Магнетронная распылительная головка
MAGNETRON SPRAYING HEAD

Изобретение относится к области электрохимической обработки деталей, может быть использовано в энергомашиностроении для обработки рабочих и направляющих турбинных лопаток.
Известна «Магнетронная распылительная система с протяженным катодом» [RU патент №2575018], содержащая следующие конструктивные элементы: Магнетронная распылительная система содержит вакуумную камеру, анод, протяженные катод, выполненный в виде полого цилиндра с возможностью вращения, и магнитную систему, причем магнитная система состоит из внутренней части магнитной системы, неподвижно расположенной внутри катода вдоль его оси и состоящей из магнитопровода с тремя параллельными рядами постоянных магнитов, периферийные ряды магнитов замкнуты на концах концевыми магнитами и имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов, и внешней части магнитной системы, которая неподвижно расположена равноудаленно от внутренней части магнитной системы, охватывая катод со стороны, противоположной зоне распыления, и состоит из магнитопровода с двумя параллельными рядами постоянных магнитов, имеющих полярность, одинаковую с полярностью периферийных рядов магнитов внутренней части магнитной системы.
Устройство работает в низком вакууме. Устройство стационарно закреплено. Устройство распыляет только поверхность катода. При атмосферном давлении и применении в электрохимической обработке устройство имеет повышенное дугообразование. Устройство не обеспечивает возможности обработки сложных криволинейных поверхностей.
Известен «Магнетрон» [RU патент №2218450], выбранный за прототип. Магнетрон содержит мишень-катод, полый цилиндрический анод, установленный на диэлектрическом держателе и имеющий внешнюю проточку на краю, обращенном к катоду, образующую с диэлектрическим держателем кольцевую, вертикальную по отношению к катоду щель. Охлаждаемая магнитная система состоит из магнитов и магнитопровода, Система размещена с нерабочей стороны мишени. Устройство прижимает мишень к магнитной системе. Между мишенью и магнитной системой установлена немагнитная мембрана, выполненная профилированной с углублением, в котором размещена мишень, при этом магнитопровод снабжен каналами для охлаждения и размещен вплотную к мембране. При атмосферном давлении и подачи только инертного газа в устройство оно не выполняет функции распыления катода мишени, имеет хаотичное дугообразование между поверхностью катод - мишени и анодом - изделием. При этом преимущественно разрушается поверхность анода - изделия. Таким образом, качество обработки изделия является достаточно низким. Магнетрон имеет плоскую поверхность катод - мишени и имеет ограниченную область использования для обработки сложных криволинейных поверхностей.
Технической проблемой является повышение качества обработки поверхности за счет снижения дугообразования, а также расширение технологических возможностей головки за счет обработки различных поверхностей. Для решения технической проблемы предложена магнетронная распылительная головка. Магнетронная распылительная головка содержит магнитную систему, которая состоит из магнитов и магнитопровода. Система оснащена каналами охлаждения. При этом магнитная система выполнена с габаритами ∅3-110 мм. Верхняя часть магнитопровода имеет коническую поверхность. Магнитная система зафиксирована в корпусе криволинейной формы. Габариты криволинейного корпуса составляют ∅5-120 мм. Корпус соединен с устройством фиксации, которое выполнено в виде проводящей полой трубы. Снаружи полой трубы зафиксирован диэлектрический держатель для удержания в схвате манипулятора, узла перемещения станка с ЧПУ, промышленного робота. Внутри трубы размещены каналы охлаждения магнитной системы и трубопровод подачи электролита и газа. Корпус головки оснащен сквозным каналом, соединенным с трубопроводом. Наружная поверхность корпуса сформирована с мелкоразмерным рельефом поверхности. Высота рельефа поверхности составляет от 0,2 до 10 мм. Устройство фиксации соединено с отрицательным полюсом блока питания и вместе с корпусом образует катод. Поверхность корпуса головки является катод - мишенью. Анодом для магнетронной распылительной головки является обрабатываемое изделие, соединенное с положительным полюсом источника питания.
Магнитопровод в верхней части выполнен коническим и конструктивно необходим для формирования магнитного поля не только на нижней поверхности катода - мишени, но и на боковых поверхностях корпуса криволинейной формы, что позволяет формировать зону плазменного разряда практически в любой точке криволинейного корпуса, что позволяет обрабатывать изделия сложной криволинейной формы. Это существенно расширяет технологические возможности головки.
Наличие конструктивных элементов в виде сквозного канала и трубопровода соединенных между собой позволяет подводить в межэлектродный промежуток смесь электролита и газа. Под межэлектродным промежутком понимается пространство между поверхностью головки - катода и поверхностью анода - изделия. Подвод в зону межэлектродного промежутка электролита формирует электролитическую ячейку, в которой возможно возникновение парогазовой оболочки, многоканального разряда и объемного плазменного разряда при атмосферном давлении. Подвод в зону разряда дополнительно инертного газа стабилизирует процесс формирования многоканального разряда и объемного плазменного разряда. Благодаря этому в случае бомбардировки обрабатываемой поверхности анода - изделия ионами инертного газа преобладает процесс распыления атомов поверхностного слоя анода - изделия и ионов адсорбированных на поверхности анода-изделия над процессом адсорбции поверхностью ионов электролитной плазмы, ее перезарядке и дальнейшему формированию запирающего слоя с высоким сопротивлением.
Наличие мелкоразмерного рельефа на поверхности головки снижает неравномерность напряженности электрического поля в области между поверхностью головки - катода и поверхностью анода - изделия и приводит к уменьшению вероятности непредсказуемого стекания дугового разряда с гладкой, плоской поверхности катод - мишени на поверхность изделия, что приводит к повышению качества обработки изделия.
Криволинейная форма корпуса магнетронной распылительной головки позволяет обрабатывать не только плоские поверхности, но и изменяющиеся в трех координатах, в том числе поверхности, имеющие вертикальную стенку, и обратный уклон.
Совокупность отличительных признаков является существенной т.к. позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности и расширить технологические возможности головки за счет обработки большего числа поверхностей.
Наружная поверхность криволинейного корпуса выполнена с мелкоразмерным рельефом поверхности от 0,2 до 10 мм для снижения дугообразования между катодом - головкой и анодом - изделием и повышения качества обрабатываемой поверхности. Размеры мелкоразмерного рельефа поверхности конструктивно пропорциональны размеру магнетронной распылительной головки для удовлетворения условия, при котором площадь катода должна быть от двух и более раз больше площади зоны обработки анода. Минимальный мелкоразмерный профиль составляет 0,2 мм. При величине профиля, меньшей 0,2 мм, имеет место повышенное дугообразование между катодом и анодом. Поверхностный размер рельефа, больший 10 мм, является недостаточно жестким, не гарантирует равномерное положение частей профиля при наклоне и приводит к изменению соотношения площадей электродов, ведет к повышенному дугообразованию и ухудшает качество поверхности.
Минимальный размер корпуса соответствует конструктивным размерам внутренних радиусов турбинных лопаток (хвостовики, радиусные переходы), максимальные размеры магнитной системы пропорциональны габаритным размерам больших направляющих и рабочих лопаток. Это позволяет в широком диапазоне обрабатывать различные криволинейные поверхности турбинных лопаток. Уменьшение габаритов криволинейного корпуса менее 5 мм вызывает трудности с изготовлением и компоновкой устройства, возрастание размеров более 120 мм ведет к увеличению веса магнетронной распылительной головки, требует применения станков и систем перемещения повышенной жесткости и несоизмеримо для обработки поверхности большей номенклатуры турбинных лопаток. Размеры магнитной системы изменяются в широких пределах ∅3-110 мм, и пропорциональны размерам криволинейного корпуса. Уменьшение магнитной системы менее ∅3 ведет к трудности изготовления миниатюрных магнитопроводов. Увеличение магнитной системы более ∅110 мм ведет к выбору нестандартных магнитов имеющих значительно более высокую стоимость.
Магнетронная распылительная головка содержит магнитную систему 1, состоящую из магнитов 2 и магнитопровода 3, оснащенную каналами охлаждения 4, диэлектрический держатель 5, корпус 6 с устройством фиксации 7 и блок питания 8, трубопровод подачи электролита и газа 9, сквозной канал 10, наружная поверхность корпуса 6 сформирована с мелкоразмерным рельефом поверхности 11 (Фиг. 1).
Магнетронная распылительная головка работает следующим образом. Магнетронная распылительная головка при помощи диэлектрического держателя закрепляется в схвате механизма перемещения. Перемещение головки производится в соответствии с заданной программой. Для предотвращения перегрева охлаждаемую магнитную систему 1 через каналы охлаждения 4 подключают к магистрали проточной воды постоянного давления. Проточная вода охлаждает магниты 2 и магнитопровод 3, чем компенсирует тепловой поток, формирующийся на корпусе криволинейной формы 6 вследствие разряда. Через сквозной канал 10 соединенный с трубопроводом подачи электролита и газа 9 подают раздельно или вместе солевой раствор (до 15% соли) и инертный газ (Ar и др.).
При подключении к отрицательному полюсу блока питания 8 устройства фиксации 7 связанного с корпусом криволинейной формы 6 и изделия подключенного к положительному полюсу между корпусом 6 и поверхностью изделия-анода формируется замкнутый проводящий межэлектродный промежуток. В момент подачи напряжения в межэлектродном промежутке возникает движение заряженных частиц и формируется, последовательно с увеличением напряжения от 0-500 В парогазовая оболочка, многоканальный поверхностный и затем объемный разряд, на которые дополнительно накладываются магнитные поля магнитной системы. Магнитная система 1 формирует вокруг корпуса криволинейной формы 6 арочные магнитные поля. Арочное магнитное поле создает магнитную ловушку для электронов электролитно-газовой плазмы. С увеличением напряжения в межэлектродном промежутке происходит локализация плазменного разряда и повышение степени ионизации частиц электролитно-газовой плазмы. Атомы инертного газа, участвуя в процессе формирования разряда, повышают степень ионизации плазмы и повышают скорость распыления анода - изделия. Это приводит к удалению запирающего слоя, и снижает вероятность осаждения и закрепления адсорбированных газов и ионов. Мелкоразмерный рельеф поверхности 11 корпуса криволинейной формы 6 приводит к снижению общей напряженности и повышению равномерности электрического поля между катодом-головкой и анодом-изделием. Заряд малой мощности равномерно стекает с каждого отдельного рельефного выступа, не давая накапливаться заряду большого потенциала и стекания в виде дугового разряда на поверхность. При этом почти на всем диапазоне вольт - амперной характеристики наблюдается устойчивый процесс обработки поверхности анода - изделия. Это ведет к повышению качества поверхности анода - изделия, чему соответствуют параметры шероховатости поверхностного слоя после обработки магнетронной распылительной головкой (Табл. 1).
Магнетронная распылительная головка предложенной конструкции позволяет работать не только при низком вакууме, но и при атмосферном давлении, а также обрабатывать не только плоские поверхности, но и поверхности, изменяющиеся в трех координатах, в том числе имеющие вертикальную стенку и обратный уклон, что расширяет технологические возможности магнетронной распылительной головки (Фиг. 2).