Гибридная нанотехнология и оборудование комбинированной ионно-пучковой обработки
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: |
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
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.