вакуумно плазменное напыление

Когда слышишь 'вакуумно-плазменное напыление', многие сразу представляют себе какую-то волшебную установку, которая 'все покроет и сделает вечным'. На деле же — это не панацея, а сложный, капризный процесс, где результат на 70% зависит от подготовки поверхности и выбора режимов, а не от самой установки. Сам работал с разными системами, и скажу: главная ошибка новичков — гнаться за толщиной слоя или блеском, забывая про адгезию и остаточные напряжения. Вот об этих подводных камнях и хотелось бы порассуждать, без глянца и рекламных слоганов.

Суть процесса: где кроется 'дьявол'

Если отбросить учебники, то вакуумно плазменное напыление — это, по сути, управляемый взрыв. Плазма разогревает материал мишени, он испаряется или распыляется, и частицы летят на подложку. Но ключевое слово — 'управляемый'. Если вакуум недостаточный, скажем, 10^-2 Па вместо нужных 10^-3 Па, в слое сразу появятся оксиды. Они не видны глазу, но адгезия упадет в разы.

Помню случай на одном из старых агрегатов УВН-73. Давление вроде бы выдерживали, но покрытие на ножах для гильотинного реза отслаивалось чешуйками. Долго ломали голову, пока не проверили спектрометром остаточные газы. Оказалось, течь была в патрубке охлаждения катода, вода давала пары, которые и окисляли частицы нитрида титана. Не критично для вакуумметра, но фатально для химии процесса.

Отсюда вывод, который многие игнорируют: вакуумная система — это не просто 'откачать воздух'. Это обеспечение химической чистоты среды. И здесь часто экономят на насосах или материалах фланцев, используя обычную резину вместо витона, а потом удивляются нестабильности параметров.

Оборудование: не все установки одинаково полезны

Рынок сейчас завален предложениями, от китайских универсальных комплексов до немецких специализированных линий. Работал и с теми, и с другими. Немецкие, конечно, эталон стабильности, но их настройка — это высший пилотаж, и замена расходников влетает в копеечку. А вот с азиатскими, вроде тех, что делает ООО Чжэнчжоу Лицзя Термического Напыления Оборудования, история интереснее. С одной стороны, их установки часто собираются из хороших компонентов (те же вакуумные насосы Leybold или Edwards), но 'слабое звено' — система управления и кабельные трассы.

На их стенде для вакуумно плазменного напыления функциональных покрытий, который мы тестировали, была отличная вакуумная камера, но ПЛК-контроллер иногда 'зависал' при резком скачке мощности на катоде. Пришлось дорабатывать схему защиты самостоятельно. Это к вопросу о том, что готовое оборудование всегда требует адаптации под конкретные задачи. На их сайте https://www.lijiacoating.ru позиционируют себя как профессионалов в исследованиях и производстве оборудования для термического напыления, что в целом соответствует действительности, но готовьтесь к тонкой настройке 'под себя'.

Идеальной 'коробочки' не существует. Для нанесения износостойкого Al2O3 на матрицы для литья пластмасс и для осаждения биосовместимого гидроксиапатита на имплантаты нужны принципиально разные конфигурации одного и того же базового процесса. И это многие не понимают, покупая одну установку 'на все случаи жизни'.

Материалы и мишени: дешевое — дорогое

Вторая большая грабля — экономия на материалах. Купил дешевый титановый катод у сомнительного поставщика — получил неоднородное покрытие из-за примесей в мишени. Особенно это касается керамических покрытий, например, Cr3C2-NiCr. Если карбид хрома не той фракции (допустим, не 5-10 мкм, а 20-40), частицы в плазме будут прогреваться неравномерно. На выходе — не сплав, а механическая смесь, которая быстро трескается под ударной нагрузкой.

Проводили эксперимент: наносили такое покрытие на лопатки газотурбинного двигателя (конечно, не на серийный, а на тестовый образец). С качественным порошком от Oerlikon Metco ресурс увеличивался на 40-50%. С дешевым аналогом — максимум на 15%, да и то с риском отслоения. Разница в цене в 3 раза, но в стоимости переборки двигателя — это капля в море.

Поэтому в спецификациях всегда нужно драться за каждый пункт по чистоте и гранулометрии порошка. И не стесняться требовать сертификаты с данными РФА (рентгенофлуоресцентного анализа). Иначе весь высокий вакуум и плазма окажутся бесполезны.

Подготовка поверхности: 90% успеха

Можно иметь самую совершенную установку вакуумно плазменного напыления, но если деталь подготовлена кое-как, все насмарку. Пескоструйная обработка — это не просто 'сделать шершавым'. Нужен правильный абразив (электрокорунд, а не обычный песок), определенная шероховатость (Ra в районе 3-5 мкм — идеал для большинства покрытий) и, что критично, — отсутствие заусенцев.

Был у меня болезненный опыт с ротором насоса. После пескоструйки механик 'довел' кромки абразивом вручную, сняв микрозаусенцы. Визуально — идеально. Но именно эти сглаженные края стали центрами отслоения покрытия. Под нагрузкой оно пошло 'чулком' с этих мест. Пришлось переделывать партию в 50 штук.

Еще один нюанс — обезжиривание. Трихлорэтилен или ультразвуковая ванна с спецраствором? Для титановых сплавов первый вариант может привести к водородному охрупчиванию. Всегда нужно смотреть не только на чистоту, но и на химическую совместимость с основным материалом детали.

Контроль качества: как не обмануться

Самое сложное — оценить результат. Визуально и 'на ощупь' хорошее покрытие не отличить от плохого. Адгезию проверяют по ГОСТ 9.304 или скарификатором, но эти методы разрушающие. Для серийных деталей это неприемлемо. Ультразвуковой контроль или термовизорная съемка под нагрузкой — дорого, но для ответственных изделий необходимо.

Мы для контроля толщины и пористости в цеху использовали простой, но эффективный метод — контрольные образцы-свидетели. Ставили рядом с деталью полированную пластину из того же материала. После напыления — на микроскоп и на излом. Позволяет быстро оценить структуру слоя без порчи изделия.

И главное — вести журнал процесса. Какое давление, ток дуги, напряжение, время предварительного ионного травления, температура подложки. Часто причина брака всплывает только при анализе этих записей. Однажды спасли партию форсунок, обнаружив, что сбой датчика температуры привел к перегреву на 50 градусов выше нормы, и покрытие стало хрупким. Без журнала списали бы все на 'плохой порошок'.

Вместо заключения: мысль вслух

Так что, вакуумно плазменное напыление — это не 'черный ящик', куда засунул деталь и получил волшебное покрытие. Это ремесло, где многое строится на мелочах и опыте, часто горьком. Оборудование вроде того, что разрабатывает ООО Чжэнчжоу Лицзя, дает хорошую техническую базу, но последняя миля — это всегда голова и руки инженера у установки. Гонка за производительностью или удешевлением часто убивает главное — надежность и воспроизводимость результата. А в нашей области, будь то авиация, медицина или инструмент, это единственные критерии, которые имеют значение в долгосрочной перспективе. Думаю, коллеги, кто сталкивался с 'необъяснимыми' отслоениями или низким ресурсом, меня поймут.