чтобы достичь максимально высокого качества продукции.

Промышленное применение каких-либо процессов переплава и рафинирования, кроме вакуумно-дугового или электрошлакового переплавов, очень ограничено. Однако вне промышленного производства такие процессы активно разрабатывают. Задача этих разработок — добиться преимуществ в стоимости качества или долговечности материала по сравнению с теми, что удается достичь с помощью вакуумно-дугового или электрошлакового переплавов. К числу процессов, получивших наиболее заметное развитие, относятся процессы электронно-лучевого переплава на холодном поду, вакуумного двойного электродугового переплава и плазменного переплава. Рассмотрим коротко оборудование и процедуры, которые используют в рамках этих процессов.

Главной компонентой процесса плазменного переплава является плазменно-дуговая горелка. К остальным компонентам относятся источник электропитания переменного или постоянного тока, система подачи газа для запуска горелки, система подачи воды, используемой для охлаждения электродов и защитного кожуха, панель управления, позволяющая

Процесс плазменного переплава обеспечивает интенсивный разогрев расплавляемого материала и может быть реализован в различных газовых средах. Поскольку плавление проводят не в вакууме, происходит вынос некоторых легирующих элементов, присутствующих как в больших, так и в малых количествах. Конкретные сведения, касающиеся устранения сорных элементов или газовых примесей, малочисленны или полностью отсутствуют. Маловероятно, что процесс плазменного переплава дает материал более чистый, чем процесс электронно-лучевого переплава на холодном поду. Однако первый дешевле и позволяет избежать потерь некоторых легирующих элементов, выкипающих из расплава при втором. Поэтому для переплава (рафинирования) электродов таких сплавов после обработки вакуумно-дуговым методом используют плазменный переплав. Какие-либо публикации на этот счет нам не известны.

К достоинствам плазменного переплава относится возможность вести плавку в разнообразных газовых средах при высоком давлении, использовать разнообразные шихтовые материалы, достигать высокой степени раскисления, имеется также потенциальная возможность использовать шлаки [9]. Эти возможности обусловлены высоким уровнем достигаемых температур, отсутствием жесткой связи между подводимой энергией и скоростью плавления, малой длительностью процесса и высокой полезной долей тепловых затрат. Высокоэффективное управление рабочей атмосферой обеспечивает минимальный уровень загрязнения и минимальные потери летучих элементов. Однако опыт практического применения плазменного переплава пока невелик, а главный недостаток этого метода — ограниченные возможности удаления газовых примесей — способен затруднить удаление неметаллических включений и качественную кристаллизацию слитка. В свою очередь, это ограничивает размеры слитков и электродов, которые можно производить данным методом. Почти неизбежно продукцию плазменного переплава приходится затем подвер-156

В отличие от процессов электронно-лучевого переплава на холодном поду или плазменного переплава процесс ва-куумно-дугового двухэлектродного переплава предназначен для управления структурой отливки, а не для операций переплава и рафинирования, направленных на получение нового химического состава. Достоинством этого процесса является возможность получать мелкозернистые отливки суперсплавов высокого эксплуатационного уровня, которые с трудом поддаются горячей деформационной обработке на требуемую форму. Некоторые специалисты полагают, что капли, образующиеся в данном процессе и падающие в изложницу, нагреты до температур между температурами солидус и ликвидус обрабатываемого сплава и служат зародышами равноосных зерен по всему объему формирующегося слитка или электрода. Такого результата можно достигнуть за время примерно втрое большее, чем требуется для вакуумно-дугового переплава, но со значительно меньшими энергетическими затратами. В отличие от вакуумно-дугового или электрошлакового переплава процесс вакуумно-дугового двухэлектродного переплава дает практически безликвационную продукцию. К недостаткам метода относятся жесткая зависимость между подводимой энергией, и скоростью плавления, невозможность рафинирования и сколь-нибудь существенного раскисления. Наиболее серьезная проблема заключается в том, что в процессе вакуумно-дугового двухэлектродного переплава качество исходного электрода в части включений, белых пятен и скоплений первичных фаз передается конечному продукту. Следовательно, наивысший достигаемый уровень качества по всем признакам, кроме характеристик микроструктуры, не может быть выше, чем у исходного электрода.

плазменного переплава были предназначены для улучшения чистоты полученных материалов по неметаллическим включениям. Каждый из перечисленных процессов обладает своими собственными достоинствами, однако ни один из них не может в одиночку придать материалам качества, позволяющие использовать эти материалы в двигателях современных конструкций.

Процессы электронно-лучевого переплава на холодно поду и плазменного переплава обещают более высокую чист! ту по включениям, чем процессы вакуумной индукционной вь плавки, вакуумно-дугового переплава и электрошлаково! переплава в их различных комбинациях. Поэтому для разр; ботки и развития электронно-лучевого переплава на холси ном поду и плазменного переплава созданы соответствующе программы. Отсутствие механизмов для образования бель пятен, потенциальные возможности для эффективного ynpai ления процессом в сочетании с чистотой по неметаллически включениям делают процесс электронно-лучевого перепла* на холодном поду весьма привлекательным в будущем. Однак потенциальные возможности этого процесса, несмотря i свое доказанное существование, пока не были реализован! Почти наверняка материал, подвергнутый этому процесс должен быть затем пропущен через вакуумно-дуговой пер< плав, электрошлаковый переплав или вакуумно-дуговой дву: электродный переплав; это позволит готовить материалы минимальной ликвацией и достаточно высокой горячей дефо] мируемостью в изделиях, размеры которых соответствук нормам промышленного производства.

Энергия ионов, попадающих на мишень, определяется в основном разностью потенциалов, пройденной ионом на последней длине свободного пробега перед мишенью, так как ранее приобретенную энергию он практически полностью теряет в столкновениях с атомами газа. Из-за статистического характера процессов соударения частиц всегда существует большой разброс длин свободного пробега, так что энергия ионов, падающих на мишень, имеет существенный разброс и ионы падают на мишень под разными углами и т. д. Поэтому процесс ионно-плазменного распыления, в котором эффекты собственно ионного распыления и явления в газовом разряде тесно переплетены, исследовать труднее, чем распыление ионными пучками.

Окисные пленки Такие пленки получили исключительно широкое применение в РЭА для защиты от коррозии, в качестве диэлектрических и защитных слоев в пленочных конденсаторах и схемах, в пленарной технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИС и т. д. Получают их методами термического, и ионно-плазменного распыления моноокиси и двуокиси кремния (SiO и SiO2), окиси алюминия (А12О3), титана (ТЮ2), тория (ThO2), тантала (Та2О6) и других металлов.

Намагничивание тонких магнитных пленок. Под тонкими магнитными пленками понимают слои магнитного вещества толщиной «0,1 мкм, нанесенные на немагнитную подложку. Наиболее широкое применение получили пленки пермаллоя, содержащие «20% Ni и «80% Fe. На подложку они наносятся методами термического испарения, катодного или ионно-плазменного распыления.

Использование плазменного распыления в импульсном режиме позволило получить никелевое покрытие на борных волокнах, причем разупрочнение волокон составило не более 10%, в то время как при стационарном режиме волокно теряет до половины своей исходной прочности.

Получение сферических порошков тугоплавких металлов проводилось методом плазменного распыления.

В настоящей работе рассмотрен механизм плазменного распыления вольфрама и молибдена по схеме проволока-анод и исследовано влияние переменных параметров процесса на гранулометрический состав и выход фракций получаемого сферического порошка. Экспериментальная часть работы проведена на универсальной плазменной установке УПУ-2М. Диаметры сопла и электрода горелки равны соответственно 3 и 9,5 мм.

Технологические показатели режимов плазменного распыления вольфрама

По результатам исследования влияния переменных параметров процесса плазменного распыления вольфрама определены максимально возможные выходы некоторых фракций и соответствующие им технологические режимы процесса (табл. I. 25).

Скорость осаждения при использовании метода распыления обычно составляет ~0,1 мкм/мин,- т. е. на порядок выше, чем в методе напыления1. В целях повышения производительности или получения толстых пленок разрабатывается аппаратура, позволяющая достигать еще больших скоростей. Гак, в случае плазменных методов (трех- и четырехэлектродный) и магнетрояного метода скорость осаждения достигает 1 мкм/мин. При использовании аппаратуры Для плазменного распыления достигаются большие скорости распыления и имеется возможность -получать пленки с малым количеством посторонних газов. Это является следствием то-

поведению суперсплавов и покрытий при температурном цик-лировании тонкостенных лопастей турбинных лопаток с внутренним охлаждением также будут указывать пути улучшения оверлейных покрытий в будущем. Присущая процессу плазменного распыления при низком давлении практически неограниченная возможность варьировать состав наносимого покрытия дает возможность подбора оптимального состава оверлейного покрытия для каждого конкретного сплава подложки и определенных рабочих условий.

Рис.17.3. Процесс плазменного распыления с вращающимся электродом (ППРВЭ] осуществляется в вакуумплотной камере. Принципиальная схема установки: 1 — вращающийся электрод (анод); 2 — гелиевая плазменная дуга; 3 — водоох лаждаемый вольфрамовый катод; 4 — водоохлаждаемое медное сопло; 5 — вода; i — гелий; 7 — источник электроэнергии для поддержания дуги; 8 — источит электроэнергии для поджига дуги

В проекте «Постоянные пленочные магниты на основе сплава Nd—Fe—В», выполняемом в Московском государственном институте стали и сплавов (руководитель — проф., д. ф.-м. н. А.С.Лилеев), методом ионно-плазменного распыления получены магнитотвердые пленочные магниты толщиной 30...300 мкм с магнитной энергией до 35 МГс-Э. Найдены оптимальные условия напыления. Разработана технология получения пленок с кристаллической текстурой, перпендикулярной плоскости пленки, со свойствами: Д, = 23,7 кЭ, Вг = 10,1 кГс и (ВЯ)тах = 25,5 МГс • Э, и изотропных магнитотвердых пленок, обладающих jHc - 30 кЭ, Вг = 6,3 кГс и (^Я)тах = 12 МГс • Э. Изучено влияние температуры подложки при напылении Тп и режимов отжига на магнитные свойства и текстуру получаемых пленок. Определен интервал температур напыления и отжига пленок, при которых формируется кристаллическая текстура в пленках, когда ось с перпендикулярна плоскости пленки.