В ходе выполнения 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» завершен первый «Подготовительный» этап проекта, выполненный в период с 03 октября по 31 декабря 2014 г.
Цель первого этапа – создать предпосылки и задел 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) и оптимизация способов нанесения некоторых оксидных, металлических и карбидных покрытий на детали сложной формы применительно к разрабатываемой установке. Таким образом, основная задача распадается на два взаимосвязанных направления: техническое и технологическое.
Техническое направление подразумевает разработку эскизного проекта конструкции экспериментальной установки, основываясь на патентном поиске и создании трех лабораторных установок для нанесения покрытий на плоские образцы, внутреннюю поверхность труб диаметра 25-40 мм и образцы сложной формы, имеющие полости.
В результате выполнения подготовительного этапа проекта в соответствии с п.1.1 Плана-графика проведен обзор 160 патентов для определения оптимальных конструкций блоков и агрегатов установок CVD, применяемых для нанесения пленок и покрытий из различных материалов. Полученные сведения были использованы для разработки технических требований и непосредственно конструкции установки для нанесения защитных покрытий на плоские поверхности (ЛП). Эти сведения также будут весьма полезны при выполнении последующих этапов ПНИЭР, в том числе, для разработки конструкций двух лабораторных установок для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб (ЛТ) и нанесения покрытий на детали сложной формы (ЛС), а также эскизного проекта экспериментальной установки для нанесения покрытий методом CVD – главной задачи проекта.
Выполнение п.1.2 Плана-графика позволило разработать технические требования к лабораторной установке для нанесения покрытий на плоские поверхности (ЛП), которые основаны, с одной стороны, на результатах патентного обзора, а с другой – на термодинамическом анализе наиболее сложных процессов – нанесении защитных покрытий методом CVD металлических тантала и молибдена, а также карбида тантала. Отличительной особенностью технических требований является необходимость синтеза прекурсоров непосредственно перед применением при нанесении металлических и карбидных покрытий.
Технические требования воплощены в виде эскизного проекта конструкции лабораторной установки ЛП для нанесения покрытий на плоские поверхности в соответствии с п.1.3 Плана-графика. Основные задачи лабораторной установки ЛП заключаются в оптимизации способов получения качественных защитных покрытий на основе оксида циркония методом MOCVD (газофазное химическое осаждение из металлоорганических соединений) из летучих металлоорганических соединений циркония типа β-дикетонатов; металлических и карбидных покрытий из галогенидов тантала и молибдена методом CVD и химическое парофазное осаждение с использованием плазмы (PECVD). Эти исследования необходимы, с одной стороны, для оптимизации способов нанесения защитных покрытий, с другой – совершенствования конструкции блоков и агрегатов лабораторных установок ЛТ и ЛС, а также разработки эскизного проекта экспериментальной установки – конечной цели проекта. Отличительными особенностями установки является вертикальное расположение реактора; возможность синтезировать галогенидные прекурсоры непосредственно в установке; возможность использования в качестве восстановителя газообразных цинка и кадмия, а также возможности очистки поверхности детали непосредственно в установке за счет использования источника плазмы, а в случае галогенидных технологий – дополнительно за счет образования летучих оксогалогенидов.
Технологическое направление должно обеспечить оптимизацию способов нанесения покрытий методом CVD и определить основные параметры и особенности эксплуатации лабораторных установок ЛП, ЛТ, ЛС, а также обеспечить сопровождение эскизного проекта экспериментальной установки – конечной цели ПНИЭР. Для этого были выбраны процессы нанесения оксидных покрытий – на примере диоксида циркония, металлических – тантала и молибдена, карбидных – карбида тантала. Для наиболее сложных типов технологий формирования покрытий из металлических тантала и молибдена, а также карбида тантала, были выполнено термодинамическое моделирование процессов осаждения необходимых защитных материалов и очерчены температурные и концентрационные области использования метода химического парофазного осаждения. По результатам термодинамического моделирования в журнал Неорганические материалы издательства МАИК Наука направлена статья «Термодинамический анализ химического газофазного осаждения Та восстановлением галогенидов тантала кадмием и цинком» авторов О.Ю. Гончарова, Р.Р. Файзуллина, В.Н. Гуськова, Л.Х. Балдаева, которые являются членами коллектива исполнителей ПНИЭР.
Для нанесения покрытий выбраны оксидные покрытия – диоксид циркония, металлические – тантал и молибден, карбидные – карбид тантала.
Для оптимизации способов осаждения покрытий с точки зрения оценки качества подготовлены методики исследования качества покрытий в соответствии с п.1.4 Плана-графика, в том числе оптическая микроскопия, растровая электронная микроскопия, энергодисперсионный микрорентгеноспектральный анализ и профилометрия. Методики реализованы на приборах Центра коллективного пользования Химического факультета МГУ и ООО «Системы для микроскопии и анализа».
Для проверки работоспособности лабораторной установки по нанесению покрытий на основе оксида циркония и оптимизации этого процесса синтезирован (п.1.5) в необходимом количестве ацетилацетонат циркония и подготовлена методика работы с ним.
В завершении следует отметить, что все пункты Плана-графика, намеченные к исполнению на первом подготовительном этапе, выполнены успешно, что создает предпосылки для дальнейшего решения поставленных в проекте ПНИЭР задач.
