Индукционно-термическое вакуумное напыление титана и тугоплавких металлов на функциональные элементы металлоизделий и получение функционально-градиентных износостойких покрытий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-29-00010

НазваниеИндукционно-термическое вакуумное напыление титана и тугоплавких металлов на функциональные элементы металлоизделий и получение функционально-градиентных износостойких покрытий

Руководитель Фомин Александр Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." , Саратовская обл

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова индукционно-термическое вакуумное напыление, токи высокой частоты, тепломассообмен, титановые сплавы, тугоплавкие металлы, функционально-градиентная структура, износостойкое покрытие

Код ГРНТИ55.22.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
Наиболее существенными будут следующие научные результаты: 1.1. Комплексный анализ данных и обзор современного состояния проблемной тематики по методам напыления тугоплавких металлов, включая физические вакуумные методы, на металлические и металлокерамические изделия; закономерности распыления выбранных тугоплавких металлов в вакууме. 1.2. Результаты моделирования методом конечных элементов (МКЭ) и частные решения задач электродинамики и теплопроводности при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ) элементов многокомпонентной распылительной системы «индуктор – вакуумная камера – мишень – металлоизделие», учитывающие влияние высокотемпературного процесса распыления мишени, что позволит достоверно обосновать выбор параметров электротермической обработки, в частности геометрию индуктора, мишени, оснастки и вакуумной камеры в зависимости от геометрии изделий, тока индуктора в заданном частотном диапазоне, а также длительность стадий нагрева и высокотемпературной выдержки. 1.3. Предварительные экспериментальные результаты и ключевые особенности применения нового метода индукционно-термического вакуумного напыления тугоплавких металлов на металлические и металлокерамические подложки. 1.4. Методика для выбора материалов и геометрии распыляемой мишени, а также элементов крепежной оснастки в зависимости от материала и геометрии обрабатываемых изделий; особенности проектирования мишеней и элементов крепежной оснастки. 2.1. Моделирование фазово-структурного состояния и механических свойств (прочности и твердости) новых материалов, в частности на основе титана с легирующими добавками тугоплавких металлов, с применением программы для термодинамического анализа «JMatPro». 2.2. Многофакторные экспериментальные исследования процессов массопереноса тугоплавких металлов, в частности молибдена и ниобия, и данные химического состава по распределению модифицирующих элементов и примесей по поверхности, размерных параметров структуры, микротвердости и износостойкости полученных покрытий новым методом индукционно-термического вакуумного напыления на рабочие поверхности металлоизделий. 2.3. Зависимости микротвердости и износостойкости полученных покрытий на металлоизделиях от электротермических (тока индуктора в заданном частотном диапазоне, температуры распыления мишени и активации подложки) и пространственно-временных (геометрии элементов системы и длительности процессов нагрева/выдержки) параметров нового процесса индукционно-термического вакуумного напыления тугоплавких металлов. 2.4. Механизм формирования износостойких структур тугоплавких металлов в условиях низкого вакуума и физико-химического влияния металлокерамической основы изделий; закономерности формирования слоев карбидов, карбонитридов и оксинитридов тугоплавких металлов на рабочих поверхностях металлоизделий; новые способы формирования покрытий тугоплавких металлов на функциональных и рабочих поверхностях металлических и металлокерамических изделий. Значимость научных результатов определяется тем, что впервые будет обосновано применение индукционно-термической вакуумной обработки ТВЧ тугоплавких металлов для их контролируемого массопереноса (распыления, напыления) на функциональные и рабочие поверхности металлических (титановых, стальных) и металлокерамических (твердосплавных) изделий. Повышение качества изделий высокотехнологичного производства и расширение рабочих диапазонов возможно за счет создания новых ресурсосберегающих и энергоэффективных технологий. Современное производство в указанных направлениях широко использует методы инженерии поверхности, в частности газотермические методы нанесения покрытий. Данные методы востребованы для повышения физико-механических и эксплуатационных характеристик металлоизделий и обрабатывающего инструмента. Металлические покрытия, состоящие из тугоплавких металлов, в частности молибдена, ниобия, вольфрама и сверхрешеток на их основе, могут использоваться в качестве высокотемпературного конструкционного и твердого защитного материала благодаря высокой прочности и термической стабильности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Установлено, что тугоплавкие металлы, в частности молибден и ниобий, являются важными переходными металлами и широко используются в металлургии, а также в качестве слоев металлизации теплоотводящих подложек микроэлектронных приборов. Установлены закономерности распыления выбранных тугоплавких металлов в вакууме. Получены результаты моделирования и решения задач электродинамики и нестационарной теплопередачи при нагреве ТВЧ элементов многокомпонентной распылительной системы «индуктор – вакуумная камера – мишень – металлоизделие», учитывающие влияние высокотемпературного процесса распыления мишени, что позволило достоверно обосновать выбор параметров электротермической обработки, в частности геометрии индуктора, мишени, оснастки и вакуумной камеры в зависимости от геометрии изделий, тока индуктора в заданном частотном диапазоне, а также длительность стадий нагрева и высокотемпературной выдержки. По сравнению с толстой кольцевой мишенью (1,8 мм) тонкая мишень (0,5 мм) имеет большую проницаемость для переменного магнитного поля, что приводит к появлению более интенсивного внутреннего источника удельного джоулева тепла. Для тонкой кольцевой мишени рабочая температура составила около 1860–1870 °C. При токе индуктора 2000–2500 А температура для толстой кольцевой мишени находилась в диапазоне 2050–2250 °C. При нагреве кольцевой мишени происходила передача тепла в рабочую атмосферу камеры, содержащей остаточную атмосферу воздуха (около 0,2–0,4 Торр, до распыления) и паров распыляемого металла при рабочем давлении 1–3 Торр при температуре выдержки от 1860–2050 до 2250–2320 °С. Температура косвенного нагрева оснастки с размещенными на ней тестовыми образцами может варьироваться от 300–400 °С до 800–1000 °С. Это важная особенность разрабатываемого процесса, которая будет определять состав, структуру и свойства получаемых функциональных покрытий или слоев металлизации [1-4]. Получены предварительные экспериментальные результаты и выявлены ключевые особенности применения нового метода индукционно-термического вакуумного напыления тугоплавких металлов на металлические и металлокерамические подложки. Тестовые образцы после нанесения покрытий характеризовались изменением цвета. При малой толщине слоя металлизации (~1 мкм) образцы имели темно-серый оттенок. При большей толщине покрытия молибдена характеризовались металлическим блеском. Для определения характеристик массопереноса, а именно толщины покрытия и его скорости роста, тестовые образцы подвергались раскалыванию. Микроструктура молибденового покрытия характеризовалась наличием вытянутых агломератов частиц, которые в свою очередь были послойно сформированы из отдельных зерен. В структуре покрытия выделялись кластеры, размер которых сопоставим с толщиной покрытия. В результате раскалывания тестового (керамического) образца также выявлялась продольная несплошность, которая характеризовала низкую адгезионную прочность молибденового покрытия к подложке. Для устранения возможного дефекта может использоваться нанесение переходного слоя, например титана или ниобия. Детальное исследование процесса массопереноса при индукционно-термическом вакуумном напылении (ИТВН) и определение регрессионной зависимости толщины молибденовых покрытий предусматривало изменение рабочего тока в интервале от 1100 до 1300 A и выдержки t от 300 до 1200 с. Для данной зависимости h(I,t) отмечался максимум h = 22,2 мкм, достигаемый при максимальном рабочем токе 1300 A и выдержке 1200 с; минимум соответствовал h = 2,3 мкм при минимальном рабочем токе 1100 A и выдержке 300 с. Элементный состав поверхности тестовых (алюмооксидных) образцов помимо наносимых металлов (титана/ниобия, молибдена, никеля) характеризовался наличием алюминия и кислорода. В ряде случаев поверх титана/ниобия и основного слоя молибдена для стабилизации характеристик элементного состава наносился также слой никеля (до 0,2–0,5 мкм), что может быть необходимо для последующих технологических процессов, например пайки. Фазовый состав полностью соответствовал материалам подложки и наносимых тугоплавких металлов. Разработана методика для выбора материалов и геометрии распыляемой мишени, а также элементов крепежной оснастки в зависимости от материала и геометрии обрабатываемых изделий. Распыляемая мишень соответствовала кольцу с диаметром 50 мм, толщиной стенки 1,8 мм при высоте около 25 мм. Материалами для изготовления мишени являлись технический титан марки ВТ1-0, ниобий марки Нб-1 и молибден марки МЧ, которые использовались для получения адгезионного подслоя и основного слоя. Материалом крепежной оснастки для образцов был выбран гексагональный нитрид бора. Определены особенности проектирования мишеней и элементов крепежной оснастки, а именно целесообразно выбрать листовой прокат с последующей сваркой в защитной атмосфере для получения требуемой геометрии мишени в виде кольца. Ссылки: [1] Niobium/molybdenum coatings produced on alumina using induction thermal vacuum deposition / V.A. Koshuro, M.A. Fomina, A.A. Fomin // Ceramics International. 2025. Vol. 51(25). – P. 45613-45627. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.07.278. [2] Кошуро В.А., Фомина М.А., Фомин А.А. Индукционно-термическое вакуумное распыление кольцевых мишеней из молибдена на алюмооксидные подложки // Вестник МЭИ. 2025. № 5. С. 31—40. https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-5-31-40. [3] Метальная установка: ученые ускорят создание стойкой к экстремальным условиям техники новый метод нанесения покрытий на керамику поможет авиакосмической отрасли (Известия, 11.09.2025), https://iz.ru/1952167/maria-neduk/metalnaa-ustanovka-ucenye-uskorat-sozdanie-stoikoi-k-ekstremalnym-... [4] Ученые ускорят создание стойкой к экстремальным условиям техники (Известия, 11.09.2025), https://iz.ru/1953261/video/uchenye-uskoriat-sozdanie-stoikoi-k-ekstremalnym-usloviiam-tekhniki.

Публикации

1. Кошуро В.А., Фомина М.А., Фомин А.А. Niobium/molybdenum coatings produced on alumina using induction thermal vacuum deposition Ceramics International, Vol. 51 (25), pp. 45613-45627. (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.07.278

2. Кошуро В.А., Фомина М.А., Фомин А.А. Индукционно-термическое вакуумное распыление кольцевых мишеней из молибдена на алюмооксидные подложки Вестник Московского энергетического института, № 5. С. 31—40. (год публикации - 2025)
10.24160/1993-6982-2025-5-31-40

3. Кошуро В.А., Фомина М.А., Захаревич А.М., Судакова Т.И., Рафалович А.Д., Фомин А.А. Индукционно-термическое вакуумное напыление молибдена на бромеллитовые втулки Вопросы электротехнологии, № 3 (48). С. 13—25. (год публикации - 2025)

4. Кошуро В.А., Фомина М.А., Фомин А.А. Индукционно-термическое вакуумное напыление молибденовых покрытий на керамические подложки Вакуумная техника и технологии - 2025. Труды 32-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. 3-5 июня 2025 г. – СПб.:Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2025., С. 85-88. (год публикации - 2025)