Технологическая установка для получения изделий с программируемой структурой из порошка различного химического состава методами послойного электронно-лучевого синтеза и напыления

УДК 621.791.722; 621; 621.762.04

Технологическая установка

для получения изделий с программируемой структурой из порошка различного химического состава методами послойного электронно-лучевого синтеза и напыления

Ю. А. Соколов, Н. В. Павлушин

Рассматривается техническая реализация установки для получения изделий с программируемой структурой из порошка различного химического состава методами послойного электронно-лучевого синтеза и напыления. К особенностям предлагаемого конструкторского решения следует отнести наличие двух камер для реализации технологий электронно-лучевого синтеза изделий и напыления. Используя сочетание данных методов, можно получать композиционные материалы в вакуумной среде из различных комбинаций металлических и керамических слоев.

Ключевые слова: послойный синтез, электронный луч, напыление, композиционные материалы, технология, система управления.

Развитие гибридных технологий обуслов-ленно необходимостью создания новых классов композиционных материалов (КМ) и формирования структур, не реализуемых в рамках равновесных и квазиравновесных технологических процессов. Следует отметить эффективность сочетания различных методов при создании КМ, значительно различающихся температурой плавления и свойствами. При синтезе изделия из разнородных материалов, например, химически активных металлов (ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам) со сталью, возможно возникновение интерметаллических соединений, которые не позволяют получить материал с прогнозируемыми механическими свойствами.

Технология послойного синтеза обеспечивает высокую производительность при формировании матрицы КМ, технология электроннолучевого напыления — получение демпфирующих, дисперсно-упрочняющих и керамических слоев толщиной от единиц нанометров до десятков микрон для придания материалу необходимых свойств (жаропрочность, жаростойкость, прочность и др.).

Технология синтеза изделий электронным лучом (СИЭЛ) относительно новая, но уже успешно показавшая большие перспективы в аэрокосмической промышленности для изготовления широкой номенклатуры деталей и конструкций самолетов, вертолетов, космических ракет и подсистем, а также в медицинской промышленности для изготовления имплантатов. В основу технологии положена операция послойного спекания (плавления) металлического порошка в вакууме с помощью электронно-лучевой пушки [1—3]. Данный процесс отличают быстрый переход к изготовлению трехмерных изделий непосредственно от системы автоматизированного проектирования, возможность использования широкого спектра металлов и сплавов, в том числе тугоплавких.

Можно выделить несколько особенностей электронно-лучевого спекания (плавления) по сравнению с более традиционными прикладными технологиями:

• безокислительная среда для синтеза химически активных материалов;

• возможность синтеза тугоплавких металлов и сплавов;

• дополнительная очистка порошка в процессе обработки;

• объемный источник теплоты вследствие пробега электронов в глубь порошка;

• малый диаметр пучка в месте его встречи с подложкой;

• высокая удельная поверхностная плотность луча;

• периодический характер приложения тепловой нагрузки к каждой точке поверхности подложки;

• наличие жидкого проводящего слоя в электромагнитном поле вследствие воздействия электронного луча;

• зависимость тока фокусировки луча от угла его отклонения (для электронных пушек без преломления луча).

Метод электронно-лучевого напыления, основанный на явлении испарения и конденсации паров различных материалов в вакуумной среде, позволяет получать слои из следующих комбинаций металлических и керамических систем: МеСгА1У (где Ме — N1, Со, Ее), MeCrA1YHfSiZr, керамики Zr02 — У203 [4].

В работе [5] рассмотрены процессы формирования композиционных покрытий с демпфирующими, дисперсно-упрочняющими и керамическими слоями. К числу достоинств метода следует отнести:

• относительно высокую производительность;

• возможность получения слоя толщиной 1-3 мкм, что снижает вероятность возникновения остаточных напряжений в слое;

• возможность формирования слоя из любого материала;

• высокую чистоту и химическую однородность образующегося слоя;

• высокую степень автоматизации и контроля технологического процесса.

Возможные толщины слоя находятся в диапазоне от единиц нанометров до десятков микрон. Ограничением толщины слоя является накопление механических напряжений. Для сверхтонких слоев с высокой сплошностью толщина — менее 100 нм, лимитирующий параметр — низкая скорость перекристаллизации пленок под действием напряжений.

Создание производственных комплексов нанесения покрытий методами послойного электронно-лучевого синтеза и электронно-лучевого

напыления позволит значительно увеличить ресурс эксплуатации деталей и узлов ракетных комплексов, авиационных двигателей, наземных газотурбинных установок и получить характеристики, которые недостигаются традиционными способами, изменением состава материала и любой химической обработкой.

Рассмотрим техническую реализацию специализированной установки, предназначенной для получения изделий из материалов с программируемой структурой из гранул различного химического состава. С помощью установки СИЭЛ-4 можно формировать матрицу КМ из порошка различного химического состава с любой композицией частиц в вертикальной плоскости изделия.

Установка СИЭЛ-4 предназначена для реализации гибридной технологии получения КМ на базе методов электронно-лучевого синтеза и электронно-лучевого напыления. Используя сочетание данных методов, можно получать КМ в вакуумной среде из различных комбинаций металлических и керамических слоев.

К особенностям данного конструкторского решения следует отнести наличие двух камер для реализации технологий электронно-лучевого синтеза изделий и напыления. Основные элементы установки (рис. 1):

• камера синтеза 1;

• технологический затвор 2;

• камера напыления 3;

• электронная пушка для синтеза 4;

• каретка для нанесения порошка на подложку 5;

• слой порошка 6;

• изделие 7;

• стол 8;

• слой с напылением 9;

• тигель 10;

• слиток для испарения 11;

• пушка для испарения 12.

Вакуумные камеры 1 и 3, разделенные друг

от друга технологическим затвором, предназначены для создания вакуумной среды в зонах спекания (плавления) порошка и напыления.

Рабочий стол 8, предназначенный для размещения подложки и синтезируемого изделия 7, содержит механизм вертикального перемещения подложки на толщину спекаемого слоя. Электронный пучок диаметром 1, формируемый пушкой 4, перемещается по под-

Рис. 1. Установка СИЭЛ-4

ложке или формируемому изделию со скоростью сканирования vск. Это эквивалентно действию периодической тепловой нагрузки с длительностью импульса d/vск.

Свойства КМ улучшают, корректируя комбинации режимов синтеза изделий и термообработки. Термическую обработку можно проводить в импульсном или непрерывном режиме не только поверхностного слоя, но и в процессе «роста» изделия, формируя тем самым программную структуру, например, с упрочняющими фибрами. Влиять на структуру материала можно, регулируя:

• скорость нагрева;

• температуру;

• время выдержки при заданной температуре;

• скорость охлаждения.

Управляющими параметрами для получения в каждом слое материала заданной структуры являются ток пучка, скорость сканирования, диаметр пучка в месте встречи с мишенью, время импульса пучка, время паузы.

В камере электронно-лучевого распыления по двум сторонам от подложки с изделием установлены медные водоохлаждаемые тигли 10 с щелями под определенным углом. Испаряемый электронной пушкой слиток 11 подается сбоку. Под этим же углом расположены электронно-лучевые пушки 12, лучи которых сканируют слиток вдоль щели с заданной разверткой в перпендикулярном направлении. Поверхность щели тигля покрывается конденсатом паров испаряемого вещества, но ее ширина определяется амплитудой

развертки луча. В процессе подачи выступающая часть слитков оплавляется, стекает в ванну испарения и разгоняется в горизонт электронным лучом. Пары испаряемого вещества проходят через наклонную щель навстречу электронному лучу и ионизируются. Вышедшая из щели плазма, или пары со 100 % -ной ионизацией, распространяется вверх. Ее границы указаны на рис. 1 пунктиром. Образованные положительно заряженные ионы материала слитка внедряются в поверхность изделия, имеющего отрицательный потенциал. При этом коэффициент аккомодации паров близок к единице, а их адгезия к подложке гораздо выше по отношению к традиционным способам осаждения. Для повышения равномерности покрытия применяется три способа.

1. Потенциал, подаваемый на изделия, имеет форму меандра (прямоугольников) с частотой 103 + 5 . 103 Гц. В пределах периода время нахождения изделия под нулевым потенциалом относится ко времени нахождения изделия под отрицательным потенциалом (500100 В) как 3/1. Таким образом, ионы большую часть времени летят не вдоль силовых линий электрического поля, а по инерции и не концентрируются на выступающих (остроконечных) частях изделия. Покрытие наносится равномерно.

2. Для получения интегральной равномерности в первом приближении используются прямолинейные электроды, расположенные по краям кассеты — между ней и испарителями, которые имеют положительный потенциал.

3. Для получения интегральной равномерности во втором приближении применяется механическое перемещение изделий. Каждое изделие имеет три независимые оси вращения вокруг:

• главного штока;

• оси подкассеты:

• оси изделия.

Таким образом, изделия могут вращаться вместе со всей кассетой, изменять свои углы при этом вращении, меняться местами (периферийные с внутренними), совершая как плоскопараллельные, так и более сложные движения. Напыление позволяет наносить керамические слои на поверхность изделия.

Следует отметить преимущества данной схемы (сверху-вниз) по сравнению с традиционной (снизу-вверх):

• степень использования напыляемого материала 30-90 % (вместо 3-7 %);

• приведенная длина загрузки 5-10 м;

• толщина напыляемого слоя управляемая как вдоль оси изделия, так и в его азимутальном направлении от 0 до 100 %;

• адгезия напыленного слоя к подложке на несколько порядков выше.

Вакуумная система установки обеспечивает откачку воздушной среды из камеры с помощью низко- и высоковакуумных насосов и запорной аппаратуры. Давление в камере и рабочих точках контролируются посредством вакуумных датчиков. Вакуумная система выполняет следующие технологические операции:

• создание в рабочей камере низкого вакуума;

• подготовку диффузионного высоковакуумного насоса к работе;

• отключение низковакуумной линии;

• включение диффузионного насоса на камеру и создание высокого вакуума;

• последовательное отключение высоковакуумной линии по окончании синтеза;

• напуск атмосферного давления в рабочую камеру.

Управление системой откачки и контроль состояния осуществляются в автоматическом режиме программируемым контроллером. Программное обеспечение контроллера выполняет последовательное управление исполнительными элементами вакуумной системы в соответствии с заданным режимом работы (подготовка вакуумной системы к работе, соз-

дание рабочего вакуума, проверка натекания, окончание работы). Электрическое управление включает набор блокировок, гарантирующих безопасную работу и эксплуатацию установки, включая аварийную программу.

Вакуумная электронно-лучевая установка работает следующим образом.

1. В рабочую камеру синтеза устанавливают бункеры с порошками, в камеру напыления закладывают заданное технологией количество слитков необходимого химического состава.

2. Включается вакуумная система для получения необходимого разряжения в рабочей камере, не менее 1 . 10-4 мм рт. ст.

3. Включается источник питания электронной пушки, формируется растр луча для прогрева поверхности подложки перед нанесением порошка на ее поверхность. Температура контролируется с помощью термопары, установленной в нижней части подложки, и тепловизора, установленного сверху рабочей камеры.

4. Формируется горизонтальный слой из порошка заданного химического состава. При синтезе КМ можно использовать предварительно подготовленную многокомпонентную смесь с гексогонально-плотнейшей упаковкой или, имея бункеры-питатели с набором порошков различного химического состава, последовательно подавать их на поверхность подложки с дальнейшим спеканием (плавлением) по заданному программой сечению.

5. Аналогичные операции в камере синтеза осуществляются при формировании второго и последующих слоев из порошков различного химического состава до заданного программой высоты.

6. Стол с синтезируемым изделием перемещается в камеру напыления для формирования последующих слоев методом электроннолучевого осаждения.

7. Слитки заданного химического состава подаются в медные водоохлаждаемые тигли для испарения, причем количество тиглей и соответствующих им пушек определяется технологией и конструкцией установки.

8. Поверхности сканируются электронным лучом вдоль щели соответствующего тигля с заданной разверткой.

9. Последовательно на изделие наносится заданное программой количество металлических и керамических слоев.

10. Стол с изделием перемещается в камеру синтеза для формирования последующих слоев.

11. Процесс продолжается до достижения необходимой высоты изделия, количество слоев, наносимых двумя методами, задается программой синтеза КМ.

12. Изделие охлаждается в течение необходимого времени в вакууме или среде инертного газа.

13. Атмосфера напускается в рабочую камеру.

14. Изделие выгружается.

Вычислительный потенциал системы управления (СУ) установки СИЭЛ-4, реализованный на базе индустриального компьютера, программируемого контроллера и сенсорной панели, — возможность интеграции функций проектирования технологии в машинном масштабе времени и управления процессом спекания (плавления) в реальном масштабе времени.

Функции СУ установки можно определить через совокупность ее внешних взаимодействий:

• перемещение стола и подложки (геометрическая задача);

• последовательно-параллельное управление дискретными механизмами, элементами вакуумной системы (логическая задача);

• взаимосвязанное управление источником питания электронных пушек и приводами перемещений (технологическая задача);

• организация интерфейса с оператором (терминальная задача);

• идентификация состояния технологической системы, формирование файлов состояния элементов Т-системы, файлов событий и аварийных ситуаций (диагностическая задача);

• документирование технологического процесса синтеза изделий (архивная задача);

• математическое моделирование технологического процесса (задача оптимизации);

• диспетчеризация приведенных выше задач (системная задача).

• В качестве управляющей компоненты для решения геометрической задачи позиционирования выбран программируемый логический контроллер, который представляет собой управляющую машину реального времени, формирующую сигналы на исполнительные органы стола в соответствии с заданной управляющей программой (УП) и информацией о состоянии управляемого объекта.

Промышленный компьютер, на базе которого реализован специализированный генератор электронной пушки, и ПЛК выполняют технологическую задачу управления, т. е. реализует совместную работу механических и технологических осей (ток пучка, ток фокусировки, токи отклоняющих систем по осям Х и Y).

Логическая задача управления реализована на базе ПЛК, организует последовательное выполнение операций по управлению исполнительными элементами вакуумной системы, рабочих и вспомогательных механизмов установки в соответствии с заданным алгоритмом работы.

Диалог с оператором (терминальная задача) организуется через человеко-машинный интерфейс. Экран панели оператора, как правило, разделен на функциональные окна:

• мнемосхемы вакуумных станций, параметров энергетических комплексов, манипуляторов установки;

• режим управления (наладочный, ручной, автоматизированный, автоматический);

• диагностические, аварийные сообщения об отклонениях параметров от технологического регламента.

Для управления электронным пучком во времени и в пространстве применяется специализированный функциональный генератор, который реализован на базе промышленного компьютера с модулями цифроаналогово-го преобразования, формирующими сигналы управления отклоняющей системой.

Генератор позволяет:

• строить, редактировать формы траектории пучка и программно выводить их с заданной частотой для управления пучком;

• задавать различные режимы изменения тока пучка и фокусировки.

Работа с элементами окна управляется с помощью сенсорного экрана. Программное обеспечение (ПО) обеспечивает удобный многооконный интерфейс «оператор-система», в котором реализован простой доступ к информации и средствам управления «нажал и смотри» (Click & Play).

Основным является окно оперативного управления, позволяющее индицировать состояние механизмов установки, индицировать состояние вакуума от датчиков давления (рис. 2).

пуча 15 ти I фок. 3 ПА I ОТКЛ. X 10 пгл I отел, у 15 пА U уск. 60 KV

F3 0.001078 ГТа

• текущее значение толщины синтезируемого изделия, мм;

1тпзц1 730 *С|

Рис. 2. Основное окно оперативного управления СИЭЛ-4

СУ обеспечивает высокий уровень информационной поддержки оператора и технолога (диагностика работы насосов по температуре, контроль воды, аварийная звуковая и световая сигнализация, набор блокировок при некорректных действиях оператора, цифровая и графическая визуализация параметров технологического процесса, перевод установки в безопасное состояние при возникновении внештатных ситуаций).

Решение диагностической задачи управления подразумевает идентификацию состояния технологической системы, формирование файлов состояния элементов Т-системы, файлов событий и аварийных ситуаций.

Файл событий имеет большое значение для технического диагностирования основных элементов технологической системы синтеза изделий, анализа внештатных ситуаций, рекомендаций оператору. Данные хранятся в формате EXCEL.

В файл событий записываются события, происходящие в процессе работы установки. В файл событий входят: дата запуска программы, время события (общее время и время от включения установки), описание события. В файл ошибок записывается каждая ошибка, происходящая в процессе работы установки.

СУ документирует основные технологические параметры послойного синтеза изделий электронным лучом (архивная задача). Периодичность опроса и записи в память определяет оператор.

В архивный файл входят: • время (общее время и время от включения системы управления);

ток луча, мА; ток фокусировки, мА;

• ток отклонения по оси Х, мА;

• ток отклонения по оси Y, мА;

• напряжение ускорения, кВ;

• остаточное давление в рабочей камере, Па;

• остаточное давление в катодной части пушки, Па.

Одной из основных задач при проектировании программно-математического обеспечения системы управления является реализация функций CAD-CAM для автоматизированной подготовки управляющей программы послойного синтеза.

Таким образом, мультипроцессорная СУ, выполненная на базе промышленного компьютера и программируемого контроллера, позволяет реализовать разработанный алгоритм послойного синтеза изделий в автоматическом режиме с высокой повторяемостью результатов.

Создание специализированной установки для получения материалов методами послойного электронно-лучевого синтеза и электронно-лучевого напыления значительно расширяет технологические возможности по получению новых материалов. Технология позволяет получать новые материалы с металлическими и керамическими слоями и программируемой структурой. Предложенные технические решения способствуют увеличению количества методов управления структурой изделия, повышению уровня управляемости и повторяемости параметров технологического процесса, исключению влияния субъективных факторов на синтез. Электронный пучок позволяет на одной и той же установке реализовать такие различные технологические операции, как спекание (плавление) слоя порошка и напыление.

Литература

1. Electron beam melting of Tie48Ale2Cre2Nb alloy: Microstructure and mechanical properties investigation / S. Biamino, A. Penna, U. Ackelid [et al.] // Intermetal-lics. 2011. № 19. P. 776-781.

2. Hrabe N., Quinn T. Effects of processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy (Ti-6Al-4V) fabricated using electron beam melting (EBM). P. 1. Distance from build plate and part size // Materials Science & Engineering. 2013. Febr. 23. P. 264-270.

3. Characterization of titanium aluminide alloy components fabricated by additive manufacturing using electron beam melting / L. E. Murr, S. M. Gaytan, A. Ceylan // Acta Materialia. 2010. № 58. Р. 1887-1894.

4. Гречанюк Н. И., Осокин В. А., Гречанюк И. Н. Новые композиционные материалы для электрических контактов и способ их получения // Рынок металлов, 1999. № 4. C. 58-60.

5. Composite materials on base of copper and molybdenum, condensed from vapor phnse, for electrik contacts. Structure, properties, technology. P. 1. State — of — the art and prospects of application of technology of elekctron beat high-rateevaporation-condensation for producing materials of elektrik contacts / N. I. Grechanyk, V. A. Os-okin, I. N. Grechanyk, R. V. Vinakova // Advances in Electrometallurgy. 2005. № 2. P.24-29.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

В. К. Свешников. Станочные гидроприводы: Справочник. — 6-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. ISBN 978-5-7325-1057-7 Цена: 550 руб.

Книга продается только в электронном виде!

Рассматривается информация, необходимая для проектирования и эксплуатации гидрооборудования. Приведены конструкции, параметры и размеры гидрооборудования главным образом стационарных машин, в том числе насосов, объемных гидродвигателей, гидроаппаратов, фильтров, аккумуляторов, теплообменников, приборов и сопутствующих элементов. Излагаются основы проектирования и расчета гидросистем, их монтажа и эксплуатации, тенденции развития гидрооборудования мировых лидеров, а также основополагающие отечественные стандарты и стандарты ИСО; приведены характеристики минеральных масел, размеры специальных резьб, путеводитель по Интернету.

В 6-м издании (5-е изд. 2008 г.) существенно расширены сведения об импортной гидравлике, в том числе инновационных изделиях, отсутствующих в отечественной номенклатуре. По каждому из компонентов приведены полные технические данные аналогов, выпускаемых зарубежными фирмами, признанными на российском рынке, включая основные параметры, габаритные и присоединительные размеры, расшифровки кодовых обозначений и особенности эксплуатации. Подробно описаны современные насосы и гидродвигатели, аппаратура ввертного монтажа, аппараты связи с электронными системами управления, приборы и др. Особое внимание уделено проблеме энергосбережения. В справочнике отражен современный мировой уровень развития промышленных гидроприводов.

Для инженеров-конструкторов, специалистов в области гидроприводов и обслуживающего персонала гидрооборудования стационарных машин и станков, преподавателей и студентов втузов.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 312-57-68, тел./факсу: (812) 312-44-95, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.