НА ЗДОБУТТЯ ДЕРЖАВНОЇ ПРЕМІЇ УКРАЇНИ В ГАЛУЗІ НАУКИ І ТЕХНІКИ 2020 РОКУ.
Створення функціональних вакуумних плазмових і дифузійних покриттів широкого спектра застосування

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «МАТЕРИАЛЫ / КОМПЛЕКТУЮЩИЕ / ПОКРЫТИЯ»

О. Г. Гонтар, канд. фіз.-мат. наук

М. Ю. Kопєйкіна, канд. техн. наук

В. М. Береснєв, д‑р техн. наук

В. В. Васильєв, канд. техн. наук

Є. В. Дабіжа, канд. техн. наук

І. М. Погрелюк, д‑р техн. наук

В. Є. Стрельницький, д‑р фіз.-мат. наук

О. В. Дейнека, директор ТОВ «НВФ «Грейс-Інжинірінг»

Метою представленої роботи є створення та впровадження обладнання для нанесення високоефективних функціональних вакуумних плазмових і дифузійних покриттів, розробка технологій отримання покриттів як готових закінчених виробів з високою науково-технічною й інноваційною складовою та високим рівнем конкурентоспроможності, які за своїми властивостями відповідають умовам експлуатаційного навантаження виробів з покриттям широкого спектра застосування та найкращим світовим аналогам, дозволяючи багатократно підвищити довговічність деталей, знизити витрати енергоносіїв та забезпечити можливість інтенсифікації багатьох виробничих процесів.


Премії для вчених річ абсолютно необхідна. Вони були завжди, навіть у давні часи. Наука не вміє заробляти, вона може тільки надавати свої результати і чекати від суспільства, від зацікавлених осіб, від меценатів якоїсь допомоги, винагороди. Державна премія, по-перше, стимулює науку, по-друге, показує суспільству, що наука потрібна, що вона приносить благо. Премія незалежно від її масштабу це нагорода на грудях вченого. Сам факт отримання премії це чудова піар-акція для науки. Державні премії важливі не стільки для вченого, якому, як і кожній людині, приємне суспільне визнання. Ці премії важливіше для дезорієнтованої публіки, яка з подивом виявляє, що людина інтелектуальної праці все ще здатна домогтися чогось значущого в житті.

Комітет з Державних премій України в галузі науки і техніки.


Для досягнення цього науковцями та фахівцями Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна МОН України, ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України, Фізико- механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України, МДНВВП «ЕКМА» НАН України, ТОВ «Науково‑виробнича фірма «Грейс-Інжинірінг» був розв’язаний ряд актуальних науково‑технічних задач, які знайшли своє впровадження у створенні новітнього обладнання та технологій отримання сучасних вакуумних плазмових і дифузійних покриттів, практичному застосуванні створених покриттів у машинобудуванні, медицині, оптико-електронній промисловості, у будівництві та ін.

Нанесення спеціальних покриттів на різноманітні вироби — сучасна тенденція забезпечення їх працездатності. Використання твердих плівок як функціональних покриттів дозволяє істотно підвищити поверхневу міцність, зносостійкість, корозійну стійкість, забезпечити спеціальні властивості та, як наслідок, керувати експлуатаційним ресурсом і основними показниками роботи деталей машин, інструменту, технологічної оснастки, обладнання, різних споруд тощо. Практичний досвід дозволяє виділити вакуумні плазмові покриття на основі алмазоподібних композицій, нітридів перехідних металів, вакуумні покриття з нітридів, карбонітридів металів, отримані дифузійним методом, — як найбільш поширені в промисловості та перспективні в майбутньому.

При створенні покриттів ураховано, що метод формування, склад і архітектура повинні забезпечувати їм комплекс фізико-механічних, хімічних і теплофізичних властивостей, що відповідає умовам експлуатаційного навантаження виробів з покриттям і визначає перспективну галузь їх застосування. Кожний вид покриттів характеризується особливими архітектурою та хімічним складом:

  • алмазоподібні покриття характеризуються високою твердістю та низьким коефіцієнтом тертя, що перспективно у випадках, коли ставиться завдання забезпечити зносостійкість усіх елементів пари тертя;
  • багатокомпонентний склад нанокомпозитних нітридних покриттів дозволяє в широких межах варіювати їх твердість залежно від умов експлуатації;
  • механічні властивості нанокомпозитних покриттів залежать від елементів, які формують окремі фази, виду та відносного змісту фаз, хімічного взаємозв’язку між фазами;
  • висока твердість деталі з покриттям може обумовлювати підвищений знос контртіла, тому використання таких покриттів перспективно у випадках, коли ставиться завдання забезпечити зносостійкість одного елемента пари тертя, наприклад у різальних інструментах;
  • багатошарові нітридні покриття разом із високою твердістю мають, порівняно з одношаровими покриттями, більшу пластичність, що робить їх ефективними при роботі в умовах з динамічним контактним навантаженням;
  • для плазмових покриттів характерна наявність зони розподілу між покриттям і основою, а для дифузійних покриттів така зона відсутня, наслідком чого є підвищена втомна міцність деталей з дифузійними покриттями.

При створенні обладнання для формування покриттів використано дані оптимізації більш загальних задач:

  • створення умов функціонування джерел плазми із забезпеченням заданих якісних показників плазми;
  • створення необхідного температурно-часового та газодинамічного режимів дифузійного насичення в динамічній та статичній атмосфері азоту.

Ці задачі вирішені за рахунок створення та використання:

  • джерел фільтрованої вакуумно-дугової плазми, які при високій якості очищення плазми від макрочасток забезпечують малі транспортні втрати плазми та рівномірність товщини покриттів на великій площі;
  • системи створення тліючого розряду, який збуджується шляхом застосування ВЧ-напруги;
  • пілотної установки для плазмохімічного осадження алмазоподібних вуглецевих плівок а‑С: Н;
  • імпульсного джерела живлення, в якому реалізований принцип живлення магнетронної системи біполярним імпульсним струмом складної форми;
  • біполярного джерела живлення, яке забезпечує подачу на мішень, що розпилюється, імпульсу позитивної напруги та дозволяє роботу магнетронної системи без дуг навіть на забрудненій мішені;
  • імпульсного джерела на основі високочастотного генератора з метою стимуляції осадження та підвищення якості покриттів;
  • систем вакуумного, газового та температурного контролю, охолодження камери дифузійного насищення.

З використанням створеного обладнання (рис. 1) розроблено наукові основи формування та надійні високоефективні технології отримання функціональних вакуумних покриттів як наукоємних об’єктів виробництва для надання виробам високих експлуатаційних якостей:

  • алмазоподібних плівок: безводневих аморфних вуглецевих (а‑С), аморфного нітриду вуглецю (СNx) з фулереноподібною структурую, гідрогенізованих вуглецевих (а‑С: Н)) при розкладанні газоподібних вуглеводнів у різного типу розрядах;
  • градієнтних дифузійних покриттів систем TiN, TiCN, багатокомпонентних плазмових покриттів від BN, ТiN до (TiZrNbCrSi) N, (TiVZrNbHfТа)N, багатошарових — від Al2O3/NbN, TiN/Co до (TiZrNbTaHf)N/MoN.

 

Рис. 1. Створене та модернізоване обладнання для нанесення вакуумних покриттів:

а – широко апертурне джерело фільтрованої вакуумно-дугової плазми;

б — промислова установка ННВ 6.6. И1;

в -  модернізована установка ВУ-1100 Д (М);

г — установка для формування дифузійних карбідонітридних покриттів

Результати виконаних дослідно-конструкторських і науково‑дослідних робіт зі створення обладнання для нанесення вакуумних плазмових і дифузійних покриттів, технологій нанесення покриттів, оптимізації складів покриттів, вивчення їх фізико-механічних властивостей та експлуатаційних можливостей є базою для широкого практичного використання функціональних покриттів у різних галузях промисловості України та інших країн. В умовах ТОВ «Науково‑виробнича фірма «Грейс-Інжинірінг» створено вітчизняне виробництво деталей з алмазоподібними покриттями — вироби виготовлені за замовленнями підприємств Білорусі, Оману, Росії, Туреччини, Туркменістану, України, Чехії.

Новітнє обладнання виготовлено та поставлено за контрактами в наукові установи та на промислові підприємства Вірменії, Іспанії, Південної Кореї, Македонії, США, України. Ліцензію на вакуумно-дугове джерело фільтрованої плазми прямолінійного типу з магнітним островом продано в Нідерланди.

Новизну та конкурентоспроможність технічних рішень захищено патентами Євросоюзу, Китаю, Південної Кореї, Росії, США, України, Японії.

На рис. 2 наведено приклали деяких виробів з покриттям.

Рис. 2. Вироби з покриттям:

а — торцеві кільця з карбіду кремнію;

б — головки з титану ВТ1–0 для ендопротезів кульшового суглоба людини;

в — лопатки компресора вертолітного двигуна;

г — клямки зі сплаву ВТ22;

д — германієві оптичні елементи;

е — купол храму

Вироби машинобудування

Компресоробудування. Розроблено та виготовлено технологічне оснащення для отримання рівномірного алмазоподібного покриття на великі площі плоских деталей, виготовлених з карбіду кремнію, із забезпеченням їх високої твердості ~ 30–40 ГПа і високого рівня адгезії. Покриття, осаджені на кільця, протестовані на спеціалізованих робочих стендах і визнані придатними для їх використання у вузлах сухого тертя СГУ для ущільнення валів компресорів високого тиску до 200 атм.

Лопатки ГТД. Перспективним матеріалом для формування твердих ерозіонностійких покриттів на лопатки ГТД є багатошарові нітридні покриття, зокрема TiN/Co — загальна товщина покриття 15 мкм, послідовно наносяться шари з Со товщиною 0,20–0,25 мкм та шари TiN (450–500 °C) товщиною 2 мкм. Покриття можуть бути використані як при виробництві нових лопаток, так і при їх відновленні.

Різальні інструменти. Використання нітридних покриттів TiN, TiAlN, TiSiN, (TiHfSi)N дозволяє підвищити стійкість різальних інструментів з твердого сплаву ВК6 при токарній обробці сталей ШХ15, Х13, ХН77 ТЮ, 12Х18 Н10 Т до 4 разів, нітридні покриття AlN-TiB2‑TiSi2, (TiZrNbTaHf)N, TiN/MoN, MoN/CrN, (TiAlSiY)N — стійкість різальних інструментів, оснащених ПНТМ на основі КНБ, при обробці загартованих сталей ШХ15, ХВГ до 70 %. Покриття Al2O3‑NbN-Ti мінімізує інтенсивність хімічної взаємодії інструментального та оброблюваного матеріалів у зоні різання та забезпечує підвищення стійкості інструментів з ПНТМ на основі КНБ:

  • при чистовій обробці загартованих сталей (55–62 HRC) на 25–30 %;
  • при обробці наплавленого нікелевого сплаву 08Х18Н9Г7Т на 20 %;
  • при обробці легованого фтором чавуну на 10 %;
  • при обробці твердих сплавів ВК15, ВК20, ВНК25, ВК30 на 25 %.

Вироби авіаційної техніки. Порівняння технічних можливостей сучасних методів забезпечення трибологічних характеристик авіаційних виробів з титанових сплавів (гальванічне покриття Cr; покриття Ni, нанесене хімічним способом; плазмове напилювання покриттями ВКНА і ПГ10 Н‑01; електроіскрове поверхневе легування покриттями TiB2–NiMo; вакуумне азотування), з дотриманням вимог екології, свідчить про високу ефективність і перспективність саме дифузійних покриттів.

Декоративні покриття

Отриманий новий оздоблювальний матеріал — декоративне захисне покриття «під золото» шляхом синтезу нітриду титану TiN на листи нержавіючої сталі. Композиція володіє високою абразивною та корозійною стійкістю та запропонована для використання замість сусального золота для реставрації будівель, споруд і декорування архітектурних деталей у містобудівництві (ліплення, декоративне оздоблення елементів декору та дизайну як усередині, так і зовні будівель і споруд). Покриття забезпечує отримання різних відтінків золотого кольору за швейцарською шкалою і з успіхом замінює традиційний, але дуже дорогий оздоблювальний матеріал — сусальне золото; на відміну від сусального золота даний матеріал володіє високою абразивною і корозійною стійкістю, довговічністю декоративних властивостей поверхні, менш дефіцитний — виробляється в України.

Медичне застосування

Створені багатошарові плазмові покриття для ультразвукових лікувальних пристроїв з п’єзокераміки, які не мають аналогів у світі, — функціональні багатокомпонентні електропровідні, зносостійкі та бактерицидні покриття для захисту робочих поверхонь виробів від зносу, ударів та інших механічних пошкоджень у процесі їх експлуатації; зносостійкі дифузійні покриття для головок ендопротезів кульшового суглоба людини (титан ВТ1–0).

Оптико-електроніка

Підвищення експлуатаційних і механічних характеристик зовнішніх поверхонь елементів ІЧ оптики досягається включенням до конструкцій багатошарових оптичних покриттів плівок аморфного гідрогенізованого вуглецю з контрольованими оптичними властивостями та фізико-механічними характеристиками.

Використання у складі інтерференційних покриттів захисних алмазоподібних а‑С: Н плівок забезпечує збільшення композитної нанотвердості інтерференційного покриття з 0,5 ГПа до 5 ГПа.

Виконана робота зі створення функціональних плазмових і дифузійних покриттів показала, що за техніко-економічними та експлуатаційними характеристиками вони відповідають кращим світовим зразкам і є найкращими в Україні, а їх використання в різних промислових умовах дозволяє суттєво підвищити працездатність різноманітної техніки, її ефективність, надійність, конкурентоспроможність.

Основними чинниками ефективності використання створених покриттів є: підвищення працездатності обладнання для їх формування; виготовлення та продаж обладнання замовникам; продаж ліцензії на створене обладнання; організація вітчизняного промислового виробництва та реалізація деталей з покриттям для промисловості України та інших країн; виконання робіт по виготовленню покриттів за замовленням промислових підприємств; збільшення строків експлуатації виробів з покриттями; імпортозаміщення; відсутність шкідливого впливу на оточуюче середовище.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.