ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ НАПЫЛЕНИЯ УЗЛОВ ГИРОПРИБОРОВ
Технологические особенности выбора материалов и методов напыления узлов гироприборов 73
УДК 621. 793. 18
С. Н. БЕЛЯЕВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ НАПЫЛЕНИЯ УЗЛОВ ГИРОПРИБОРОВ
Рассматриваются основные принципы выбора материалов покрытий и методов их напыления на узлы гироприборов, исходя из технических требований к изделию, его геометрических и функциональных особенностей, а также в зависимости от физико-механических и теплофизических свойств материала покрытия. Представлены основные параметры процессов нанесения покрытий методами магнетронного напыления и термического испарения в вакууме для различных материалов. Ключевые слова: тонкопленочное покрытие, магнетронное напыление, термическое испарение в вакууме, датчик положения, гироприбор.
Введение. При разработке современных изделий точного приборостроения, в том числе гироскопических приборов, большое значение имеют технологические процессы нанесения покрытий, реализуемые различными методами напыления. При технологическом проектировании процессов вакуумного напыления определяющим фактором является выбор материалов покрытий, обеспечивающих рабочие характеристики изделия. При этом техническим требованиям, например, по таким показателям, как магнитные или электрические свойства, механические характеристики и т.д., могут соответствовать различные материалы. Очевидно, что выбор материала покрытия должен осуществляться исходя из максимальной технологичности процесса его нанесения.
В настоящей статье рассматриваются результаты исследований, цель которых заключалась в выявлении и систематизации по значимости критериев выбора материала функциональных покрытий и в определении режимов и методов их напыления на прецизионные элементы узлов гироприборов.
Технологические особенности выбора материалов. Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:
— выявление исходных условий и основных принципов выбора материалов и методов напыления, исходя из технических требований к изделию и свойств материала;
— определение и сравнительная оценка основных параметров и характеристик технологических процессов нанесения покрытий для различных конструкционных материалов применительно к конкретным узлам гироприборов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
74 С. Н. Беляев
В качестве наиболее наглядных примеров использования вакуумных покрытий при изготовлении деталей и узлов гироприборов можно привести формообразование массивного армирующего элемента в конструкции ротора бескарданного электростатического гироскопа (БЭСГ) и нанесение тонкопленочных электродов на узлы датчика положения чувствительного элемента гравитационного вариометра (ЧЭ ГВ).
Реализация ротора БЭСГ (рис. 1) осуществляется посредством диффузионной сварки в вакууме охватывающей втулки 2 и охватываемого цилиндра 1 с профилированной кольцевой проточкой, заполненной материалом армирующего элемента 3 путем напыления, с последующим формообразованием сферы ротора 4 диаметром D+∆ [1].
2 D+∆
1
34 Рис. 1
К данному ротору предъявляется ряд технических требований, основное из которых —
обеспечение относительной разности моментов инерции ротора (ε), определяемой в диапазо-
не (0,030—0,034), что и достигается наличием в его составе армирующего элемента. Эта раз-
ность определяется как
ε
=
Iос − Iрад Iос
,
где Iос и Iрад — моменты инерции цилиндра вдоль и перпендикулярно оси вращения для армирующего элемента, вычисляемые по соответствующим формулам:
( )Iос
=
γ
Be
π
h 2
R4 − r4
=
m
R2
+ 2
r2
;
( )Iрад
=
γ
Be
π
h 4
R2 − r2
⎛ ⎜⎝⎜
R2
+
r2
+
h2 3
⎞ ⎟⎠⎟
=
m
R2
+
r2 + 4
h2
3,
где h — ширина прослойки армирующего элемента; R и r — внешний и внутренний радиусы кольцевого армирующего элемента; m — масса армирующего элемента; γBe — удельный вес бериллиевого ротора.
Таким образом, для того чтобы подобрать необходимую относительную разность моментов инерции ротора, следует оперировать такими взаимообусловленными параметрами, как ширина h и разность радиусов R и r (толщина) кольцевого армирующего элемента, а также удельный вес γ его материала.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
Технологические особенности выбора материалов и методов напыления узлов гироприборов 75
В качестве предполагаемых материалов для армирующего элемента были рассмотрены применяемые в гироскопии такие материалы, как медь, молибден, тантал, титан, ниобий, золото, серебро, вольфрам и хром. Выбор материала определяется по следующим критериям, расположенным в порядке убывания их сравнительной значимости.
1. Температура плавления (Тпл) материала армирующего элемента. 2. Немагнитность материала армирующего элемента. 3. Упругость паров (Р) напыляемого материала армирующего элемента при определенной температуре сварки (Тсв). 4. Удельный вес материала армирующего элемента (с учетом величины превышения удельного веса материала γм над удельным весом бериллия γBe). 5. Согласованность материала армирующего элемента и бериллия по значениям термических коэффициентов линейного расширения — ТКЛР (соотношение ∆). 6. Адгезия материала армирующего элемента к бериллиевой подложке. 7. Наличие и ширина (s) переходных зон твердофазного взаимодействия между бериллием и материалом армирующего элемента при определенном времени сварки (tсв). 8. Скорость (v) процесса напыления. 9. Экономичность процесса напыления (стоимость материала — п). Для наглядного представления о значимости критериев составлена таблица, в которой приведены некоторые свойства материалов и геометрические характеристики армирующего элемента ротора БЭСГ (см. табл. 1) [2, 3]. В табл. 1 для каждого элемента представлены совокупность критериев выбора материалов и данные о геометрической конфигурации проточки под армирующий элемент, которые могут варьироваться в пределах, определяемых геометрией сферы ротора. Критерии 1—3 (см. приведенный выше перечень) обусловлены однозначно необходимыми требованиями, определяющими принципы работы прибора, и фактически являются ограничительными. При этом упругость паров материала (критерий 3) не должна превышать определенного значения, составляющего примерно 1,3 Па; при этом чем меньшим значением Р обладает материал, тем он предпочтительнее. Очевидно, что при равнозначности представленных в табл. 1 материалов по ограничительным критериям возможно их ранжирование с определением предпочтительности использования по сравнительным признакам, которые характеризуются критериями 4—7. Далее рассматриваются технологические критерии 8 и 9, связанные с особенностями проведения процесса напыления. Эти критерии весьма важны, поскольку обеспечивают возможность практической реализации процесса и характеризуют его производительность, воспроизводимость результатов, а также стоимостно-затратные показатели. Как показывает анализ свойств рассматриваемых материалов, критериям 1—3 удовлетворяют в той или иной степени все материалы; критерию 4, в порядке предпочтения, — вольфрам, тантал, золото, серебро, молибден и медь; критерию 5 — золото, медь и серебро; критерию 6, в той или иной степени, — титан, серебро и медь; критерию 7 — все материалы; критериям 8 и 9 — медь. (Данные по критериям 8 и 9 представлены в табл. 2.) По совокупной оценке материалов (см. табл. 1) в качестве наиболее приемлемого материала для формообразования армирующего элемента методом напыления была выбрана медь, которая характеризуется высокой упругостью паров, необходимым удельным весом, хорошей согласованностью с бериллием по ТКЛР, высокой скоростью распыления при минимальных временных затратах и низкой стоимостью. Технология изготовления датчика положения ЧЭ ГВ включает множество операций, наиболее важной из которых является нанесение электродов посредством напыления на ротор и статор, которые выполнены из корундовой керамики и имеют встречно-ориентированные друг относительно друга рабочие сферические поверхности [4]. Рабочая поверхность ротора представляет собой сплошной электрод, а поверхность статора — три кольцевые дорожки электродов. При этом толщина электродов (hэл), в зависимости от напыляемого материала, может быть различной.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
Материал армирующего
элемента Cu Mo
Ti
Au
Ag
Ta
Nb
W
Cr
Tпл, ºС
1083 2610 1725 1063
960 2996 2415 3400 1890
γм, г/см3
8,96 10,22
4,54 19,32 10,5 16,6
8,57 19,3
7,19
Р, Па, при Tсв ≈ 700…900 ºС
10–5—10–3 < 10–15 < 10–10
10–7—10–4 5·10–4—5·10–1
< 10–16 < 10–17
УДК 621. 793. 18
С. Н. БЕЛЯЕВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ НАПЫЛЕНИЯ УЗЛОВ ГИРОПРИБОРОВ
Рассматриваются основные принципы выбора материалов покрытий и методов их напыления на узлы гироприборов, исходя из технических требований к изделию, его геометрических и функциональных особенностей, а также в зависимости от физико-механических и теплофизических свойств материала покрытия. Представлены основные параметры процессов нанесения покрытий методами магнетронного напыления и термического испарения в вакууме для различных материалов. Ключевые слова: тонкопленочное покрытие, магнетронное напыление, термическое испарение в вакууме, датчик положения, гироприбор.
Введение. При разработке современных изделий точного приборостроения, в том числе гироскопических приборов, большое значение имеют технологические процессы нанесения покрытий, реализуемые различными методами напыления. При технологическом проектировании процессов вакуумного напыления определяющим фактором является выбор материалов покрытий, обеспечивающих рабочие характеристики изделия. При этом техническим требованиям, например, по таким показателям, как магнитные или электрические свойства, механические характеристики и т.д., могут соответствовать различные материалы. Очевидно, что выбор материала покрытия должен осуществляться исходя из максимальной технологичности процесса его нанесения.
В настоящей статье рассматриваются результаты исследований, цель которых заключалась в выявлении и систематизации по значимости критериев выбора материала функциональных покрытий и в определении режимов и методов их напыления на прецизионные элементы узлов гироприборов.
Технологические особенности выбора материалов. Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:
— выявление исходных условий и основных принципов выбора материалов и методов напыления, исходя из технических требований к изделию и свойств материала;
— определение и сравнительная оценка основных параметров и характеристик технологических процессов нанесения покрытий для различных конструкционных материалов применительно к конкретным узлам гироприборов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
74 С. Н. Беляев
В качестве наиболее наглядных примеров использования вакуумных покрытий при изготовлении деталей и узлов гироприборов можно привести формообразование массивного армирующего элемента в конструкции ротора бескарданного электростатического гироскопа (БЭСГ) и нанесение тонкопленочных электродов на узлы датчика положения чувствительного элемента гравитационного вариометра (ЧЭ ГВ).
Реализация ротора БЭСГ (рис. 1) осуществляется посредством диффузионной сварки в вакууме охватывающей втулки 2 и охватываемого цилиндра 1 с профилированной кольцевой проточкой, заполненной материалом армирующего элемента 3 путем напыления, с последующим формообразованием сферы ротора 4 диаметром D+∆ [1].
2 D+∆
1
34 Рис. 1
К данному ротору предъявляется ряд технических требований, основное из которых —
обеспечение относительной разности моментов инерции ротора (ε), определяемой в диапазо-
не (0,030—0,034), что и достигается наличием в его составе армирующего элемента. Эта раз-
ность определяется как
ε
=
Iос − Iрад Iос
,
где Iос и Iрад — моменты инерции цилиндра вдоль и перпендикулярно оси вращения для армирующего элемента, вычисляемые по соответствующим формулам:
( )Iос
=
γ
Be
π
h 2
R4 − r4
=
m
R2
+ 2
r2
;
( )Iрад
=
γ
Be
π
h 4
R2 − r2
⎛ ⎜⎝⎜
R2
+
r2
+
h2 3
⎞ ⎟⎠⎟
=
m
R2
+
r2 + 4
h2
3,
где h — ширина прослойки армирующего элемента; R и r — внешний и внутренний радиусы кольцевого армирующего элемента; m — масса армирующего элемента; γBe — удельный вес бериллиевого ротора.
Таким образом, для того чтобы подобрать необходимую относительную разность моментов инерции ротора, следует оперировать такими взаимообусловленными параметрами, как ширина h и разность радиусов R и r (толщина) кольцевого армирующего элемента, а также удельный вес γ его материала.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
Технологические особенности выбора материалов и методов напыления узлов гироприборов 75
В качестве предполагаемых материалов для армирующего элемента были рассмотрены применяемые в гироскопии такие материалы, как медь, молибден, тантал, титан, ниобий, золото, серебро, вольфрам и хром. Выбор материала определяется по следующим критериям, расположенным в порядке убывания их сравнительной значимости.
1. Температура плавления (Тпл) материала армирующего элемента. 2. Немагнитность материала армирующего элемента. 3. Упругость паров (Р) напыляемого материала армирующего элемента при определенной температуре сварки (Тсв). 4. Удельный вес материала армирующего элемента (с учетом величины превышения удельного веса материала γм над удельным весом бериллия γBe). 5. Согласованность материала армирующего элемента и бериллия по значениям термических коэффициентов линейного расширения — ТКЛР (соотношение ∆). 6. Адгезия материала армирующего элемента к бериллиевой подложке. 7. Наличие и ширина (s) переходных зон твердофазного взаимодействия между бериллием и материалом армирующего элемента при определенном времени сварки (tсв). 8. Скорость (v) процесса напыления. 9. Экономичность процесса напыления (стоимость материала — п). Для наглядного представления о значимости критериев составлена таблица, в которой приведены некоторые свойства материалов и геометрические характеристики армирующего элемента ротора БЭСГ (см. табл. 1) [2, 3]. В табл. 1 для каждого элемента представлены совокупность критериев выбора материалов и данные о геометрической конфигурации проточки под армирующий элемент, которые могут варьироваться в пределах, определяемых геометрией сферы ротора. Критерии 1—3 (см. приведенный выше перечень) обусловлены однозначно необходимыми требованиями, определяющими принципы работы прибора, и фактически являются ограничительными. При этом упругость паров материала (критерий 3) не должна превышать определенного значения, составляющего примерно 1,3 Па; при этом чем меньшим значением Р обладает материал, тем он предпочтительнее. Очевидно, что при равнозначности представленных в табл. 1 материалов по ограничительным критериям возможно их ранжирование с определением предпочтительности использования по сравнительным признакам, которые характеризуются критериями 4—7. Далее рассматриваются технологические критерии 8 и 9, связанные с особенностями проведения процесса напыления. Эти критерии весьма важны, поскольку обеспечивают возможность практической реализации процесса и характеризуют его производительность, воспроизводимость результатов, а также стоимостно-затратные показатели. Как показывает анализ свойств рассматриваемых материалов, критериям 1—3 удовлетворяют в той или иной степени все материалы; критерию 4, в порядке предпочтения, — вольфрам, тантал, золото, серебро, молибден и медь; критерию 5 — золото, медь и серебро; критерию 6, в той или иной степени, — титан, серебро и медь; критерию 7 — все материалы; критериям 8 и 9 — медь. (Данные по критериям 8 и 9 представлены в табл. 2.) По совокупной оценке материалов (см. табл. 1) в качестве наиболее приемлемого материала для формообразования армирующего элемента методом напыления была выбрана медь, которая характеризуется высокой упругостью паров, необходимым удельным весом, хорошей согласованностью с бериллием по ТКЛР, высокой скоростью распыления при минимальных временных затратах и низкой стоимостью. Технология изготовления датчика положения ЧЭ ГВ включает множество операций, наиболее важной из которых является нанесение электродов посредством напыления на ротор и статор, которые выполнены из корундовой керамики и имеют встречно-ориентированные друг относительно друга рабочие сферические поверхности [4]. Рабочая поверхность ротора представляет собой сплошной электрод, а поверхность статора — три кольцевые дорожки электродов. При этом толщина электродов (hэл), в зависимости от напыляемого материала, может быть различной.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 3
Материал армирующего
элемента Cu Mo
Ti
Au
Ag
Ta
Nb
W
Cr
Tпл, ºС
1083 2610 1725 1063
960 2996 2415 3400 1890
γм, г/см3
8,96 10,22
4,54 19,32 10,5 16,6
8,57 19,3
7,19
Р, Па, при Tсв ≈ 700…900 ºС
10–5—10–3 < 10–15 < 10–10
10–7—10–4 5·10–4—5·10–1
< 10–16 < 10–17