RU2092610C1 - Method of manufacturing amorphous coatings - Google Patents

Abstract

FIELD: coatings. SUBSTANCE: method consists in heating starting crystalline material to melting temperature and subsequently depositing it onto rotating support, deposition being performed at support's rotation speed in accordance to following inequality:

where σ_в is ultimate strength of crystalline material with the same composition at temperature equal to that of support (T_s), N/sq.m; ρ density of crystalline material of the same composition, kg/cu.m; R minimum distance from axis of rotation to coating surface, m. EFFECT: applied amorphous coatings have no crystalline-phase inclusions. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике нанесения покрытий и может быть использовано в машиностроении, металлургии и других отраслях промышленности. The invention relates to a coating technique and can be used in mechanical engineering, metallurgy and other industries.

Из предшествующего уровня техники известен способ получения аморфных покрытий (см. Быстрозакаленные металлы, Сб. научных трудов под ред. Б.Кантора, М. Металлургия, 1983, с. 245-247), включающий нагрев исходного материала в вакууме до температуры плавления и осаждение паров материала на охлаждаемую подложку. From the prior art, a method for producing amorphous coatings is known (see Quick-hardened metals, Collection of scientific works edited by B. Kantor, M. Metallurgy, 1983, pp. 245-247), which includes heating the starting material in vacuum to a melting point and deposition vapor of material on the cooled substrate.

Недостаток этого способа заключается в том, что при его реализации необходимо использовать сложное оборудование, а также криогенные теплоносители для охлаждения подложки. В частности при получении покрытий из железа температура подложки должна быть ниже 4К, а в случае кобальта 33К. The disadvantage of this method is that in its implementation it is necessary to use sophisticated equipment, as well as cryogenic coolants for cooling the substrate. In particular, upon receipt of coatings from iron, the temperature of the substrate should be below 4K, and in the case of cobalt 33K.

Известен также способ получения аморфных покрытий, взятый в качестве прототипа [1] включающий нагрев исходного материала до температуры плавления, формирование направленного двухфазного высокотемпературного потока и осаждение исходного материала на вращающуюся охлаждаемую подложку. Охлаждение подложки осуществляется как за счет вращения, так и за счет воздействия на нее или покрытие жидким азотом, водой, углекислотой и т.п. Недостаток этого способа заключается в том, что он не обеспечивает получение целевого продукта, не содержащего включений кристаллической фазы. There is also known a method for producing amorphous coatings, taken as a prototype [1], comprising heating the starting material to a melting point, forming a directed two-phase high-temperature flow, and depositing the starting material on a rotating cooled substrate. The substrate is cooled both by rotation and by exposure to it or coating with liquid nitrogen, water, carbon dioxide, etc. The disadvantage of this method is that it does not provide the target product that does not contain inclusions of the crystalline phase.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ аморфных покрытий, обеспечивающий получение целевого продукта баз включений кристаллической фазы, т.е. более высокого качества. The basis of the invention is the task to develop a method of amorphous coatings that provides the target product of the bases of inclusions of the crystalline phase, i.e. higher quality.

Поставленная задача решена тем, что в способе получения аморфных покрытий, включающем нагрев исходного материала до температуры плавления с последующим осаждением его на вращающуюся подложку, осаждение осуществляется при скорости вращения подложки, удовлетворяющей неравенству

где s_в(T_п) предел прочности кристаллического материала того же состава, что и материал покрытия, при температуре подложки Т_п, н/м²;
ρ плотность кристаллического материала того же состава, что и материал покрытия, кг/м³;
R минимальное расстояние от оси вращения до покрытия, м.The problem is solved in that in the method for producing amorphous coatings, including heating the starting material to a melting temperature and then depositing it on a rotating substrate, the deposition is carried out at a substrate rotation speed satisfying the inequality

where s _in (T _p ) the tensile strength of a crystalline material of the same composition as the coating material, at a substrate temperature T _p , n / m ² ;
ρ density of crystalline material of the same composition as the coating material, kg / m ³ ;
R is the minimum distance from the axis of rotation to the coating, m

Преимущество предложенного способа заключается в том, что образующиеся в процессе охлаждения исходного материала локальные включения кристаллической фазы разрушаются в поле действующих растягивающих напряжений, что повышает качество целевого продукта. Кроме того, твердение материала покрытия в поле действующих растягивающих напряжений позволяет на 10-15% повысить температуру подложки, что снижает расход хладагента в процессе получения аморфных покрытий. The advantage of the proposed method lies in the fact that local inclusions of the crystalline phase formed during the cooling of the starting material are destroyed in the field of existing tensile stresses, which improves the quality of the target product. In addition, the hardening of the coating material in the field of existing tensile stresses allows to increase the substrate temperature by 10-15%, which reduces the consumption of refrigerant in the process of obtaining amorphous coatings.

На фиг.1 изображено устройство для осуществления предложенного способа с подложкой, выполненной в виде диска; на фиг.2 -то же, но с подложкой, выполненной в виде цилиндра. Figure 1 shows a device for implementing the proposed method with a substrate made in the form of a disk; figure 2 is the same, but with a substrate made in the form of a cylinder.

Устройство для осуществления способа содержит источник 1 напыляемого материала и вращающуюся подложку, выполненную либо в виде диска 2, либо в виде цилиндра 3 (фиг.2). A device for implementing the method comprises a source 1 of sprayed material and a rotating substrate, made either in the form of a disk 2, or in the form of a cylinder 3 (figure 2).

Способ получения аморфных покрытий осуществляется следующим образом. The method of obtaining amorphous coatings is as follows.

Наносимый на подложку 2 или 3 материал подают из источника 1, в качестве которого могут быть использованы испарители с резистивным, лазерным или электроннолучевым нагревом, плазмоионные распылительные системы, газопламенные и плазменно-дуговые источники и т.п. Следовательно на выходе источника 1 имеет место либо направленный поток атомов, молекул, либо высокотемпературный двухфазный поток, содержащий капли расплавленного материала. Достигшие поверхности охлаждаемых подложек 2 или 3 частицы материала осаждаются на ней и формируют покрытие. Для получения однородных покрытий источник 1 в процессе нанесения покрытий приводят в колебательное движение с максимальным углом отклонения, равным a. Здесь следует отметить, что из-за больших скоростей вращения подложки n=(15^oC30)•10³ об/мин не представляется возможным из-за гироскопического эффекта изменять направление оси ее вращения в пространстве.The material applied to the substrate 2 or 3 is supplied from source 1, which can be used with resistive, laser, or electron beam heaters, plasma ion spray systems, gas-flame and plasma-arc sources, etc. Therefore, at the output of source 1 there is either a directed flow of atoms, molecules, or a high-temperature two-phase flow containing drops of molten material. Reached the surface of the cooled substrates 2 or 3 particles of material are deposited on it and form a coating. To obtain uniform coatings, the source 1 in the coating process is brought into vibrational motion with a maximum deflection angle equal to a. It should be noted here that due to the high rotation speeds of the substrate n = (15 ^° C30) • 10 ³ rpm it is not possible due to the gyroscopic effect to change the direction of its rotation axis in space.

В процессе нанесения покрытия температура подложки повышается, что оказывает существенное влияние не только на структурообразование материала, наращиваемого на затвердевший аморфизированный слой, но и на структуру ранее выращенного слоя. При получении аморфных покрытий обязательным условием является уменьшение нагрева подложки и затвердевшего аморфизированного слоя. Для этого используются вращающиеся подложки, которые дополнительно охлаждаются жидким или газообразным хладагентом. Согласно же предложенному способу дополнительное условие налагается и на скорость вращения охлаждаемой подложки

В этом случае затвердевший аморфизированный слой будет постоянно находиться в поле растягивающих напряжений, величина которых будет превышать предел прочности s_в (T_п) кристаллического материала того же состава при температуре, равной температуре подложки (Т_п). Наложение поля растягивающих напряжений препятствует распаду аморфной структуры при возникновении (например, в случае местных перегревов) локальных условий для кристаллизации. С другой стороны наложение поля растягивающих напряжений на твердеющие слои покрытия оказывает тормозящее действие на процесс кристаллизации вследствие изменения диффузионной подвижности атомов.During the coating process, the temperature of the substrate rises, which has a significant effect not only on the structure formation of the material growing on the hardened amorphized layer, but also on the structure of the previously grown layer. Upon receipt of amorphous coatings, a prerequisite is to reduce the heating of the substrate and the hardened amorphized layer. For this purpose, rotating substrates are used, which are additionally cooled by liquid or gaseous refrigerant. According to the proposed method, an additional condition is imposed on the rotation speed of the cooled substrate

In this case, the hardened amorphized layer will constantly be in the field of tensile stresses, the value of which will exceed the tensile strength s _in (T _p ) of a crystalline material of the same composition at a temperature equal to the substrate temperature (T _p ). The application of a field of tensile stresses prevents the decay of the amorphous structure when local conditions (for example, in the case of local overheating) arise for crystallization. On the other hand, the application of a field of tensile stresses on the hardening layers of the coating has a braking effect on the crystallization process due to a change in the diffusion mobility of atoms.

Claims (1)

Способ получения аморфных покрытий, включающий нагрев исходного кристаллического материала до температуры плавления и последующее осаждение его на вращающуюся подложку, отличающийся тем, что осаждение осуществляют при скорости вращения подложки, удовлетворяющей неравенству

где σ_в- предел прочности кристаллического материала того же состава при температуре, равной температуре подложки, Н/м²;
ρ - плотность кристаллического материала того же состава, кг/м³;
R минимальное расстояние от оси вращения до поверхности покрытия, м.A method for producing amorphous coatings, comprising heating the initial crystalline material to a melting temperature and then depositing it on a rotating substrate, characterized in that the deposition is carried out at a substrate rotation speed satisfying the inequality

where σ _in is the tensile strength of a crystalline material of the same composition at a temperature equal to the temperature of the substrate, N / m ² ;
ρ is the density of crystalline material of the same composition, kg / m ³ ;
R is the minimum distance from the axis of rotation to the surface of the coating, m

Images