2048

41

Декоративные покрытия – исключительно широко применяются при производстве бытовых изделий, украшений, повышении эстетичности промышленных установок и приборов, протезировании в медицинской технике.

Восстановительные покрытия – дают огромный экономический эффект при восстановлении изношенных поверхностей изделий, например гребных валов в судостроении; шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания; лопаток в турбинных двигателях; различного режущего и прессового инструмента.

Оптические покрытия – уменьшают отражательную способность по сравнению с массивными материалами, в основном, благодаря геометрии поверхности. Профилеметрирование показывает, что поверхность некоторых покрытий представляет собой совокупность шероховатостей, высота которых колеблется от 8 до 15 мкм. На отдельных макронеровностях формируются микронеровности, высота которых колеблется от 0,1 до 2 мкм. Таким образом, высота неровностей соизмерима с длиной волны падающего излучения.

В зависимости от метода нанесения покрытия разделяют на три класса:

1.По фазовому состоянию среды, из которой происходит осаждение материала покрытия;

2.По состоянию наносимого материала;

3.По состоянию процессов, которые определяют одну группу методов нанесения покрытий.

Внутренние покрытия создаются различными способами воздействия на поверхность исходного материала (модифицирование исходных поверхностей). На практике широко используются следующие методы воздействия: механические, термические, термодиффузионные и высокоэнергетические с проникающими потоками частиц и излучений.

Встречаются и комбинированные методы воздействия, например термомеханические и др. В поверхностном слое происходят процессы, приводящие к структурному изменению исходного материала на глубину от нанометрового диапазона до десятых долей миллиметра и более. В зависимости от метода воздействия протекают следующие процессы:

– изменение зеренного строения материала;

– искажение кристаллической решетки, изменение ее параметров и типа;

–разрушение кристаллической решетки (аморфизация); – изменение химического состава и синтезирование новых фаз.

42

Для анализа физико-химических процессов, связанных с нанесением покрытий, их целесообразно систематизировать по условиям формирования. Представляется возможным выделить следующие группы покрытий, формирующихся на твердой поверхности: твердофазные, жидкофазные, порошковые и атомарные.

По характеру расположения на поверхности покрытия подразделяются на наслоенные и диффузионные (или внедренные).

Наслоенное покрытие – покрытие, сформированное на внешней поверхности изделия или конструкции, имеющее четкую границу раздела с основной.

Диффузионное покрытие – покрытие, сформированное за счет внедрения в материал основы без существенного изменения начальных размеров изделия. Возможны покрытия, имеющие промежуточный характер (диффузионнонаслоенные).

Существующие методы нанесения покрытий делятся на следующие основные группы: химическое осаждение, электрохимическое осаждение, газотермическое напыление, вакуумное напыление, диффузионное насыщение.

Химическое осаждение – получение покрытий из водных растворов солей, основанное на реакциях восстановления.

Электрохимическое осаждение – получение покрытий на металлах из растворов или расплавов электролитов под действием электрического тока.

Газотермическое напыление – получение покрытия из частиц дисперсного материала, нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи.

Вакуумное напыление – получение покрытия из парогазовой фазы с использованием контролируемых процессов испарения, синтеза, конденсации и сорбции вещества покрытия в виде отдельных атомов и молекул в вакууме.

Диффузионное насыщение – получение покрытия путем легирования металлами и неметаллами поверхностного слоя основного материала при нагревании в среде, содержащей образующие покрытие элементы.

Классификация методов получения покрытий может быть основана на различиях агрегатного и физического состояния наносимого вещества.

Физические методы напыления покрытий испарением в вакууме:

–термическое испарение нагревом прямым прохождением тока, радиационным, индукционным нагревом;

–прямое электронно-лучевое испарение;

–катодное распыление;

43

–высокочастотное распыление;

–магнетронное распыление;

–ионно-лучевое распыление;

–реактивное испарение и распыление;

–ионное осаждение.

Химические (газофазные) методы напыления покрытий испарением:

–пиролиз летучих соединений металлов и неметаллов;

–восстановление летучих соединений водородсодержащими веществами или парами металлов;

–гидролиз газообразных галогенидов водяным паром или водяным газом;

–реакции диспропорционирования;

–высокотемпературное прямое окисление кислородом газообразных галогенидов или металлоорганических бескислородных соединений.

Электрохимическое осаждение:

–осаждение покрытий из металлов и сплавов из растворов солей;

–получение комбинированных электрохимических покрытий (КЭП) из тонких суспензий;

–электрохимическое оксидирование.

Химическое осаждение:

–нанесение металлов на металлы восстановлением и контактнообменным отложением;

–нанесение металлов на неметаллы;

–нанесение неметаллов на металлы (оксидирование, фосфатирование, хроматирование, метод растворной керамики);

–нанесение металлов на неметаллы (гидролиз металлоорганических соединений, метод растворной керамики).

Нанесение твердожидких веществ (шликеров, пульп, грубых суспензий, наст): окунание, облив, пульверизация, электрораспыление, электрофорез, торкретирование, обмазка (все с последующей термообработкой).

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое покрытие?

2.Какие технологические задачи решают покрытия?

3.Какие требования предъявляются к покрытиям?

4.По каким принципам классифицируются покрытия?

5.Какие покрытия бывают по назначению?

44

6.Какие классы покрытий существуют по методу их нанесения?

7.Какие бывают покрытия по характеру расположения на поверхности?

8.На какие группы делятся существующие методы нанесения покрытий?

9.Какие существуют физические методы напыления покрытий испарение

ввакууме?

10.Какие существуют химические методы напыления покрытий испаре-

нием?

11.Какие применяются способы электрохимического осаждения?

12.Какие существуют способы химического осаждения?

45

9.ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОКРЫТИЙ

Методы пленок и покрытий весьма универсальны в отношении состава наноматериалов, которые могут быть изготовлены практически в беспористом состоянии в широком диапазоне размеров зерен, начиная от 1-2 нм и более. Единственное ограничение – это толщина пленок и покрытий – от нескольких долей микрона до сотен микрон. Используются как физические методы осаждения, так и химические методы, а так же электроосаждение и некоторые другие приемы.

В табл. 1 приведены основные методы получения наноструктурных пленок на основе тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов). Возбуждение дугового разряда в азотной или углеродсодержащей атмосфере – один из наиболее распространенных вариантов технологии ионного осаждения; в качестве источника ионов металлов используют металлические катоды. Электродуговое испарение весьма производительно, но сопровождается образованием металлической капельной фазы, освобождение от которой требует специальных конструктивных мер. Этого недостатка лишен магнетронный вариант ионноплазменного осаждения, в котором мишень (катод) распыляется за счет бомбардировки ионами плазмы газового разряда низкого давления, которая формируется между катодом и анодом. Поперечное постоянное магнитное поле локализует плазму у распыляемой поверхности мишени и повышает эффективность распыления.

Магнетронное напыление весьма универсально, его можно применять не только для металлических, но и для неметаллических мишеней (и, следовательно, для получения соответствующих пленок). При магнетронном напылении температуры подложек невелики (менее 100…200 0С), что расширяет возможности получения наноструктурных пленок с небольшим размером зерен и аморфных пленок. Однако скорости напыления в несколько раз ниже, чем в случае дуговых методов.

46

При ионно-лучевой обработке выбивание атомов мишени происходит за счет бомбардировки ее поверхности ионными пучками. Металлические ионы образуются при бомбардировке металлической мишени ионами инертных газов или азота из источника, а источник используется для бомбардировки непосредственно пленки (в случае ионов азота пленки синтезируемых нитридов могут быть сверхстехиометричными).

Применительно к некоторым металлам и сплавам (Ni, Cu, Ni-P, Ni-Mo, Ni-W и др.) для получения наноматериалов оказался весьма эффективным метод импульсного электроосаждения, когда реализуется высокая скорость зарождения кристаллитов и за счет адсорбционно-десорбционных ингибирующих процессов обеспечивается их низкая скорость роста.

47

Получает распространение метод газотермического напыления наноструктурных покрытий. В качестве сырья используются различные оксидные

(Al2O3-TiO2, Al2O3-ZrO2, Cr2O3-TiO2, ZrO2-Y2O3 и др.) и карбидные (WC-Co, Cr3C2-Ni и др.) композиционные нанопорошки. Перед напылением исходные порошки обрабатывают в высокоэнергетических измельчающих агрегатах, а затем для улучшения сыпучести подвергают агломерации (смешиванию с пластификатором и обкатке). В результате получают округлые частицы размером 10…50 мкм. Последняя операция обеспечивает достаточную скорость поступления агломерированных сфероидов в плазменную струю. Хотя температура последней достаточно высокая (примерно 3000 0К и выше), но высокие скорости газового потока (около 2000 м/с) приводят к кратковременному пребыванию наноструктурных частиц в высокотемпературном интервале. Размер нанокристаллитов обычно увеличивается от 30…40 нм до 200 нм, но показатели твердости и износостойкости таких покрытий превосходят таковые для обычных покрытий в 1,3…2 раза.

Ионно-плазменная обработка поверхности, включая имплантацию, используется применительно к самым различным материалам (металлам, сплавам, полупроводникам, полимерам и др.) для создания поверхностных сегрегаций и нанорельефа, что полезно для многих практических приложений.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие основные методы получения наноструктурных пленок?

2.Какие методы получения нанопокрытий распространяются в настоящее

время?

1.Арзамасов, В. Б. Материаловедение [Текст] : учеб. / В. Б. Арзамасов, А. А. Черепахин. – М. : Экзамен, 2009. – 350 с.

2.Лахтин, Ю. М. Материаловедение [Текст] : учеб. / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. – 6-е изд., стер. – М. : Альянс, 2011. – 528 с.

Дополнительная литература

3. Аксенов, А. А. Материаловедение [Текст] : тексты лекций / А. А. Аксенов. – Воронеж, 2012. – 100 с. – Электронная версия в ЭБС ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова.