ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ С СОСТАВНЫМ ВРАЩАЮЩИМСЯ КАТОДОМ
ELECTRIC ARC EVAPORATOR WITH SECTIONAL REVOLVING CATHODE

Изобретение относится к технике вакуумного нанесения износо-, коррозионно- и эрозионностойких ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, например для защиты рабочих и направляющих лопаток турбомашин.
Новый, более высокий уровень функциональных свойств лопаток ГТД и ГТУ, а также паровых турбин определяются, главным образом, характеристиками их рабочих поверхностей. Как показывает практика развития техники и технологий в этой области, наиболее эффективным методом их обеспечения являются покрытия с заданным составом и свойствами. Наиболее перспективным и эффективным процессом нанесения покрытий являются ионно-плазменные способы нанесения пленочных мультислойных, в том числе нанотолщинных покрытий в вакууме. Эти способы имеют ряд существенных преимуществ перед другими известными способами нанесения покрытий.
Известны электродуговые испарители металлов для нанесения покрытий на протяженные изделия [А.С. СССР №461163, МПК С23С 14/32, 1975]. Такие устройства имеют катодные узлы с протяженными вытянутыми катодами для испаряемого материала с длиной, равной или длины обрабатываемого изделия. Для получения однородных по толщине покрытий катодное пятно вынуждают сканировать по всей длине поверхности испарения катода. При этом управляемость катодным пятном зависит от величины магнитного поля, чем больше магнитное поле, тем выше управляемость.
Эксплуатация такого катодного узла показала недостаточную степень управляемости катодным пятном вакуумной дуги при наличии двух переключаемых токоподводов к катоду, характеризующуюся тем, что при работе, особенно в окислительной атмосфере, катодное пятно не всегда движется в сторону включенного ключа [патент Франции №2147880, МПК С23С 13/00, 1973].
Известен охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала, в виде цилиндрических обечаек, последовательно укрепленных по высоте на цилиндрическом стакане, который соединен с полым электроизоляционным штоком, соединенным вне вакуумной камеры с приводом, охлаждаемый катод снабжен расположенным соосно в полости цилиндрического стакана цилиндрическим магнитным фиксатором катодного пятна, кинематически связанным с приводом при помощи полой штанги, размещенной в полом электроизолированном штоке охлаждаемого катода [А.С. СССР №1524534. МПК С23С 14/00, «Установка для нанесения защитных покрытий» опубл. 2000.09.27].
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является дуговой испаритель, выполненный в виде вращающегося охлаждаемого катода, изготовленного из наносимого материала в виде обечайки, с расположенным внутри катода регулируемым магнитным фиксатором катодного пятна [Патент США №6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09].
Применение магнитных фиксаторов катодного пятна в последних двух технических решениях [А.С. СССР №1524534, МПК С23С 14/00, «Установка для нанесения защитных покрытий», опубл. 2000.09.27] и [патент США №6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09] позволяет управлять положением и параметрами катодного пятна. Кроме того, известное техническое решение создают благоприятные условия для испарения материала без перегрева поверхности, что положительно сказывается на качестве покрытий, поскольку уменьшает вероятность образования в формируемом покрытии капельной фазы.
Однако известный дуговой испаритель [патент США №6926811, МПК С23С14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09] предназначен для испарения только одного вида металла, что ограничивает его технологические возможности, в частности, при получении многослойных покрытий и, особенно, при получении нанотолщинных слоев многослойного покрытия.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание такого катодного узла электродугового испарителя, в котором сочетались бы хорошее охлаждение собственно катода и высокая степень стабильности управления положением катодного пятна на поверхности испарения катода, а также обеспечивалась возможность чередующегося испарения различных металлов с одного катода.
Для достижения указанного результата предложен электродуговой испаритель, содержащий цилиндрический охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки с возможностью вращения вокруг собственной продольной оси, снабженный средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда, средствами фиксации положения катодного пятна на поверхности испарения катода, при этом катод выполнен составным из набора колец с торцами, образующими угол от 30 до 80 градусов с продольной осью цилиндрической обечайки, и двух замыкающих колец, один из торцов которых образует прямой угол с продольной осью цилиндрической обечайки, а другой - образует угол, равный углу торца контактирующего с ним кольца из упомянутого набора, при этом кольца соединены между собой по торцам и образуют сплошную цилиндрическую обечайку, а контактирующие друг с другом кольца выполнены из разнородных материалов. Кроме того, торцы колец имеют одинаковые углы. Кольца выполнены одинаковой толщины в диапазоне от 8 мм до 400 мм. Кольца составного катода могут быть соединены между собой сваркой. При этом катод состоит из соединенных между собой колец, выполненных из материалов, выбранных из элементов IVb, Vb, VIb групп Периодической таблицы Менделеева и Аl, а также их сплавов. Соотношение площадей испаряемых поверхностей колец, выполненных из различных наносимых материалов и образующих один катод, определяется соотношением толщин слоев этих материалов, получаемых при нанесении покрытия.
При этом катод состоит, по крайней мере, из трех колец, выполненных соответственно из титана, алюминия и кремния.
Соотношение площадей испаряемых поверхностей колец из титана, алюминия и кремния определяется соотношением слоев этих материалов, получаемых при нанесении покрытия. При таком конструктивном выполнении катодного узла достигается хорошее охлаждение как за счет интенсивного теплоотвода, так и за счет более быстрой смены поверхности испарения при вращении и осевом перемещении катода. Кроме того, при вращении и осевом перемещении катода происходит смена вида испаряемого металла. Частота смены вида испаряемого металла зависит от количества разнородных колец цилиндрического катода, от диаметра катода, скорости вращения и осевого перемещения, скорости перемещения катодного пятна по катоду. Толщины слоев покрытия, в свою очередь, зависят от частоты смены вида испаряемого металла, скорости вращения деталей вокруг собственной оси и скорости перемещения деталей относительно катодов.
Использование электродугового испарителя позволяет наносить многокомпонентные пленочные покрытия различного строения. При перемещении катодного пятна (вызванное, перемещением магнитного фиксатора положения катодного пятна) оно, проходя через разнородные «косые» кольца, вызывает последовательное испарение разнородных материалов, которые осаждаются, преимущественно, каждый в зоне своего испарения. Поэтому при использовании вращательного движения катода получаются сплошные покрытия, состоящие из поперечных полос, состоящих из материалов распыляемых в этой зоне колец, имеющих между собой размытые границы. При движении катода вдоль своей оси уровни (зоны) осаждения материалов катода также перемещаются относительно покрываемой поверхности детали. При этом образуется сплошное покрытие, имеющее строение (архитектуру) в виде имеющих небольшой угол наклона дискретных слоев, имеющих начало у основания покрытия и конец на его поверхности. При возвратно-поступательном движении составного катода образуется строение покрытия в виде зигзагообразных пластинчатых элементов, также начинающихся на границе «покрытие - основа» и оканчивающихся на поверхности покрытия. Другими словами, использование перечисленных существенных признаков изобретения позволяют получить ряд новых эффектов, изменяющих строение, а следовательно, и свойства получаемых покрытий.
На чертеже показан катодный узел с составным катодом, состоящим из десяти «косых» колец, выполненных из различных металлов (Ti, Si, Al).
Катодный узел электродугового испарителя содержит собственно цилиндрический составной катод 1, состоящий из чередующихся колец 2, выполненных из различных испаряемых металлов (компоненты, например, Ti, Si, Al). Составной катод 1 имеет поверхность испарения 4 и охлаждаемую поверхность 5. Внутри катода 1 расположен регулируемый магнитный фиксатор 3, выполненный с возможностью перемещения вдоль продольной оси катода 1. По верхнему и нижнему торцам составного катода 1 расположены дополнительные замыкающие кольца 6 и 7. Катодный узел снабжен механизмом вращения и возвратно-поступательного движения катода, системой водяного охлаждения и системой токоподвода.
Устройство работает следующим образом. С помощью системы поджига (на чертеже не показана) на поверхности испарения 4 вращающегося катода 1 возбуждается катодное пятно вакуумной дуги. Катодное пятно движется в сторону перемещения регулируемого магнитного фиксатора 3. Скорость вращения катода и скорость перемещения катодного пятна регулируют таким образом, чтобы получить заданное время испарения каждого компонента. При перемещении катодного пятна вызванное перемещением магнитного фиксатора положения катодного пятна 3 оно, проходя по кольцам 2, вызывает последовательное испарение разнородных материалов, которые осаждаются, преимущественно, каждый в зоне своего испарения. При одновременном вращении и возвратно-поступательном движении составного катода 1, а также перемещении магнитного фиксатора 3 происходит чередующееся испарение металлов в соответствии с прохождением зоны испарения, определяемой положением фиксатора 3. Таким образом, скорость перемещения области катодных пятен определяется скоростью перемещения регулируемого магнитного фиксатора 3, скоростью перемещения катода 1 в осевом направлении и скоростью вращения катода 1. Кроме того, частота смены испаряемого материала зависит от угла наклона плоскости, проходящей через торец кольца к продольной оси составной цилиндрической обечайки. В процессе прохождения катодным пятном поверхности одного из испаряемых материалов на катод подается необходимый ток и напряжение (которые, при необходимости, могут изменяться при переходе на кольца, выполненные из другого материала). Толщина слоя получаемого при испарении данного материала определяется временем испарения и скоростью вращения детали (или временем осаждения данного материала на деталь).
Устройство также позволяет быстро изменять составы испаряемых материалов, что необходимо, в частности, при получении нанослойных композиционных покрытий. При этом быстрота смены испаряемых материалов определяется скоростью вращения детали и толщиной каждого кольца. Кроме того, использование таких газов, как азот и ацетилен позволяют получать многослойные нитридные и карбонитридные покрытия.
Пример.
Катодный узел, выполненный согласно предложенного технического решения, содержал составной катод, состоящий из двенадцати чередующихся «косых» колец, с углом плоскостей торцов колец к продольной оси 45 градусов и образующих при совмещении друг с другом составной цилиндрический катод. Кольца были выполнены из титанового сплава ВТ1-0 и циркониевого сплава Э-110 (которые чередовались в катоде друг с другом, т.е. 6 колец из титанового сплава ВТ1-0 и 6 колец из циркониевого сплава Э-110) и имели высоту 100 мм. По торцам составного катода располагались дополнительные торцевые замыкающие кольца, выполненные из титанового и циркониевого сплавов. Размеры катода: наружный диаметр - 200 мм, внутренний диаметр - 200 мм, высота - 1200 мм. Осевой ход катода - 200 мм, рабочая зона распыления - 1000 мм, рабочая зона катода - 1200 мм. Покрытия наносили на лопатки компрессора из легированной стали 20Х13 в вакуумной камере экспериментальной установки с периферийным расположением катода. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Покрытия толщиной 20 мкм осаждались в течение 3 часов при температуре 560-580°С при токе дуги 120 А. Слои TiN осаждали в среде реакционного газа азота при напряжении на подложке 140 В. Для осаждения слоев TiCN в качестве реакционного газа использовалась смесь азота и ацетилена (содержание ацетилена в смеси 30%), напряжение на подложке 160 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiN составляет 0,3 А, при конденсации TiCN - 0,4 А. Скорость вращения катода составляла 6, 18, 32 об/мин. Проведенные металлографические исследования показали на увеличение количества слоев в покрытии (при прочих равных условиях) при повышении числа оборотов катода.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает создание катодного узла электродугового испарителя, в котором сочетаются хорошее охлаждение катода (за счет эффективного теплоотвода и быстрой смены поверхности испарения) и высокая степень стабильности управления положением катодного пятна на поверхности испарения катода (за счет использования управляемого магнитного фиксатора положения катодного пятна), а также реализуется возможность чередующегося испарения различных металлов с одного катода (за счет использования вращения катода при выполнении его из разнородных косых колец).