Введение

В современном авиадвигателестроении все большее внимание уделяется проблеме продления ресурса деталей, увеличению срока службы, повышению надежности и долговечности. Одним из актуальных вопросов является увеличение ресурса деталей авиационной техники при уменьшении их стоимости. С этой целью используются различные защитные и упрочняющие покрытия. Они позволяют продлить ресурс деталей авиационной техники [2–5].

При защите деталей, подверженных различным видам изнашивания (износ при трении, фреттинг-износ, эрозионное изнашивание), используют упрочняющие покрытия. Существуют различные методы нанесения упрочняющих покрытий: атмосферно-плазменный, детонационный, ионно-плазменный, различные виды наплавки (газопламенная, лазерная) и др. Особое место занимает ионно-плазменный метод нанесения покрытий. В ВИАМ разработан оригинальный метод получения ионно-плазменных покрытий – вакуумно-плазменная технология высоких энергий (ВПТВЭ). Полученные покрытия отличаются высокой адгезией, хорошим качеством поверхности, высокими эксплуатационными характеристиками [6–15].

При нанесении ионно-плазменных покрытий материал катода испаряется с помощью вакуумной дуги и конденсируется на поверхности деталей, образуя плотное, практически беспористое, покрытие. Зачастую при определении требуемых эксплуатационных характеристик необходимо оперировать физическими величинами, табличное значение которых отсутствует. В конденсированных ионно-плазменных покрытиях такой величиной может стать модуль упругости. Для бинарных соединений такие величины известны, но при плазмохимическом синтезе получаемый материал может отличаться по стехиометрическому составу от эталона. В данной работе рассматривается вопрос установления зависимости модуля упругости от состава конденсированного ионно-плазменного упрочняющего покрытия на основе нитрида титана [16, 17].

Материалы и методы

Процесс плазмохимического синтеза

При ионно-плазменном нанесении покрытий механизм плазмохимического синтеза реализуется на поверхности деталей. Ионы металлов, осаждаясь на поверхность детали, присоединяют к себе атомы реакционного газа, находящиеся в атмосфере вакуумной камеры, по стехиометрическим реакциям:

Очевидно, что для получения одной молекулы нитрида титана необходимо не менее одного атома азота, причем излишки азота вступать в реакцию с титаном не могут, они останутся в камере установки и будут удалены из камеры вакуумным насосом. При недостатке реакционного газа в камере часть атомов титана на поверхности останутся непрореагировавшими и покрытие будет состоять из двух самостоятельных фаз: TiN и Ti.

Удельный привес массы образца зависит от фазового состава материала покрытия, а так как молекулы нитрида титана и атомы титана распределены по матрице покрытия статистически, то содержание молекул нитрида титана и атомов титана в материале покрытия поддается расчету.

Для наглядности процесса плазмохимического синтеза провели эксперимент: на 12 образцов из титанового сплава марки ВТ8 нанесли покрытие из титана марки ВТ1-0 при различном давлении реакционного газа. Образцы взвешивали до и после нанесения, определяли величину удельного привеса Δm. На первый из двенадцати образцов нанесли покрытие при отсутствии реакционного газа, т. е. в естественном вакууме установки МАП-3; удельный привес составил Δm_Ti=Δm_P0=47,6 г/(м²·ч). Для расчета необходимо ввести величину – удельный относительный привес, которая вычисляется по формуле:

                       (1)

где Δm_P – удельный привес образца при давлении реакционного газа в камере установки P, г/(м²·ч); Δm_Pmax – удельный привес образца при максимальном давлении реакционного газа в камере установки, г/(м²·ч).

Результаты эксперимента представлены в табл. 1 и на рис. 1.

Таблица 1

Удельный относительный привес образцов

Из зависимости на рис. 1 очевидно, что при давлении реакционного газа ˃0,1 Па удельный относительный привес массы образцов значительно меняться не будет, что свидетельствует о завершенности реакции синтеза нитрида титана (т. е. степень превращения практически равна 1), учитывая погрешность гравиметрических измерений. Далее в работе будут приниматься во внимание первые 10 образцов, так как данные с последних двух образцов неинформативны. Толщину покрытий на образцах определяли с помощью металлографических исследований, данные о которых представлены в табл. 2 (время осаждения составляло 3 ч).

Рис. 1. Удельный относительный привес образцов в зависимости от давления реакционного газа в камере

Таблица 2

Толщина покрытий на образцах

Методика испытаний

Для определения модуля упругости применяли метод измерения перемещения свободного конца консольной балки в виде образца (рис. 2). При нагружении свободного конца консольно закрепленной балки образуется перемещение δ, которое измеряется бесконтактным триангуляционным датчиком РИФТЕК РФ603 с точностью измерения до 0,0001 мм. Схема изгиба образца под нагрузкой P представлена на рис. 3.

Рис. 2. Эскиз образца в виде консольной балки

Рис. 3. Схема изгиба консольной балки под нагрузкой

Для определения механических характеристик материала балки применяется известная формула [18]:

 (2)

где E_м – модуль упругости материала образца, МПа; l – длина образца от заделки до свободного конца, мм; δ – перемещение свободного конца образца, мм; J_м – момент инерции поперечного сечения образца, мм⁴.

В общем виде при наличии покрытия на образце перемещение свободного конца консольной балки рассчитывается по формуле:

     (3)

где E_п – модуль упругости материала покрытия, МПа; J_п – момент инерции участка поперечного сечения образца с покрытием, мм⁴.

Поперечное сечение образца с покрытием представлено на рис. 4.

Рис. 4. Поперечное сечение образца с покрытием:

h – толщина образца; b – ширина образца; h_п – толщина покрытия

Таким образом, моменты инерции сечения образца рассчитывают по формулам [18]:

  (4)

    (5)

где b – ширина образца; h – толщина образца; h_п – толщина покрытия.

Нагружение образца происходит при подвешивании на свободный конец груза массой 1 кг, при этом сила P, действующая на свободный конец образца, составляет 9,81 Н.

Модуль упругости покрытия вычисляют согласно выражению, полученному из формулы (3):

 (6)

Результаты

Измерение модуля упругости материала основы

Для измерения модуля упругости материала основы (сплава ВТ8), изготовлен образец без покрытия со следующими исходными данными для вычисления: ширина b=10 мм; толщина h=1,51 мм; нагрузка P=9,81 Н; длина образца от заделки до свободного конца l=100 мм; измеренный прогиб образца δ=9,557 мм.

По формуле (4) рассчитали момент инерции сечения:

 мм⁴.

По формуле (2) рассчитали модуль упругости материала образца:

 МПа.

Данный результат довольно точно согласуется со справочными данными: 120000 МПа [18].

Измерение модуля упругости материала покрытия

Для измерения модуля упругости материала покрытия взяли 10 образцов с покрытием, полученным при различном давлении реакционного газа, и, следовательно, с различными значениями удельного относительного привеса. Толщина образцов указана в табл. 3.

Таблица 3

Толщина образцов

Моменты инерции сечения материалов образца и покрытия рассчитывали по формулам (4) и (5), данные о которых приведены в табл. 4.

Таблица 4

Моменты инерции сечения материалов образца и покрытия

Получены прогибы свободного конца образца, а также значения модуля упругости покрытия, рассчитанные по формуле (6), которые представлены в табл. 5.

Таблица 5

Прогибы свободного конца образцов и модули упругости покрытий

Рис. 5. Зависимость модуля упругости покрытия от удельного относительного привеса

На рис. 5 дана зависимость модуля упругости покрытия от значений относительного удельного привеса. Видно, что зависимость модуля упругости материала покрытия от удельного относительного привеса носит линейный характер. Следует также отметить, что значения модуля упругости чистого титана E_п=110500,3 МПа и нитрида титана E_п=253534,9 МПа практически совпадают со справочными значениями: 112000 и 256000 МПа соответственно [19, 20].

Линейная аппроксимация значений модуля упругости

материала покрытия

В связи с близостью экспериментальных и справочных значений модулей упругости титана и нитрида титана, линейную аппроксимацию значений модуля упругости возможно связать со справочными (теоретическими) значениями модулей упругости E_Ti и E_TiN. Из данных рис. 6 видно, что погрешность при вычислении составит не более 10%.

Таким образом, выражение для модуля упругости имеет вид:

   (7)

Рис. 6. Экспериментальный (●) и теоретический (■) модуль упругости материла покрытия

В общем случае в ионно-плазменных покрытиях для бинарных соединений, полученных плазмохимическим методом, справедливо следующее выражение:

   (8)

где R – неметаллический компонент в реакционном газе; E_Me – справочное значение модуля упругости металла испаряемого катода; E_Me-R – справочное значение модуля упругости бинарного соединения на основе металла испаряемого катода.

Очевидно, что величина удельного относительного привеса (ΔM) является ничем иным как степенью превращения вещества. При ΔM=0 испаряемый материал катода (титан) не присоединяет ни одного атома азота, при ΔM=1 все атомы титана присоединяют к себе по одному атому азота. Следовательно, при 0≤ΔM≤1 в качестве материала покрытия выступает механическая смесь атомов титана и молекул нитрида титана в соотношении (1-ΔM) и ΔM соответственно.

Применение

Формула (8) справедлива для расчета модуля упругости материала ионно-плазменного покрытия, полученного плазмохимическим методом, при недостатке реакционного газа в камере ионно-плазменной установки. Зачастую при проектировании конструкций покрытий или прогнозировании их свойств требуется значение модуля упругости материала покрытия. При определении модуля упругости покрытия методом перемещения свободного конца консольной балки требуется дополнительное нетривиальное оборудование, тогда как при расчете по предлагаемой формуле (8) из дополнительного оборудования требуются только весы.

При расчете величины удельного относительного привеса образца с покрытием, нанесенным с недостатком реакционного газа в камере, требуется нанесение покрытия из материала катода при отсутствии реакционного газа и нанесение покрытия с избыточным количеством реакционного газа в камере.

Для демонстрации применения предлагаемой формулы (8) выполнили нанесение покрытия из титана в атмосфере ацетилена (C₂H₂). Выполнили нанесение покрытия с давлением реакционного газа: 0; 0,05 и 0,4 Па. Результаты гравиметрических измерений представлены в табл. 6.

Таблица 6

Удельный относительный привес образцов

Модули упругости титана и карбида титана равны [19, 20]:

E_Ti=112000 МПа, E_TiC=460000 МПа.

По формуле (8) модуль упругости покрытия, нанесенного по режиму 2:

МПа.

Для подтверждения расчета проведены механические испытания со следующими исходными данными: ширина образца b=10 мм; толщина образца h=1,49 мм; нагрузка P=9,81 Н; толщина покрытия h_п=20,7 мкм; длина образца от заделки до свободного конца l=100 мм; модуль упругости материала образца E_ВТ8=119251 МПа.

По формуле (4) рассчитывается момент инерции сечения материала образца:

 мм⁴.

По формуле (5) рассчитали момент инерции сечения материала покрытия:

мм⁴.

Измеренный прогиб образца составил δ=8,538 мм.

По формуле (6) рассчитали модуль упругости материала покрытия:

 МПа.

Относительная погрешность измерения составила:

Таким образом, формула (8) довольно точно, с погрешностью ˂10%, дает возможность для вычисления модуля упругости материала покрытия, полученного методом плазмохимического синтеза в ионно-плазменной установке при степени превращения бинарного соединения менее 1.

Обсуждение и заключения

В результате проведенного исследования установлено, что величина модуля упругости бинарного соединения, полученного плазмохимическим синтезом, поддается расчету, и зависимость величины модуля упругости от удельного относительного привеса носит линейный характер. Такие расчеты могут быть полезны, например, при оценке внутренних напряжений в конденсированных ионно-плазменных покрытиях, расчет которых проводят по формулам:

  (9)

(10)

где E_п – модуль упругости материала покрытия, МПа; E_м – модуль упругости материала основы, МПа; T_м – температура плавления материала основы, К; T_м – температура плавления материала покрытия, К; ΔT – разница между температурой нанесения покрытия и температурой измерения внутренних напряжений, К; α_п – температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материала покрытия, К^-1; α_м – ТКЛР материала основы, К^-1; ν_п – коэффициент Пуассона материала покрытия; h_п – толщина покрытия, мкм; h_м – толщина основы, мкм.

К достоинствам данной методики следует также отнести сравнительную быстроту получения величины модуля упругости с погрешностью не более 10% без использования сложного или нетривиального оборудования и без специальной подготовки образцов.

В результате работы:

– рассмотрен процесс плазмохимического синтеза нитрида титана, обозначены основные закономерности процесса при степени превращения бинарного соединения менее 1. Установлено, что при избытке реакционного газа в вакуумной камере ионно-плазменной установки степень превращения вещества остается равной 1;

– разработана и описана методика измерения модуля упругости материала покрытия методом изгиба свободного конца консольной балки;

– измерен модуль упругости материала покрытия, полученного методом плазмохимического синтеза, при недостатке реакционного газа в камере ионно-плазменной установки. Установлено, что модуль упругости материала покрытия пропорционален степени его превращения;

– предложена формула для вычисления модуля упругости материала покрытия, полученного методом плазмохимического синтеза со степенью превращения менее 1, с использованием справочных величин модулей упругости веществ и соединений, находящихся в покрытии. Установлено, что достоверность прогнозирования величины модуля упругости материала покрытия составляет ˃90%.