close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка технологических мероприятий по повышению эффективности процесса магнетронного напыления упрочняющих 3D-нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Дружков Станислав Сергеевич Шифр научной специальности: 05.02.07 - технология и оборудование механической и физико-технической обработки Шифр диссертационного совета: Д 212.210.01 Название организации: Рыбинская государственная авиац
На правах рукописи
ДРУЖКОВ СТАНИСЛАВ СЕРГЕЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО
ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА
МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ
3D-НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Специальность 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и
физико-технической обработки»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Рыбинск – 2012
2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский
государственный
авиационный
технический
университет
имени
П. А. Соловьева».
Научный руководитель:
заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Кожина Татьяна Дмитриевна.
Официальные оппоненты:
Семёнов Эрнст Иванович, доктор технических наук, профессор,
Рыбинский государственный авиационный технический университет имени
П. А. Соловьева, профессор кафедры «Вычислительные системы»;
Шапошников Александр Михайлович, кандидат технических наук, доцент,
Ярославский государственный технический университет, доцент кафедры
«Технология машиностроения».
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени
Н. Э. Баумана».
Защита диссертации состоится 30 мая 2012 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский
государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд.
Г-237.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева».
Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Конюхов Борис Михайлович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В диссертации рассматриваются вопросы повышения производительности процесса магнетронного напыления 3D-нанокомпозитных упрочняющих
покрытий металлорежущего инструмента путём параметрической оптимизации
давления газа по симплексу скорости осаждения покрытия.
Актуальность темы
Эффективность механической обработки во многом определяется характеристиками применяемого металлорежущего инструмента. Непрерывно осуществляются исследования, ориентированные на повышение скорости резания,
увеличение прочности и повышение износостойкости инструмента. Эффективным направлением повышения характеристик металлорежущего инструмента
является нанесение на его рабочую часть упрочняющих наноструктурированных покрытий, обладающих высокой твердостью, вязкостью, теплостойкостью
и низким коэффициентом трения. Эти свойства покрытий предопределяются
малым размером кристаллов и большой объёмной долей границ зёрен. Механизм повышения рабочих характеристик заключается в том, что данные материалы имеют сбалансированное отношение между твердостью, определяющей
износостойкость, и прочностными характеристиками материала. Таким образом, упрочняющие наноструктурированные покрытия, благодаря комплексу
своих свойств, имеют большое значение в современной инструментальной
промышленности.
Низкое качество инструментального материала и отсутствие упрочняющего покрытия привело к падению спроса на отечественный металлорежущий
инструмент, поскольку он не способен удовлетворить существующие потребности современного потребителя. Следствием этого стало широкое распространение продукции фирм «Sandvik Соromant», «Mitsubishi», «Kennametal»,
«ISCAR», «SECO», «Lamina Tecnologies», «Corun», «Guhring», «Hoffmann
Group» на отечественных машиностроительных предприятиях. В результате, в
нашей стране на инструментальном рынке сложилась неблагоприятная экономическая ситуация, выходом из которой может быть лишь организация собственного производства металлорежущего инструмента, способного составить
конкуренцию зарубежной продукции.
Магнетронное напыление, обеспечивающее формирование нанокомпозитной структуры покрытия, обладающей низким коэффициентом трения и
обеспечивающей высокоэффективную защиту от износа и коррозии при повышенных температурах, является в настоящее время наиболее перспективным
методом нанесения упрочняющих покрытий. Несмотря на это, данный метод
нанесения покрытий не получает промышленного распространения ввиду низкой скорости напыления, тогда как его внедрение на отечественных предприятиях по выпуску металлорежущего инструмента могло бы коренным образом
изменить сложившуюся негативную ситуацию.
В связи с вышесказанным, актуальной научно-технической задачей является поиск способов повышения эффективности процесса магнетронного напыления, что позволит обеспечить распространение данного метода и выпуск конкурентоспособного отечественного металлорежущего инструмента.
Целью работы является разработка технологических мероприятий по повышению эффективности процесса магнетронного напыления упрочняющих
4
3D-нанокомпозитных покрытий путём повышения производительности установки ионно-плазменного магнетронного синтеза упрочняющих покрытий по
симплексу скорости осаждения покрытия.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Анализ современных подходов к математическому описанию процессов ионно-плазменного синтеза упрочняющих покрытий;
2. Формализация влияния технологических условий осуществления процесса магнетронного распыления на формирование давления газа в вакуумной
камере;
3. Разработка математической модели скорости осаждения покрытия;
4. Выполнение оптимизации параметра давления газа по симплексу скорости осаждения покрытия;
5. Разработка программного модуля параметрической оптимизации давления газа под различные условия реализации процессов ионно-плазменного
магнетронного синтеза упрочняющих покрытий;
6. Практическая апробация результатов работы.
Общая методика исследований основана на выполнении теоретических
исследований с использованием теории газового разряда и молекулярнокинетической теории, а также проведении экспериментальных исследований в
лабораторных и производственных условиях с использованием системы автоматизированной обработки экспериментальных данных, при этом применялись
методы планирования эксперимента и статистической обработки результатов с
использованием программных продуктов MathCAD и Microsoft Excel.
Достоверность полученных результатов обеспечивается за счёт использования признанных научных положений, апробированных методов и
средств исследования, а также корректного применения современных методов
обработки экспериментальных данных, реализуемых с помощью программного
продукта Microsoft Excel.
Научная новизна заключается в разработанном автором способе повышения эффективности процесса магнетронного напыления за счёт параметрической оптимизации давления газа в вакуумной камере магнетронной установки по симплексу скорости осаждения покрытия, который включает в себя возможность компенсации влияния на процесс случайных изменений технологических параметров и факторов, определяющих качество плазмы, за счёт регулирования давления газа в вакуумной камере. В том числе:
– разработана модель комплексного показателя качественного состава
плазменной среды, реализующая количественный учёт характеристик процесса
напыления и тождественно определяющая показатель, используемый для коррекции давления в вакуумной камере магнетронной установки;
– разработана математическая модель по определению скорости осаждения покрытия в зависимости от физических параметров процесса напыления,
учитывающая природу среды «газ – распыляемый материал» и особенности
вольтамперных характеристик магнетронной системы, в том числе зависимости
показателя эффективности напыления, плотности тока и коэффициента распыления от давления газа в вакуумной камере;
5
– установлены закономерности взаимосвязи между основными параметрами магнетронной системы (разрядным током и напряжением разряда) и давлением газа в вакуумной камере магнетронной установки по покрытию инструмента;
– разработана методика определения оптимального давления газа по симплексу скорости осаждения покрытия.
Практическая ценность работы состоит в разработанной методике оптимизации давления в процессе магнетронного напыления по симплексу скорости осаждения покрытия, использование которой способствует повышению
производительности установки. Разработанный программный модуль, обеспечивающий автоматизированное получение и использование оптимизационных
моделей в различных условиях реализации процессов ионно-плазменного магнетронного синтеза упрочняющих покрытий, может быть использован для повышения эффективности процессов упрочнения металлорежущего инструмента, оснастки, деталей и узлов ГТД.
Автор защищает:
– модель комплексного показателя качественного состава плазменной
среды, реализующую количественный учёт качественных характеристик процесса покрытия металлорежущего инструмента;
– теоретико-экспериментальную зависимость скорости осаждения покрытия от физических параметров процесса напыления для конкретных условий;
– технологические мероприятия по повышению эффективности процесса
магнетронного напыления упрочняющих 3D-нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы
были внедрены на предприятии ОАО «Русская механика». За счёт применения
полученных износостойких покрытий при осуществлении операций зубообработки стойкость металлорежущего инструмента была повышена в 1,9…2,0 раза,
при этом шероховатость обработанной поверхности (по параметру Ra) была
уменьшена в 1,3 раза, экономический эффект (в виде сокращения себестоимости операции напыления упрочняющих 3D-нанокомпозитных покрытий) от
внедрения технологических мероприятий составил 25 %. Кроме того результаты работы были включены в учебный процесс кафедры «Резание материалов.
Станки и инструменты имени С. С. Силина», а также использовались при выполнении государственного контракта с ГК «Роснанотех» по созданию программы опережающей профессиональной переподготовки кадров в области
разработки и получения наноструктурированных покрытий режущего инструмента. Автор работы, является сотрудником малого предприятия ООО «Пико»
открытого в рамках ФЗ-217.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на: «5-й Всероссийской
зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых» (Уфа, 2010), организатор – УГАТУ; Всероссийской конференции с элементами научной школы для
молодежи «Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок» (Рыбинск, 2010),
организатор – РГАТА им. П. А. Соловьёва; Всероссийской Конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва,
6
2011), организатор – МГТУ им. Н. Э. Баумана; Всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2011), организатор –
УГАТУ; «Национальной научно-технической конференции» (Москва, 2011),
организатор – Союз Машиностроителей России (работа награждена дипломом
за второе место); Региональном конкурсе «Молодость – Эрудиция. Стимул –
Инновация» (Ярославль, 2011), организатор – Департамент экономического
развития Ярославской области; «7-ой Всероссийской зимней школе-семинаре
аспирантов и молодых ученых» (Уфа, 2012), организатор – УГАТУ; Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение
машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2012), организатор –
ВоГТУ. Полностью работа докладывалась и обсуждалась на кафедре «Резание
материалов, станки и инструменты» им. С. С. Силина РГАТУ им.
П. А. Соловьева.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в
том числе 1 из них в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованных источников из 87
наименований, а также четырёх приложений. Общий объем работы 185 страниц, диссертация содержит 47 рисунков, 31 таблицу и 92 формулы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, кратко сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.
Первая глава посвящена анализу состояния развития теоретических аспектов ионно-плазменного метода получения упрочняющих наноструктурированных покрытий. Исследования в области ионно-плазменных технологий получения покрытий выполнялись многими отечественными и зарубежными учёными: Агабеков Ю. В., Башков В. М., Ветошкин В. М., Григорьев С. Н., Григорьев Ф. И., Данилин Б. С., Епифанов Г. И., Киреев В. Ю., Ключарев А. Н.,
Князев Б. А., Кожина Т. Д., Королев Б. И., Кузьмичёв А. И., Морозов А. И., Никитин М. М., Петухов В. В., Райзер Ю. П., Рудый А. С., Семёнов Э. И., Тагиров Р. Б., Behrisch R., Chen F., Dushman S., Hultman L., Maisel L., Meyer K.,
Westwood W. D. и др.
Анализ литературных данных свидетельствует о том, что в настоящее
время существует подробное физическое описание процессов, происходящих в
плазме газового разряда. Важную роль в процессе напыления покрытий играет
давление рабочего газа: оно воздействует на характер движения частиц и, таким
образом, определяет процесс ионизации газа, а, следовательно, и скорость синтеза покрытия. Однако характер влияния давления на процесс распыления довольно сложен и неоднозначен. Установлено также, что давление газа взаимосвязано с качественными характеристиками плазменной среды, однако механизм учёта этой взаимосвязи на данный момент отсутствует.
Диапазон давлений рабочего газа определяется условиями существования
рабочих разрядов, при этом могут быть установлены оптимальные значения рабочего давления, которые соответствуют максимальной скорости генерации
7
энергетических частиц, то есть максимальной скорости распыления материалов. Однако, конкретные способы оптимизации давления по скорости напыления в литературе не приводятся, тогда как изменение рабочего давления в процессе синтеза покрытий может не только вызвать снижение скорости напыления, но также стать причиной нарушения стехиометрического состава получаемого многокомпонентного покрытия.
Выполненный анализ теоретических данных показал, что математическое
описание непосредственного воздействия давления газа на скорость осаждения
покрытий и её основные составляющие (плотность тока и коэффициент распыления) отсутствует. Основные зависимости, описывающие процесс с позиции
его скоростной характеристики могут быть систематизированы следующим образом (таблица 1).
Таблица 1
Основные существующие зависимости, описывающие скоростную характеристику ионноплазменного процесса
Основные определяющие
Наименование зависимости Формализованное представление
параметры*
Эффективность процесса наФормула скорости осаждеv η vp
пыления η;
ния покрытия
Скорость распыления vр
Формула скорости распыления (Данилин Б. С.)
Модель коэффициента распыления (теория Зигмунда
для Eи<1000 В)
Основное уравнение МКТ
Уравнение состояния
реального газа
Выражение для определения плотности ионного тока (Behrisch R.)
Удельная проводимость
плазмы (Ключарев А. Н.)
6,25 1024 jи Y ma
vр NA ρ
3βm m
Е
1
Y 2 и а 2 и 2π mи ma Есуб cos α
3
Eк kT
2
qe2 ne
σe me υи
Напряжённость электрического поля
ε
Давление газа p
Удельная проводимость
плазмы σe. Напряжённость
электрического поля ε
jи σ e ε
υи na ve c I d 2kTe e
Ионная энергия Eи
Температура частиц
М2 a М М
RT
p 2 2 V b m V m m
Частота ионизации (в случае максвеловской функции
распределения)
Плотность ионного тока jи
Коэффициент распыления Y
Частота ионизации υи
Id
kTe
Eи
λ
Формула для определения
Eи = qe·Ud
энергии ионов
Длина свободного пробега
kT
λ
частиц в вакууме (Воль2 π r2 p
пяс В. А.)
μL
К определению числа ато
λ N N 0 1 e λ ; μ ma .
мов, достигших подложки
μL mи
(Григорьев Ф. И.)
* В рамках отдельного процесса ионно-плазменного напыления.
Ток разряда Id
Ионная энергия Eи.
Длина свободного пробега
частиц в вакууме λ
Напряжение разряда Ud
Давление газа p
Длина свободного пробега
частиц в вакууме λ
8
В ходе систематизации данных автором было установлено, что путём
преобразований имеющихся формул искомые зависимости могут быть определены опосредованно. В связи с вышесказанным, в качестве целесообразного
направления достижения поставленной цели по повышению производительности магнетронной установки автором предлагается разработка математической
модели, определяющей непосредственную взаимосвязь скорости осаждения покрытия и величины рабочего давления газа в вакуумной камере, которая впоследствии может быть использована для оптимизации давления.
Во второй главе на основе анализа ранее выполненных исследований,
представлена разработка математических моделей для оптимизации давления
газа в вакуумной камере.
Создана математическая модель, необходимая для осуществления количественной оценки качества плазменной среды в вакуумной камере в процессе
магнетронного нанесения покрытий. Она позволяет рассчитать коэффициент,
отражающий полноту соответствия комплекса качественных характеристик
плазмы аналогичному комплексу, принятому за эталон:
Q сост.пл
0, 5
g атм.пр g h Qh2 g t Qt2 g t Qt2 2
2
2
g
g
Q
g
Q
g
g
Q
тех.пр
q
q
q
q
ВГ
ЧП
ЧП
,
2
2
2
g
g
g
Q
g
Q
g
Q
ВГ
МУ
Т
Т
RH
RH
z
z
2
2
g t Qt g q Qq
кор
г
кор
г
ИО
атм
м
ИО
атм
ВО
м
ОС
ВО
(1)
ОС
где Q сост.пл – комплексный показатель качественного состава плазмы; gатм.пр – весомость комплексного показателя содержания атмосферных примесей в
плазме;Qhкор , ghкор – единичный показатель толщины технологической корки и
его весомость; Qtатм, gtатм – единичный показатель продолжительности нахождения камеры под атмосферным давлением и его весомость; QtВО , gtВО – единичный показатель продолжительности вакуумной откачки и его весомость; gтех.пр –
весомость комплексного показателя содержания технических примесей в плазме; Qqг, gqг – единичный показатель чистоты используемых газов и его весомость; Qqм, gqм – единичный показатель чистоты материалов мишеней и его весомость; gВГ – весомость комплексного показателя выполнения требований вакуумной гигиены; QЧП, gЧП – единичный показатель чистоты осуществления
процесса и его весомость; gМУ – весомость комплексного показателя микроклимата вакуумного участка; QТ, gТ – единичный показатель температуры воздуха и
его весомость; QRH, gRH – единичный показатель относительной влажности воздуха и его весомость; Qz, gz – единичный показатель запылённости воздуха и его
весомость; QtИО , gtИО – единичный показатель продолжительности ионной очистки и его весомость; QqОС, gqОС – единичный показатель исправности откачной
системы и его весомость.
За счёт оперирования безразмерными комплексами вместо параметров
процесса в явном виде обеспечивается универсальность модели, а также возможность интеграции большого числа разнородных параметров и показателей качества. С учётом практической проверки, определяемый по модели коэффициент может учитываться в расчёте оптимального давления (по критерию
9
производительности) для конкретных условий осуществления процесса ионноплазменного напыления.
В ходе анализа и математических преобразований зависимостей, определяющих процесс ионно-плазменного напыления, автором получены математические модели составляющих скорости процесса напыления: плотность тока,
коэффициент распыления и показатель эффективности напыления. Полученные
математические модели могут послужить основой для формирования зависимости скорости напыления от физических параметров процесса напыления.
В третьей главе приводятся результаты практической проверки аналитически полученных моделей для оптимизации давления газа в вакуумной камере установки магнетронного напыления модели «Unicoat 400» при непосредственной реализации процессов магнетронного напыления упрочняющих покрытий, представлена методика экспериментальных исследований, используемое оборудование и материалы (рис. 1, рис. 2).
Рис. 1. Общий вид установки магнетронного напыления «Unicoat 400»
Рис. 2. Модель процесса магнетронного напыления
Приводятся результаты экспериментального исследования влияния качественных условий осуществления процесса магнетронного напыления на величину давления газа в вакуумной камере. В ходе сопоставления результатов экспериментов и расчётных значений давления по прогностической модели качества плазмы с применением методов математической статистики по критериям
Пирсона и Тейла выявлена адекватность модели.
Экспериментальные исследования взаимосвязи составляющих элементов
скорости процесса напыления с величиной давления газа в процессе работы дуальной несбалансированной магнетронной распылительной системы (рис. 1.)
установили необходимость частичной корректировки, либо полной замены ранее составленных их математических описаний более адекватными эмпирическими аналогами.
Корректировка модели коэффициента распыления состояла в замене её
части, соответствующей энергии ионов. Статистическая обработка результатов
эксперимента по исследованию взаимосвязи напряжения разряда (эквивалент
ионной энергии, таблица 1) и давления газа в вакуумной камере с применением
программной среды Microsoft Excel (рис. 3.) позволила получить уравнение регрессии вида
U d 281 p 0,21 ,
(2)
10
где Ud – напряжение разряда, В; p – давление газа, Па.
Рис. 3.Эмпирическая зависимость напряжения
разряда от давления (установка «Unicoat 400»; материал ВТ1–0; рабочий газ – аргон; максимальное
напряжение разряда Udmax=650 В; разрядный ток
Id=5 А)
Рис. 4. Эмпирические зависимости напряжения разряда от силы разрядного тока (установка «Unicoat 400»; материал ВТ1–0; рабочий газ
– аргон; максимальное напряжение разряда
Udmax=650 В)
На основании полученного уравнения была составлена зависимость энергии ионов от давления, внесение которой в модель коэффициента распыления
определило его непосредственную взаимосвязь с величиной давления газа в
камере:
Y
3βmи mа
2π 2 mи ma 2
450 10 19
,
Еcyб p 0,21
(3)
где Y – коэффициент распыления, атом/ион; β – функция от соотношения масс
атома и иона; mи – масса бомбардирующего иона, кг/моль; ma – масса выбиваемого атома, кг/моль; Eсуб – энергия сублимации, Дж.
Модель зависимости плотности ионного тока от давления газа была
сформирована на основании результатов исследований вольтамперных характеристик (ВАХ) магнетронной системы установки «Unicoat 400» при различных значениях давления газа в камере. Статистическая обработка результатов
экспериментов позволила получить частные зависимости разрядного напряжения от разрядного тока (рис. 4).
Полученные частные зависимости послужили основой для общей зависимости напряжения разряда от силы разрядного тока:
U d 329 e 0,04 I d ,
(4)
где Id – разрядный ток, А.
Из уравнений регрессии (2) и (4) путём использования их элементов и
расчёта необходимого коэффициента регрессии была получена общая модель
зависимости напряжения разряда от силы разрядного тока и давления газа, которая с учётом условий эксперимента впоследствии была преобразована в модель плотности ионного тока:
U p0,21 jи 2083ln d
(5)
,
229
где jи – плотность ионного тока, А/м2.
11
Экспериментальное определение взаимосвязи давления газа и эффективности напыления состояло в многократной реализации технологического процесса нанесения покрытия на образцы-свидетели при различных значениях рабочего давления, что сопровождалось измерением масс распыляемых мишеней
и образцов-свидетелей до и после реализации процесса напыления. Расчёт показателей эффективности состоял в сопоставлении полученных масс, приведенных к единице площади. Статистическая обработка результатов эксперимента (рис. 5) определила эмпирическую зависимость эффективности процесса
напыления и величины давления газа в вакуумной камере:
η 0, 047 p 0,79 ,
(6)
где η – показатель эффективности процесса напыления.
Путём объединения полученных эмпирических зависимостей (3, 4, 5, 6), с
учётом формул из таблицы 1, была определена теоретико-экспериментальная
зависимость скорости осаждения покрытия от давления газа в вакуумной камере:
ln 1, 44 p 0,21 e0,04 I d 4, 2 1010 β mи ma2
v 2
,
(7)
2
p
π mи ma N А ρ Ecyб
где v – скорость осаждения, м/с; NA – число Авогадро, моль-1; ρ – плотность
распыляемого материала, кг/м3.
Данная математическая модель может рассматриваться как целевая
функция для оптимизации давления газа в вакуумной камере и реализации
энергоэффективных условий протекания процессов ионно-плазменного магнетронного напыления.
Четвёртая глава диссертационной работы посвящена непосредственному осуществлению оптимизации давления газа по симплексу скорости осаждения в процессе магнетронного напыления 3D-нанокомпозитных покрытий с целью повышения его эффективности.
Графическая интерпретация оптимизационной модели при использовании
полученной целевой функции и наложении граничных условий на варьируемые
факторы была реализована в программной среде MathCAD. Расположение экстремумов на графиках (рис. 6), соответствующих оптимальным значениям давления, установило необходимость увеличения давления газа при снижении разрядного тока с целью достижения максимально возможной скорости осаждения.
Для реализации разработанных мероприятий автором предложен способ
повышения эффективности процесса магнетронного напыления за счёт оптимизации давления газа в вакуумной камере магнетронной установки по симплексу
скорости осаждения, который базируется на возможности компенсации случайных изменений технологических параметров процесса и влияния внешних возмущений (факторов, определяющих качество плазмы) путём регуляции давления газа.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что контроль системой управления установки основных параметров, определяющих ход процесса напыления, в соответствии с базовыми алгоритмами управления, сопровождается дополнительным расчётом оптимальной величины давления газа по
12
симплексу скорости осаждения покрытия с учётом действующих качественных
условий процесса.
Рис. 5. Эмпирическая зависимость эффективности напыления от давления газа
(установка «Unicoat 400»; материал ВТ1–0;
рабочий газ – аргон; максимальное напряжение разряда Udmax=650 В; разрядный ток
Id=5 А; параметры блока смещения
Ub= 40 В; Ib =1 А)
Рис. 6. Зависимости скорости осаждения
покрытия от давления газа при различном
разрядном токе (установка «Unicoat 400»;
материал ВТ1–0; рабочий газ – аргон; максимальное напряжение разряда
Udmax=650 В; параметры блока смещения
Ub= 40 В; Ib =1 А)
Рассчитанное значение давления сопоставляется с действующим, после
чего результат сопоставления в виде управляющего сигнала для корректировки
давления сообщается системе управления. Указанные действия могут происходить как с участием оператора, так и автоматизировано, за счёт функционирования программного обеспечения. Принципиальная схема возможной реализации предлагаемого способа повышения производительности установки магнетронного напыления за счёт оптимизации давления газа представлена на рис. 7.
Рис. 7. Принципиальная схема возможной реализации предлагаемого способа повышения
производительности установки магнетронного напыления
(pзад, Iзад,Uзад, fзад – задаваемые значения рабочих параметров: давления, тока, напряжения,
частоты импульсов; САУ – система автоматизированного управления; p+зад, I+зад,U+зад, f+зад –
заданные значения рабочих параметров, обработанные САУ; ИМ – исполнительные механизмы; БП – блок питания; РРГ– регулятор расхода газа; МС – магнетронная система; ПВ –
привод вращения; pдейств, Iдейств,Uдейств – действующие значения рабочих параметров; МОД –
модуль оптимизации давления; pопт – оптимальное значение давления; Δр – управляющий
сигнал для корректировки давления)
Таким образом, обеспечивается поддержание процесса нанесения покрытия на повышенной (относительно базового варианта) скорости, благодаря чему
затраты времени на процесс напыления сокращаются.
Для создания и использования оптимизационных моделей под различные
условия процессов ионно-плазменного магнетронного синтеза упрочняющих
13
покрытий автором была предложена методика определения оптимального давления по симплексу скорости осаждения покрытия, схематизированная на
рис. 8. Данная схема реализуется следующим образом. Путём статистической
обработки экспериментальных данных с применением табличного процессора
Microsoft Excel формируются уравнения регрессии для основных составляющих
элементов скорости осаждения покрытия. Далее в программной среде MathCAD
полученные уравнения интегрируются в общую модель скорости осаждения,
для которой также задаются значения постоянных и переменных факторов. Для
быстрого поиска экстремальных состояний оптимизационной модели её математическое выражение имеет графическое представление.
Рис. 8. Схема определения оптимального давления газа по симплексу скорости осаждения
покрытия
В качестве примера использования полученной оптимизационной модели
(рис. 6) могут быть представлены следующие результаты. Согласно модели, оптимальным давлением для вышеуказанных условий (установка «Unicoat 400»;
материал ВТ1–0; рабочий газ – аргон; максимальное напряжение разряда
Udmax=650 В; параметры блока смещения Ub=40 В; Ib=1 А; Id=6 А) является зна-
14
чение p=0,15 Па. При его использовании в качестве рабочего давления скорость
осаждения составила 0,36 нм/с, тогда как при осуществлении аналогичного
процесса без оптимизации давления значение скорости составляло 0,28 нм/с. В
результате, параметрическая оптимизация давления в данном случае обеспечила сокращение времени технологического цикла на 29 %, при этом ухудшение
качества получаемых покрытий не происходит.
Таким образом, в ходе работы на основании конструктивных особенностей установки магнетронного напыления, а также регламентированных параметров её функционирования и их технологических характеристик были определены функциональные взаимосвязи параметра рабочего давления газа в вакуумной камере с основными факторами процесса напыления и его качественными характеристиками, которые впоследствии были преобразованы в математические модели для оптимизации и коррекции давления. На основании использования созданного математического аппарата разработан способ параметрической оптимизации давления в ходе процесса напыления, практическая реализация которого привела к повышению производительности установки для напыления покрытий без ущерба их качеству.
Согласно вышесказанному, результаты выполненной работы могут быть
квалифицированы как технологические мероприятия по повышению эффективности процесса магнетронного напыления упрочняющих 3D-нанокомпозитных
покрытий металлорежущего инструмента (рис. 9).
Рис. 9. Технологические мероприятия по повышению эффективности процесса магнетронного напыления
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. На основании выполненного анализа математического описания и
практической специфики ионно-плазменного магнетронного метода синтеза
упрочняющих покрытий установлено, что наиболее рациональным способом
повышения эффективности процесса магнетронного напыления является параметрическая оптимизация давления газа по симплексу скорости осаждения по-
15
крытия, предусматривающая учёт влияния на процесс случайных изменений
технологических параметров и факторов, определяющих качество плазмы.
2. Математическое описание механизма взаимосвязи величины рабочего
давления и качества плазмы (наличия газовых примесей) в процессе магнетронного напыления, выраженное в виде математической модели комплексного
показателя качественного состава плазменной среды, позволяет реализовать
количественный учёт качественных характеристик процесса нанесения покрытия. Данный показатель, отражающий полноту соответствия комплекса качественных характеристик процесса напыления эталонному комплексу условий, является корректором величины давления газа в камере лабораторной установки
ионно-плазменного магнетронного напыления.
3. Полученная теоретико-экспериментальная зависимость скорости осаждения покрытия от физических параметров процесса напыления для установки
«Unicoat 400» позволяет рассчитать оптимальные значения давления газа, соответствующие максимальной скорости осаждения покрытия.
4. Параметрическая оптимизация давления газа в вакуумной камере установки магнетронного напыления по симплексу скорости осаждения покрытия с
учётом конкретных условий выявила необходимость увеличения давления газа
при снижении разрядного тока с целью достижения максимально возможной
скорости осаждения.
5. Практическая реализация мероприятий по оптимизации давления газа в
процессе магнетронного напыления показывает сокращение затрат времени на
осуществление технологического цикла напыления покрытия при стабильности
качества получаемых покрытий. Для рассматриваемых условий сокращение
продолжительности технологического цикла составило 23…29 %, при этом относительный экономический эффект от внедрения оптимизационных мероприятий составил 25 %.
6. Внедрение результатов исследования на производстве подтвердило рациональность оптимизации давления в технологических процессах нанесения
покрытий при упрочнении металлорежущего инструмента, используемого на
современных отечественных машиностроительных предприятиях.
7. Подготовленный программный модуль обеспечивает автоматизированное получение и использование оптимизационных моделей в различных условиях реализации процессов ионно-плазменного магнетронного синтеза упрочняющих покрытий.
8. Разработанные технологические мероприятия по повышению эффективности магнетронного напыления упрочняющих 3D-нанокомпозитных покрытий металлорежущего инструмента дают возможность в производственных
условиях повысить производительность магнетронных установок за счёт регулирования давления газа в камере.
Основные положения диссертации отражены в следующих работах
(издания входят в перечень ВАК).
1. Дружков, С. С. Модернизация магнетронной установки для синтеза
наноструктурированных покрытий [Текст] / С. С. Дружков // Вестник РГАТА
имени П. А. Соловьева. – Рыбинск : РГАТА, 2011. – №1 (19). – С. 71 – 75.
Другие публикации по теме диссертации.
16
1. Дружков, С. С. Применение наноструктурированных покрытий при
производстве металлорежущего инструмента, как современный этап его развития [Текст] / С. С. Дружков, А. Е. Сергеев // Сборник трудов пятой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. – Уфа : УГАТУ,
2011. – С. 99 – 102.
2. Дружков, С. С. Перспективные методы нанесения наноструктурированных покрытий на металлорежущий инструмент [Текст] / А. Е. Сергеев,
С. С. Дружков // Сборник трудов пятой всероссийской зимней школы-семинара
аспирантов и молодых ученых. – Уфа : УГАТУ, 2011. – С. 267 – 270.
3. Дружков, С. С. Влияние технологических параметров и условий осуществления процессов магнетронного распыления на характеристики получаемых наноструктурированных покрытий [Текст] / С. С. Дружков // Материалы
Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. –
Рыбинск : РГАТА, 2010. – C. 56 – 61.
4. Дружков, С. С. Модернизация магнетронной установки для синтеза
наноструктурированных покрытий [Текст] / С. С. Дружков // Сб.тр. Всерос.
конф. молодых ученых. – М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – С. 278 – 279.
5. Дружков, С. С. Совершенствование процесса магнетронного напыления наноструктурированных покрытий [Текст] / С. С. Дружков // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодёжная научная конференция: сб. тр. в 5 т.
Том 2. – Уфа : УГАТУ, 2011. – С. 116 – 118.
6. Дружков, С. С. Формализация влияния технологических условий осуществления процесса магнетронного напыления наноструктурированных покрытий на формирование давления газа в вакуумной камере [Текст] /
С. С. Дружков // Материалы III Всероссийского конкурса молодых учёных. –
М. : РАН, 2011. – С. 82 – 90.
7. Дружков, С. С. Модернизация автоматизированной системы регуляции давления газа в вакуумной камере магнетронной установки для нанесения
упрочняющих покрытий [Текст] / С. С. Дружков // Лучшие инженернотехнические кадры России: сборник статей.–М.:Союзмаш. России, 2011.–С.4–7.
8. Дружков, С. С. Повышение производительности магнетронной установки для напыления упрочняющих 3D-нанокомпозитных покрытий [Текст] /
С. С. Дружков // Сборник трудов седьмой Всероссийской зимней школысеминара аспирантов и молодых ученых. Том 2.–Уфа:УГАТУ, 2012.–С.199–201.
9. Дружков, С. С. Повышение эффективности процесса магнетронного
напыления упрочняющих покрытий [Текст] / С. С. Дружков // Материалы седьмой международной научно-технической конференции. – Вологда : ВоГТУ,
2012. – С. 125 – 127.
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
124
Размер файла
2 269 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа