Повышение износостойкости и стойкости к воздействию агрессивных сред деталей из нержавеющей стали и титановых сплавов путем применения комплексной обработки, включающей поверхностное азотирование, травления тлеющим разрядом с частичной реализацией эффекта полого катода и осаждение специальных наноструктурированных покрытий с переменной величиной периода модуляции.

Основной задачей данного проекта является создание комплексной методики поверхностной модификации ответственных деталей из нержавеющих сталей и титановых сплавов, использующихся в атомном и космическом машиностроении. Целью создания данной методики является повышение долговечности и надежности указанных деталей. В зависимости от условий эксплуатации на детали из нержавеющих сталей и титановых сплавов, использующиеся в атомном и космическом машиностроении, воздействуют различные механизмы изнашивания. В частности, стоит выделить эрозионный и абразивный износ, кавитацию и коррозионное воздействие. Существенное внимание стоит уделять также возможности усталостного разрушения. Инженерные системы, при производстве которых используются компоненты из нержавеющих сталей и титановых сплавов (насосные станции, водошламовые насадки, трубопроводы, корпуса, обтекатели, различные компоненты турбин и другие подобные изделия), в определенный момент срока службы могут подвергаться изнашиванию высокой интенсивности. Если такой износ выходит из-под контроля, это может привести к разрушению изделий и значительным финансовым потерям. Комплексная модификация поверхностных свойств деталей, включающая плазменное азотирование поверхностного слоя, травление и термоактивацию поверхности с последующим осаждением покрытия с нанослойной архитектурой, является эффективным способом решения задач повышения долговечности и надежности. В процессе поверхностной модификации планируется использовать разработанный авторами заявки способ нагрева и травления тлеющим разрядом с частичной реализацией эффекта полого катода. Основные принципы данного способа заключаются в том, что все обрабатываемые детали, а также все элементы механизма планетарного вращения находятся под отрицательным напряжением, которое подается от высоковольтного источника питания. В результате при возбуждении самостоятельного тлеющего разряда возникает метакатод, имеющий сложную геометрическую форму. В случае тлеющего разряда электроны, двигаясь внутри указанного пространства (метаполости), могут столкнуться с отрицательным потенциалом метакатода, отразиться и с большой вероятностью продолжить свое движение в пределах данной метаполости. При этом один электрон может ионизировать на своем пути больше атомов, чем в случае, если бы он двигался прямо к аноду, которым являются стенки камеры. Таким образом, при определенной конфигурации размещения образцов в этих метаполостях реализуется эффект полого катода. Располагая обрабатываемые детали определенным образом, можно целенаправленно создавать метаполости разного размера и разной степени закрытости. Создавая целенаправленно метаполости или убирая их, можно в значительной мере управлять степенью нагрева поверхности деталей метакатода в разных участках камеры. Таким образом, можно обеспечить равномерный нагрев образцов во всем пространстве камеры, эффективно управлять температурой нагрева и избежать засорения области интерфейса между покрытием и субстратом элементами, сдуваемыми потоком плазмы с элементов оснастки и стенок камеры. При осаждении покрытия на образцы из титанового сплава особенно важно обеспечить полное удаление оксидных пленок. Планируется использовать покрытия, имеющие адгезионный субслой с рационально подобранным составом, обладающий такими свойствами, как: • одновременной высокой прочностью адгезии с субстратом и с основным слоем покрытия, • достаточной прочностью. Основной слой покрытия будет иметь нанослойное строение с изменяющейся толщиной нанослоев (величиной периода модуляции). Такое изменение позволит снизить остаточные напряжения и повысить трещиностойкость и стойкость к хрупкому разрушению за счет чередования более твердых и более пластичных нанослоев толщиной 2 – 100 нм. Управление толщиной нанослоев (величиной периода модуляции) будет осуществляться как за счет изменения скорости вращения поворотного стола, так и за счет варьирования величинами тока дуги катодов в процессе осаждения покрытия.