Импульсно-плазменная модификация свойств поверхности и нанесение покрытий

А. Д. Погребняк$^{1}$, Ю. Н. Тюрин$^{2}$

$^1$Сумский институт модификации поверхности, ул. Роменская, 87, 40030 Сумы, Украина
$^2$Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, ул. Боженко, 11, 03680, ГСП, Киев-150, Украина

Получена: 17.07.2002; окончательный вариант - 19.03.2003. Скачать: PDF

Представлен обзор современного состояния импульсно-плазменной детонационной технологии с целью модификации свойств структуры и механических свойств, а также нанесение защитных покрытий, имеющих различные функциональные задачи. На примере простых металлов ($\alpha$-Fe, Cu), сталей, сплавов, включая титановые сплавы, показана возможность модификации поверхности с помощью воздействия импульсной плазменной струи, имеющей высокие скорости от 1 до 8 км/с, и высокую температуру в струе ($10^{3}–3\cdot10^{4}$). Рассмотрена структура и свойства керамических, металлокерамических и металлических покрытий таких, как Al$_{2}$O$_{3}$, Al$_{2}$O$_{3}$+Cr$_{2}$O$_{3}$, WC–Co, нержавеющей стали 316L, Hastelloy C на основе Ni и др. Нанесение таких защитных покрытий приводит к значительному повышению механических характеристик таких, как стойкость в эксплуатации, твердость, коррозионная стойкость, стойкость к абразивному износу и т. д. Показано, что в некоторых случаях необходима так называемая «дуплексная» обработка поверхности изделий из металлов и сплавов, например, вибронакатывание с последующим воздействием импульсной плазменной струи, что приводит к заметному изменению механических характеристик изделий.

Ключевые слова: модификация поверхности, нанесение покрытий, импульсно-плазменная детонационная технология, вибронакатывание, керамические, металлокерамические и металлические покрытия.

PACS: 68.90.+g, 81.15.Gh, 81.15.Jj, 81.15.Rs, 81.65.Cf, 81.65.Kn

Citation: O. D. Pogrebnyak and Yu. M. Tyurin, Pulsed-Plasma Modification of Surface Properties and Coating Deposition, Usp. Fiz. Met., 4, No. 1: 1—71 (2003) (in Russian), doi: 10.15407/ufm.04.01.001


Цитированная литература (94)  
  1. Л. В. Келдыш, Труды международной конференции по физике полупроводников (Москва: 1968), с. 1307.
  2. В. С. Коваленко, Обработка материалов импульсным излучением лазеров (Киев: Вища школа: 1977).
  3. R. В Oswald, IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-13: 63 (1966). Crossref
  4. В. Steverding еt al., J. Phys. D, 4: 54 (1971). Crossref
  5. В. Steverding et al., J. Appl. Phys., 43: 3217 (1972). Crossref
  6. R. T. Avery and D. Keefe, IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-20: 1010 (1973). Crossref
  7. R. T. Avery and D. Keefe, Proc. Intern. Conf. ‘Electron Beam Research and Technology’ (New Mexico, USA: 1975), vol. 11, p. 61.
  8. A. N. Valyaev, Nucl. Instrum. Methods, 141: 555 (1998). Crossref
  9. A. D.Pogrebnjak and Sh. M. Rusimov, Phys. Lett. A, 120: 259 (1987). Crossref
  10. A. D.Pogrebnjak et al., Phys. Lett. A, 123: 410 (1987). Crossref
  11. Y. Nakagava et al., Japan J. Appl. Phys., 27: L719 (1988). Crossref
  12. Y. Nakagava et al., Nucl. Instrum. Methods, 39: 603 (1989). Crossref
  13. D. J. Rej et al., Nucl. Instrum. Methods, 127/128: 987 (1997). Crossref
  14. В. И. Итин и др., Физика износостойкости поверхности металлов (Ленинград: Наука: 1988), с. 119.
  15. Ю. Ф. Иванов, С. В. Лыков, В. П. Ротштейн, ФХОМ, 5: 62 (1993).
  16. К. Yatsui et al., Proc. 10th Intern. Conf. ‘High Power Particle Beams’ (San-Diego, USA: 1994), p. 27.
  17. H. A. Davis et al., MRS Bulletin, 21: 58 (1996). Crossref
  18. H. A Davis et al., Mater. Chem. Phys., 54: 213 (1998). Crossref
  19. Л. И. Рудаков, В. А. Демидов, В. С. Углов, ФХОМ, 4: 11 (1989).
  20. V. I. Engelko, A. V. Lazarenko, and О. Р. Pechersky, Proc. 9th Intern. Conf. High Power Particle Beams (Washington: 1992), vol. 3, p. 1035.
  21. D. I. Proskurovsky et al., Vac. Sci. Tech. A, 16: 2480 (1998). Crossref
  22. V. I. Itin et al., Proc. Intern. Conf. ‘Energy Pulse and Particle Beams Modification of Materials’ (Dresden, 1989) (Berlin: Phys. Res.: 1990), vol. 13, p. 331.
  23. В. Steverding and S. H. Lehning, J. Appl. Phys., 42: 3231 (1971).
  24. В. Steverding and S. H. Lehning, J. Appl. Phys., 45: 3507 (1974).
  25. В. И. Бойко и др., ФХОМ, 1: 29 (1992).
  26. В. И. Бойко и др., ФХОМ, 5: 28 (1993).
  27. V. I. Boiko et al., Phys. Status Solidi A, 128: 369 (1991). Crossref
  28. В. И. Бойко, А. Н. Валяев, А. Д. Погребняк, УФН, 169, вып. 11: 1243 (1999). Crossref
  29. А. Н. Валяев, Н. Кишимото, А. Д. Погребняк, Модификация свойств материалов и синтез тонких пленок при облучении интенсивными электронными ионными пучками (Усть-Каменогорск: Восточно-Казахстанский технический университет: 2000), с. 345.
  30. В. Л. Якушев, Б. А. Калин, В. И. Польских, Металлы, № 4: 74 (1994).
  31. Yu. N. Tyurin and A. D. Pogrebnjak, Surf. and Coat. Tech., 111: 269 (1999). Crossref
  32. А. Д. Погребняк, Ю. Н. Тюрин, Ю. Ф. Иванов и др., Письма в ЖТФ, 26, вып. 21: 53 (2000).
  33. А. Д. Погребняк, М. В. Ильяшенко и др., ЖТФ, 71, вып. 7: 111 (2001).
  34. А. Д. Погребняк, Ю. Н. Тюрин, А. П. Кобзев, Письма в ЖТФ, 27, вып. 15: 1 (2001).
  35. А. Д. Погребняк, С. В. Соколов, В. С. Кшнякин, Ю. Н. Тюрин и др., ФХОМ, № 4: 47 (2001).
  36. А. Д. Погребняк, О. П. Кульментьева и др., Труды 6-й Международной конференции «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург: Изд. СПбГТУ: 2001), с. 56.
  37. Ю. Н. Тюрин, М. Л. Жадкевич и др., Труды 6-й Международной конференции «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург: Изд. СПбГТУ: 2001), с. 71.
  38. А. Д. Погребняк, Ю. Н. Тюрин и др., Труды 6-й Международной конференции «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург: Изд. СПбГТУ: 2001), с. 82.
  39. A. D. Pogrebnjak, M. Il’yashenko, O. P. Kulment’eva et al., Труды 6-й Международной конференции «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург: Изд. СПбГТУ: 2001), с. 324.
  40. А. D. Pogrebnjak, M. Il’yashenko, O. P. Kulment’eva et al., Vacuum, 62: 21 (2001). Crossref
  41. А. Д. Погребняк, О. П. Кульментьева, Ю. Н. Тюрин, II International Symposiuma NEET-2001: ‘New Electrical and Electronic Technologies and Their Industrial Implamentation’ (K. Dolny, Poland, February 2001), P. 14–17, p. 119.
  42. А. Д. Погребняк, С. В. Соколов, Е. А. Базиль, Ю. Н. Тюрин, II International Symposiuma NEET-2001: ‘New Electrical and Electronic Technologies and Their Industrial Implamentation’ (K. Dolny, Poland, February 2001), P. 14–17, p. 51.
  43. А. Д. Погребняк, М. В. Ильяшенко и др., Письма в ЖТФ, 27, вып. 17: 82 (2001).
  44. A. D. Pogrebnjak, O. P. Kulment’eva, Yu. N. Tyurin, and O. V. Kolisnichenko, Proc. Int. Conf. ‘ISSP 2001’.
  45. A. D. Pogrebnjak, O. P. Kulment’eva, Yu. F. Ivanov, and Yu. N. Tyurin, ISSP, (2001).
  46. T. P. Gavrilebko, Y. A. Nikolaev, and V. Y. Ulianitsky, Proc. 15th Int. Thermal Spray Conf. (Nice, France, 1998), р. 1485.
  47. M. L. Thorpe and H. J. Richter, Proc. Thermal Spray: International Advances in Coatings Technology (Orlando, Florida, USA: 1992), р. 137.
  48. H. Kreye, R. Schweitzker, and S. Zimmerman, Proc. ASM Thermal Spray Society (1996), р. 450.
  49. G. R. Heath and R. J. Dumola, Proc. 15th Int. Thermal Spray Conf. (Nice, France, 1998), р. 1495.
  50. M. Miyamoto, Т. Sakutat, and M. Tago, Proc. 15th Int. Thermal Spray Conf. (Nice, France, 1998), р. 1501.
  51. J. R. Uglum, J. L. Bacon, D. G. Davis et al., ASM Thermal Spray Society (1997), p. 373.
  52. А. Д. Лебедев, Б. А. Урюков, Импульсные ускорители плаз¬мы высокого давления (Новосибирск: 1990), с. 280.
  53. R. B. Bhagat, M. F. Amatean, A. Papyrin et al., ASM Thermal Spray Society (1997), p. 361.
  54. Ю. А. Харламов, Детонационно-газовые установки для нанесения покрытий (Ворошиловград: 1998), с. 228.
  55. А. И. Зверев, С. Ю. Шаривкер, Е. А. Астахов, Детонацион¬ное нанесение покрытий (Ленинград: Судостроение: 1979), с. 178.
  56. А. П. Семенов, Ю. Л. Федько, А. И. Григоров, Обзор НИИ машиност-роения, 167 (1977).
  57. Ю. Н. Тюрин, Способ детонационного нане¬сения, А. с. СССР № 1045491 (1983).
  58. K. A. Yuschenko, Y. S. Borisov, and Yu. N. Tyurin, Method and Device for Plasma-Detonation Working of Metal Articles, European pat. Nо. 0531527. Al.1991.
  59. Ю. Н. Тюрин, А. Д. Погребняк, Proc. PSE (2002) (в печати).
  60. В. А. Левин (Докт. дис.) (Mосква: 1975).
  61. D. H. Edwards and T. R. Lawrence, Proc. Roy. Soc. Ser. A, 286: 415 (1965). Crossref
  62. I. B. Helliwell, J. Fluid Mech., 16: 243 (1963). Crossref
  63. Г. Д. Саламандра, ФГВ, 12, № 2: 229 (1976).
  64. Ю. А. Буренин, Г. А. Швецов, ФГВ, 13, № 1 (1977).
  65. Р. И. Солоухин, ФГВ, 13: № 3 (1977).
  66. Дж. Уизем, Линейные и нелинейные волны (Mосква: Мир: 1977).
  67. В. Д. Кальнер, А. К. Вернер, МиТОМ, № 4: 10 (1994).
  68. Ю. М. Лахтин, МиТОМ, № 7: 6 (1993).
  69. А. Ф. Беликова, А. М. Булаев, С. Н. Буранова и др., ФХОМ, № 9: 100 (1989).
  70. The Oxide Handbook (Ed. G. Samsonov) (Moscow: Metallurgiya: 1978); idem, 2nd ed. (New York: Plenum: 1973).
  71. А. Д. Лебедев, Б. А. Урюков, Импульсные ускорители высокого давления (Новосибирск: 1990), с. 210.
  72. А. Д. Погребняк, М. В. Ильяшенко, В. С. Кшнякин, Труды ХII Междуна-родного совещания «Радиационная физика твердого тела» (в печати).
  73. Ю. Н. Тюрин, А. Д. Погребняк, О. В. Колисниченко и др., ФХОМ, 2: 142 (2002).
  74. A. D. Pogrebnjak and N. I. Shumakova, Surf. аnd Coat. Tech., 122: 183 (1999). Crossref
  75. А. Н. Валяев, А. Д. Погребняк, С. В. Плотников, Радиационно-механичес¬кие эффекты в твердых телах при облучении высокоэнергетическими импульсными электронными и ионными пучками. (Алматы: Гылым: 1998).
  76. А. М. Прохоров, Физические принципы обработки материалов импульсной лазерной плазмой: Научные основы прогрессивной технологии (Москва: Машиностроение: 1982).
  77. В. А. Белянин, А. А. Жуков, А. Н. Кокура и др., ФХОМ, № 2: 115 (1967).
  78. В. М. Андрияхин, М. М. Фишкис, Лазеры и перспективы их применения в автомобилестроении (Москва: НИИ Автопром: 1980).
  79. Н. Н. Рыкалкин, А. А. Углов, А. Н. Кокора, Лазерная обработка материалов (Москва: Машиностроение: 1975).
  80. F. Behr, C. Arndt, and E. Haberling, Thyssen Edelstahl Techn., 16: 106 (1990).
  81. E. Lugscheider and B. C. Oberlander, Sci. Rev., 88, No. 5: 283 (1991).
  82. A. Voss, J. Funken, M. Alunovic, H. Sung, and E. W. Kreutz, Thin Solid Films, 220, No. 1–2: 116 (1992). Crossref
  83. Modelling of Laser Hard-Facing of Steels with Carbide Powder Injection (BRITE/EURAM Programme) (Luxemburg: OOPEC: 1990), p. 337.
  84. М. В. Ильяшенко, В. С. Кшнякин, А. И. Олемской, А. Д. Погребняк, ФТТ (2002) (в печати).
  85. Л. Фельдман, Д. Майер, Основы анализа поверхности и тонких пленок (Москва: Мир: 1989), с. 64, с. 343.
  86. В. А. Гурьев, В. И. Тескер, ФХОМ, № 1: 14 (1996).
  87. А. Н. Сафонов, МиТОМ, № 7: 2 (1997).
  88. Л. К. Лещинский, С. С. Смотугин, И. И. Пирч, Плазменное поверхностное упрочнение (Киев: Техника: 1990), с. 109.
  89. В. С. Коваленко, Л. Ф. Головко, В. С. Черненко, Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера (Киев: Технiка: 1990), с. 192.
  90. C. Cordier-Robert, J. Crampon, and J. Foct, Surface Engineering, 14, No. 5: 381 (1998). Crossref
  91. Д. С. Герцрикен, В. Г. Костюченко, В. М. Тишкевич, В. М. Фальченко, Доп. НАН України, № 3 (1997).
  92. Ю. Н. Тюрин, Автоматическая сварка, № 5: 13 (1999).
  93. А. М. Лыков, В. Г. Почепаев, Ю. Г. Редькин, Е. С. Куминов, ФХОМ, № 3: 27 (1997).
  94. Ю. Н. Тюрин, О. В. Колисниченко, Н. Г. Цыганков, Автоматическая сварка, № 1: 38 (2001).