УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ

Полезная модель относится к области обработки изделий в вакууме и может быть использовано для нанесения ионно-плазменных покрытий на изделия в машиностроении.
Известно устройство для электродугового испарения металлов в вакууме, содержащее катод, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения и источник постоянного тока, соединенный с катодом и анодом [Патент США №3793179, МПК С23С 14/32, 1974]
При обработке изделий, рассматриваемый испаритель работает при хаотически перемещающимся по поверхности катода катодным пятном электрической вакуумной дуги. Благодаря высокой концентрации энергии в катодном пятне дуги с поверхности катода происходит интенсивное испарение материала катода и осаждение испаренного материала катода на изделия, установленные напротив поверхности испарения катода.
Однако, обработка указанным испарителем длинномерных изделий требует использования нескольких испарителей, расположенных вдоль длинномерного изделия, что создает определенные трудности при проведении процесса нанесения покрытия, а также приводит к повышению неравномерности слоя покрытия.
Известно также, устройство для электродугового испарения металлов в вакууме, содержащий анод, охлаждаемый катод электродугового разряда, вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения, расположенную вдоль продольной оси, и токоподводы с противоположных торцов катода,
подключенные к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом [А.С. СССР №461163, МПК С23С 14/32, 1975].
В указанном испарителе средство определения положения катодного пятна на поверхности испарения катода выполнено в виде датчиков конечного положения катодного пятна.
В этом испарителе катодное пятно под воздействием магнитного поля тока, протекающего по катоду, всегда движется в направлении токоподвода. Когда катодное пятно достигает торца катода, средство определения положения катодного пятна вырабатывает электрический сигнал, который поступает на блок управления. Блок управления обеспечивает включение управляемого ключа, расположенного у торца катода, противоположного тому, где находится катодное пятно, одновременно отключая другой ключ. Необходимость постоянного переключения полярности катода создает неблагоприятные условия для протекания процесса и перегрузку источников постоянного тока.
В основу предлагаемой полезной модели была положена задача создания устройства для электродугового испарения металлов в вакууме, обеспечивающего стабильные условия работы вакуумно-плазменной установки и повышение ее надежности.
Это достигается тем, что устройство для электродугового испарения металлов в вакууме, содержащее анод, охлаждаемый катод электродугового разряда, вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения, расположенную вдоль продольной оси, и токоподводы с противоположных торцов катода, подключенные к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, в отличие от
прототипа токоподводы с каждой из противоположных торцов катода, подключены к индивидуальным источникам постоянного тока и образуют собственную независимую электрическую цепь.
Поставленная техническая задача полезной модели достигается также тем, что устройство для электродугового испарения металлов может быть снабжено электромагнитным фиксатором положения катодного пятна, расположенного вдоль продольной оси катода, причем электромагнитный фиксатор положения катодного пятна может быть выполнен с возможностью перемещения катодного пятна относительно поверхности катода.
Такое выполнение патентуемого испарителя обеспечивает более стабильные условия работы вакуумно-плазменной установки и повышают ее надежность.
На чертеже (фиг.) изображена общая схема испарителя с усилением двумя индивидуальными источниками постоянного тока (вакуумная камера показана в продольном разрезе).
Устройство для электродугового испарения металлов согласно предлагаемой полезной модели описано на примере выполнения испарителя для электродугового нанесения покрытий на изделия вакууме.
Предлагаемое устройство для электродугового испарения металлов содержит вакуумную камеру 1 (фиг.), являющуюся анодом, в которой размещены катод 2, вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала, например из титана, и имеющий поверхность 3 испарения, вытянутую вдоль его продольной оси. Поверхность 3 испарения катода 2 ограничивается изолированным от катода 2 экраном 4. Катод 2 имеет соответственно на своих торцах токоподводы 5, 6, выведенные через изоляторы 7, 8, вмонтированные в стенки камеры 1.
Токоподводы 5, 6 подключены к управляемым ключам 9 и 10, электрически связанным через индивидуальные элементы 11 и 12 включения с
блоком управления 13 и соединенным с отрицательными полюсами соответствующих источников 14 и 15 постоянного тока, положительные полюса которых соединены с вакуумной камерой 1, служащей, как было отмечено выше, анодом.
Блок управления 13 содержит также средство определения и управления положением катодного пятна 16, электрически связанное с концевыми датчиками 17 и 18.
Принцип работы устройства для электродугового испарения металлов заключается в следующем.
Вакуумная камера 1 системой откачки воздуха (не показана) откачивается до давления, определяемого технологическими задачами. Диапазон рабочих давлений с верхней стороны ограничен 10 Па, а с нижней стороны практически не ограничен потому, что рабочей средой, через которую осуществляется перенос тока в разряде, являются продукты эрозии катода 2, ионизированные дуговым разрядом. После достижения заданного рабочего давления на анод (вакуумная камера 1) и катод 2 подается напряжение от источника 14 (или 15) постоянного тока и с помощью поджигающего устройства (не показано) на поверхности 3 испарения катода 2 возбуждается катодное пятно 16. Катодное пятно 16 генерирует поток 19 металлической плазмы, распространяющийся преимущественно в направлении, нормальном к поверхности 3 испарения катода 2.
Общеизвестным фактом является то, что в катодах, имеющих вытянутую форму и токоподводы с противоположных концов катодов, катодное пятно дугового разряда всегда движется в сторону включенного в данный момент токоподвода. Ток дугового разряда, проходя по вытянутому катоду 2, создает вокруг него электромагнитное поле такого направления, которое вынуждает катодное пятно 16 двигаться в сторону включенного ключа 9 или 10.
Поочередным включением ключей 9 и 10 (управляемых сигналами с блока управления 13) в заданном режиме осуществляют возвратно-поступательное движение катодного пятна 16 по поверхности 3 испарения катода 2.
Опытная модель электродугового испарителя была построена по схеме, изображенной на чертеже. Катод 2 из титана марки ВТ1.1. имел размеры 30×120×1000. Источники 14 и 15 питания обеспечивали величину тока разряда 200 А. Управляемые ключи 9 и 10 - тиристорные
Устройство для электродугового испарения металлов в вакууме в частности, используемое для электродугового нанесения покрытий на изделия в вакууме позволяет получать различные профили покрытий заданной толщины.
Устройство для электродугового испарения металлов в вакууме может быть использовано для нанесения изностойких и эрозионностойких покрытий на протяженные поверхности таких изделий, как длинномерные лопатки паровых турбин, валы, трубы, инструмент, шестерни, червячные фрезы, а также для любых видов вакуумно-плазменной обработки изделий, включая химико-термическую и термическую обработку изделий и очистку их поверхности.