Чтобы получить требуемый комплекс свойств на поверхности конструкционных материалов, предназначенных в том числе для работы в экстремальных условиях, разработчикам порой необходимо несколько месяцев и даже лет. Специалисты Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) создали вакуумно-электронно-ионно-плазменный стенд (ВЭИПС), который позволит в разы снизить срок таких работ.
Стенд установлен на канал синхротронного излучения (СИ), и специалисты могут наблюдать in situ, как происходит эволюция фазового состава, параметров структуры упрочняющих, антикоррозионных и жаростойких покрытий в ходе их нанесения на материал. Это позволит в режиме реального времени оптимизировать процесс нанесения покрытия, сообщили в пресс-службе ИЯФ СО РАН. Предварительные эксперименты по отработке технологии проходят в ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП «СЦСТИ»). В будущем стенд заработает на одной из пользовательских станций ЦКП «СКИФ». Стенд создан по Федеральной научно-технической программе развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 – 2027 годы.
Поверхностная инженерия помогает улучшать физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики материалов. Она включает множество методов модификации поверхности, в том числе пучково-плазменные. Чтобы произошло осаждение упрочняющих и жаростойких пленок или формирование новых соединений на поверхности материала, на нее воздействуют потоками ионов, плазмы, пучками электронов, лазерным излучением и др.
«Методов инженерии поверхности довольно много, – рассказал заведующий лабораторией пучково-плазменной инженерии поверхности ИСЭ СО РАН Владимир Денисов. – В Институте мы создаем электроразрядное и плазменное оборудование и разрабатываем технологии, которые позволяют улучшать характеристики материалов. Например, воздействуя на поверхность какой-то детали плазмой, мы можем осадить на нее ионы титана и азота, которые, вступая в химическую реакцию друг с другом, образуют единую кристаллическую решетку и формируют покрытие нитрид титана. Твердость такого металлокерамического покрытия составляет 25 Гигапаскалей, что значительно выше этой же характеристики у твердого сплава».
В целом все методы направлены на решение одной большой задачи – создание конструкционных материалов, способных работать в экстремальных условиях.
«Например, одна из деталей газотурбинных двигателей самолетов – лопатка турбины, которых может насчитываться в двигателе несколько сотен, – постоянно работает при температурах выше 1000 градусов, и к тому же в условиях термоциклирования, то есть постоянного и резкого изменения температурного режима. Соответственно, на ее поверхности нужно создавать специальные покрытия. Как и на материалах, используемых в космической, атомной, ядерной отраслях, потому что они постоянно испытывают воздействие критических температур, кавитационных процессов, химического воздействия, ионизирующего излучения и других экстремальных факторов», – объяснил Владимир Денисов.
По словам ученых, одна из проблем при создании жаропрочных и упрочняющих покрытий состоит в том, что процесс отработки технологии нанесения нередко идет «вслепую». Физики не могут управлять процессом синтеза различных материалов in situ, поэтому подбор параметров для получения необходимых свойств и общее время разработки технологии могут занимать от нескольких месяцев до нескольких лет. Чтобы в разы снизить этот срок, ИСЭ СО РАН совместно с коллегами из ИЯФ СО РАН и еще нескольких российских научных и образовательных организаций создали стенд ВЭИПС, на котором в режиме реального времени можно проводить исследования процессов синтеза покрытий различными методами пучково-плазменной инженерии. В работе ученые используют синхротронное излучение.
«СИ позволит нам кратно снизить время, необходимое для проведения исследований по определению механизмов и закономерностей, которые влияют на процесс синтеза различных материалов, – добавил Владимир Денисов. – Семь научных групп уже провели ряд экспериментов на стенде ВЭИПС с использованием пучка СИ и продемонстрировали, что мы, действительно, можем получать всю необходимую информацию о процессе значительно быстрее, чем обычно – всего за пару дней. Например, эксперименты по напылению материалов вакуумно-дуговым методом показали, в какие моменты и как необходимо менять ток разряда, давление и еще пару параметров, чтобы изменить фазовый состав многокомпонентного покрытия. То есть мы продемонстрировали, что оператор, который растит покрытие, может целенаправленно, меняя условия эксперимента, управлять процессом синтеза. Только представьте, для метода электронно-пучковой модификации вам нужно реализовать 20 технологических шагов процесса, и после каждого шага вы видите изменение фазового состава и параметров структуры формируемого поверхностного сплава. Без СИ это было просто невозможно».
Первые эксперименты со стендом ВЭИПС проводили на пользовательских станциях «Прецизионная дифрактометрия и аномальное рассеяние» и «Прецизионная дифрактометрия-2» ЦКП «СЦСТИ». Здесь свои эксперименты проверили научные группы из пяти лабораторий Института сильноточной электроники, лаборатории пучков частиц института электрофизики УрО РАН, кафедры технологии машиностроения Уфимского университета науки и технологий, лаборатории физики упрочнения поверхности ИФПМ СО РАН.
«ИСЭ СО РАН имеет богатый опыт разработки технологий нанесения, – отметил ведущий научный сотрудник ЦКП «СКИФ» инженер I категории ИЯФ СО РАН Александр Шмаков. – Но когда наши коллеги работают в обычных своих условиях, они не могут в режиме реального времени диагностировать, как при тех или иных методах и параметрах нанесения растет пленка, какие кристаллические фазы формируются, появились ли микронапряжения, достигнута ли хорошая адгезия с поверхностью. Изучение нанесенных покрытий происходит на лабораторных дифрактометрах постфактум, когда процесс нанесения уже завершен. In situ его можно увидеть при помощи синхротронного излучения. Мы это делаем на наших экспериментальных станциях на СИ, получая информацию о фазовом составе, фазовых переходах, химических превращениях, структурных изменениях и прочем, что интересует пользователя».
С основной частью задач проекта коллаборация ученых справилась.
«Мы разработали и создали стенд ВЭИПС, объединили его с источником СИ ЦКП “СЦСТИ” и, собрав широкий круг пользователей, экспериментально подтвердили эффективность его работы. Скоро будет запущен ЦКП “СКИФ”, и у нас есть год, чтобы усовершенствовать стенд и реализованные на нем методики, запустить программное обеспечение для автоматизированной обработки получаемых экспериментальных данных», – заключил Владимир Денисов.
Центр коллективного пользования «СКИФ» – источник синхротронного излучения поколения 4+. Установка сооружается в Новосибирской области по национальному проекту «Наука и университеты».
