КАТОДНАЯ МИШЕНЬ ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CATHODE TARGET FOR SPRAYING AND METHOD OF ITS FABRICATION

Изобретение относится к способам изготовления катодных мишеней, используемых при получении жаростойких покрытий для защиты жаропрочных сплавов на основе никеля или кобальта, устанавливаемых в установках для распыления, и может быть использовано в катодном распылении при нанесении покрытий.
Известны мишени, которые используются для нанесения покрытия распылением. Материал покрытия - металл, и покрытие может наноситься на металлы. В описанном способе поток плазмы направляется на катодную мишень, и происходит напыление на обрабатываемую поверхность. Частицы, которые распыляются с мишени, образуют покрытие (см. Справочник «Машиностроение». Энциклопедия в сорока томах. Раздел III. Технология производства машин. Том III - 4. Технология сварки, пайки и резки. Под редакцией Б.Е.Патона. Москва, «Машиностроение», 2006 год, стр.315-316).
Известны методы нанесения покрытий, используемых в машиностроении, позволяющие получать надежность, долговечность, качество изготавливаемых деталей. При этом среди способов нанесения покрытий плазменное напыление имеет высокие технологические возможности. Применяя плазму, можно наносить покрытия практически из всех тугоплавких материалов, которые в плазменной струе не сублимируют и не претерпевают интенсивного разложения. Плазменные распылители распыляют порошок определенной грануляции, кроме того, он специально подготовлен, а на свойства и качество покрытия при нанесении слоя на изделие оказывают влияние множество факторов (см. Кудинов В.В., Иванов В.М. «Нанесение плазмой тугоплавких покрытий». М.: «Машиностроение», 1981 г., стр.9-17, 18-28, 112-114). При этом процесс высокотемпературного распыления состоит в том, что расплавленные частицы под действием поверхностного натяжения приобретают сферическую форму. Во время движения к подложке они охлаждаются. Жидкие сферические частицы обладают высокой кинетической энергией и ударяются о подложку с большой силой. В первый момент соударения частица упруго деформируется, затем под влиянием напорного давления происходит равномерная деформация частицы. Подложки достигают одновременно большое количество катодных частиц, и в результате контактного давления и в условиях высокой температуры частицы привариваются к подложке и к нанесенному ранее слою. Качество покрытия зависит в том числе и от предъявляемых требований к системе вывода частиц из бункера-питателя для плазменного порошка, а также от свойств, возникающих при поступлении частиц на подложку, и от их качественного состава (см. Коломыцев П.Т. «Жаростойкие диффузные покрытия». М.: «Металлургия», 1979 год, стр.111-114). Состав различных порошков для плазменных покрытий представлен на стр.70-89 книги Борисова Ю.С., Борисовой А.Л. «Плазменные порошковые покрытия». Киев, «Техника», 1986 год.
Для использования в промышленности, в частности при изготовлении газотурбинных лопаток, необходимо долговечное покрытие, которое будет работать в условиях, при которых имеются значительные кратковременные растягивающие напряжения в результате резкого охлаждения и резкого нагрева, то есть покрытие должно обладать жаропрочностью. Кроме того, покрытие должно обладать высокой жаростойкостью - до 1200°С, покрытие должно быть однородным по составу и равномерным по толщине, то есть равномерное и бездефектное, в покрытии не должны встречаться дефекты, например поры, трещины, местные уменьшения толщины покрытия, то есть покрытие должно обладать эрозионной стойкостью. Для того чтобы учесть все приведенные требования к покрытию, большое значение имеет качество мишени катода, то есть ее изготовление по форме и содержанию (см. Коломыцев П.Т. «Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов». М.: «Металлургия», 1991 г., стр.141-146, 173-179, 222-226). При этом в процессе распыления металла из катодной мишени происходит более качественное запыление ступенек рельефа на поверхности подложки, следовательно, отсутствуют разрывы металлизации, а пленочный слой обладает удельным сопротивлением, близким к сопротивлению объемного материала, причем размер зерна в нем меняется в зависимости от скорости нанесения покрытия, кроме того, отсутствует необходимость в использовании транспортирующего газа, а также исключаются разрушения и деформация частиц при столкновениях друг с другом в газовом потоке (см. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. «Ионно-плазменная обработка материалов». М.: «Радио и связь», 1986 год, стр.188-193).
Известно ионно-плазменное распыление материалов, при котором частицы материала распыляются из катодной мишени, выполненной определенной формы. Мишень располагают на катоде и поворачивают на определенный угол в процессе нанесения покрытия. Изобретение позволяет уменьшить влияние износа мишени на режим ее распыления, а также увеличивается коэффициент использования материала мишени (патент России №1332866, кл. С23С 14/36, 1985 г.).
Кроме того, известен способ изготовления тонкостенных цилиндрических корпусов мишени, который заключается в том, что изготавливают цилиндрическую матрицу из стеклянного стержня, наносят на его поверхность подслой титана и слой меди. Затем подслой удаляют вакуумной сублимацией, и готовый корпус может быть механически снят с матрицы (патент России №2139367, кл. С23С 14/34, 1998 г.).
Наиболее близким аналогом (прототипом) является патент, в котором описана полая катодная мишень и способы ее изготовления. Способ изготовления мишени для распыления включает в себя этапы, на которых получают заготовку распыляемого металла, содержащую вентильный металл, представляющий собой тантал, ниобий или их сплав, осуществляют поперечную холодную прокатку заготовки распыляемого металла для получения прокатной заготовки и осуществляют холодную обработку прокатной заготовки для получения фасонной заготовки и отжиг. В способе указаны размеры катодной мишени, а также указано, что может быть включен этап отпуска заготовки распыляемого металла между этапами поперечной холодной прокатки и холодной обработки. Указаны пределы температурных режимов, временные пределы, возможность этапа отжига, этап механической очистки заготовки мишени, различные этапы холодной прокатки, холодного обжатия, глубокой вытяжки, выдавливания и др. Указаны также особенности сборки катодной мишени, ее выполнение и свойства (патент России №2261288, кл. С23С 14/34, 2000 г.).
К недостаткам следует отнести то, что по сравнению с образованием покрытия при помощи порошка, поступающего из контейнера, использование катодной мишени, полученной холодной прокаткой и холодной обработкой, улучшает качества покрытия, однако она неоднородна и при образовании покрытия не представляется возможным во всех случаях достигать требуемой долговечности, бездефектности и жаропрочности. Это происходит в связи с тем, что в результате напыления образуется недостаточно высокая точность требуемой толщины слоя напыляемого покрытия. Кроме того, возможно появление капельных фаз, возможно местное уменьшение толщины слоя покрытия, напыляемое покрытие бывает неоднородно по составу, появляются внутренние дефекты - неметаллические включения, поры, раковины. Также невозможно получение стабильных геометрических размеров катодной мишени в процессе ее разрушения во время работы, а также ее высокой плотности и однородности, при этом требуется термическая обработка при изготовлении катодной мишени, а при завершении процесса изготовления требуется рентгеноконтроль.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание катодной мишени, которая при распылении обеспечивает однородное по составу, равномерное по толщине напыляемое бездефектное покрытие, при этом задачей также является создание такой последовательности изготовления, при которой было бы возможно получение высокой плотности (не менее 98%) катодной мишени и обеспечение стабильных геометрических размеров катодной мишени при ее разрушении в процессе распыления. Кроме того, при использовании заявленного технического решения отсутствует необходимость проведения операций рентгеноконтроля и термической обработки.
Техническими результатами при реализации изобретения, в частности, являются снижение вероятности появления при нанесении покрытия внутренних дефектов покрытия, например пор, раковин, неметаллических включений, кроме того, отсутствие капельных фаз в напыляемом покрытии. Повышается точность толщины слоя напыляемого покрытия, отсутствуют неровности. В результате получения стабильных геометрических размеров заготовки катодной мишени при разрушении в процессе распыления, а также за счет высокой плотности катодной мишени уменьшается до минимума выход некачественной продукции, то есть продукции, которая может иметь неровности напыляемого слоя, неравномерную толщину покрытия. При этом полностью исключаются неметаллические включения, раковины, отсутствуют разрывы металлизации, нет ступенек на покрытии, зернистость равномерная. Кроме того, упрощается технологический процесс изготовления и контроля катодной мишени за счет исключения операций термообработки и рентгеноконтроля.
Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки: в способе изготовления катодной мишени, содержащем получение заготовки катодной мишени из металла заданного химического состава, осуществление ее механической обработки для придания требуемой формы, расплавленный металл заливают в керамическую форму для получения слитка-электрода цилиндрической формы. Затем полученный слиток-электрод для исключения биения при осевом вращении обтачивают, после чего его при вращении расплавляют плазмой для получения сферических гранул. Затем расчетное количество сферических гранул собирают и в вакууме засыпают в капсулу кольцевой формы для образования полости в мишени, а капсулу заваривают, после чего сферические гранулы в капсуле подвергают горячему изостатическому прессованию. Затем производят разгерметизацию капсулы кольцевой формы и осуществляют механическую очистку образовавшейся заготовки полой катодной мишени путем снятия с нее составных частей капсулы. При этом механическую обработку производят обточкой для придания требуемых геометрических параметров, а горячее изостатическое прессование гранул в капсуле производят при давлении Р=150÷160 МПа и температуре Т=1200±10°С. Время выдержки 2 часа. Изготавливаемая описанным способом катодная мишень выполнена полой из заданного химического состава металла, при этом полость катодной мишени выполнена цилиндрической, а наружная поверхность катодной мишени эквидистантна поверхности полости. Состоит катодная мишень из спрессованных в условиях горячего изостатического прессования сферических гранул диаметром 50-400 мкм заданного химического состава металла на основе никеля или на основе кобальта для обеспечения высокой плотности и для обеспечения стабильных геометрических размеров при ее разрушении в процессе распыления. В первом случае заданный химический состав металла может на основе никеля включать 18-22% Со; 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Cu. Во втором случае заданный химический состав металла может на основе никеля включать 18-22% Сr; 11-13,5% Аl; 0,3-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. В третьем случае заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. В четвертом случае заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. В пятом случае заданный химический состав металла может на основе никеля включать 6-10% Со; 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. В шестом случае заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 6-10% Ni; 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. В седьмом случае заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 18-25% Ni; 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,3-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. Плотность катодной мишени достигает не менее 98%.
Отличительным признаком предложенного способа изготовления катодной мишени по сравнению с прототипом является то, что расплавленный металл заливают в керамическую форму для получения слитка-электрода цилиндрической формы. Затем полученный слиток-электрод для исключения биения при осевом вращении обтачивают, после чего его при вращении расплавляют плазмой для получения сферических гранул. Затем расчетное количество сферических гранул собирают и в вакууме засыпают в капсулу кольцевой формы для образования полости в мишени, а капсулу заваривают, после чего сферические гранулы в капсуле подвергают горячему изостатическому прессованию. Затем производят разгерметизацию капсулы кольцевой формы и осуществляют механическую очистку образовавшейся заготовки полой катодной мишени путем снятия с нее составных частей капсулы. При этом механическую обработку производят обточкой для придания требуемых геометрических параметров, а горячее изостатическое прессование гранул в капсуле производят при давлении Р=150÷160 МПа и температуре Т=1200±10°С. Время выдержки 2 часа. Отличительным признаком катодной мишени является то, что полость катодной мишени выполнена цилиндрической, а наружная поверхность катодной мишени эквидистантна поверхности полости. Катодная мишень состоит из сферических гранул диаметром 50-400 мкм заданного химического состава металла на основе никеля или на основе кобальта, спрессованных в условиях горячего изостатического прессования, для обеспечения высокой плотности и для обеспечения стабильных геометрических размеров при ее разрушении в процессе распыления. Для первого случая заданный химический состав металла может на основе никеля включать 18-22% Со; 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Cu. Для второго случая заданный химический состав металла может на основе никеля включать 18-22% Сr; 11-13,5% Аl; 0,3-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. Для третьего случая заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. Для четвертого случая заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. Для пятого случая заданный химический состав металла может на основе никеля включать 6-10% Со; 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. Для шестого случая заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 6-10% Ni; 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. Для седьмого случая заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 18-25% Ni; 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,3-0,6% Y и примеси не более 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu. Плотность катодной мишени достигает не менее 98%.
Наибольший эффект при использовании изобретения достигается, в частности, в том случае, когда нанесение слоя покрытия происходит посредством распыления катодной мишени описанной формы, изготовленной из сферических гранул диаметром 50÷400 мкм заданного химического состава металла на основе кобальта или на основе никеля, изготовленной из расчетного количества собранных сферических гранул, засыпанных в вакууме в капсулу кольцевой формы, после чего заваренной. Затем сферические гранулы в капсуле подвергают горячему изостатическому прессованию. После окончания процесса прессования производят разгерметизацию капсулы и осуществляют механическую очистку образовавшейся заготовки полой катодной мишени путем снятия с нее составных частей капсулы. Механическую обработку производят обточкой для придания требуемых геометрических параметров. При этом для каждого из случаев предъявляемых требований к качеству поверхности образовываемого покрытия предусмотрен заданный химический состав металла, который был выбран для изготовления гранул.
В результате использования предложенного технического решения при изготовлении заготовки катодной мишени не требуется термической обработки, на поверхности и внутри заготовки трещины, раковины, поры, ужимины, неметаллические включения отсутствуют, поверхность чистая, отсутствуют капельные фазы в напыляемом покрытии. Повышается точность толщины слоя напыляемого покрытия, отсутствуют неровности. В результате стабильных геометрических размеров катодной мишени при разрушении в процессе распыления, а также за счет высокой плотности катодной мишени уменьшается до минимума выход некачественной продукции. Кроме того, полностью исключаются разрывы металлизации, нет ступенек на покрытии, а зернистость равномерная. При этом упрощается технологический процесс изготовления катодной мишени за счет исключения термообработки и технологический процесс контроля катодной мишени за счет исключения рентгеноконтроля.
Способ изготовления катодной мишени заключается в следующем.
В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам металла по отношению к конкретному случаю использования, выбирают металл заданного химического состава на основе никеля или на основе кобальта. Расплавляют и расплавленный металл заданного химического состава заливают в керамическую форму для получения однородного слитка-электрода цилиндрической формы. После того как металл застыл, керамическую форму удаляют, обрезают литники и полученный слиток-электрод обрабатывают на токарном станке, то есть производится механическая обточка для исключения биения при осевом вращении. Затем полученный слиток-электрод устанавливают в установку центробежного распыления и раскручивают до скорости 12000÷20000 об/мин. Под действием плазмотрона методом ионно-плазменного расплавления расплавляют вращающийся слиток-электрод плазмой на сферические гранулы. С помощью камеры распыления сферические гранулы собираются в емкость. Размер полученных гранул 50÷400 мкм. В результате взаимодействия с воздействующими факторами в процессе ионно-плазменного распыления на материал слитка-электрода гранулы по химическому составу в зависимости от марки сплава содержат следующие массовые доли элементов:
Сплав
Массовая доля элементов, %
Ni
Со
Сr
Аl
Y
Fe
Si
С
Сu
Не более
Первый
Основа
18-22
18-22
11-13
0,2-0,6
0,3
0,2
0,05
0,05
Второй
Основа
-
18-22
11-13,5
0,3-0,6
0,3
0,2
0,05
0,05
Третий
-
Основа
18-22
11-13
0,2-0,6
0,3
0,2
0,05
0,05
Четвертый
-
Основа
22-24
11-13
0,2-0,6
0,3
0,2
0,05
0,05
Пятый
Основа
6-10
18-22
11-13
0,2-0,6
0,3
0,2
0,05
0,05
Шестой
6-10
Основа
22-24
11-13
0,2-0,6
0,3
0,2
0,05
0,05
Седьмой
18-25
Основа
22-24
11-13
0,3-0,6
0,3
0,2
0,05
0,05
После этого собранное расчетное количество сферических гранул засыпают в вакууме в капсулу кольцевой формы, образованную двумя трубами разных диаметров, соединенных бандажным кольцом для образования полости в мишени, и капсулу заваривают. Затем в газостате производят горячее изостатическое прессование сферических гранул в капсуле при давлении Р=150÷160 МПа и температуре Т=1200±10°С. Время выдержки 2 часа. Из спрессованных в условиях горячего изостатического прессования сферических гранул геометрических размеров диаметром 50÷400 мкм заданного химического состава металла на основе никеля или на основе кобальта образовывается заготовка полой катодной мишени, в которой обеспечена высокая плотность спрессованных гранул. После завершения процесса прессования производят разгерметизацию и снятие с заготовки составных частей капсулы. Таким образом, получается заготовка полой катодной мишени в виде трубы с размерами:
- диаметр наружный 180÷185 мм;
- диаметр внутренний 133÷139 мм;
- длина 350 мм, допустимые пределы в 5 мм в сторону уменьшения или увеличения.
Допускается диаметр наружный 183÷190 мм.
При этом плотность катодной мишени достигает не менее 98%. Механическую обработку образовавшейся заготовки полой катодной мишени осуществляют следующим образом. Устанавливают заготовку полой катодной мишени на токарный станок и производят ее обточку для придания требуемых геометрических параметров. В результате полая катодная мишень получается в виде трубы с размерами:
- диаметр наружный 180 мм;
- диаметр внутренний 140,5 мм;
- длина 340 мм.
Предельные отклонения - 1,5 мм.
Таким образом, полость катодной мишени выполнена цилиндрической. Наружная поверхность катодной мишени эквидистантна поверхности полости. Катодная мишень указанной конфигурации состоит из спрессованных в условиях горячего изостатического прессования сферических гранул диаметром 50÷400 мкм, а сферические гранулы выполнены из металла заданного химического состава на основе никеля или на основе кобальта. При этом катодная мишень указанной конфигурации из спрессованных в условиях горячего изостатического прессования сферических гранул диаметром 50÷400 мкм заданного химического состава металла на основе кобальта или никеля обеспечивает получение высокой плотности и обеспечивает стабильные геометрические размеры катодной мишени при ее разрушении в процессе распыления. При прессовании сферических гранул в описанных условиях плотность катодной мишени достигает не менее 98%. Заданный химический состав металла может быть на основе никеля или кобальта одним из представленных сплавов. А именно:
в первом случае заданный химический состав металла может на основе никеля включать 18-22% Со; 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y; 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Cu.
Он используется для защиты рабочих лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей от сульфидно-оксидной коррозии, работающих в условиях загрязненной атмосферы при температурах до 1000°С, обеспечивает ресурс лопаток свыше 2000 ч.
Во втором случае заданный химический состав металла может на основе никеля включать 18-22% Сr; 11-13,5% Аl; 0,3-0,6% Y; 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu.
Он используется для защиты рабочих лопаток турбин теплонапряженных авиационных газотурбинных двигателей, работающих при температурах до 1200°С, обеспечивает ресурс лопаток свыше 1000 ч.
В третьем случае заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y; 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu.
Он используется для защиты рабочих лопаток газовых турбин в энергетических установках, работающих в условиях агрессивных сред при температурах до 850°С, обеспечивает ресурс лопаток свыше 1500 ч.
В четвертом случае заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y; 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu.
Он используется для защиты рабочих лопаток газовых турбин в энергетических установках, работающих в условиях агрессивных сред при температурах до 900°С, обеспечивает ресурс лопаток свыше 1500 ч.
В пятом случае заданный химический состав металла может на основе никеля включать 6-10% Со; 18-22% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y; 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu.
Он используется для защиты рабочих лопаток турбин теплонапряженных авиационных газотурбинных двигателей, работающих при температурах до 1100°С, обеспечивает ресурс лопаток свыше 1000 ч.
В шестом случае заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 6-10% Ni; 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,2-0,6% Y; 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu.
Он используется для защиты рабочих лопаток газовых турбин в энергетических установках, работающих при температурах до 950°С, обеспечивает ресурс лопаток свыше 2500 ч.
В седьмом случае заданный химический состав металла может на основе кобальта включать 18-25% Ni; 22-24% Сr; 11-13% Аl; 0,3-0,6% Y; 0,3% Fe; 0,2% Si; 0,05% С; 0,05% Сu.
Он используется для защиты рабочих лопаток газовых турбин в энергетических установках, работающих при температурах до 1050°С, обеспечивает ресурс лопаток свыше 2500 ч.
При этом во всех случаях допускаются отклонения по хрому на 0,3%, алюминию на 0,2%, кобальту на 0,5%, содержание иттрия расчетное и химическим анализом не определяется. Остаточное содержание железа, кремния, меди контролируется от одной заготовки из каждой плавки сферических гранул, сумма кислорода азота и водорода не контролируется.
Таким образом, следует отметить, что заготовки катодной мишени не требуют термической обработки, обеспечивается их высокая плотность, на поверхности и внутри заготовки трещины, раковины, поры, ужимины, неметаллические включения отсутствуют, поверхность чистая, в операции рентгеноконтроля необходимость отсутствует, а в процессе распыления при разрушении катодной мишени обеспечиваются ее стабильные геометрические размеры.