Способ получения аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия - RU2760018C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу нанесения коррозионностойких твердых износостойких наноструктурированных покрытий из аморфного алмазоподобного углерода и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, медицине, электронике, солнечной энергетике, опто-электронике, фотонике, в производстве жидкокристаллических дисплеев и других областях для повышения эксплуатационных свойств поверхности изделий различного функционального назначения.

Известен способ нанесения аморфных углеводородных покрытий [Патент РФ №2382116] на изделия из металлического материала с использованием плазменного катода, содержащего полый катод, поджигающий электрод и анодную сетку, который включает ионную очистку поверхности изделия, формирование переходного слоя из атомов материала изделия и углерода иммерсионной ионной имплантацией, осаждение углеводородного покрытия за счет создания несамостоятельного импульсно-периодического разряда при подаче импульсно-периодического (50 кГц) напряжения между стенками плазменной камеры и анодом в смеси химически инертного газа и по меньшей мере одного углеводород-содержащего газа. Получаются химически инертные покрытия, с твердостью 18 ГПа, с низким коэффициентом трения, высоким электросопротивлением и теплопроводностью.

Нанесение покрытий по предложенному способу не позволяет получать сверхтвердые безводородные алмазоподобные углеродные покрытия, обладающие повышенной фрикционной стойкостью. Углеводородные покрытия не обладают высокой температурной стабильностью, что ограничивает их практическое применение, например, в условиях высоких температур трения.

Недостатком представленных способов является недостаточная толщина получаемых покрытий, в пределах до 20 нм, что ограничивает его практическое применение.

Известен способ получения аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия, включающий вакуумную лазерную абляцию в реакционной камере с испарением мишени твердотельным лазером и последующим осаждением аморфного алмазоподобного покрытия в виде пленки на поверхность изделия, имеющего подложку из высокоуглеродистой или нержавеющей стали [Патент РФ №2527113 МПК С23С 14/24, С23С 14/12, А61В 17/3211, опубликовано: 27.08.2014 Бюл. №24]. Покрытие наносят на лезвие хирургического скальпеля, в качестве материала мишени используют пиролитический графит, для лазерной абляции применяют твердотельный лазер на основе алюмоиттриевого граната с неодимом, имеющий длину волны 532 нм, мощность 15-25 Дж, выходную энергию лазерного импульса 80-160 мДж, частоту следования импульсов излучения 50 Гц и длительность одного импульса 15⋅10^-9, причем лезвие хирургического скальпеля размещают на расстоянии 10-25 см от мишени под углом 15-45°, а осаждение покрытия ведут в течение 10-40 минут при давлении в реакционной камере 6×10^-4 Па. Другими особенностями способа являются то, что поверхность лезвия скальпеля имеет среднюю шероховатость не более 60 нм, а спектр комбинационного рассеяния света имеет пики, локализованные в области 1600 см^-1 и 1355 см^-1.

Недостатком этого способа является низкая производительность и низкая прочность соединения алмазоподобного покрытия с подложкой, так как обычно для увеличения адгезии на предварительно очищенную в вакуумной камере ускоренными ионами поверхность наносят плазменным методом адгезионный слой до 500 нм из металла, выбранного из группы, включающей алюминий, хром, цирконий, титан, германий, кремний или из их сплавов, при одновременном приложении к изделию постоянного или импульсного отрицательного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому (прототипом) является способ получения аморфного наност-руктурированного алмазоподобного покрытия на изделии, включающий предварительную плазменную очистку поверхности изделия в вакуумной камере ускоренными ионами, нанесение адгезионного слоя, и нанесение по меньшей мере одного слоя углеродной алмазоподобной пленки с помощью катодного распыления графита (Патент RU №2360032 С23С 14/24, С23С 14/06, В32В 15/0, В82В 3/00 - прототип). Предварительную плазменную очистку поверхности изделий осуществляют при давлении 10^-3-10 Па ускоренными ионами инертных газов, таких как аргон, неон, криптон, ксенон или газов, таких как кислород, азот, водород, или фреонов, или углеводородов или их смесей, а во время предварительной плазменной очистки к изделию подводят постоянное или импульсное отрицательное напряжение 1-2500 В. Слой углеродной алмазоподобной пленки покрытия наносят толщиной 0,2-10,0 мкм. При распылении графита при формировании слоя алмазоподобной пленки осуществляют магнитную сепарацию углеродной плазмы. Нанесение слоя алмазоподобной пленки осуществляют в атмосфере газов, таких как аргон, неон, криптон, ксенон, кислород, азот, водород, фреоны, углеводороды или их смеси при их давлении 10^-3-10 Па. Алмазоподобную пленку выполняют в виде многослойной пленки, при этом осуществляют по меньшей мере однократное чередование нанесения слоя алмазоподобной пленки и обработки ее ионами газов, таких как аргон, неон, ксенон, криптон, кислород, азот, водород, фреоны, углеводороды или их смеси при давлении их 10^-3-10 Па. Нанесение слоев алмазоподобной пленки осуществляют с, по меньшей мере, однократным чередованием слоя алмазоподобной пленки и слоя металла из группы, включающей алюминий, хром, цирконий, титан, германий, или из кремния, или их сплавов, при этом общая толщина слоев алмазоподобной пленки составляет 1-500 нм, а общая толщина металлических слоев составляет 1-500 нм. Нанесение слоев алмазоподобной пленки осуществляют при одновременном дополнительном нанесении металла из группы, содержащей алюминий, хром, цирконий, титан, германий, или из кремния, или их сплавов при концентрации металла или кремния от 5 до 95 ат. %. Нанесение слоев алмазоподобной пленки осуществляют при одновременном приложении к изделию постоянного или импульсного отрицательного напряжения 1-1500 В. Кроме того, при нанесении покрытия на изделие из керамики, стекла или пластмассы, на поверхность этих изделий предварительно наносят слой из оксидов или нитридов алюминия, циркония, хрома, титана, кремния, германия, или их смесей толщиной 1-100 нм.

Недостатками этого способа является то, что он не обеспечивает однородной плотной структуры, так как на поверхности покрытия всегда имеются микроскопические частицы графита и других дефектов, через которые может проникать влага и подвергать основу металла коррозионному воздействию.

Задачей предлагаемого способа является повышение коррозионной стойкости аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия.

Техническим результатом предлагаемого способа является создание на поверхности алмазоподобного покрытия однородной плотной структуры, через которую не проникает влага.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия на изделии, включающем предварительную плазменную очистку поверхности изделия в вакуумной камере ускоренными ионами, нанесение адгезионного слоя, и нанесение по меньшей мере одного слоя углеродной алмазоподобной пленки с помощью катодного распыления графита, после нанесения оного слоя покрытия его извлекают из камеры и подвергают полировки, а затем снова помещают в камеру, подвергают повторному покрытию, после чего снова полируют.

В процессе полировки покрытия с его поверхности удаляют инородные частицы и тем самым обнажают нано и микропоры. Повторное нанесение покрытия залечивает поры. После повторной полировки на поверхности аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия получается однородная плотная структура, через которую не проникает влага. Тем самым решается задача повышения коррозионной стойкости покрытия.

Сущность изобретения поясняется рисунком, где на фиг. 1 изображена структурная схема формирования антикоррозионного аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия.

На первой операции (фиг. 1), как обычно, изделие подвергают тщательной очистке от загрязнений и обезжириванию. Далее изделие помещают в вакуумную камеру и на его поверхность наносят PVD- покрытие. Поверхность изделия предварительно подвергается плазменной очистке ускоренными ионами, на ее поверхность наносят адгезионный слой, а затем наносят слой углеродной алмазоподобной пленки с помощью катодного распыления графита в виде паровой фазы и постепенного осаждения его на поверхность изделия. Тем самым образуется аморфное наноструктурированное алмазоподобное покрытие толщиной 1-3 мкм. Алмазоподобное покрытие большей толщины становится хрупким и не пригодным для эксплуатации.

Покрытие после получения имеет шероховатый слой и неоднородную структуру в виде наночастиц графита и других веществ и в виде нано и микро пор. Через эти дефекты поверхности, как по капиллярам, проникает влага и вызывает коррозию поверхности изделия.

Для удаления исходного шероховатого слоя, а вместе с ним и дефектов структуры поверхность алмазоподобного покрытия подвергают полировке до шероховатости Ra 0,04 мкм и ниже. Только при такой шероховатости становятся доступными для залечивания микро и нанопоры.

После полировки поверхность покрытия вновь подвергают тщательной очистке и обезжириванию, и вновь помещают в вакуумную камеру. Второй слой углеродной алмазоподобной пленки толщиной 1-2 мкм заполняет имеющиеся на поверхности нано и микро поры. Последующая полировка поверхности до Ra 0,04 мкм и ниже удаляет шероховатый дефектный слой, образуя поверхность однородной плотной структуры, через которую не проникает влага. Низкая шероховатость поверхности также препятствует удержанию влаги на поверхности и повышает износо-стойсть поверхности.

Тем самым решается поставленная задача повышения коррозионной стойкости аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия.

Пример. Для определения эффективности защиты преложенным способом деталей от коррозии осуществляли сравнительные испытания. В качестве образов использовали деталь «Герровод» ИВКМ.408836.037 (сталь 12Х18Н10Т) датчика ЭД. Аморфное наноструктурированное алма-зоподобное покрытие наносили методом PVD на установке DREVA 600, принадлежащей заявителю - ООО «ТехноТерм-Саратов». Часть образов имела обычное алмазоподобное покрытие, а другая часть образцов имела покрытие, нанесенное по вышеописанной технологии.

Испытания на коррозионную стойкость проводились в камере оборудования Ascott СС-450 путем воздействия на образцы соляным туманом водностью 2-3 г/ куб. м. Вначале испытания продолжались 2 часа при температуре (20±5)°С. Затем температура в камере увеличивалась до (35±5)°С., а время выдержки составляло 22 часа. После этого цикл повторялся. Общее количество циклов воздействия соляного тумана на образцы составляло 7, общая продолжительность воздействия составила 168 часов.

После завершения испытаний был произведен визуальный осмотр испытываемых образцов. На поверхности образов с двойным покрытием, выполненным по описанной выше технологии методом PVD, никаких изменений на поверхности и следов коррозии не обнаружено. На всех образцах, которые имели один слой покрытия, наблюдалось отслоение покрытия и следы коррозии на поверхности под покрытием. Из этого следует, что предложенный способ получения аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия, полученного методом PVD, обеспечивает защиту поверхности от коррозии.

Реферат

Изобретение относится к способу нанесения коррозионностойких твердых износостойких наноструктурированных покрытий из аморфного алмазоподобного углерода и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, медицине, электронике, солнечной энергетике, оптоэлектронике, фотонике, в производстве жидкокристаллических дисплеев и других областях для повышения эксплуатационных свойств поверхности изделий различного функционального назначения. Способ получения аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия на изделии включает предварительную плазменную очистку поверхности изделия в вакуумной камере ускоренными ионами, нанесение адгезионного слоя и нанесение по меньшей мере одного слоя углеродной алмазоподобной пленки с помощью катодного распыления графита, при этом после нанесения одного слоя покрытия толщиной 1-3 мкм изделие извлекают из камеры и подвергают полировке до шероховатости Ra0,04 мкм и ниже, а затем снова помещают в камеру, подвергают повторному покрытию на толщину 1-2 мкм, после чего снова полируют до того же значения Ra. Техническим результатом является создание на поверхности алмазоподобного покрытия однородной плотной структуры, через которую не проникает влага, в результате чего повышается коррозионная стойкость аморфного наноструктурированного алмазоподобного покрытия. 1 ил., 1 пр.

Формула