Nguyên lý và ứng dụng của lớp phủ ion

Nguyên lý và ứng dụng của lớp phủ ion

Có nhiều loại phương pháp phủ được sử dụng trong ngành hàng không hiện đại, như mạ điện, phun, mạ hóa chất, khuếch tán, cán và phủ. Nhiều trong số các quy trình này đã được làm chủ và đã đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất. Tuy nhiên, công nghệ sơn hiện tại không thể theo kịp sự phát triển nhanh chóng của sản phẩm, để mọi người khám phá công nghệ sơn mới. "Mạ ion" là một công nghệ sơn chân không mới được phát triển trong những năm gần đây.

1. Giới thiệu

Mạ ion, mạ ion) Mạ ion trong điều kiện chân không, sử dụng phóng khí tạo ra phần ion hóa hoặc bay hơi khí, và ion khí hoặc vật liệu hóa hơi dưới sự bắn phá của các ion, vật liệu bay hơi hoặc cách lắng đọng chất phản ứng trên đế . Chúng bao gồm mạ ion Magnetron, mạ ion phản ứng, mạ ion phóng điện cực rỗng (phương pháp bay hơi catốt rỗng), mạ ion đa hồ quang (mạ ion hồ quang cực âm), v.v.

2. Tầm quan trọng của

Trong ngành hàng không và hàng không vũ trụ, các thành phần của nhiều loại máy bay, tên lửa, vệ tinh và khí cầu thường hoạt động trong các điều kiện phức tạp và có hại. Máy bay, ví dụ, cánh, da thân và thiết bị hạ cánh và các bộ phận bên ngoài khác, bị ảnh hưởng trực tiếp bởi khí quyển, độ ẩm, bụi và các sản phẩm đốt nhiên liệu có trong hoạt động hóa học của ăn mòn khí. Các bộ phận bên ngoài của thủy phi cơ, đặc biệt là khung máy bay và phao, thường bị xói mòn bởi nước biển, nước hồ hoặc nước sông. Buồng đốt, bộ phận tua-bin và bộ phận pít-tông của động cơ aero cũng thường xuyên bị oxy hóa bởi dòng khí nhiệt độ cao có chứa axit và các hoạt chất khác. Ngoài ra còn có các thành phần dụng cụ như aerobearings, thiết bị truyền vi mô, bánh răng chính xác, chiết áp, v.v., thường phải chịu các mức độ ma sát và mài mòn khác nhau. Để làm cho các bộ phận khác nhau ở trên có thể thích ứng với nhiệt độ, ăn mòn, hao mòn và các yêu cầu khắc nghiệt khác, chỉ đơn giản là từ các bộ phận của cấu trúc hoặc vật liệu để suy nghĩ, thường là không đủ. Làm thế nào để làm gì? Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là sử dụng phương pháp phủ bề mặt để bảo vệ các phần của ma trận để đáp ứng các yêu cầu trên. Điều này cũng giống như mọi người theo các điều kiện môi trường khác nhau mặc quần áo khác nhau, tùy theo nhu cầu của các bộ phận của lớp phủ chịu nhiệt, ăn mòn hoặc chống mài mòn.

3. Phát triển

Có nhiều loại phương pháp sơn được sử dụng trong ngành hàng không hiện đại, như mạ điện, phun, mạ hóa chất, khuếch tán, cán, phủ, v.v. Nhiều trong số các quy trình này đã được làm chủ và đã đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất. Tuy nhiên, công nghệ sơn hiện tại không thể theo kịp sự phát triển nhanh chóng của sản phẩm, để mọi người khám phá công nghệ sơn mới. "Mạ ion" là một công nghệ sơn chân không mới được phát triển trong những năm gần đây.

4. Nguyên tắc và quy trình

Mạ ion là một sự phát triển mới của công nghệ sơn chân không. Lớp phủ chân không thông thường (còn được gọi là bay hơi chân không), phôi được kẹp trong vỏ chân không, khi nhiệt độ bốc hơi ở nhiệt độ cao, thúc đẩy để được mạ vật liệu - bay hơi vật liệu nóng chảy. Do sự gia tăng nhiệt độ, các hạt bay hơi thu được một số động năng, sau đó tăng chậm dọc theo đường ngắm và cuối cùng bám vào bề mặt phôi được tích tụ thành màng. Lớp mạ hình thành với loại thủ công này, không có liên kết hóa học vững chắc với bề mặt của bộ phận, không có kết nối khuếch tán, hiệu suất tuân thủ rất kém, đôi khi bụi rơi như máy tính để bàn cũng vậy, chạm vào bằng tay có thể xóa. Tuy nhiên, quá trình mạ ion là khác nhau, mặc dù cũng trong vỏ chân không, nhưng sau đó quá trình phủ là ở dạng chuyển điện tích để đạt được. Nói cách khác, các hạt của thiết bị bay hơi, như các ion năng lượng cao có điện tích dương, bị thu hút bởi cực âm áp suất cao (tức là phôi) và được bơm vào bề mặt phôi với tốc độ cao. Tương đương với một viên đạn tốc độ cao từ nòng súng, nó có thể thâm nhập sâu vào mục tiêu, tạo thành một lớp phủ khuếch tán rắn trên phôi.

Quá trình mạ ion như sau: nguồn bay hơi được nối với cực dương, và phôi được nối với cực âm. Một luồng phát sáng được tạo ra giữa nguồn bay hơi và phôi sau khi sử dụng dòng điện cao áp trực tiếp từ ba đến năm nghìn volt. Khi khí trơ được lấp đầy trong vỏ chân không, một phần khí argon bị ion hóa dưới tác dụng của điện trường phóng điện, do đó tạo thành một vùng tối plasma xung quanh phôi catốt. Các ion argon dương, bị thu hút bởi áp suất cao âm của cực âm, đã bắn phá dữ dội bề mặt phôi, làm cho các hạt và bụi bẩn trên bề mặt phôi bị bong ra, do đó bề mặt của phôi được mạ kỹ làm sạch bằng bắn phá ion. Các hạt bay hơi tan chảy và bay hơi, đi vào khu vực phóng điện phát sáng và bị ion hóa. Các ion bay hơi tích điện dương, bị hút bởi cực âm, đã lao vào phôi cùng với các ion argon. Khi lượng ion bay hơi trên bề mặt phôi vượt quá lượng ion rơi ra, chúng dần dần tích tụ để tạo thành một lớp phủ bám dính chặt vào bề mặt phôi. Đây là quá trình đơn giản của mạ ion.

5. Đặc điểm

Lớp phủ có độ bám dính tốt

Trong lớp phủ chân không thông thường, các hạt bay hơi chỉ có khoảng một năng lượng volt volt trên bề mặt phôi, trong bề mặt phôi và giữa lớp phủ, sự hình thành độ sâu khuếch tán giao diện thường chỉ vài trăm angstrom (10000 angstrom = 1 micron = 0,0001 cm). Đó là ít hơn một phần trăm của tóc người. Có thể nói rằng gần như không có kết nối giữa hai lớp chuyển tiếp, như thể hoàn toàn tách biệt. Trong mạ ion, các hạt bay hơi ion hóa và có động năng từ 3.000 đến 5.000 vôn electron. Nếu các hạt phủ chân không thông thường tương đương với một người chạy không thở, thì mạ ion giống như hành khách trên tên lửa tốc độ cao, khi phôi bắn tốc độ cao của nó, không chỉ lắng nhanh mà còn có thể xuyên qua bề mặt phôi, tạo thành một lỗ sâu Lớp khuếch tán ma trận, độ sâu khuếch tán giao diện của lớp mạ ion sẽ là bốn đến năm micron, nghĩa là, hơn độ khuếch tán lớp phủ chân không thông thường sâu hàng chục lần, thậm chí một trăm lần và kết dính với nhau rất nhanh. Thử nghiệm độ bền kéo của mẫu sau khi mạ ion cho thấy lớp phủ vẫn mở rộng bằng nhựa cùng với kim loại cơ bản và không xảy ra bong tróc hoặc bong tróc cho đến khi mẫu sắp vỡ. Nó cho thấy sự gắn bó mạnh mẽ như thế nào! Trong trường hợp mạ ion có khả năng mạ cao, các hạt bay hơi di chuyển trong điện trường dưới dạng các ion tích điện dọc theo hướng của đường dây điện, để tất cả các bộ phận có điện trường có thể có được lớp phủ tốt, tốt hơn nhiều hơn lớp phủ chân không thông thường chỉ có thể thu được theo hướng trực tiếp. Do đó, phương pháp này rất phù hợp cho các bộ phận mạ trên lỗ bên trong, rãnh và khe hẹp. Các phương pháp khác khó mạ các bộ phận. Với lớp phủ chân không thông thường chỉ có thể được mạ trực tiếp trên bề mặt, các hạt vật liệu bay hơi, chẳng hạn như thang leo, chỉ có thể đi theo thang; Mặt khác, mạ ion có thể được quấn đều xung quanh mặt sau của bộ phận và vào lỗ bên trong, và các ion tích điện có thể được vận chuyển đến bất kỳ nơi nào trong bán kính của nó bằng cách đi theo tuyến đường quy định, như trong một máy bay trực thăng. Lớp phủ với chất lượng tốt có cấu trúc nhỏ gọn, không lỗ kim, không bong bóng và độ dày đồng đều. Ngay cả các cạnh và rãnh có thể được mạ đều mà không tạo thành các nốt kim loại. Các bộ phận như chỉ cũng có thể được mạ, bởi vì quá trình này cũng có thể sửa chữa các vết nứt vi bề mặt phôi và các khuyết tật rỗ, do đó nó có thể cải thiện hiệu quả chất lượng bề mặt và tính chất cơ lý của các chi tiết mạ. Các thử nghiệm độ mỏi cho thấy, nếu được xử lý đúng cách, tuổi thọ mỏi của phôi cao hơn từ 20 đến 30% so với trước khi mạ.

Đơn giản hóa quá trình làm sạch

Quá trình phủ hiện tại, hầu hết các yêu cầu trước khi gia công để làm sạch nghiêm ngặt, cả phức tạp và rắc rối. Tuy nhiên, bản thân quá trình mạ ion có tác dụng làm sạch bắn phá ion và hiệu ứng này đã được tiếp tục trong suốt quá trình phủ. Hiệu quả làm sạch tuyệt vời, có thể làm cho lớp phủ trực tiếp gần với bề mặt, tăng cường hiệu quả bám dính, đơn giản hóa rất nhiều việc làm sạch trước khi mạ.

Một loạt các vật liệu mạ

Mạ ion là việc sử dụng các ion năng lượng cao bắn phá bề mặt phôi, để một lượng lớn năng lượng điện trên bề mặt phôi thành năng lượng nhiệt, do đó thúc đẩy quá trình khuếch tán mô bề mặt và phản ứng hóa học. Tuy nhiên, toàn bộ phôi, đặc biệt là lõi của phôi, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao. Do đó, loại quy trình phủ này có một loạt các ứng dụng, nhưng những hạn chế là nhỏ. Nói chung, tất cả các loại kim loại, hợp kim và một số vật liệu tổng hợp, vật liệu cách nhiệt, vật liệu nhiệt và vật liệu nóng chảy cao có thể được mạ. Có thể được mạ trên phôi kim loại phi kim hoặc kim loại, cũng có thể được mạ trên phi kim hoặc phi kim, hoặc thậm chí nhựa, cao su, thạch anh, gốm sứ và như vậy.

6. Ứng dụng hàng không vũ trụ

Dầu không bôi trơn

Trong máy bay hiện đại, động cơ máy bay hoặc dụng cụ máy bay, đặc biệt là trong ngành hàng không vũ trụ, như tàu vũ trụ, vệ tinh, có một số bộ phận quay được yêu cầu phải bôi trơn tốt, nhưng thường do bịt kín quá lâu, nhiệt độ môi trường quá cao hoặc bay hơi không gian, chất bôi trơn dầu mỡ thông thường không còn được áp dụng, để thay thế cho chất bôi trơn rắn thay thế. Kết quả thí nghiệm cho thấy tốt hơn là tạo màng bôi trơn rắn bằng phương pháp mạ ion so với các phương pháp khác. Không chỉ có độ bám dính mạnh, lớp phủ mỏng và đồng đều, không ảnh hưởng đến các phần của độ chính xác và dung sai kích thước. Kinh tế cũng tốt, một ít vật liệu bôi trơn có thể được mạ một diện tích lớn. Chất lượng màng bôi trơn cũng tốt hơn, hệ số ma sát nhỏ, tuổi thọ dài. Ví dụ, có một vệ tinh trên vòng bi chính xác, không được mạ trước thời gian làm việc chỉ vài phút, đơn giản là không thể sử dụng được; Tuy nhiên, màng bôi trơn rắn mạ ion có thể hoạt động đáng tin cậy trong hàng ngàn giờ trong chuyến bay. Mạ ion không chỉ có thể được mạ nhiều loại vật liệu bôi trơn rắn ở nhiệt độ phòng, mà còn có thể được phủ bằng nhiều loại vật liệu bôi trơn rắn ở nhiệt độ cao, một số thậm chí có thể hơn tám trăm độ C dưới nhiệt độ cao đóng vai trò tốt trong bôi trơn. Các vật liệu bôi trơn rắn có thể được mạ bao gồm bạc, vàng, đồng, chì, hợp kim thiếc-chì, florua, v.v.

Vàng thật không sợ lửa

Các bộ phận máy bay, đặc biệt là nhiều bộ phận động cơ, thường cần phải làm việc ở nhiệt độ cao. Ví dụ, nhiệt độ làm việc của lưỡi tuabin và lưỡi dẫn hướng thường ở khoảng 1.000 độ C. và một số thậm chí đạt tới 1.400 độ C. Trong hành trình tiểu thuyết thần thoại về phương tây, khi mặt trời được đưa vào lò lửa của Chúa tể tối cao, có lẽ anh ta không thể đạt được nhiệt độ cao như vậy. Các bộ phận động cơ aero hiện đại làm việc ở nhiệt độ cao như vậy, rất khó để đáp ứng các yêu cầu chỉ phụ thuộc vào hiệu suất của chính vật liệu ma trận. Vì vậy, làm thế nào có thể các bộ phận động cơ mà không lạm dụng nhiệt độ cao? Hiện nay, ngoài các bộ phận của cấu trúc để thực hiện các biện pháp (như sử dụng lưỡi làm mát rỗng, lưỡi làm mát phân kỳ, v.v.), hầu hết cần phải có lớp phủ chịu nhiệt để bảo vệ. Mạ ion có nhiều lợi thế cho sự lắng đọng của màng chịu nhiệt. Nó có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, chẳng hạn như oxit nhôm, oxit silic, oxit beryllium, hợp kim hafnium, v.v ... Thành phần của lớp phủ hợp kim cũng dễ kiểm soát hơn, phù hợp với thành phần của nhiệt phức tạp hơn hợp kim chịu được, chẳng hạn như yttri nhôm crom sắt, yttri nhôm crom coban hoặc hợp kim yttri nhôm crôm niken.

Hiện nay, lưỡi tuabin là đối tượng chính của việc cố gắng sử dụng lớp phủ chịu nhiệt của mạ ion. Được biết, tuổi thọ làm việc ở nhiệt độ cao của một loại lưỡi được mạ bằng phương pháp này bằng hợp kim yttri bằng niken-crom-nhôm cao gấp ba lần so với mạ nhôm. Thích hợp cho việc sử dụng các bộ phận động cơ chịu nhiệt mạ ion và đĩa tuabin, các bộ phận piston xi lanh. Sau khi được xử lý bằng công nghệ tiên tiến này, một số bộ phận có thể hoạt động trong hàng ngàn giờ ở nhiệt độ cao.

Kim loại không bị rỉ

Các bộ phận kim loại sẽ bị rỉ sét, nhưng nếu các bộ phận được mạ một lớp sơn chống ăn mòn, nó có thể ngăn các bộ phận bị rỉ sét. Do mật độ cao của lớp mạ ion, ít lỗ kim, chống ăn mòn và có thể lắng đọng nhiều quá trình khác không thể lắng đọng lớp phủ ăn mòn tốt. Do đó, mạ ion hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất trong các vật liệu chống ăn mòn. Chẳng hạn như tường thủy phi cơ và các bộ phận bên ngoài khác, phương pháp này có thể được sử dụng để ngăn chặn sự ăn mòn của phun muối và lớp phủ ăn mòn nước biển; Các bộ phận vật liệu khác với các bộ phận hợp kim nhôm có thể được mạ bằng phương pháp này để ngăn ngừa sự ăn mòn tiềm năng. Ngoài ra, với sự cải thiện về tốc độ và độ cao của chuyến bay và tiến trình thám hiểm không gian, việc áp dụng hợp kim titan ngày càng nhiều. Nhưng nếu được mạ bằng alumina, nó hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu. Tuy nhiên, mạ điện và các quá trình khác không thể được mạ vật liệu này. Mặt khác, mạ ion, hoạt động kỳ diệu. Cho đến nay, ngoài alumina, vật liệu chống ăn mòn thích hợp cho mạ ion bao gồm crôm, titan, tantalum, thép không gỉ, vv Các bộ phận hàng không mạ bao gồm ốc vít, đai ốc, đinh tán, ghim, ống, khớp nối, cánh quạt con quay, bánh răng chính xác, vòng đệm kim loại, vv

Nói tóm lại, mạ ion trong ngành hàng không và các lĩnh vực khác của tiềm năng ứng dụng là rất lớn, ngoài ra, còn có nhiều loại, như mạ màng dẫn điện, màng cứng, màng trang trí và được sử dụng để hàn chính xác, hàn chính xác, bề mặt sửa. Quá trình mạ ion là một công nghệ mới đã được phát triển trong hơn mười năm. Nó có một số lợi thế độc đáo và có thể giải quyết một số khóa sản xuất khó khắc phục trong quá khứ. Tuy nhiên, do thời gian xuất hiện không lâu, có rất nhiều chìa khóa kỹ thuật cần giải quyết, chẳng hạn như kiểm soát độ dày lớp phủ, che chắn bề mặt phôi không mạ, v.v. Thứ hai, công suất thiết bị nhỏ, phần lớn rất khó để mạ, đầu tư lớn. Chúng tôi tin rằng với nghiên cứu sâu hơn về công nghệ này, mạ ion sẽ dần được cải thiện và phát triển, và sẽ được áp dụng và thúc đẩy hoàn toàn trong ngành hàng không.

IKS PVD, về công nghệ sơn ion, chúng tôi có rất nhiều kinh nghiệm ứng dụng trong ngành, liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ, iks.pvd@foxmail.com