Физико-технологические особенности, аппаратурное обеспечение и функциональные свойства тонкопленочных покрытий, получаемых термическим испарением в космосе

При изготовлении космических аппаратов для расширения их функциональных возможностей используют различные тонкопленочные покрытия: защитные, терморегулирующие, отражающие и т. п. 1.-10]. Покрытия, которые наносят на внешние рабочие поверхности изделий, испытывают на себе комплексное воздействие факторов космического пространства. Такого рода воздействие приводит к изменению свойств материала покрытий, например, к деградации терморегулирующих свойств, к потемнению отражающих покрытий,-все это сокращает ресурс эксплуатации орбитальных объектов, для продления которого необходимо периодическое восстановление функциональных характеристик покрытий.

С другой стороны, создание крупногабаритных орбитальных конструкций непосредственно в условиях космического пространства требует решения следующих технологических задач: нанесения припоев для осуществления процесса пайки элементов конструкций, защитных и отражающих покрытий на вновь создаваемые рабочие поверхности. Поэтому, разработка технологических операций, позволяющих проводить ремонт и восстановление тонкопленочных покрытий, а также их нанесение при создании конструкций на орбитальных объектах с длительным (более 15 лет) ресурсом эксплуатации в условиях космического полета является весьма актуальной, несмотря на постоянное совершенствование наземных технологий нанесения покрытий.

Исходя из теоретических и практических положений, для нанесения тонкопленочных покрытий в реальных условиях космического полета был выбран метод термического испарения и конденсации в вакууме как один из наиболее универсальных и распространенных в наземной технологии методов получения высококачественных покрытий, позволяющий контролировать их состав, структуру и физические характеристики. Условия космического полета 7 величина остаточного давления и остаточная атмосфера, невесомость, температурные условия, изменение светотеневого режима орбитального комплекса, излучения и поля, действующие на станцию во время полета) существенно отличаются от таковых в наземных лабораторных и промышленных вакуумных установках как с точки зрения их технологичности при осуществлении выбранного метода, так и степени влияния на кинетику и механизм испарения-конденсации материалов.

Тема диссертационной работы является составной частью «Межведомственной комплексной целевой программы по созданию и материаловедческому обеспечению крупногабаритных орбитальных конструкций на 1985;1995 годы», «Программы научных исследований, экспериментов и целевых работ на орбитальной станции „Мир“ 1993;1997 г. г.» а также отраслевой целевой программы «Исследование собственной внешней атмосферы орбитального пилотируемого комплекса и ее влияния на ресурс и надежность функционирования комплекса в целом «на 1996;2000 годы.

Целью данной работы являлась разработка основ электроннолучевой технологии нанесения функциональных покрытий термическим испарением в условиях открытого космоса.

Данные по особенностям процессов испарения и конденсации различных материалов в условиях космоса, которые могли бы быть положены в основу разрабатываемой технологии, к началу конкретного этапа исследований отсутствовали.

В соответствии с поставленной целью нужно было решить следующие задачи:

1.На основе предварительного анализа выбрать метод нанесения покрытий, наименее чувствительный к условиям орбитального полета, и подтвердить возможность его осуществления в реальных условиях;

2.Провести экспериментальные исследования особенностей протекания процессов испаренияконденсации металлов в условиях орбитального полета- 8.

3.Исследовать влияние специфических условий космического пространства на свойства покрытий, полученных в орбитальном полете;

4.Разработать технологию нанесения покрытий на конкретные подложки непосредственно в открытом космосе с заданными рабочими характеристиками.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1 .Принципиальная возможность осуществления процесса нанесения покрытий в условиях космического полета (невесомости и космического вакуума) посредством косвенного электроннолучевого нагрева тиглей, содержащих испаряемые материалы: серебро, золото, медь, сплавы серебро-медь.

2.Экспериментальные результаты исследований свойств покрытий, на основе которых определены оптимальные технологические режимы процесса их формирования.

3.Разработка отдельных узлов специализированной аппаратуры для нанесения покрытий в условиях орбитального полета с использованием электроннолучевых источников нагрева.

4.Практическое использование универсального ручного инструмента для проведения работ в открытом космосе по восстановлению деградировавших покрытий испарением материалов и их прецизионным осаждением.

Проведена наземная отработка технологических узлов, а именно тиглей-испарителей, для использования их в условиях невесомости, разработаны основы технологии и основные принципы конструирования тиглей для испарения веществ в невесомости. Впервые изучено влияние основных факторов космического пространства — невесомости и специфического вакуумана процессы испарения и конденсации вещества с высокой температурой плавления.

Создан комплект бортового оборудования для нанесения тонкопленочных покрытий термическим испарением-конденсацией непосредственно в условиях космического полета и проведены его испытания на орбитальных станциях «Салют 6», «Салют 7» и орбитальном комплексе «Мир». 9.

Получено свыше 200 образцов тонкопленочных покрытий чистых металлов и сплавов, анализ которых подтвердил принципиальную возможность получения оптических и терморегулирующих покрытий, а также позволил выявить ряд особенностей протекания процесса нанесения покрытий (более высокую производительность процесса осаждения и т. п.) и свойств полученных покрытий (низкую объемную концентрацию субмикропор, более однородную высокодисперсную структуру, контролируемый химический состав покрытий из бинарных сплавов).

Разработана основы технологии получения покрытий в условиях орбитального полета.

В диссертационной работе отмечаются особенности протекания процессов термического испарения в космосе. Это позволило разработать технические требования к специализированному бортовому оборудованию для восстановления тонкопленочных покрытий непосредственно в условиях космического полета.

По результатам лабораторных наземных исследований реализована конструкция тигля-испарителя, позволяющая осуществлять испарение чистых металлов и сплавов из жидкой фазы в условиях невесомости и, при этом, получать стабильные паровые потоки с поверхности жидких веществ с температурой плавления до 1700° С.

На борту орбитальных станций «Салют 6», «Салют 7» и «Мир», на специально созданном бортовом оборудовании были проведены серии экспериментов с целью определения оптимальных режимов получения тонкопленочных металлических покрытий с заданными характеристиками.

Послеполетные исследования покрытий, полученных в ходе бортовых экспериментов, доказали, что большинство характеристик (адгезия, остаточные внутренние напряжения, морфология, общая структура, оптические и радиационные характеристики) практически идентичны аналогичным образцам, полученным в наземных условиях, и соответствуют требованиям ведомственных.

10 нормалей, предъявляемым к покрытиям подобного класса. У образцов натурных покрытий, восстановленных в космосе, были практически достигнуты первоначальные функциональные параметры.

Перечисленное выше позволяет сделать вывод о пригодности разработанной аппаратуры и технологии для выполнения производственных работ в космосе. Для реализации этих целей создан универсальный ручной инструмент и выполнены его полетные испытания.

Работа выполнена под руководством доктора технических наук Малашенко И. С. Вклад автора состоял в формировании направлений исследования, постановке задач, выборе путей их решения, разработке математической модели, постановке и проведении экспериментов, анализе и интерпретации полученных результатов.

Основные результаты работы были представлены на 7 Всесоюзных конференциях и 3 Международных конференциях.

По работе опубликовано 9 статей в специализированной литературе.

Диссертация состоит из «Введения», пяти глав и выводов, общего списка литературы, который включает 153 наименования.

В первой главе дан литературный обзор по вопросам, которые связаны с особенностями формирования покрытий в условиях открытого космоса (влияния микрогравитации, «космического» вакуума и т. п.) проведен анализ известных методов вакуумного испарения с точки зрения их применимости для получения покрытий в космосе. Обобщены имеющие в литературе сведения по влиянию условий конденсации (температуры подложки, давления остаточных газов, скорости осаждения) на свойства получаемых покрытий.

Во второй главе представлены конструктивные особенности бортового оборудования для получения тонкопленочных покрытий осаждением непосредственно в космическом вакууме. Представлено одно из решений удержания расплавленного материала в тиглеиспарителе.

В третьей главе дано описание бортовой аппаратуры для нанесения покрытий «Испаритель 80», «Испаритель М», «Янтарь» и УРИ. Приведены результаты технологической наземной отработки оборудования и процессов, а также методика планирования и проведения экспериментов на борту орбитального комплекса.

Четвертая глава обобщает результаты исследований влияния режимов получения на оптические свойства покрытий, на микропористость и напряжения I рода в них, на содержание примесей в серебряных, медных и золотых покрытиях. Проведено сравнение этих образцов с наземными аналогами. На основе анализа полученных данных установлены оптимальные технологические параметры испарения материалов.

В пятой главе описаны расчеты кинетики испарения бинарных сплавов серебро-медь разного химического состава в неизотермических условиях, предложена математическая модель испарения бинарных сплавов в условиях микрогравитации.

Автор выражает благодарность сотрудникам ИЭС им. Патона.

A.Загребельному, В. Шулыму, Е. Михайловской за помощь в проведении наземной отработки технологического оборудования и послеполетного анализа, экипажам орбитальных станций «Салют 6» В. Рюмину, В. Ляхову, Л. Попову, ОС «Салют 7» .

B.Соловьеву, Л. Кизиму, С. Савицкой, В. Джанибекову и орбитального комплекса «Мир» С. Крикалеву, А. Волкову в проведении бортовых экспериментов и получении образцов с различными покрытиями в натурных условиях.

5.4.Выводы.

Таким образом, анализ микроструктуры и результаты ОЖЕ-спектроскопии тонкопленочных покрытий бинарных сплавов серебро-медь показал, что:

— в космических экспериментах были получены образцы покрытий серебро-медь на полиимидной рулонированной пленке, диапазон концентраций которых охватывает практически все составы диаграммы состояния;

— при конденсации сплавов серебро-медь в наземных и космических условиях на неподогреваемой подложке происходит образование перенасыщенных.

199 твердых растворов (ПТР), которые в процессе роста или при последующем хранении переходят в более равновесное состояние, претерпевая распад;

— распад ПТР на основе серебра в пленках серебро-медь происходит по гетерогенному механизму (прерывистый распад), которому предшествует гомогенное выделение (непрерывный распад);

— в некоторых случаях степень распада ПТР в наземных образцах существенно ниже, что связано с более низкой концентрацией меди;

— методом ОЖЕ-электронной спектроскопии проведено исследование особенностей распределения меди, серебра и примесных элементов в тонкопленочных покрытий из сплава серебро-медь на полиимидной подложке, полученных в наземных и летных условиях. Установлено, что толщина покрытий, полученных в космосе, в два и более раз больше толщины покрытий, полученных на Земле в тех же условиях. Распределение основных (серебро, медь) и примесных (О, С, 14, С1) элементов по толщине пленки неоднородно. Основные элементы (медь и серебро) проникают в материал подложки на глубину, превышающую толщину покрытия;

— коэффициент сегрегации в покрытиях серебро-медь, полученных в космосе выше у серебра, а в покрытиях, полученных в земных условиях, — меди;

— в покрытиях серебро-медь, полученных как в космосе, так и на Земле, перед границами раздела фаз вакуум-покрытие и покрытие-подложка формируются сегрегационные скопления меди. Серебро таких скоплений не образует;

— сегрегационные скопления у межфазной границы покрытие-подложка является следствием разной скорости диффузии меди в покрытии и в подложке и ускорения этого процесса в результате реакционного взаимодействия меди с атомами материала подложки.

Согласно вакансионному механизму образование сегрегационных скоплений является следствием различной диффузионной подвижности атомов меди и серебра, в процессе движения потока вакансий, генерируемых на поверхности осаждения парового потока сплава в процессе конденсации, от поверхности в глубину и встречного потока атомов меди из объема пленки. Концентрационное.

200 уплотнение меди у внешней поверхности (вакуум-покрытие) формируется преимущественно по вакансионному механизму, а сегрегация меди на межфазной границе покрытие-подложка контролируется механизмами: реакционной и вакансионной диффузии;

— в качестве подложки полиимидная лента не вносит возмущений принципиального характера в химический состав покрытия из сплава серебро-медь и может быть использована в качестве несущей основы при получении металлических покрытий термическим испарением.

Заключение

.

1.Для реализации ремонтно-восстановительных работ, связанных с анесением тонкопленочных функциональных покрытий в космосе, с учетом 1ецифики окружающего пространства как технологической среды выбран метод зрмического испарения и конденсации металлов и сплавов.

2.Для практической реализации выбранного метода разработан комплект ортового технологического оборудования (установки «Испаритель 80″, Испаритель М», «Янтарь»). Опробован на Земле и в космосе ряд тиглей-спарителей, обеспечивающих удержание расплава в рабочем объеме и табильный паровой поток материала при их косвенном электроннолучевом агреве в условиях невесомости.

3.Разработаны методики и программы проведения экспериментов по олучению покрытий непосредственно на борту орбитальных станций. Подтверждена принципиальная возможность осуществления процесса осаждения спаряемых материалов в космосе и правильность конструктивного решения тдельных блоков и оборудования в целом.

Отработана технология нанесения отражающих и терморегулирующих окрытий из серебра, золота, меди и сплавов Ag-Cu на различные виды подложек титан, стекло, дюралюминий, полиимидная пленка), получена научная нформация об особенностях протекания этих процессов в условиях космического гространства о об условиях длительного хранения покрытых объектов на борту.

4.Установлено, что функциональные свойства (адгезия, остаточные нутренние напряжения, морфология, общая структура, оптические и адиационные характеристики) покрытий, полученных в космосе, не уступают шемным аналогам и находятся на уровне требований промышленных стандартов [ли выше. Производительность процесса осаждения испаряемых материалов в: осмосе, как правило, превышает зафиксированную в аналогичных наземных экспериментах и является достаточной для выполнения практических работ по.

МОНту и восстановлению покрытий. Это подтверждило пригодность дработанной аппаратуры и электроннолучевой технологии косвенного нагрева ы операций испарения металлов и сплавов в космосе.

5.Показано, что космические образцы и их аналоги отличаются друг от друга э составу и концентрации примесей, что обусловлено различными вакуумными шовиями формирования конденсатов. В «космических» пленках металлов гмечается ряд аномальных явлений, не наблюдавшихся в образцах-аналогах:

— в серебряных и медных покрытиях (толщиной 2.4 мкм) имеет место резвычайно низкая (менее 0,1%) объемная концентрация субмикропор (размером енее 200 нм). В наземных аналогах концентрация таких субмикропор составляет бычно 0,7.1.0%, а иногда и более;

— конденсаты золота и серебра имеют более однородную высокодисперсную груктуру. Это можно объяснить снижением границы сплошности онденсирующихся слоев, которое обычно связано с уменьшением критического азмера зародышей или реализацией беззародышевого роста металлических слоев, а начальных стадиях их образования в малых гравитационных полях.

6.Установлено, что кинетика испарения бинарных сплавов в космосе пределяется как механизмом массопереноса в тигле, так и возможным зменением температуры тигля по ходу процесса. Диффузионный механизм ассопереноса наиболее развит на начальных стадиях испарения, когда объем и арактерные размеры испаряющегося сплава достаточно велики, чтобы мог еализовываться данный механизм доставки компонента из глубины расплава. С меныпением объема сплава на поздних стадиях испарения вклад диффузионного [еханизма уменьшается и можно использовать конвективное приближение.

7.Выполнен расчет кинетики испарения сплавов и изменения паровой фазы фи диффузионном механизме массопереноса в тигле в условиях шкрогравитации. Установлено изначальное обогащение пленок серебро-медь, олученных в орбитальном полете, труднолетучим компонентом (медью) по равнению с их земными аналогами.

Приведены расчетные зависимости изменения состава пленок серебро-медь, щученных в наземных условиях, от времени осаждения при изотермическом ¡-парении. В наземных условиях кинетика испарения сплава определяется швективным механизмом перемешивания расплава.

8.Установлены особенности распределения меди, серебра и примесных [ементов в покрытиях Ag-Cu на полиимидной подожке, полученных в наземных летных условиях. Рассмотрены реакционный и вакансионный механизмы ормирования сегрегационных скоплений меди в объеме тонкопленочных шденсированных систем.

9.Проведены космические и наземные эксперименты по осаждениюребряных покрытий с применением универсального ручного инструмента УРИ. оказана принципиальная возможность нанесения покрытий на больших пощадях, получены образцы покрытий на двух подложках размером 240×180 м2. Равномерность по толщине покрытий, наносимых вручную в космосе, не ступает по равномерности толщине покрытий, полученных в наземных условиях.

Ю.Комплексный анализ свойств космических покрытий и их наземных налогов позволил заключить, что серебряные покрытия, полученные в условиях ткрытого космоса, могут иметь больший ресурс работы, чем аналогичные окрытия, полученные на Земле и доставленные в космос транспортным кораблем.