В Томске разрабатывают технологию будущего — поверхностный инжиниринг

Ученые Института сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН в Томске разработали установку для технологии поверхностного инжиниринга — моделирования и создания поверхностей с заданными свойствами.

«Установка соединяет в себе генераторы объемной газовой и металлической плазмы и электронную пушку. Воздействуя на материал то тем то другим способом, можно не просто напылять покрытия, а менять свойства и характеристики самой поверхности», — рассказал младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники ИСЭ СО РАН Владимир Шугуров.

В основе комплексного оборудования — ионно-плазменная установка «Квинта», разработанная в ИСЭ. Она позволяет наносить на поверхность защитную пленку, которая в разы увеличивает прочность, износостойкость, термостойкость, коррозионную стойкость изделия. На первом этапе материал очищают ионами аргона, затем бомбардируют ионами азота. Внедрение азота в поверхность, например, стали увеличивает срок службы деталей в 2-4 раза. Далее происходит напыление покрытия — и та же азотированная сталь с пленкой из нитрида титана служит еще в 5-6 раз дольше. Комбинируя материалы катодов, можно создавать разные покрытия, а также использовать установку для нанесения декоративных слоев.

«Сейчас мы активно работаем с новосибирским производителем штампового оборудования. У них есть втулка, которая расправляет гильзу патрона после штампования. Ионно-плазменная обработка увеличивает срок службы этих втулок в шесть раз, а за счет использования более дешевой стали ее цена снизилась на 30 процентов», — приводит пример Владимир Шугуров.

В новом оборудовании «Квинта» скомбинирована с установкой с электронной пушкой. Под воздействием электронного пучка поверхность материала быстро расплавляется и застывает. При этом меняется структура поверхности, она становится мелкозернистой, повышается твердость и пластичность материала.

«Комбинируя две установки, мы получаем новую технологию — поверхностный инжиниринг: возможность не просто улучшить свойства поверхности, а создать новую», — объясняет сотрудник ИСЭ.

В комплексной установке на материал в дуговом разряде напыляют тонкий слой металла или керамики, потом обрабатывают изделие электронным пучком — так происходит формирование поверхностного сплава. Это уже не просто пленка и подложка с четкой границей раздела, где при экстремальной нагрузке покрытие может отслоиться. За счет воздействия электронного пучка происходит частичное расплавление и перемешивание пленки и подложки. Между ними уже нет границы, а есть плавное изменение свойств, что позволяет получить абсолютную адгезию.

«Комбинируя материалы и способы обработки, мы можем постепенно вырастить поверхность, которая нам нужна. Допустим, взять простую дешевую сталь и путем добавления различных материалов на поверхности вырастить твердый сплав, который в десять раз тверже и в сто раз более износостойкий», — добавляет Владимир Шугуров.

В установке есть программируемый манипулятор, специалисты могут задать любой режим вращения стола, а также перемещать его из одной камеры в другую. Это позволяет обрабатывать детали практически любой сложности.

Экспериментальная установка не предназначена для выпуска больших партий изделий, но на ее основе будет создаваться оборудование для промышленного применения. В частности, технология востребована в авиастроении для модификации поверхности лопаток двигателей, которые работают при экстремально высоких температурах. Сейчас на них напыляют термобарьерные покрытия по традиционной технологии, при этом сохраняются риски отслоения пленки и разрушения детали. Стойкость лопаток — одно из главных ограничений, которое не позволяет увеличивать срок службы двигателя. Поверхностный инжиниринг позволит преодолеть этот барьер.

«Прямых аналогов нашему оборудованию в мире нет, это технология будущего», — говорит Владимир Шугуров.