Знаменитое ионное плазменное напыление

Если честно, каждый раз когда слышу про 'знаменитое ионное плазменное напыление', хочется разобрать по косточкам этот растиражированный термин. В промышленности им часто называют всё подряд - от вакуумного напыления до CVD-процессов, хотя принципиальная разница в управлении плазмой ионным пучком конкретной плотности. Мы в ООО Далянь Синьцзиян Индустрия через это прошли, когда в 2015 переоснащали цех с постоянной температурой - поставщики оборудование одно, а технологические карты подсовывали совсем другие.

Технологические нюансы которые не пишут в учебниках

Вот смотрите: классическая схема с катодным распылением в аргоне даёт неравномерность покрытия до 40% на сложных профилях. А когда мы для авиакомпонентов пробовали увеличить плотность тока выше 2.5 А/дм2 - появились микротрещины в зоне термобарического перехода. Пришлось фактически заново подбирать режимы отжига после напыления.

Кстати про температурный режим - это отдельная история. В нашем цеху с постоянной температурой пришлось дополнительно ставить локальные экраны, потому что даже при +23°C геометрия подвесных систем давала перепад в 5 градусов между центральными и крайними заготовками. Для титановых сплавов это критично, особенно при толщинах слоя менее 20 мкм.

Самое обидное было с нитридом титана - красивый золотистый цвет получался только на эталонных образцах, а в промышленной партии оттенок плавал от соломенного до почти коричневого. Разобрались только когда подключили масс-спектрометр плазмы - оказалось, даже следы кислорода в 10^-3 Па уже влияют на стехиометрию.

Оборудование и его капризы

Наши 102 единицы оборудования включают и установки плазменного напыления, но ни одна из них не работала 'из коробки'. Например, китайские камеры с заявленным вакуумом 5×10^-3 Па на практике держали только 8×10^-3 Па, пришлось допиливать систему охлаждения магнетронов.

Особенно доставали автоматические манипуляторы - программное обеспечение писало идеальные траектории, а на практике из-за люфтов в 0.1 мм мы теряли до 15% материала мишени. Пришлось разрабатывать эмпирические поправки для каждого типа деталей.

Сейчас вспоминаю с улыбкой, но тогда было не до смеха: когда для ионного плазменного напыления сложных профилей лопаток турбин пришлось фактически заново изобретать систему подвеса - стандартные держатели давали 'теневые' зоны до 3 мм глубиной.

Реальные производственные задачи

В 2018 году мы делали покрытие для нефтяных клапанов - заказчик требовал износостойкость не менее 1200 HV при толщине 50±5 мкм. Стандартная технология давала либо 800 HV, либо толщину 65 мкм. Пришлось комбинировать два режима напыления с промежуточным отжигом.

Кстати, про контроль качества - наши трехкоординатные измерительные машины сначала только геометрию проверяли, а для контроля адгезии пришлось разрабатывать специальные тестовые образцы. Выяснилось, что стандартные методы царапины по Роквеллу часто дают ложные результаты из-за упругой деформации подложки.

Самое неочевидное оказалось с подготовкой поверхности - даже после ультразвуковой очистки в ацетоне оставались следы полировочных паст. Только ионная бомбардировка в аргоне при 300 В действительно давала стабильную адгезию.

Экономические аспекты которые обычно замалчивают

Когда считаем себестоимость, часто забывают про стоимость мишеней - например, для напыления карбида вольфрама мишень из чистого вольфрама 'садится' за 120 циклов, а композитная - уже за 80. Но зато композитная даёт стабильный состав покрытия.

Энергопотребление - отдельная статья. Наши 8000 м2 производственных площадей потребляют до 40% энергии именно на вакуумные системы и системы охлаждения. При текущих тарифах это делает тонкопленочные покрытия дороже толстослойных на 15-20%.

Интересный момент с квалификацией персонала - из 122 сотрудников только 8 могут полноценно настраивать режимы напыления. Обучаем своих, но на это уходит от 6 месяцев до года практики.

Перспективы и тупиковые направления

Сейчас экспериментируем с гибридными методами - например, комбинация ионного плазменного напыления с лазерной обработкой. Первые результаты обнадёживают - для инструментальных сталей удалось поднять твёрдость до 1800 HV без потери вязкости.

А вот от многослойных наноструктуррованных покрытий пока отошли - технологически возможно, но стоимость контроля каждого слоя съедает всю экономическую эффективность. Разве что для медицинских имплантов ещё рассматриваем.

Из явных тупиков - попытки напылять керамические покрытия на алюминиевые сплавы без промежуточных слоёв. Коэффициент термического расширения играет злую шутку - при термоциклировании появляются трещины уже после 50 циклов.

Практические советы тем кто только начинает

Первое - не экономьте на вакуумной системе. Лучше взять камеру меньше, но с реальным вакуумом 5×10^-4 Па, чем большую с 10^-3 Па. Разница в качестве покрытия будет кардинальной.

Второе - сразу планируйте систему утилизации технологических газов. Наши соседи по промзоне получили штраф за выбросы аргона с примесями металлов - пришлось срочно ставить фильтры-уловители.

И главное - не верьте каталогам слепо. Технология ионного плазменного напыления требует адаптации под каждое конкретное производство. Мы вот за 25 лет работы наработали столько ноу-хау, что некоторые наши технологические карты выглядят как ересь с точки зрения классической теории.

Если что - заходите на https://www.xinjiyangongye.ru, там есть наши контакты. Можем и по опыту конкретно по вашему случаю проконсультировать, без воды и рекламных обещаний. Как говорится, практика - критерий истины, особенно в нашем деле.