Внутренние и внешние покрытия и методы их нанесения

В настоящее время существуют много разнообразных покрытий и методы их получения.

Во многих публикациях предлагаются различные схемы классификации неорганических покрытий по различным признакам.

Можно классифицировать покрытия по следующим основным принципам:

1. По назначению (антикоррозионные или защитные, жаростойкие, износостойкие, антифрикционные, светоотражающие, декоративные и другие);

2. По физическим или химическим свойствам (металлические, неметаллические, тугоплавкие, химостойкие, светоотражающие и т.д.);

3. По природе элементов (хромовое, хромоалюминиевое, хромокремниевое и другие);

4. По природе фаз, образующихся в поверхностном слое (алюминидные, силицидные, боридные, карбидные и другие)

Рассмотрим наиболее важные покрытия, классифицированные по назначению.

Защитные покрытия – основное назначение связано с их разнообразными защитными функциями. Большое распространение получили коррозионностойкие, жаростойкие и износостойкие покрытия. Широко применяются также теплозащитные, электроизоляционные и отражающие покрытия.

Конструкционные покрытия и пленки – выполняют роль конструктивных элементов в изделиях. Особенно широко также используются при производстве изделий в приборостроении, радиоэлектронной аппаратуры, интегральных схем, в турбореактивных двигателях - в виде срабатываемых уплотнений в турбине и компрессоре и др.

Технологические покрытия – предназначаются для облегчения технологических процессов при производстве изделий. Например, нанесение припоев при пайке сложных конструкций; производстве полуфабрикатов в процессе высокотемпературного деформирования; сварке разнородных материалов и т.д.

Декоративные покрытия – исключительно широко применяются при производстве бытовых изделий, украшений, повышении эстетичности промышленных установок и приборов, протезировании в медицинской технике и др.

Восстановительные покрытия – дают огромный экономический эффект при восстановлении изношенных поверхностей изделий, например гребных валов в судостроении; шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания; лопаток в турбинных двигателях; различного режущего и прессового инструмента.

Оптические покрытия – уменьшают отражательную способность по сравнению с массивными материалами, в основном, благодаря геометрии поверхности. Профилеметрирование показывает, что поверхность некоторых покрытий представляет собой совокупность шероховатостей, высота которых колеблется от 8 до 15 мкм. На отдельных макронеровностях формируются микронеровности, высота которых колеблется от 0,1 до 2 мкм. Таким образом, высота неровностей соизмерима с длиной волны падающего излучения.

Отражение света от такой поверхности происходит в соответствии с законом Френкеля.

В литературных источниках встречаются различные принципы классификации методов нанесения покрытий. Хотя следует отметить, что единой системы классификации методов нанесения покрытий нет.

Хокинг и ряд других исследователей предложили три классификации методов нанесения покрытий:

1. По фазовому состоянию среды, из которой происходит осаждение материала покрытия;

2. По состоянию наносимого материала;

3. По состоянию процессов, которые определяют одну группу методов нанесения покрытий.

Более подробно классификации методов нанесения покрытий представлены в таблице 1.1 (Примечание: Н – толщина покрытия)

Достоинства и недостатки различных методов нанесения покрытий

Метод	Достоинства	Недостатки

PVD	Универсальность; могут осаждаться все твёрдые элементы и материалы. Возможно получение тонких пленок и достаточно толстых покрытий. Имеются различные модификации метода. Н=5-260 мкм.	Возможно нанесение покрытий только на видимую часть поверхности. Плохая рассеивающая способность. Дорогое оборудование.
CVD	Конкурирует с методом физического осаждения. Могут наноситься элементы и соединения химически активные и в парообразном состоянии. Хорошая рассеивающая способность. Н=5-260 мкм.	Важную роль играет источник нагрева. Осаждение обычно производится при более высоких температурах, чем в методе физического осаждения. Возможен перегрев подложки. Возможно нежелательное прямое осаждение.
Диффузионное осаждение из твёрдой фазы	Хорошая однородность и малые размерные допуски покрытия. Высокая экономическая эффективность процесса. Наиболее распространенные материалы покрытия Al и Cr. Высокая твёрдость покрытия.Н=5-80 мкм.	Ограниченные размеры подложки. Неприменим для чувствительных к высокой температуре подложек. Более тонкие, чем при других диффузионных методах, покрытия. Возможно охрупчивание покрытий.
Напыление	Возможность контроля условий напыления и качества наносимого материала в ходе процесса. Возможность получения толстых однородных покрытий. Н=75-400 мкм.	Качество зависит от квалификации оператора. Подложка должна быть стойкой к нагреву и ударному воздействию. Покрытия пористые с грубой поверхностью и возможными включениями.
Плакирование	Возможно нанесение толстых покрытий. Можно обрабатывать большие подложки. Н=5-10%толщины подложки.	Возможно коробление подложки. Подходит для жестких подложек.
Электроосаждение (включая химическое электрофорез)	Экономически эффективный процесс при использовании водных электролитов. Возможно нанесение драгоценных металлов и тугоплавких покрытий из расплавов солей. Используется для промышленного получения керметов. Химической осаждение и электрофорез применимы лишь для некоторых элементов и типов подложек. Н=0.25-130 мкм.	Требуется тщательная разработка оборудования для обеспечения хорошей рассеивающей способности. Применение в качестве электролитов расплавов солей требует жесткого контроля для предотвращения попадания влаги и окисления. Вредные пары над расплавом. Покрытия могут быть пористыми и в напряженном состоянии. Ограничен особыми областями высоких температур.
Горячее окунание	Относительно толстые покрытия. Метод быстрого нанесения покрытий. Н=25-130 мкм.	Ограничен лишь нанесением Al для получения высокотемпературных покрытий. Покрытия могут быть пористыми и несплошными.

Таблица 1.1

Классификация методов нанесения покрытий по фазовому состоянию среды представлены в таблице 1.2

Твёрдое состояние	Жидкое состояние	Полужидкое или пастообразное состояние	Газовая среда (атомное, ионное или электронное взаимодействие)	Раствор	Плазма
Механическое соединение Плакирование Спекание	Горячее окунание Напыление Наплавка	Золь- гель процесс Шликерный Напайка	Физическое осаждение из паровой фазы Химическое осаждение из паровой фазы	Химический Гальванический Электрогальванический

Таблица 1.2

Классификация методов нанесения покрытий по состоянию процессов определяющих одну группу методов представлены в таблице 1.3

Механические	Физические	Химические	Электрохимичес- кие	Напыление	Наплавка
Плакирование Соединение	Физическое осаждение из газовой фазы Вакуумные покрытия Термическое испарение Распыление Ионное осаждение	Химическое осаждение из газовой фазы Осаждение из электролита без наложения электрического поля	В водных растворах В расплавах солей	Детонационной пушкой Электрической дугой Металлизация Плазменное Газоплазменное с использованием проволоки	Лазерная Ручной электросваркой Сваркой в инертном газе Кислородно-ацетиленовой сваркой В плазменной дуге Плазменной сваркой Сплавлением при напылении Дугой под слоем флюса Дугой между вольфрамовыми электродами в инертной среде

Таблица 1.3

Классификация методов по состоянию наносимого материала и способам изготовления представлены в таблице 1.4

Группа 1 Атомное или ионное состояние	Группа 2 Макрочастицы	Группа 3 Массивный материал	Группа 4 Модификация структуры поверхности

Вакуумные методы: Вакуумное испарение Осаждение из ионного пучка Эпитаксильное осаждение из молекулярного пучка Плазменные методы: Распыление (ионное, магнетронное) Ионное осаждение Полимеризация плазмы Активированное реакционное испарение Катодно-дуговое осаждение Химическое взаимодействие в парах реагентов: Осаждение из паровой фазы Восстановление Разложение Плазменное осаждение Пиролиз при распылении Осаждение из электролита: Гальваностегия Химическое осаждение Осаждение из расплавленных солей Химическое замещение	Ударные методы Сплавление: Окрашивание толстыми слоями Эмалирование Электрофорез Термические методы: Газопламенное распыление Плазменное распыление Детонационное распыление Золь-гель процесс	Внешние покрытия: Наплавка Плакирование: Взрывной прокатной Лазерное плавление Смачивание: Окрашивание кистью Горячее окунание Электростатические методы: Спин-покрытия Нанесение рисунка распылением	Лазерная модификация поверхности Термообработка Ионная имплантация Поверхностное легирование: Диффузия из объёма Распыление Выщелачивание Химическая конверснаяжидкопаровая диффузия (нагрев, плазма) Электролитическое анодирование Термообработка в расплавленых солях Механические методы: Дробеструйная обработка