Ionbond vyvíjí povlaky pro trysky hnacích motorů společnosti Snecma (člena skupiny Safran) určených k pohonu vesmírných těles.

09 duben 2013

PVD a CVD povlaky jsou obvykle spojovány s tenkými vrstvami odolnými proti opotřebení a prodlužujícími životnost nástrojů či strojních součástí. Ve skutečnosti tyto povlaky mohou nabídnout také celou řadu dalších jedinečných povrchových vlastností. Logo společnosti Ionbond "Inženýři povrchu" odráží skutečnost, že se specializujeme na inženýrství povrchu, a že naším cílem je dostát specifickým požadavkům dané aplikace.

Francouzská společnost Snecma (www.snecma.com) kontaktovala naši společnost s požadavkem na vývoj speciálního povlaku pro novou řadu plasmových hnacích motorů, které se využívají k řízení kosmických lodí a / nebo k udržování satelitů na jejich orbitech. Snecma vyrábí tyto plasmové motory především pro satelity společnosti Telecom. Příkladem může být satelit Alphabus vyvinutý na základě smlouvy s Evropskou kosmickou agenturou (ESA).

Plasmový hnací systém je reakční motor, který využívá elektrickou energii a plazma jako prostředku k vytvoření tažné síly. Obdobně chemické hnací systémy využívají ke stejnému účelu chemické reakce. Zajímavé je, že oba tyto typy motorů pracují na stejném principu, Newtonově třetím zákoně. Chemický pohon, jakožto tradiční technologie, je fyzikálně omezen rychlostí výfukových plynů. Která určuje i maximální rychlost, kterou může dosáhnout celé plavidlo. Kromě toho je jeho ekvivalent "paliva" (tzv. "specifický impuls" jak je nazýván vědci zabývajícími se raketami) poněkud nízký. Naopak plazmové hnací motory mohou vytvářet tah, i když skromnější, po velmi dlouhou dobu a mají mnohem lepší účinnost paliva. Plazmové trysky mohou zrychlit kosmickou loď až na působivých 50 km / s (180 000 km / hod).

Snecma vyrábí plazmové trysky využívající tzv. Hallův efekt. Tyto plazmové trysky využívají ionizovaný xenon urychlovaný elektrostatickým polem. Xenonové plazma vzniká uvnitř válcové anody srážkami atomů xenonu s elektrony. Xenonové ionty jsou pak urychlovány a hnány ven z anody. Na výstupu následně ionty rekombinují s elektrony, čímž je zachována neutralita celého systému. Inženýři společnosti Snecma vybrali ke generování elektronů potřebných k ionizaci princip duté katody. Dutá katoda využívá energii iontů plynu k udržení vysoké teploty potřebné pro emisi elektronů. Za těchto teplot začíná ovšem docházet k nežádoucím chemickým reakcím mezi použitými materiály, které jsou jinak při standardních teplotách obvykle inertní. Právě z tohoto důvodu je nutné použít speciální bariérové povlaky, které brání degradaci materiálů a snížení výkonu v průběhu životnosti vesmírného plavidla.

Jako materiál účinně bránící difúzi byl vybrán nitrid zirkonu (ZrN). Úkolem pro inženýry společnosti Ionbond bylo vyvinout proces schopný vytvořit ZrN povlak na povrchu součástí ve tvaru duté katody. Tento úkol představoval největší výzvu.  Neboť za prvé musel být povlak vytvořen na vnitřních průměrech součástí s vysokým poměrem délky k průměru, za druhé bylo nutné dosáhnout vysoké tloušťky - neobvykle vysoké ve srovnání s běžnými požadavky – při zachování perfektní adheze k použitým žáruvzdorným kovům a za třetí musela vytvořená ZrN vrstva vykazovat určitou morfologii a krystalografickou strukturu dle požadavků společnosti Snecma.

Vzhledem k tomu, že PVD proces se neukázal být vhodný pro přípravu takovéhoto povlaku, vrátili se procesní inženýři společnosti Ionbond k technologii CVD. V této technologii je povlak vyráběn chlorací čistého zirkonu a přenosem vytvořených par ZrCl4 do reaktivní zóny, kde tyto páry reagují s vodíkem a dusíkem nebo plyny obsahujícími dusík a při vysoké teplotě vytvářejí povlak ZrN. Při běžných postupech je depoziční rychlost ZrN menší než jeden mikron za hodinu, což by bylo nepřijatelné pro přípravu vrstev o vysoké tloušťce. Inženýři společnosti Ionbond tedy museli hledat možnosti jak zvýšit rychlost depozice. Parametry procesu jako koncentrace reaktantů, teplota chlorace či depozice, tlak a umístění dílců v depoziční komoře jsou faktory, které výrazně ovlivňují rychlost depozice. Po předběžné termodynamické analýze byly vybrány vhodné rozsahy pro každý parametr a byla navržena matice experimentů. Kromě depoziční rychlosti se sledovala jak krystalografická struktura, tak i morfologie.

Provedení experimentů a analýz získaných dat umožnilo zjistit závislosti mezi vstupními parametry a požadovanými vlastnostmi. Bylo zjištěno, že depoziční rychlost povlaku ZrN nejvíce ovlivňuje depoziční teplota. Vzájemný poměr mezi koncentracemi vodíku a ZrCl4 hrál druhou nejdůležitější úlohu. Zvláštní pozornost byla věnována způsobu upevnění dílců v depoziční komoře tak, aby měl vytvořený povlak přijatelné a rovnoměrné rozložení tloušťky. Vzhledem k celkové optimalizaci zahrnující tři parametry (depoziční rychlost, morfologie a krystalografická mřížka) bylo nutné podstatným způsobem nastavit i další parametry procesu tak, aby výsledný povlak vyhovoval stanoveným požadavkům i při zachování co nejvyšší depoziční rychlosti.

Experimentování a analýza dat povoleno zřízení závislost mezi vstupními parametry a odezvy proměnných. Bylo zjištěno, že depozice teplota byla největším přispěvatelem depoziční rychlosti ZRN.Poměr mezi koncentrací vodíku a ZrCl4 hrál druhou nejdůležitější úlohu. Zvláštní pozornost byla věnována nastavení zátěže tak, aby se vyrábět povlak s přijatelnou tloušťkou distribuci a rovnoměrností. Vzhledem k tomu, celkový optimalizace úkol zahrnuty tři parametry (odtavení, morfologie a mříž typ), podstatné změny na parametrech procesu byly nutné k výrobě povlak vyhovující požadavků stanoveným, při zachování nejvyšší hodnoty depoziční rychlosti.

Ionbond inženýři úspěšně překonat tyto problémy a vyvinul speciální proces povlaků depozice ZRN na komponenty Snecma. Kromě splňující všechny požadavky specifikace Snecma, byl pozoruhodný čtyřnásobného nárůstu depoziční rychlosti dosaženo také. První díly jsou dodávány Snecma, kde budou zkoušeny a instalovány v plazmatických trysek. "Bylo to složité, odvážný úkol multifaktoriální optimalizace. Ionbond inženýři prokázal profesionalitu, hlubokou znalost technologií a velmi nadšený přístup k problému. Chapeau! "- Říká Gilles Turín, Snecma je Program Manager.

S dalšími dotazy se laskavě obrať na Val Liebermana

Číst více