Напилення — Енциклопедія Сучасної України

Напилення

НАПИ́ЛЕННЯ – процес нанесення шару речовини в дисперсному стані на поверхню виробу. Технологія Н. переважно складається зі створення потоку речовини, перенесення його на поверхню виробу (підкладку) й осадження, конденсації парів і формування плівки. Н. застосовують здебільшого з метою надання поверхні виробу хім., фіз., мех. та ін. властивостей, відмінних від властивостей поверхні, зокрема й для захисту виробів від корозії, ерозії, для підвищення контакт. електр. провідності, а також декорування. За допомогою Н. отримують тонкі плівки. Н. лакофарб. покриття виконують стисненим газом (повітрям тощо). Для Н. металів, сплавів (металізації) та ін. матеріалів використовують термічні, детонац., хім., іонні, полум'яно-стру­меневі та ін. методи створення й спрямування потоку молекул газової фази. Термічне Н. у вакуумі ґрунтується на випаровуванні шляхом нагрівання – бомбардування твердої або рідкої речовини окремими атомами, іонами або молекулами та переходу їх в газову фазу. Найпоширеніші види Н.: резистивне, електронно-променеве, лазерне, магнетронне, високочастотне, у тліючому розряді. Хім. методи Н. ґрунтуються на створенні середовища одного, декількох з'єднань або реагентів, які містять компоненти матеріалу, що осаджуються. У результаті хім. реакцій на підкладці утворюється твердий конденсат. Активація реакцій може здійснюватися різними методами: теплом, високочастот. полем, світловим або рентґенів. опроміненням, електр. дугою, електрон. або іонним бомбардуванням, каталітич. дією поверхні підкладки. При газотерміч., плазмово-струменевому та полум'яному Н. речовину наносять робочим газом відповід. пальниками. При детонац. методах Н. велику частину речовини розбризкують у вигляді тонко диспергованих крапель туману при імпульс., електр., бензин., ацетилен., порох. вибухах. Деякі технології Н. відомі з найдавніших часів. Покриття терміч. Н. золота та срібла застосовували для прикрас. При цьому розплавлений у тиглі метал виливали над виробом і розприскували струменем повітря. У період Середньовіччя технологію позолочення від майстрів Арабського Сходу запозичено в Європу, зокрема в Італію та Францію. У 2-й пол. 1840-х рр. британ. дослідник В.-Е. Стейт розробив низку технологій нанесення на вугіл. електроди металів шляхом випаровування за допомогою дуги й іскри. Наприкінці 19 ст. набуло поширення Н. при розплавленні теплом згоряння газів. На поч. 20 ст. швейцар. дослідник М.-У. Шооп винайшов технологію газотерміч. Н. У 1930-х рр. почався період електр. техніки покриттів: створ. пром. електродугові та високочастотні напилювал. апарати, виконано антикороз. покриття метал. конструк­цій обладнання металург. та хім. вироб-в. Н. алюмінію покращують жаро­стійкість ковшів, електротиглів та ін. Газоплазм. й електродугове Н. відносно недорогі, їх застосовують для ремонтування і покриття зношених від тертя валів та ін. деталей.

1960 у Харків. фіз.-тех. ін-ті АН УРСР почали розробляти технологію Н. зміцнювал. і захис. покриттів вакуумно-дуговим методом. Досить часто у пром-сті застосовують установки катодно-дугових джерел плазми «Булат» (Л. Саблєв та ін.). За допомогою катодно-дугового та магнетрон. Н. синтезують нітрид титану на поверхні виробів, унаслідок чого утворюється покриття з високими короз. стійкістю та мех. міцністю. Цю технологію використовують для виготовлення пластин розміром до 3 м2, різал. інструментів, об'єм. прикрас і зубних протезів жовтого кольору, для декор. покриття «під золото», з різними відтінками, залежно від співвідношення металу й азоту в з'єднанні, в мікроелектроніці для створення дифуз. бар'є­ра спільно з мідною металізацією, для осадження алмазоподіб. вуглец. плівок, синтезу надтвердих і нанокомпозит. покриттів. Методом вакуум. Н. наносять метали (Al, Au, Cu, Cr, Ni, V, Ti та ін.), сплави (напр., NiCr, CrNiSi), хім. сполуки (силіциди, оксиди, бориди, карбіди та ін.), стекла (I2О3∙В2О3∙SiO2∙Аl2О3∙СаО, Та2О∙В2О3∙I2О3∙GeO2), кермети. 1971–74 в Ін-ті електрозварювання АН УРСР (Київ) досліджено процеси вакуум. електронно-променевого Н. тугоплав. оксидів, карбідів і боридів, розроблено жаростійкі покриття, створ. апаратуру й отримано композитні матеріали (Б. Патон, Б. Мовчан). 1978–83 розроблено технології електронно-променевого парофаз. Н. пористих металокерам. матеріалів із широкою гамою фіз.-хім. властивостей, мік­рошар. композиц. матеріалів типу метал–метал або метал–окисел з товщиною шару бл. 1 мкм (Б. Патон, Б. Мовчан), 1988 – технологію електронно-променевого Н. захис. нікелевих покриттів на сталеві стрічки для корпусів хім. джерел струму (А. Демчишин). Вакуумне Н. використовують у планар. технології напівпровідник. мікросхем, для виготовлення тонкоплівк. гібрид. схем, виробів п'єзотехніки, акустоелектроніки, металізації поверхні пластмас. і скляних виробів, тонування автомобіл. скла. 1978 у Харків. фіз.-тех. ін-ті АН УРСР розроблено атомно-іонне розпилення, що включає стадії електронно-променевого випаровування матеріалів, іонізацію пари, конденсації їх в плазм. стані на поверхні підкладки (В. Зелінський, Г. Карамазов, В. Павлов та ін.). 1991 в Ін-ті електрозварювання АН УРСР розроблено електронно-променеву технологію синтезу товстих (10–500 мкм) надпровід. плівок системи Y–Ba–Cu–O шляхом випаровування вихід. кераміки з одного джерела (Б. Мовчан, М. Греча­нюк, В. Грабин, С. Литвин); 2001 – процеси покриття з квазікристаліч. структурою (А. Устинов, В. Чаплюк, Т. Мельниченко, С. Поліщук та ін.), що збільшили термін служби прес-форм і штампів, дозволили уникнути холод. зварювання деталей вузлів тертя, що працюють в умовах вакууму. 1968–78 у Фіз.-мех. ін-ті АН УРСР (Львів; В. Похмурський) та Ін-ті проблем матеріалознавства АН УРСР (Київ; Г. Самсонов) створ. технології високоефектив. дифуз. Н. для експлуатації конструкцій атом. електростанцій в актив. зоні реактора за підвищених т-р. В Ін-ті електрозварювання НАНУ розроблено електронно-променеві гібридні технології Н. неорган. речовин і дискрет. метал. нанорозмір. (10–50 нанометрів) часток металів (Ag, Cu, Fe, Pd та ін.) на поверхні орган. і неорган. порошків та гранул з метою розширення їх функціонал. властивостей та спектра використання (медицина, екологія, приладобудування, харч. домішки тощо). Створ. електронно-променеве Н. термобар'єр. покриттів для захисту лопаток газотурбін. двигунів. За допомогою технології електронно-променевого Н. отримують металічні та металокерам. мікро- та наношаруваті фольги, консолідов. чи дискретні наноструктури вуглецю та його сполук, магнітні нанорідини, носії каталізаторів і пристрої для каталізу, фільтри, біоімплантанти (Б. Патон, Б. Мовчан та ін.). В аерокосміч. пром-сті застосовують покриття різного функціонал. призначення: терморегулювал., корозійностійкі, протекторні та ін. Окремо виділяють захисні покриття, що запобігають деградації конструкц. матеріалів літал. апаратів. В Ін-ті електрозварювання НАНУ газотерміч., мікроплазм., гібрид. лазерно-плазм. і магнетронним Н. створ. покриття, що містять аморфні й квазікристалічні фази, біоактивні покриття для ендопротезів і стентів, зокрема й титан. покриття з пористою структурою, розвинутою поверхнею (К. Ющенко, Ю. Борисов, М. Кузнецов та ін.). Наприкінці 20 ст. в Ін-ті проблем матеріалознавства НАНУ та Ін-ті металофізики НАНУ (Київ) розпочато вивчення магніт. нанопорошків. Від 2007 методами Н. отримують твердофазні й рідкофазні наноструктурні мед. субстанції та препарати. Лікарі низки клінік спільно з науковцями ун-тів й ін-тів розробили технології виготовлення порошків, мазей, гелів, емульсій антимікроб. та протизапал. дій для нанесення на шкіру; створили колоїдні розчини з наночастинками магнетиту для зменшення окислення ліпідів; нанокомпозиції срібла, антимікробна активність якого в 300 разів ефективніша іонного срібла; розчин нано­частинок магнетиту для додавання до протипухлин. препаратів; композиц. матеріали для цілеспрямов. транспортування лікар. препаратів у живому організмі. В Ін-ті електрозварювання НАНУ розроблено технологію електронно-променевого випаровування вуглецю та вуглец. речовин для отримання нанотрубок і алмазоподіб. структур; удосконалено технології термовідцентр. Н. литих карбідів вольфраму та ін. тугоплав. сполук; створ. технологію електронно-променевого Н. градієнт. покриттів на сталеві вироби суміс. випаровуванням з окремих джерел і осадження у вакуумі карбіду титану та міді.

1963 в Ін-ті електрозварювання АН УРСР під кер-вом Б. Патона вперше в світі розпочато роботи зі зварювання та споріднених технологій в умовах космосу. 16 жовт­ня 1969 на установці «Вулкан» здійснено зварювання та різання металів у космосі в умовах мікрогравітації. 1976–78 розроблено технологію електронно-променевого випаровування та створ. установку «Випарник», на якій на орбітал. комплексах «Салют-6» і «Союз-34» виконано Н. 180-ти зра­з­ків. 1983–84 виготовлено універсал. ручний інструмент для зварювання, різання, Н. і паяння, випробуваний у відкритому космосі. 1979–84 на орбітал. станціях «Салют-6» і «Салют-7» на установках «Випарник» і «Випарник-М» напилено понад 200 зразків різноманіт. покриттів на різній основі, універсал. ручним електронно-променевим інструментом у відкритому космосі провели експерименти з Н. зразків зі скла та металу та ін. На орбітал. косміч. станції «Мир» на установці «Янтар» здійснено Н. на рухомій полімер. стрічці. Протягом 15-ти р. на станції «Мир» успішно проведено технол. експерименти та наук. дослідж. в галузі матеріало­знавства, зокрема й Н. Доведено, що в умовах експлуатації літал. апарата можна виконувати Н., зокрема покриттів ілюмінаторів, поверхні сонячно-енергет. силових систем вручну або за допомогою маніпулятора та роботів.

Літ.: Катц Н. В. Металлизация распы­лением. Х., 1940; Самсонов Г. В. Нитри­ды. К., 1969; Самсонов Г. В., Винницкий И. М. Тугоплавкие соединения: Справоч. Москва, 1976; Патон Б. Е., Мовчан Б. А. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. К., 1983; Никитский В. П., Ланчинский В. Ф., Загре­бельный А. А. и др. Испытание ручного электронно-лучевого инструмента в от­крытом космосе // Пробл. космич. технологии металлов. К., 1985; Борисов Ю. С., Борисова А. Л. Плазменные порошковые покрытия. К., 1986; Борисов Ю. С. и др. Газотермические покрытия из порош­ковых материалов: Справоч. К., 1987; Краснокутский Ю. И., Верещак В. Г. Получение тугоплавких соединений в плазме. К., 1987; Патон Б. Е., Мовчан Б. А. Элек­тронно-лучевая технология: покрытия и новые материалы // Пробл. сварки и спец. электро­метал­лургии: Сб. науч. тр. К., 1990; Патон Б. Е., Михайловская Е. С., Шулым В. Ф. и др. Возможность восстановления покры­тий в реальных условиях космоса // АС. 2000. № 1; Аксьонов І. І., Білоус В. А. Вакуумно-дугове обладнання для іонно-плазмового осадження покриттів // Вопр. атом. науки и техники. 2000. № 4; B. A. Movchan. Discrete nano­sized metallic coatings pro­duced by EB-PVD // Surface engineering. 2016. Vol. 32, № 4.

О. М. Корнієнко


Покликання на статтю