Гибридная нанотехнология и установка комбинированной ионнопучковой обработки

Назначение



Предлагаемая нанотехнология и установка предназначены для ионнопучкового наноструктрирования поверхностных слоев деталей машин и механизмов, режущего инструмента, штамповой оснастки из высокопрочных конструкционных и инструментальных сталей и сплавов, сварных соединений, керамики, полимерных материалов и композитов с целью кратного повышения долговечности и усталостной прочности, износостойкости, эрозионной, окислительной и коррозионной стойкости, термоциклической стойкости, снижения коэффициента трения.

Краткая характеристика
Наноструктурирование поверхностных слоев является наиболее эффективным способом их упрочнения, которое обеспечивает максимально однородное распределение напряжений на интерфейсе «покрытие-подложка». Наличие в наноструктуре квазиаморфной фазы обеспечивает эффективную релаксацию в наноструктурном поверхностном слое концентраторов напряжений всех масштабов, приводя к значительному повышению механических свойств нагруженной детали. Максимальные эффекты достигаются при:
- создании в поверхностном слое многокомпонентных композиций;
- использовании максимально мелкой "шахматной" структуры интерфейса, которая позволяет синтезировать в клетках растягивающих нормальных напряжений кластеры различных химических соединений и фаз, а их границы раздела удерживать в клетках сжимающих нормальных напряжений;
- бомбардировке напыляемых слоев покрытия металло-металлоидными ионными пучками, которые способствуют распределению определенных нанокластеров по клеткам "шахматной доски" на интерфейсах.

Технология позволяет проводить процесс без нагрева изделий или при низких температурах (менее 150 °С), что позволяет упрочнять детали машин, изготовленные из материалов с низкой температурой отпуска или плавления. С помощью предлагаемой технологии можно упрочнять детали, изготовленные из материалов, которые применяемыми сегодня в промышленности методами не упрочняются (например: твердые сплавы, керамики, полимеры, нержавеющие и медные сплавы и др.), а также реализовать возможность комплексного улучшения нескольких свойств материалов одновременно, которые при традиционных способах упрочнения изменяются во взаимо-противоположных направлениях, например, повышение прочности и пластичности, повышение износостойкости и снижение коэффициента трения.

При обработке не происходит окисления поверхности изделий; не изменяются, а в некоторых случаях улучшаются параметры шероховатости поверхности изделий, поэтому данный метод обработки удобно использовать в качестве финишной операции в технологическом процессе изготовления изделий или применять для дополнительного упрочнения готовых изделий; не изменяются размеры и форма изделий, что позволяет упрочнять детали машин, склонные к поводкам и короблению; отсутствуют проблемы адгезии и переходного слоя, которые существуют при упрочнении изделий методом нанесения покрытий. Технологический процесс не нарушает экологии.

Технические характеристики

1. Импульсный источник металл-металлоидных ионных пучков:
Ускоряющее напряжение	до 80 кВ
Амплитудное значение плотности тока ионного пучка	до 2 мА/см-2
Длительность импульсов	250 мкс; 400 мкс
Частота импульсов	50 Гц
Площадь сечения ионного пучка	300 см-2
Заряд ионов в пучке	от +1е до +4е
2. Непрерывный источник металлических ионных пучков:
Ускоряющее напряжение	до 1.5 кВ
Плотность тока ионного пучка	до 0.8 мА/см-2
Площадь сечения ионного пучка	300 см-2
Заряд ионов в пучке	от +1е до +4е
3. Контроль набора дозы облучения автоматический в пределах	1016...1018 ион/см2
4. Рабочий объем вакуумной камеры	0. 2 м3
5. Предельное давление остаточных газов при безмаслянной откачке турбомолекулярным насосом	5x10-4 Па
то же при откачке криогенным насосом	1x10-4 Па
6. Потребляемая мощность	до 30 кВт
7.Габаритные размеры: вакуумной камеры с ионными источниками	2050 x 1900 x 1750 мм
стойка питания и управления	650 x 650 x 1800 мм

Области применения
Применение опытных образцов оборудования и технологии формирования наноструктурированных поверхностных слоев позволило достичь повышения усталостной долговечности деталей авиационной техники из сталей типа ЭП310-Ш в 1,5-2,0 раза, алюминиевого сплава В96 в 10 раз, сварных соединений деталей из высокопрочной стали ВКС12 в 1,5-1,8 раза. Увеличить ресурс режущего инструмента в часовой промышленности в 3-6 раз; резцов и фрез для обработки колесных пар железнодорожного подвижного состава и головок железнодорожных рельсов в 1,8-2,4 раза; головок и корпусов блоков цилиндров компрессоров типа 4М40-1,12/250-2500 производства полиэтилена высокого давления в 2,5-3 раза; вырубных штампов в пищевой промышленности в 4-6 раз; пуансонов для формовки головок болтов в 3-4 раза; подшипников скольжения и качения в 1,6-2 раза и т.д.

Основные преимущества
Впервые реализован комплексный подход к созданию технологического оборудования, совмещающего функции подготовки поверхности (создание градиентных наноструктурированных поверхностных слоев с эффективным блокированием опасных концентраторов напряжений на интерфейсе «покрытие - подложка») обрабатываемой детали и нанесения износостойких, коррозионно-стойких с высокой циклической стойкостью нанокомпозитных покрытий путем ионнопучкового осаждения наноразмерных металлических слоев в условиях бомбардировки высокоэнергетическим потоком металл-металлоидных ионных комплексов в едином технологическом цикле. Это позволяет реализовать нанотехнологии формирования структурно-фазовых состояний в поверхностном слое деталей. В результате в многослойной системе «покрытие-подложка» синтезируется многоуровневая термически стабильная наноструктура, обладающая уникальным комплексом свойств. Формирование наноструктурированных слоев с высокими значениями прочности в сочетании с их высокой демпфирующей способностью позволяет получить кратное повышение служебных характеристик узлов и деталей ответственного назначения, а также инструментов и оснастки: износостойкости, усталостной долговечности, надежности и ресурса работы в условиях эксплуатации, близких к экстремальным.

Стадия разработки
Разработана конструкторская и технологическая документация. Изготовлен опытный образец установки. Проведены его опытно-промышленные испытания. Возможен выпуск опытно-промышленной партии установок, их продажа и передача технологии с предварительной отработкой на изделиях Заказчика.

Правовая защищенность
Патент РФ № RU 2338294 С1. Опубликован 10.11.2008 г. БИ №31
Патент РФ № RU 2066705, C1. Зарегистрирован в Госреестре 20.09.96 г.
Патент РФ № RU 1598757 А1. Зарегистрирован в Госреестре 16.11.93 г.

Коммерческие предложения
Изготовление и поставка установок, отработка технологии на изделиях Заказчика и передача на договорной основе. Обучение обслуживающего персонала.

Контактная информация
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4
Тел.: (3822) 49-14-81
Факс: (3822) 49-10-32
E-mail: vserg@mail.tomsknet.ru, retc@ispms.ru