Выполнение проекта прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (ПНИЭР) по теме «Разработка технологии нанесения тугоплавкого инертного нанодиффузионного покрытия методом химического парофазного осаждения, применимой для изделий сложной формы, имеющих полости» по соглашению о предоставлении Субсидии от 03.10.2014 г. № 14.582.21.0005 (уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57914X0027) с Минобрнауки России в рамках целевой федеральной программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» завершено третьим этапом проекта, выполненным в период с 01 июля по 31 января 2015г.
Основная цель третьего этапа – создание научных и технических основ для решения основной задачи ПНИЭР, которая заключается в создании эскизного проекта экспериментальной установки для нанесения высокотемпературных покрытий методом химического парофазного осаждения (chemical vapor deposition - CVD) путем разработки, изготовления и практического использования лабораторных установок для осаждения оксидных, карбидных и металлических покрытий на плоские, внутренние и поверхности сложной формы.
В результате выполнения третьего этапа проекта в соответствии с п.3.1 ПГ изготовлена лабораторная установка для нанесения покрытий на внутренние поверхности труб (ЛТ). Ее назначение – определение технологических особенностей при осаждении пленок и покрытий на внутреннюю поверхность труб диаметром 20 - 40 мм, используя соответствующие прекурсоры. Установка имеет модульную конструкцию, максимально унифицированную с остальными разработанными лабораторными установками. Установки различаются только схемой и конструкцией реактора. Подобный подход к созданию установок позволяет проще оптимизировать технологический процесс осаждения покрытия, включая параметры осаждения, а также условия испарения/сублимации соответствующего прекурсора и организации газовых потоков. Также в соответствии с п.3.1 ПГ была изготовлена лабораторная установка для нанесения покрытий на детали сложной формы (ЛС).
При изготовлении отдельных блоков лабораторных установок ЛТ и ЛС были приняты во внимание патентные исследования, проведенные ранее, а также опыт эксплуатации лабораторной установки для нанесения покрытий на плоские поверхности (ЛП), запущенной в эксплуатацию ранее.
В соответствии с п.3.2 ПГ, установка ЛТ была использована для демонстрации осаждения диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Основные параметры осаждения этого материала были отработаны на установке ЛП ранее, п.2.4. В качестве источников оксидов циркония и иттрия были использованы тетраметилгептандионаты иттрия (III) и циркония (VI). Показано, что кристаллические пленки высокого качества получаются при нанесении их на подслой оксида магния, который предварительно наносили CVD методом, используя дипивалоилметанат магния Mg(thd)2. В случае необходимости получения аморфных пленок следует использовать подслой оксида иттрия.
Для нанесения покрытий из карбида тантала на никельсодержащие сплавы и исполнения п.3.3 ПГ использовали установку ЛП и безводородную схему восстановления пентахлорида тантала в относительно мягких условиях, приемлемых для высокотемпературных никельсодержащих сплавов. На установке ЛТ было проведено осаждение карбида тантала на внутренние поверхности труб. В качестве имитатора внутренней поверхности труб из никельсодержащих высокотемпературных сплавов использовали имитаторы, представляющие кольца металлической ленты шириной ~11 мм, размещенные внутри кварцевой трубы диаметра ~ 30 мм. После осаждения оксидов или карбидов, кольца извлекали из кварцевого держателя, расправляли и подвергали исследованиям. Было показано, что для осаждения карбида тантала как на плоские, так и на внутренние поверхности труб следует тщательно подобрать подслой и способы подготовки поверхности, так как силы когезии пленок превышают адгезию, что может привести к отслаиванию покрытий. Следует также принять меры для удаления остаточного кислорода из установок, особенно после их использования для нанесения оксидных покрытий, из-за высокого химического сродства тантала к кислороду.
Исследование полученных покрытий (п.3.4) с целью оценки качества оптимизации процесса осаждения проводили методами оптической, электронной, атомно-силовой микроскопии, а также рентгеновской дифракции, включая φ-сканирование и рентгено-спектральный микроанализ. Исследования были проведены на аппаратуре Центра коллективного пользования Химического факультета МГУ и ООО «Системы для микроскопии и анализа».
Для проведения дальнейших исследований в соответствии с п.3.5 ПГ для последующего изучения осаждения карбида тантала был выполнен синтез галогенидов тантала и молибдена с подтверждением их химического и фазового остава.
Технические и экспериментальные разработки сопровождались глубоким анализом научной литературы (3.6) по современному состоянию номенклатуры прекурсоров для получения тугоплавких металлических покрытий методом химического парофазного осаждения. Определены основные требования к прекурсорам и проанализировано по различным реферативным базам 250 литературных источников. Выбрано для описания 65 литературных источников.
Материалы термодинамических расчетов, выполненных в рамках данного проекта будут опубликованы в журнале Неорганические материалы (2016, т. 52, №3), подробности проектирования установок - в журнале Известия академии инженерных наук им.А.М.Прохорова (2015, №4) и были доложены на 11-й Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Петербург, 23 -27 июня 2015 г.), а также на II Всероссийской научно-технической конференции «Роль фундаментальных исследований при реализации Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» (ВИАМ, Москва, 29 июня 2015 г.)
В завершении необходимо отметить, что, несмотря на серьезную напряженность, вызванную известными финансово-экономическими проблемами, связанными с субсидированием проекта, нам удалось полностью выполнить план третьего этапа.