RU2416673C2 - Laser-plasma procedure of synthesis of very hard micro- and nano-structured coatings and device - Google Patents
Laser-plasma procedure of synthesis of very hard micro- and nano-structured coatings and device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2416673C2 RU2416673C2 RU2009115827/02A RU2009115827A RU2416673C2 RU 2416673 C2 RU2416673 C2 RU 2416673C2 RU 2009115827/02 A RU2009115827/02 A RU 2009115827/02A RU 2009115827 A RU2009115827 A RU 2009115827A RU 2416673 C2 RU2416673 C2 RU 2416673C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- working gas
- flow
- reaction chamber
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологиям получения микро- и/или наноструктурированных защитных и функциональных покрытий на поверхностях деталей машин и механизмов, трубопроводов и насосов, элементов корпусов, функциональных и несущих металлоконструкций, отвечающих за основные характеристики, межремонтный и полный ресурс конечного продукта или технической системы для многократного увеличения износостойкости, ударопрочности, химической и коррозионной устойчивости.The invention relates to technologies for producing micro- and / or nanostructured protective and functional coatings on the surfaces of machine parts and mechanisms, pipelines and pumps, housing elements, functional and load-bearing metal structures responsible for the main characteristics, overhaul and full life of the final product or technical system for multiple increase wear resistance, impact resistance, chemical and corrosion resistance.
Металлические поверхности, стойкие к износу и ударам, химическому и окислительному воздействию, необходимы для разнообразного использования, например в машиностроении, автоматике, сельском хозяйстве, железнодорожной промышленности, самолетостроении, химической, нефтедобывающей и других отраслях промышленности. Стоимость восстановления изношенных поверхностей деталей машин и механизмов, трубопроводов, их элементов весьма значительна. Для снижения изнашивания поверхностей при трении и предупреждения коррозии традиционно используют смазочное масло. Также для упрочнения поверхности повсеместно используют азотирование, при выполнении которого применяются ванны с солями цианидов. Однако все эти технологии не только дороги сами по себе, но и опасны для окружающей среды.Metal surfaces, resistant to wear and tear, chemical and oxidative effects, are necessary for various uses, for example, in mechanical engineering, automation, agriculture, railway industry, aircraft manufacturing, chemical, oil and other industries. The cost of restoring worn surfaces of machine parts and mechanisms, pipelines, their elements is very significant. To reduce wear of surfaces during friction and to prevent corrosion, lubricating oil is traditionally used. Also, to harden the surface, nitriding is commonly used, during which baths with cyanide salts are used. However, all these technologies are not only expensive in themselves, but also dangerous for the environment.
Для предотвращения разрушения от коррозии и ударов основных поверхностей альтернативным решением может быть их покрытие защитным слоем, при этом сами поверхности остаются в неприкосновенности. Однако такие покрытия могут существенно повысить вес узлов и механизмов. Хотя стоимость защиты поверхности от механического износа велика, еще выше стоимость защиты от коррозии и химического воздействия. Немецкая компания AUDI предложила лазерную систему, в которой используется ультрафиолетовый эксимерный лазер для модификации структуры поверхности и/или химического состава, чтобы создать защитное покрытие на поверхности двигателя. Такая система вращает блок двигателя, а лазер остается неподвижным. Это неэффективно, с точки зрения обработки изогнутых поверхностей, и имеет высокую стоимость. По этим причинам использование такого способа и системы ограничено.To prevent damage from corrosion and impact of the main surfaces, an alternative solution is to cover them with a protective layer, while the surfaces themselves remain intact. However, such coatings can significantly increase the weight of nodes and mechanisms. Although the cost of protecting the surface from mechanical wear is high, the cost of protecting against corrosion and chemical attack is even higher. The German company AUDI has proposed a laser system that uses an ultraviolet excimer laser to modify the surface structure and / or chemical composition to create a protective coating on the surface of the engine. Such a system rotates the engine block, and the laser remains stationary. It is inefficient from the point of view of processing curved surfaces, and has a high cost. For these reasons, the use of such a method and system is limited.
Известен способ получения металлического карбида и подобной алмазу защитной карбоновой композитной пленки, включающий снабжение инертным газом вакуумной камеры, имеющей вакуумный насос для создания селективного разрежения в вакуумной камере и вход для газа, расположение в камере субстрата и углеродной графитовой цели, снабжение средства для генерирования потока металлических атомов внутри камеры и генерирование потока металлических атомов прямо на названный субстрат, направление лазерного луча на названную углеродную графитовую цель, чтобы генерировать поток атомов углерода на названный субстрат, где поток атомов углерода возле поверхности формирует композитную пленку металлического карбида в подобной алмазу углеродной матрице [Патент США №H1 924, МПК С23С 14/06]. В результате на обрабатываемой поверхности образуется тонкая прочная пленка.A known method of producing metal carbide and a diamond-like protective carbon composite film, comprising supplying an inert gas to a vacuum chamber having a vacuum pump to create selective vacuum in the vacuum chamber and an inlet for gas, arranging a substrate and carbon graphite target in the chamber, providing means for generating a flow of metal atoms inside the chamber and generating a stream of metal atoms directly on the named substrate, the direction of the laser beam on the named carbon graphite spruce to generate a stream of carbon atoms on the named substrate, where a stream of carbon atoms near the surface forms a composite film of metal carbide in a diamond-like carbon matrix [US Patent No. H1 924, IPC
Этот способ является ближайшим аналогом предлагаемого и принят за прототип изобретения. К недостаткам прототипа относится его ограниченность созданием только одного типа покрытия на металлической поверхности.This method is the closest analogue of the proposed and adopted as a prototype of the invention. The disadvantages of the prototype include its limited creation of only one type of coating on a metal surface.
Изобретение решает задачу создания такого способа модификации поверхности, который позволяет получать разнообразные высокопрочные покрытия поверхностей.The invention solves the problem of creating such a method of surface modification, which allows to obtain a variety of high-strength surface coatings.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ синтеза высокотвердых покрытий, в соответствии с которым формируют поток рабочего газа, содержащего несущий газ и химически активные реагенты, который направляют на обрабатываемую поверхность при давлении не ниже 0.5 атм, при этом на названный поток рабочего газа воздействуют лазерным импульсно-периодическим излучением таким образом, чтобы в фокусе лазерного луча образовалась лазерная плазма, в которой протекают плазмохимические реакции, синтезируются и осаждаются и/или синтезируются на обрабатываемой поверхности целевые химические вещества, образующие покрытие названной обрабатываемой поверхности.The problem is solved by the fact that a method for the synthesis of high hard coatings is proposed, according to which a working gas stream containing a carrier gas and chemically active reagents is formed, which is sent to the treated surface at a pressure of at least 0.5 atm, while the said working gas stream is exposed to a laser pulsed-periodic radiation in such a way that a laser plasma is formed in the focus of the laser beam, in which plasma-chemical reactions proceed, are synthesized and precipitated and / or synthesis ed on the treated surface targeted chemicals forming the coating of said treatment surface.
Лазерное импульсно-периодическое излучение может быть направлено поперек потока рабочего газа и может быть направлено вдоль него.Laser pulsed periodic radiation can be directed across the flow of the working gas and can be directed along it.
В качестве несущего газа могут использоваться инертные газы: аргон, гелий, неон и др. или их смеси, которые не участвуют в протекающих в плазме химических реакциях, а также химически активные газы: кислород, азот и др., которые могут участвовать в протекающих в плазме химических реакциях.As a carrier gas, inert gases can be used: argon, helium, neon, etc., or mixtures of them that do not participate in chemical reactions in the plasma, as well as chemically active gases: oxygen, nitrogen, etc., which can participate in plasma chemical reactions.
Давление в потоке газа предпочтительно поддерживается на уровне атмосферного давления, но в некоторых случаях оно может быть ниже или выше.The pressure in the gas stream is preferably maintained at atmospheric pressure, but in some cases it may be lower or higher.
Химически активные реагенты могут содержаться в рабочем газе в виде газов, паров, микро- и/или наноаэрозолей, в том числе в виде стехиометрической смеси различных аэрозолей, в том числе тугоплавких.Reactive chemicals may be contained in the working gas in the form of gases, vapors, micro- and / or nanoaerosols, including as a stoichiometric mixture of various aerosols, including refractory ones.
Обрабатываемая поверхность во время осаждения на нее химически активных реагентов может перемещаться, если это необходимо.The treated surface during the deposition of chemically active reagents on it can move, if necessary.
Способ основан на зажигании лазерной плазмы в скоростном потоке несущего газа, содержащего химически активные реагенты, ее поддержании и управлении ею, а также осуществлении плазмохимических реакций как непосредственно в названной плазме, так и на поверхности обрабатываемого объекта с целью синтеза и осаждения микро- и/или наноструктурированных функциональных покрытий.The method is based on the ignition of a laser plasma in a high-speed flow of a carrier gas containing chemically active reagents, its maintenance and control, as well as the implementation of plasma-chemical reactions both directly in the named plasma and on the surface of the treated object for the purpose of synthesis and deposition of micro- and / or nanostructured functional coatings.
Например, способ применим для осаждения высокотвердых покрытий из карбонитридных соединений кремния (SiCN) или бора (BCN) путем образования лазерной плазмы в скоростном потоке рабочего газа с применением реагирующих компонентов в виде газов, паров, микро- и/или наноаэрозолей и позиционированием поверхности обрабатываемого объекта относительно потока рабочего газа.For example, the method is applicable for the deposition of high-hardness coatings from silicon carbonitride compounds (SiCN) or boron (BCN) by forming a laser plasma in a high-speed working gas stream using reactive components in the form of gases, vapors, micro- and / or nanoaerosols and positioning the surface of the treated object relative to the flow of the working gas.
Этот способ может быть осуществлен с использованием предлагаемого устройства. За прототип предлагаемого устройства принято устройство для получения металлического карбида и подобной алмазу защитной карбоновой композитной пленки, включающее вакуумную камеру, имеющую вход для газа, вакуумный насос для создания селективного разряжения в вакуумной камере, средство позиционирования в камере субстрата и углеродной графитовой цели, средство для генерирования потока металлических атомов внутри камеры и генерирование потока металлических атомов на названный субстрат, источник лазерного излучения [Патент США №H1 924, МПК С23С 14/06].This method can be carried out using the proposed device. A device for producing metal carbide and a diamond-like protective carbon composite film, including a vacuum chamber having a gas inlet, a vacuum pump for creating selective discharge in a vacuum chamber, positioning means in a substrate chamber and a carbon graphite target, means for generating the flux of metal atoms inside the chamber and generating a flux of metallic atoms on the named substrate, a laser radiation source [US Patent No. H1 924, M By
Устройство для получения высокотвердых покрытий упомянутым способом включает реакционную камеру со средством позиционирования обрабатываемого объекта, входом для потока рабочего газа и входом для лазерного излучения, источник рабочего газа, средство формирования потока рабочего газа в реакционной камере, импульсно-периодический лазер, а также средство доставки лазерного излучения в реакционную камеру и фокусировки луча.A device for producing highly hard coatings by the aforementioned method includes a reaction chamber with means for positioning the treated object, an input for a working gas flow and an input for laser radiation, a working gas source, means for generating a working gas flow in the reaction chamber, a pulse-periodic laser, and a laser delivery means radiation into the reaction chamber and focusing the beam.
Устройство также может содержать средство управления - управляющий процессор.The device may also contain a control tool - a control processor.
На фиг.1 приведен первый вариант устройства для синтеза покрытий.Figure 1 shows the first embodiment of a device for the synthesis of coatings.
На фиг.2 приведен второй вариант устройства для синтеза покрытий.Figure 2 shows a second embodiment of a device for the synthesis of coatings.
На фиг.3 приведена последовательность стадий осуществления способа синтеза покрытий.Figure 3 shows the sequence of stages of the method of synthesis of coatings.
На фиг.1 и фиг.2 следующие позиции означают:In figure 1 and figure 2, the following positions mean:
10 - устройство для осуществления способа с поперечным расположением лазерного излучения относительно потока рабочего газа;10 - a device for implementing the method with a transverse arrangement of laser radiation relative to the flow of the working gas;
12 - покрытие;12 - coating;
14 - обрабатываемый объект;14 - the processed object;
15 - термостат;15 - thermostat;
16 - лазерная плазма;16 - laser plasma;
17 - средство перемещения обрабатываемого объекта;17 - means of moving the processed object;
18 - поток рабочего газа;18 - flow of working gas;
19 - продукты плазмохимических реакций, активированные соединения и зародыши наночастиц;19 - products of plasma-chemical reactions, activated compounds and nuclei of nanoparticles;
20 - импульсно-периодический лазер;20 - pulse-periodic laser;
22 - оптическая система для транспортировки и фокусировки лазерного луча;22 - an optical system for transporting and focusing a laser beam;
23 - оптическое окно для входа в реакционную камеру лазерного излучения;23 is an optical window for entering the laser radiation reaction chamber;
24 - реакционная камера;24 - reaction chamber;
25 - оптическое окно;25 - optical window;
26 - лазерное излучение;26 - laser radiation;
27 - защитная полость;27 - a protective cavity;
28 - средство формирования потока рабочего газа;28 - means for forming a working gas stream;
29 - поток защитного газа;29 - a stream of protective gas;
30 - средство управления;30 - management tool;
32, 33 - системы измерения и контроля характеристик лазерного излучения;32, 33 - systems for measuring and monitoring the characteristics of laser radiation;
34 - система измерения и контроля характеристик излучения лазерной плазмы;34 - a system for measuring and monitoring the characteristics of laser plasma radiation;
35 - регулируемый вентиль35 - adjustable valve
36 - регулируемый вентиль;36 - adjustable valve;
37 - регулируемый вентиль;37 - adjustable valve;
38 - регулируемый вентиль;38 - adjustable valve;
40 - средство подготовки химических реагентов для рабочего газа;40 - a means of preparing chemicals for the working gas;
42 - средство подачи несущего газа;42 - carrier gas supply means;
44 - источник газа-носителя;44 - source of carrier gas;
100 - устройство для осуществления способа с продольным расположением лазерного излучения относительно потока рабочего газа;100 - a device for implementing the method with a longitudinal arrangement of laser radiation relative to the flow of the working gas;
102 - элемент реакционной камеры, обеспечивающий малый зазор с поверхностью обрабатываемого объекта 14;102 - element of the reaction chamber, providing a small gap with the surface of the processed
104 - поток отработанного рабочего газа.104 - flow of exhaust gas.
На фиг.1 показано устройство 10, предназначенное для синтеза высокотвердых покрытий 12 на поверхности обрабатываемого объекта 14 путем активации исходных реагентов в лазерной плазме 16 при поперечном взаимном расположении потока рабочего газа и лазерного излучения.Figure 1 shows a
Излучение 26 импульсно-периодического лазера 20 оптической системой 22 для транспортировки и фокусировки лазерного луча направляется в рабочую камеру 24 и фокусируется в скоростном потоке 18 рабочего газа, состоящего из несущего газа и химически активных реагентов. В области максимальной фокусировки лазерного луча должна быть обеспечена интенсивность выше пороговой для зажигания лазерной плазмы 16 (54, 60 фиг.3). Например, для СO2 лазера уровень интенсивности излучения в зависимости от вида газа-носителя (аргон, гелий, неон, азот, кислород и др.) и вида реагентов (пары, аэрозоли) обычно находится в диапазоне 1-1000 МВт/см2, но этот диапазон может быть и шире. Не вдаваясь в детали физических и физико-химических механизмов, процесс синтеза (60 фиг.3) покрытия 12 можно разделить на четыре основные стадии.The radiation 26 of the repetitively pulsed
Стадия 1 (62 фиг.3): во время облучения потока рабочего газа 18 лазерным импульсом происходит образование лазерной плазмы 16 с быстрым ее нагреванием до температуры 15-25 тысяч градусов Цельсия, ионизация и диссоциация (если несущий газ молекулярный или исходные химические реагенты присутствуют в рабочем газе в виде молекулярных газов, паров и пр.), испарение (в том числе абляция) микро- и/или наночастиц химических реагентов, если они находятся в рабочем газе в виде аэрозолей, с последующей диссоциацией и ионизацией.Stage 1 (62 figure 3): during the irradiation of the working
Стадия 2 (64 фиг.3) - эта стадия частично совпадает по времени с первой стадией: происходит сверхзвуковое (ударно-волновое) расширение лазерной плазмы, которое сопровождается нагреванием дополнительных, граничных с плазмой, областей рабочего газа, в том числе их диссоциация, ионизация и активация, выравниванием давления плазмы с давлением окружающего газа и общим охлаждением плазмы до температуры в 2-3 раза ниже температуры плазмы в стадии образования. Скорость охлаждения в этой стадии может достигать 10 Г°К/сек и более.Stage 2 (64 figure 3) - this stage partially coincides in time with the first stage: there is a supersonic (shock-wave) expansion of the laser plasma, which is accompanied by heating of additional areas of the working gas bordering the plasma, including their dissociation, ionization and activation, by equalizing the plasma pressure with the pressure of the surrounding gas and general cooling of the plasma to a temperature 2-3 times lower than the temperature of the plasma at the stage of formation. The cooling rate in this stage can reach 10 G ° K / s or more.
Стадия 3 (66 фиг.3): происходит дальнейшее остывание лазерной плазмы за счет турбулентного перемешивания с окружающим газом, радиационного теплообмена и конвективного выноса на поверхность объекта. На этой стадии интенсивно протекают плазмохимические реакции, которые приводят к образованию высокоактивированных соединений и зародышей наночастиц, в том числе нанокластеров, нанокристаллитов и т.п., как показано на фиг.1, поз.19.Stage 3 (66 figure 3): there is a further cooling of the laser plasma due to turbulent mixing with the surrounding gas, radiation heat transfer and convective removal to the surface of the object. At this stage, plasma-chemical reactions proceed intensively, which lead to the formation of highly activated compounds and nuclei of nanoparticles, including nanoclusters, nanocrystallites, etc., as shown in Fig. 1,
Стадия 4 (68 фиг.3): происходит гетерогенный синтез покрытия 12 на поверхности обрабатываемого объекта 14, при котором образованные в плазме и принесенные потоком рабочего газа активированные наночастицы являются зародышами нанокристаллических «зерен» в объеме аморфной матрицы, синтезируемой из активированных атомов и соединений, в том числе нанокластеров.Stage 4 (68 figure 3): a heterogeneous synthesis of the
Подбором частоты следования ƒ и энергии лазерных импульсов Е, а также скорости V и массового расхода m потока рабочего газа 18 можно обеспечить близкое к полному, а в некоторых случаях и полное преобразование рабочего газа в, по крайней мере, частично ионизованную плазму с активированными исходными реагентами. В таком случае геометрия сечения потока рабочего газа 18 элементом 28 реакционной камеры 24 осуществляется близкой к размерам лазерной плазмы после завершения стадии 2, а предпочтительная скорость потока V устанавливается не более произведения частоты следования лазерных импульсов ƒ на размер лазерной плазмы в направлении потока после завершения стадии 2.The selection of the repetition rate ƒ and the energy of the laser pulses E, as well as the velocity V and the mass flow rate m of the working
Например, для СO2 лазера, обеспечивающего ƒ в диапазоне 5-100 кГц и энергию Е в диапазоне 0,5-0,05 Дж, предпочтительная скорость потока рабочего газа с ростом частоты ƒ может быть в диапазоне от 30 до 300 м/с для случая, когда лазерное излучение направлено поперечно потоку рабочего газа (фиг.1) и в диапазоне 100-1000 м/с для случая, когда лазерное излучение направлено вдоль потока рабочего газа (фиг.2).For example, for a CO 2 laser providing ƒ in the range of 5-100 kHz and energy E in the range of 0.5-0.05 J, the preferred working gas flow rate with increasing frequency ƒ can be in the range from 30 to 300 m / s for cases when the laser radiation is directed transversely to the flow of the working gas (figure 1) and in the range of 100-1000 m / s for the case when the laser radiation is directed along the flow of the working gas (figure 2).
Однако указанные диапазоны не являются обязательными и могут быть расширены. Например, при использовании исходных реагентов в виде микроаэрозолей предпочтительная скорость потока рабочего газа V может быть значительно и даже многократно снижена для увеличения времени действия лазерного излучения и плазмы.However, these ranges are optional and may be extended. For example, when using the starting reagents in the form of microaerosols, the preferred working gas flow rate V can be significantly and even many times reduced to increase the duration of the action of laser radiation and plasma.
Для экономически эффективной, высокопроизводительной реализации лазерно-плазменного способа синтеза покрытия предпочтителен лазер или лазерная система 20 с высокой частотой следования лазерных импульсов - более 1000 Гц (в некоторых случаях эта частота может быть ниже), имеющие такую мощность лазерных импульсов, чтобы происходило образование лазерной плазмы 16 в фокусе луча 26. Например, в одном из успешных воплощений применялся СO2 лазер с частотой следования импульсов от сотен Гц до 100 кГц и импульсной мощностью на уровне десятков и сотен кВт. Могут применяться также лазеры других типов - как газовые, так и твердотельные с другими диапазонами мощностей.For a cost-effective, high-performance implementation of the laser-plasma coating synthesis method, a laser or a
Оптическая система 22 предназначена для транспортировки и фокусировки лазерного излучения, а также для направления части излучения (как правило, незначительной) в системы измерения и контроля характеристик лазерного излучения 32, 33 и излучения лазерной плазмы 34. Например, система 22 может состоять из нескольких зеркал, в том числе подвижных, обеспечивающих перемещение лазерного луча, в том числе с перемещающейся у поверхности обрабатываемого объекта реакционной камерой, фокусировку луча в потоке рабочего газа 18 в реакционной камере 24, а также для поочередного направления лазерного луча в разные реакционные камеры, если устройство имеет несколько реакционных камер. В другом воплощении изобретения система для транспортировки и фокусировки лазерного излучения 22 может включать оптическое волокно для транспортировки лазерного излучения на одном или нескольких участках оптического тракта.The
В предпочтительных вариантах воплощения система 22 содержит одно или несколько полупрозрачных частично отражающих элементов, например оптические клинья с плоскими поверхностями, через которые проходит лазерный луч, для отражения части излучения в системы 32, 34, а также по меньшей мере одну линзу для фокусировки луча или согласования участков оптического тракта.In preferred embodiments,
Оптическая система 22 направляет излучение лазера на входное окно 23 реакционной камеры 24, которое может быть выполнено в форме линзы. Фокусирующийся лазерный луч 26b проходит внутри защитной полости 27, в которую для значительного снижения, вплоть до полного устранения, поглощения лазерной энергии потоком рабочего газа 18 на участке луча перед плазмой, а также для предохранения входного окна 23 от нежелательного воздействия смеси 18 и плазмы, в частности продуктов абляции, подается защитный газ 29, как правило, несущий газ под давлением, незначительно, на 0,01-10 кПа, превышающим давление в реакционной камере 24.The
Прошедшее поток рабочего газа лазерное излучение 26с направляется через окно 25 в систему измерения и контроля 33.The transmitted
В некоторых вариантах воплощения устройства 10 (фиг.1) вместо окна 25 или системы 33 может располагаться охлаждаемый поглотитель, например калориметр, а в некоторых других вариантах воплощения устройства 100 (фиг.2) окно 25 и система 33 отсутствуют.In some embodiments of device 10 (FIG. 1), a cooled absorber, such as a calorimeter, may be located in place of
Реакционная камера 24 может быть как герметизированной, как показано для некоторых вариантов воплощения 10 (фиг.1), так и может иметь открытый выход газа, как показано для некоторых вариантов 100 (фиг.2).The
Конструкция реакционной камеры 24, кроме окна 23 для ввода лазерного луча, может содержать окна для диагностики лазерного луча, лазерной плазмы 16 и получаемого покрытия 12, например, для видеоконтроля или оптической пирометрии.The design of the
Для формирования сечения потока рабочего газа 18, близкого к размерам лазерной плазмы 16, после завершения стадии 2 способа (64 на фиг.3) выходное отверстие или сопло средства формирования потока рабочего газа 28 реакционной камеры 24 может быть щелевидным продолговатым со стороной, имеющей больший размер, ориентированной вдоль лазерного луча, для вариантов воплощения с поперечным расположением лазерного луча относительно потока рабочего газа (фиг.1) или может быть близким к круглому, для вариантов воплощения с продольным расположением лазерного луча (фиг.2).To form a cross-section of the working
Корпус реакционной камеры 24 и теплонапряженные элементы конструкции 27, 28, 17 и другие могут принудительно охлаждаться водой или другим хладагентом.The body of the
Система подготовки химических реагентов 40 может состоять из одной или нескольких подсистем (не показаны) с разными вариантами исполнения и различными видами реагентов (газы, пары, аэрозоли).The
Например, в одном из воплощений устройства для подачи реагентов в виде паров гексаметилдисилазана испарение производится в среде несущего газа, который подается через регулируемый вентиль 38 из общей магистрали названного газа 42, а расход и концентрация примеси регулируются температурой испарителя и расходом газа-носителя через регулируемый вентиль 38. В одном из других удачных воплощений для подачи химических реагентов в виде микро- и/или наноаэрозолей углерода и Si3N4 применяются регулируемые дозаторы микро- или нанопорошков с образованием взвеси с несущим газом.For example, in one embodiment of a device for supplying reagents in the form of hexamethyldisilazane vapors, evaporation is carried out in a carrier gas medium, which is supplied through an
Температура поверхности обрабатываемого объекта наряду с другими параметрами процесса оказывает значительное влияние на скорость роста, структуру и морфологию, а также свойства синтезируемых покрытий. Поэтому целесообразно располагать обрабатываемый объект 14 на специальных средствах - опорных столах и т.п., которые связаны хорошим тепловым контактом с узлом 15, обеспечивающим функции термостата - нагрев или охлаждение, т.е. поддержания температуры объекта в заданных пределах, контролируемых управляющим процессором 30.The surface temperature of the treated object, along with other process parameters, has a significant effect on the growth rate, structure and morphology, as well as the properties of the synthesized coatings. Therefore, it is advisable to place the processed
Управляющий процессор 30, принимая и обрабатывая сигналы измерительных систем 32, 33, 34 и др., а также узлов 15, 17 через исполнительные устройства и механизмы (не показаны) управляет работой лазера 20, узлов 15, 17 и регулируемых вентилей 35, 36, 37, 38 (возможно некоторых других) и обеспечивает выполнение процесса в соответствии со стадиями, показанными на фиг.3.The
Узел 17 обеспечивает позиционирование и/или относительное перемещение обрабатываемого объекта и, соответственно, области воздействия потока лазерной плазмы на поверхность объекта, которое может быть поступательным, вращательным, комбинированным.The
Более подробно заявляемый способ синтеза покрытий, основные стадии которого показаны на фиг.3, состоит в следующем.In more detail, the claimed method for the synthesis of coatings, the main stages of which are shown in figure 3, is as follows.
В качестве обрабатываемых объектов, используемых для нанесения покрытий по данному способу, могут быть детали различных геометрических форм, состоящие из металлов или сплавов, а также неметаллов (например, керамики, кристаллов и др.), включая детали, состоящие из комбинации металлических и неметаллических частей.As the processed objects used for coating by this method, there can be parts of various geometric shapes, consisting of metals or alloys, as well as non-metals (e.g. ceramics, crystals, etc.), including parts consisting of a combination of metal and non-metal parts .
Подготовка поверхности обрабатываемого объекта к нанесению покрытий в некоторых случаях может быть механической (токарная, фрезерная, пескоструйная обработка, шлифовка и т.п.), в других случаях - химической с применением моющих и/или химических средств, в том числе с применением ультразвуковых устройств и т.п., а также комбинированной. Важно отметить, что во многих случаях предварительной обработки поверхности не требуется, т.к. лазерная плазма в совокупности с лазерным излучением, как показано на фиг.2, оказывают сильное очищающее воздействие поверхности обрабатываемого объекта. Установка и закрепление обрабатываемого объекта 14 в некоторых случаях должна обеспечивать хороший (с малой разницей температур) тепловой контакт с термостатом 15. В некоторых других случаях, когда тепло, передаваемое обрабатываемому объекту в процессе лазерно-плазменного синтеза, нагревает поверхность объекта до температуры в некоторых заданных оптимальных пределах, тепловой контакт может быть плохим или не требоваться работа термостата 15.Surface preparation of the treated object for coating can in some cases be mechanical (turning, milling, sandblasting, grinding, etc.), in other cases, chemical using detergents and / or chemicals, including using ultrasonic devices etc., as well as combined. It is important to note that in many cases surface pretreatment is not required, as laser plasma in combination with laser radiation, as shown in figure 2, have a strong cleaning effect on the surface of the treated object. Installation and fixing of the processed
Подготовка реакционной камеры (52 фиг.3), кроме очевидных профилактических чисток или чисток при замене состава реагирующих примесей, заключается в некоторых случаях (фиг.1) в ее герметизации (закрыты управляемые вентили 36, 37, 38, а также некоторые другие, не показанные) и откачке воздуха из ее внутреннего объема через управляемый клапан 35 с последующим напуском в камеру несущего газа. В некоторых других случаях выполняют продувку объема реакционной камеры несущим газом, предпочтительно с многократной (3-10 раз) заменой первоначального воздуха на несущий газ.The preparation of the reaction chamber (52 of Fig. 3), in addition to the obvious preventive cleanings or cleanings when replacing the composition of reactive impurities, consists in some cases (Fig. 1) in its sealing (controlled
Начало лазерно-плазменного процесса 54 состоит в зажигании и поддержании в течение некоторого времени лазерной плазмы 16 в потоке несущего газа (как правило, без химических реагентов) для очистки, активации и установления некоторой предпочтительной температуры поверхности обрабатываемого объекта.The beginning of the laser-
Подача смеси исходных химических реагентов 56 и формирование потока рабочего газа происходят практически одновременно после завершения лазерно-плазменного процесса подготовки поверхности объекта 54 и продолжаются до завершения всего процесса синтеза покрытия.The supply of the mixture of the starting
В качестве составляющих смесей исходных реагентов могут применяться различные химические элементы и соединения в различных агрегатных состояниях.As the constituent mixtures of the starting reagents, various chemical elements and compounds in various states of aggregation can be used.
Например, в некоторых одних удачных воплощениях этого способа для синтеза SiCN покрытий используются пары гексаметилдисилазана SiNH(CH3)6 или смесь микропорошков углерода и Si3N4.For example, in some successful embodiments of this method, pairs of hexamethyldisilazane SiNH (CH 3 ) 6 or a mixture of carbon micropowders and Si 3 N 4 are used to synthesize SiCN coatings.
Кроме того, в способе могут применяться следующие виды летучих кремнийорганических, борорганических и сложных летучих комплексных соединений в качестве исходных реагирующих веществ для получения карбонитридов кремния и бора, простых и сложных тугоплавких окислов металлов. Это: силильные производные несимметричного диметилгидразина (Me2SiHNHNMe2, Me2Si(NHNMe2)2, где Me - метильная группа (СН3)), бромсилазан (Si2NBr(Me)6), B3N3H6, (Me)3N ВН3, бетадикетонатные комплексы металлов и др.In addition, the following types of volatile organosilicon, organoboron and complex volatile complex compounds can be used as starting reactants for the production of silicon and boron carbonitrides, simple and complex refractory metal oxides. These are: silyl derivatives of asymmetric dimethylhydrazine (Me 2 SiHNHNMe 2 , Me 2 Si (NHNMe 2 ) 2 , where Me is a methyl group (CH 3 )), bromosilazane (Si 2 NBr (Me) 6 ), B 3 N 3 H 6 , (Me) 3 N BH 3 , betadiketonate metal complexes, etc.
Лазерно-плазменный синтез покрытия 60 (включающий стадии 62, 64, 66, 68, описанные выше) проводится практически одновременно (со сдвигом на время, необходимое для нанесения начальной области покрытия) с относительным перемещением 70 поверхности обрабатываемого объекта и области воздействия потока лазерной плазмы.Laser-plasma synthesis of coating 60 (including
В некоторых других случаях, когда требуется получить область покрытия объекта с меньшими размерами относительно размера области воздействия лазерной плазмы (области синтеза покрытия) могут применяться апертурные маски (не показаны) с отверстиями/прорезями необходимой формы, которые накладываются на поверхность объекта и ограничивают область покрытия объекта.In some other cases, when it is required to obtain an object coverage area with smaller dimensions relative to the size of the laser plasma exposure area (coating synthesis area), aperture masks (not shown) with holes / slots of the required shape that overlap the object surface and limit the object coverage area can be used .
По окончании некоторого заданного процесса синтеза покрытия прекращается подача химических реагентов, а лазерный луч может быть перекрыт или направлен в другую реакционную камеру 74, если устройство лазерно-плазменного синтеза содержит несколько реакционных камер.At the end of some predetermined coating synthesis process, the supply of chemical reagents stops, and the laser beam can be blocked or directed to another
В некоторых случаях смена обрабатываемого объекта 76 производится после достаточного времени присутствия обработанного объекта в инертной атмосфере (как правило, в среде несущего газа) для снижения температуры покрытия и поверхности объекта ниже некоторой определенной, при превышении которой возможно нежелательное воздействие воздушной атмосферы.In some cases, the change of the processed
По сравнению с вариантом устройства 10 (фиг.1) в устройстве 100 (фиг.2) фокусирующийся лазерный луч 26в распространяется преимущественно вдоль потока рабочего газа. Область воздействия лазерной плазмы на поверхность обрабатываемого объекта 14 может частично пересекаться в областью воздействия части лазерного луча 26с, в которой происходит дополнительный нагрев и активация поверхности синтезируемого покрытия 12.Compared with a variant of the device 10 (FIG. 1) in the device 100 (FIG. 2), the focusing
Обрабатываемый объект 14 может располагаться как в герметизированном объеме реакционной камеры 24, как показано на фиг.1, так и вне его, как показано на фиг.2. В таком случае конструкция элемента 102 реакционной камеры должна обеспечивать малый зазор с поверхностью обрабатываемого объекта 14, чтобы поток отработанного газа 104 препятствовал поступлению атмосферного воздуха в зону протекания плазмохимических реакций и синтеза покрытия 12.The processed
Узлы 15 и 17 или их элементы могут располагаться как в герметизированном объеме реакционной камеры 24, так и вне его. Позиционирование и относительное перемещение области воздействия потока лазерной плазмы и поверхности объекта 14 может осуществляться как перемещением обрабатываемого объекта, так и перемещением реакционной камеры или комбинацией названных перемещений.The
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют получать высокотвердые покрытия из различных соединений, в том числе карбонитридных соединений кремния SiCN или бора BCN путем образования лазерной плазмы в скоростном потоке рабочего газа с применением реагирующих компонентов в виде газов, паров, микро- и/или наноаэрозолей и позиционированием поверхности обрабатываемого объекта относительно потока рабочего газа.Thus, the proposed method and device allows to obtain highly hard coatings from various compounds, including silicon nitride silicon carbide compounds SiCN or BCN boron by forming a laser plasma in a high-speed working gas stream using reactive components in the form of gases, vapors, micro- and / or nanoaerosols and positioning the surface of the treated object relative to the flow of the working gas.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009115827/02A RU2416673C2 (en) | 2009-04-28 | 2009-04-28 | Laser-plasma procedure of synthesis of very hard micro- and nano-structured coatings and device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009115827/02A RU2416673C2 (en) | 2009-04-28 | 2009-04-28 | Laser-plasma procedure of synthesis of very hard micro- and nano-structured coatings and device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009115827A RU2009115827A (en) | 2010-11-20 |
RU2416673C2 true RU2416673C2 (en) | 2011-04-20 |
Family
ID=44051502
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009115827/02A RU2416673C2 (en) | 2009-04-28 | 2009-04-28 | Laser-plasma procedure of synthesis of very hard micro- and nano-structured coatings and device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2416673C2 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2522872C2 (en) * | 2012-06-13 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Nitration of machine parts with production of nanostructured surface ply and ply composition |
RU2532676C2 (en) * | 2011-11-28 | 2014-11-10 | Юрий Александрович Чивель | Method of plasmochemical synthesis and reactor of plasmochemical synthesis for its realisation |
RU2597447C2 (en) * | 2014-12-12 | 2016-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Laser method for production of functional coatings |
RU2640114C2 (en) * | 2016-01-22 | 2017-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Laser plasmotron for deposition of composite diamond coatings |
RU2732546C1 (en) * | 2019-12-30 | 2020-09-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Device for monitoring and controlling complex of pulsed laser deposition |
RU2812452C2 (en) * | 2022-06-19 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук | Multifunctional laser-plasma technological complex |
-
2009
- 2009-04-28 RU RU2009115827/02A patent/RU2416673C2/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ГРИГОРЯНЦ А.Г. и др. Технологические процессы лазерной обработки. - М.: изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006, с.609-614. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532676C2 (en) * | 2011-11-28 | 2014-11-10 | Юрий Александрович Чивель | Method of plasmochemical synthesis and reactor of plasmochemical synthesis for its realisation |
RU2522872C2 (en) * | 2012-06-13 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Nitration of machine parts with production of nanostructured surface ply and ply composition |
RU2597447C2 (en) * | 2014-12-12 | 2016-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Laser method for production of functional coatings |
RU2640114C2 (en) * | 2016-01-22 | 2017-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Laser plasmotron for deposition of composite diamond coatings |
RU2732546C1 (en) * | 2019-12-30 | 2020-09-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Device for monitoring and controlling complex of pulsed laser deposition |
RU2812452C2 (en) * | 2022-06-19 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук | Multifunctional laser-plasma technological complex |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009115827A (en) | 2010-11-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2416673C2 (en) | Laser-plasma procedure of synthesis of very hard micro- and nano-structured coatings and device | |
JP2589033B2 (en) | Laser assisted chemical vapor deposition. | |
JPH03257182A (en) | Surface processing device | |
KR20080110960A (en) | Method of using a thermal plasma to produce a functionally graded composite surface layer on metals | |
GB2439934A (en) | Laser-assisted spray system and nozzle | |
JP2008248390A (en) | Substrate with catalytic coating | |
WO2002005969A2 (en) | Apparatus and method for synthesizing films and coatings by focused particle beam deposition | |
CA1281819C (en) | Source of high flux energetic atoms | |
CA2181440A1 (en) | Using lasers to fabricate coatings on substrates | |
JP2007111773A (en) | Thermal forming system and active cooling process | |
RU2425907C2 (en) | Procedure for modification of metal surfaces and device | |
RU2619692C1 (en) | Method of laser cleaning metals | |
ES2337987T3 (en) | METHOD FOR CARRYING HOMOGENEAS AND HETEROGENEAS CHEMICAL REACTIONS USING PLASMA. | |
Kuppusami et al. | Status of pulsed laser deposition: challenges and opportunities | |
WO1995031584A1 (en) | Surface treatment techniques | |
CN101326613B (en) | Middling pressure plasma system for removing surface layer without losing substrate | |
TWI845476B (en) | Cooling apparatus and plasma-cleaning station for cooling apparatus | |
TWI736651B (en) | Lithographic method and apparatus | |
Surla et al. | High-energy density beams and plasmas for micro-and nano-texturing of surfaces by rapid melting and solidification | |
RU2640114C2 (en) | Laser plasmotron for deposition of composite diamond coatings | |
JP3437968B2 (en) | Ultra-high-speed plasma jet generator and thermal spray coating manufacturing method using the same | |
JPH0480116B2 (en) | ||
RU2638610C2 (en) | Device for laser-plasma synthesis of high-solid micro- and nanostructured coatings | |
US20230295793A1 (en) | Apparatus and method for coating substrate | |
RU2812452C2 (en) | Multifunctional laser-plasma technological complex |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20140822 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210528 Effective date: 20210528 |