Научные и технологические принципы нанесения покрытий методами физического и химического осаждения : методы получения и исследования покрытий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2560 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

Ф.В. Кирюханцев-Корнеев 
 
 

Научные и технологические
принципы нанесения покрытий 
методами физического и 
химического осаждения 

Методы получения и исследования покрытий 

Практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2015 

УДК 621.762:620.18 
 
К43 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. И.В. Блинков 

Кирюханцев-Корнеев Ф.В. 
К43  
Научные и технологические принципы нанесения покрытий 
методами физического и химического осаждения : методы получения и исследования покрытий : практикум / Ф.В. Кирюханцев-Корнеев. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 56 с. 
ISBN 978-5-87623-924-2 

Практикум содержит описание семи работ, при выполнении которых студенты знакомятся с современными методами нанесения покрытий, реализуемыми в нормальных условиях и в вакууме, а также основными методами контроля структуры и состава покрытий. 
Практикум предназначен для магистрантов, обучающихся по направлению «Металлургия». 

УДК 621.762:620.18 

© Ф.В. Кирюханцев-Корнеев, 2015 
ISBN 978-5-87623-924-2 
© НИТУ «МИСиС», 2015 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Получение покрытий методами плазменного 
напыления и плазменной наплавки ........................................................5 
2. Нанесение покрытий с использованием несбалансированных 
магнетронных распылительных систем ...............................................10 
3. Получение покрытий методами контактного диффузионного 
насыщения...............................................................................................17 
4. Осаждение пленок алмазоподобного углерода с помощью 
технологии PACVD................................................................................23 
5. Применение метода импульсного катодно-дугового 
испарения для осаждения покрытий из керамических 
мишеней...................................................................................................29 
6. Исследование покрытий с использованием оптической 
эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда .................................37 
7. Исследование покрытий с помощью растровой электронной 
микроскопии и энергодисперсионного анализа ..................................47 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Нанесение покрытий и обработка поверхности являются одними 
из активно развивающихся направлений современного материаловедения. Непрерывно разрабатываются новые составы покрытий с 
улучшенными функциональными характеристиками, совершенствуются методы нанесения покрытий и модификации поверхности, внедряются новые методы исследования структуры и измерения свойств 
покрытий. Данный практикум содержит описание практических работ, охватывающих различные методы нанесения покрытий, а также 
их исследования. 
Выполнение практических работ знакомит студентов с технологическим оборудованием для нанесения покрытий, приборами для 
исследования состава и структуры покрытий. Каждая работа представляет собой небольшое законченное исследование с применением 
технологий и методов, ранее рассмотренных на лекциях. Рассмотрены следующие способы нанесения покрытий и обработки поверхности: плазменное напыление и наплавка, катодно-дуговое испарение, 
магнетронное напыление, химическое осаждение с активацией плазмой, диффузионное насыщение, а также современные способы диагностики структурных характеристик покрытий, такие как оптическая 
эмиссионная спектроскопия, растровая электронная микроскопия, 
энергодисперсионный микроанализ.  
Для допуска к работе студенты отвечают на контрольные вопросы, выданные преподавателем. Данные вопросы представлены в соответствующих разделах практикума. При выполнении работ группа 
в зависимости от численности делится на подгруппы, каждая из которых выполняет один из вариантов задания, указанных преподавателем. После оформления студентами результатов и необходимых 
расчетов проводится защита выполненной работы. 

1. Получение покрытий методами плазменного 
напыления и плазменной наплавки 

1.1. Цель работы 

Ознакомление с устройством плазмотрона и методами нанесения 
покрытий с его использованием.  

1.2. Теоретическое введение 

Нанесение покрытий с применением низкотемпературной плазмы 
широко применяется в различных областях промышленности. Плазменное напыление по сравнению с другими газотермическими методами, такими как газопламенное, детонационное и электродуговое 
напыление, имеет ряд преимуществ, среди которых надо отметить: 
1) высокие температуры газового потока, позволяющие расплавлять 
и наносить практически любые материалы, включая керамические, 
независимо от их температуры плавления; 2) как правило, в процессе 
используются нейтральные или инертные газы, что обеспечивает 
минимальное окисление наносимого материала и поверхности подложки-изделия; 3) гибкость при выборе типа исходного материала – 
его можно подавать в виде порошка, проволоки сплошного сечения, 
порошковой проволоки, прутка; 4) за счет управления параметрами напыления возможно проводить процесс нанесения покрытия при температуре подложки 100…300 °С; 5) относительная легкость регулирования энергетических и газодинамических параметров напыления. 
В общем случае установка для плазменного напыления состоит из 
плазменной горелки (плазмотрона), системы подачи напыляемого 
материала, системы водяного охлаждения, источника постоянного 
напряжения, системы охлаждения этого источника напряжения, системы подачи газов (плазмообразующего и транспортирующего), 
пульта управления, системы блокировок, устройства для перемещения изделия или горелки. Рядом с плазмотроном должна быть обеспечена вытяжная вентиляция (удаление образующихся ядовитых газов, таких как озон, оксиды азота и др.). Основной узел установки 
напыления – плазмотрон, как правило, состоит из корпуса с каналами 
для подвода плазмообразующего/транспортирующего газа и ввода 
материала, водоохлаждаемого медного анода, вольфрамового катода 
и расположенного между ними изолятора.  

Плазмотрон применяется также при нанесении покрытий методом 
плазменной наплавки. Материал может подаваться в виде проволоки 
или порошка в зону взаимодействия высокотемпературного потока с 
подложкой (ванну расплава), а также в виде порошка вводиться непосредственно внутрь плазмотрона. Кроме того, возможна схема, 
когда происходит наплавление материала, предварительно нанесенного на подложку в виде порошка. 

1.3. Оборудование и материалы 

Для проведения работы используется установка «Мультиплаз 
2500» (ОАО «Мультиплаз», РФ). Питание установки осуществляется 
от сети переменного тока напряжением 220 В при частоте 50 Гц. Напряжение холостого хода не более 48 В. Максимальная потребляемая 
мощность 2,5 кВт. Максимальная температура плазменного факела 
8000 °С. В качестве рабочей жидкости могут быть использованы дистиллированная вода, смесь воды с этиловым спиртом (1:1). Максимальный расход рабочей жидкости 0,25 л/ч. Конструкция горелки 
обеспечивает ее работоспособность в любом пространственном положении. Предусмотрена возможность работы в режимах «закрытый 
анод», когда электрическая дуга горит между катодом и анодом, и 
«открытый анод», когда она от катода замыкается на подложку, 
имеющую положительный потенциал. Принципиальная схема используемого в работе плазмотрона показана на рис. 1.1. 

 

Рис. 1.1. Схема плазмотрона «Мультиплаз 2500»