Лаборатории / Модифицирование поверхностей материалов : Основные результаты — Институт Проблем Машиноведения РАН ( ИПМаш РАН )

Предложена методология направленного формирования свойств поверхностных слоев изделий ускоренными потоками металлической плазмы, основанная на взаимосогласованном рассмотрении процессов испарения наносимого материала, транспортировки продуктов эрозии и осаждении их на поверхности твердого тела, тепловых процессов на испаряемом материале и на подложке, а также параметров плазменного потока.
Определены основные закономерности модифицирования поверхности твердого тела в режиме ионной очистки, учитывающие температуру катода, состав, пространственное и временное распределение генерируемых продуктов эрозии, температуру подложки и давление газовой среды для различных материалов. Полученные зависимости позволяют управлять процессом распыления поверхности, учитывая размеры обрабатываемых изделий и длительность процесса.
Установлено, что равномерностью толщины покрытия, наносимого из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда, можно управлять, изменяя пространственную конфигурацию магнитного поля в области модифицируемой поверхности. Предложена математическая модель и разработаны принципы электромагнитного управления плазменными потоками для формирования покрытий с заданной равномерностью по толщине.
Разработана математическая модель и получены аналитические выражения, описывающие проникновение плазменного потока в цилиндрические полости и определяющие равномерность толщины покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра, в том числе с учетом обтекания плазменным потоком преград.
Для определения скорости потока металлической плазмы - одного из основных факторов, определяющих структуру и свойства покрытий, разработана математическая модель и получены аналитические выражения, основанные на методике измерения параметров плазмы с помощью одиночного цилиндрического зонда.
Впервые показана возможность управления толщиной покрытий использованием компрессионных слоев, возникающих в плазменном потоке перед препятствием на его пути. Обнаруженные компрессионные области имеют сравнительно небольшую протяженность и на расстоянии 3-4 см от поверхности препятствия практически не наблюдаются.
Разработана математическая модель теплового режима металлического стержня, эродируемого под действием вакуумно-дугового разряда. На основе поученных математических выражений предложены способы стабилизации температуры катода испарителя, обеспечивающие стабильность свойств и воспроизводимость формируемых покрытий.
Впервые в отечественной и мировой практике разработаны и внедрены в серийное производство мощных генераторных ламп принципиально новые ресурсосберегающие экологически чистые вакуумные ионно-плазменные технологии на основе вакуумно-дугового разряда для нанесения антиэмиссионных покрытий, таких как Ti, Zr, Pt3Zr и др., высокоэффективное специализированное оборудование для реализации данных технологий, позволившие освоить выпуск стратегически важной для государства продукции повышенной надежности и долговечности, не уступающей по своим показателям лучшим мировым аналогам. Разработанные технологии и оборудование позволили осуществлять выпуск мощных генераторных ламп в нужных объемах, отказаться от применения ядовитых, пожаро- и взрывоопасных веществ, увеличить процент выхода годных изделий. В результате комплексного решения проблемы гарантированная долговечность ламп была увеличена в 3-4 раза и составила 10000-12000 часов. Разработки сотрудников ИПМаш РАН внедрены в серийное производство около 60 видов генераторных ламп на предприятии АОЗТ “СЕД-СПб” (дочернее предприятие АООТ “Светлана”).
Впервые по заказу промышленных предприятий Санкт-Петербурга разработаны новая технология на основе вакуумно-дугового разряда и установка для нанесения защитных покрытий системы CoCrAlY на крупногабаритные лопатки стационарных энергетических газовых турбин. Проведенные исследования показали преимущества вакуумно-дуговой технологии по сравнению с другими технологиями. К их числу относятся: широкая номенклатура используемых материалов покрытий; высокая прочность сцепления покрытий с основным металлом, что в определенных условиях исключает операцию диффузионного отжига; относительно невысокая и регулируемая в процессе нанесения температура изделия, что дает возможность отказаться от проведения восстановительной термической обработки; высокий коэффициент использования испаряемого материала; низкие энергозатраты на испарение; низкая себестоимость покрытий; простота оборудования. Показана высокая эффективность нанесения таких покрытий, как NiCrWTi и CoCrAlY-ZrO2/Y2O3.
Разработана новая технология нанесения покрытий из пиролитического углерода на изделия, которая относится к способам плазмохимического осаждения из газовой фазы. Особенность состоит в том, что плазма вакуумно-дугового разряда с графитового катода одновременно используется как для нагрева подложки и поддержания ее температуры на заданном уровне, ее очистки перед нанесением покрытия, так и для разложения газообразных углеводородов или паров жидких углеводородов на активные радикалы. Впервые данная технология использована для нанесения лучшего на сегодняшний день антиэмиссионного покрытия из пиролитического углерода на сеточные электроды мощных генераторных ламп.
Экспериментально исследован механизм формирования углеродных композиционных материалов на основе нанотрубок, графита и пироуглерода, основанный на разложении углеводородов под действием плазмы вакуумно-дугового разряда. На основе данных композиций углеродных материалов получен принципиально новый сорбент с уникальными свойствами сорбции тяжелых металлов и радионуклидов. Первая оценка сорбционных характеристик нового композиционного материала в лабораторных условиях показала практически полную фильтрацию из водного раствора таких элементов, как свинец и радионуклид ¹³¹I.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем машиноведения Российской академии наук

Контакты