Установка для нанесения ионно-плазменных покрытий
APPARATUS FOR APPLYING ION-PLASMA COATINGS

Изобретение относится к технике и технологии нанесения защитных ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, например, для защиты рабочих и направляющих лопаток турбомашин.
Широко известны установки для нанесения защитных покрытий путем осаждения из вакуумно-дуговой плазмы материала покрытия с использованием электродуговых испарителей металлов, содержащий катод, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения и источник постоянного тока, соединенный с катодом и анодом (например, Патент США 3793179, МПК С23С 14/32, 1974).
Используемые в таких установках катоды, выполненные из материала покрытия, используются, как правило, для испарения токопроводящих материалов и нанесения упрочняющих покрытий ограниченной толщины на детали машин из плазмы испаряемого материала (патент Великобритании №1322670, патент США №5529674, патент ЕП №0922606).
Известна также установка включающая  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.  (А.С. СССР 1524534, МПК С23С 14/00, «Установка для нанесения защитных покрытий» опубл. 2000.09.27).
Известна также установка включающая электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме, содержащий по крайней мере один охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда (патент РФ №2187576. МПК С23С 14/38. Установка для нанесения защитных покрытий. Опубл. 2002).
Однако известные установки не обеспечивают постоянства геометрических параметров области испарения материала катода и скорости ее перемещения, что отрицательно сказывается на надежности технологических процессов нанесения покрытия.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа устройства, является установка для нанесения ионно-плазменных покрытий, содержащая вертикальную цилиндрическую вакуумную камеру, снабженную системой вакуумирования, подачи и регулирования расхода газа, источниками питания и блоком управления, с расположенными в вакуумной камере держателем изделий и плоскими протяженными электродуговыми испарителями (Патент РФ № 2001159  МПК C23C 8/00.  Установка электродугового нанесения металлических покрытий в вакууме. Опубл. 1993 г).
Однако конструкция известной установки для нанесения покрытий не обеспечивает качественное нанесение покрытий на детали типа колец (например, на лопатки , установленные на полукольца направляющего аппарата компрессора ГТД ) Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей установки, повышение производительности и качества обработки деталей типа колец , в том на  лопатки сектора направляющего аппарата ГТД .
Техническим результатом изобретения является  повышение функциональных свойств и производительности  установки за счет  возможности нанесения покрытий на внутренние поверхности  деталей типа колец, в том числе и на лопатки направляющего аппарата компрессора, закрепленных на полукольцах.
Технический эффект изобретения достигается за счет того, что в установке для нанесения ионно-плазменных покрытий, содержащей  вертикальную цилиндрическую вакуумную камеру, снабженную системой вакуумирования, подачи и регулирования расхода газа, источниками питания и блоком управления, с расположенными в вакуумной камере держателем изделий и плоскими протяженными электродуговыми испарителями с катодами из испаряемых материалов формируемого  покрытия, в отличие от прототипа, установка содержит  по крайней мере два электродуговых  испарителя расположенные вертикально  в центральной части вакуумной камеры поверхностями испарения катодов наружу, а держатель изделий расположен в периферийной части вакуумной камеры  и выполнен с возможностью осуществления вращения или колебательных движений относительно электродуговых испарителей.
Кроме того возможны следующие дополнительные особенности установки: испаряемые материалы катодов электродуговых испарителей отличаются друг от друга; в качестве испаряемых материалов  катодов электродуговых испарителей  используются по крайней мере два вида материала;  в качестве испаряемых  материалов  катодов электродуговых испарителей используются:  либо титан, алюминий, хром и ванадий, либо используются   сплав на основе Ni, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас. %: Cr 16-26, Co 16-26, Al 9-15, Y 0,2-0,7, Ni - остальное, и сплав  на основе Al, дополнительно содержащего Si и Co, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si 7-11, Co 7-14, Y 0,2-0,7, Al – остальное; дополнительно содержит по крайней мере один протяженный испаритель расположенный в периферийной части вакуумной камеры, а держатель изделий расположен между периферийным и центральными испарителями; средства электрической связи каждого из протяженных электродуговых испарителей с источником электропитания разряда выполнены в виде токоподводов на противоположных торцов испарителей, подключенных к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и связанные с источником постоянного тока, соединенным с анодом.
Достижение технического результата объясняется следующим. Предлагаемая установка позволяет, в отличие от прототипа, за счет использования протяженных электродуговых испарителей (ЭДИ) более эффективно использовать объем камеры. При этом нанесение покрытий, осуществляется  от центра установки к ее периферии на внутренние поверхности  деталей типа колец. Если в качестве деталей используются лопатки направляющего аппарата компрессора, закрепленные на полукольцах, то при вращении или возвратно-колебательном движении держателя изделий, расположенного в периферийной части цилиндрической установки, происходит нанесение покрытий на лопатки и внутреннюю часть изделия. Причем, поскольку используются протяженные ЭДИ, то происходит повышение производительности нанесения покрытия на детали типа колец или полуколец, расположенных на держателе изделий друг над другом по высоте установки в рабочей зоне нанесения покрытия. При необходимости нанесения покрытия и на наружные поверхности деталей, используются дополнительные протяженные  ЭДИ, расположенные на периферийной части установки. Все это позволяет достичь более высокого качества обработки большого количества одновременно обрабатываемых деталей. Кроме того, равномерное распределение плазмы в объеме вакуумной камеры позволяет обеспечивать более качественную обработку изделий.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема предлагаемой установки (фиг.1 – продольны разрез и  поперечное сечение катодного узла ЭДИ, фиг.2 – схема ЭДИ с: фиг.2а –двумя катодами и фиг.2б  тремя катодами, расположенными в виде треугольной призмы). Фиг. 1 и 2 содержат: 1 – вакуумная камера установки, 2 – электродуговые испарители (ЭДИ), 3 – катоды из испаряемого материала, образующего покрытие, 4 – держатель изделий, 5 – изделия (детали в виде колец или полуколец).
Установка для нанесения ионно-плазменных покрытий содержит вакуумную камеру 1, выполненную из немагнитной нержавеющей стали в виде полой цилиндрической обечайки. (приблизительные значения размеров вакуумной камеры установки могут быть следующие: диаметр рабочей зоны от 900 мм до 1000 мм, высота рабочей зоны от 1400 мм до 1500 мм, имеющую загрузочную дверь, плоскость разъема которой отсекает часть обечайки вакуумной камеры 1 в плоскости, параллельной плоскости, проходящей через вертикальную ось обечайки вакуумной камеры 1)  На стенках вакуумной камеры 1 установлены защитные экраны, имеется патрубок откачки  и технологические модули: протяженные ЭДИ 2 с катодами 3  из наносимых материалов.   Вакуумная камера 1 снабжена рубашкой водяного охлаждения. ЭДИ  снабжены протяженными катодами 3 , выполненными в виде пластин, катоды ЭДИ могут быть, например,  выполнены размерами 1000 ммЧ120 ммЧ30 мм (выбранными из диапазона: длина - от 500 до 2000 мм, ширина - от 50 до 300 мм, толщина - от 10 до 70 мм). В качестве испаряемых  материалов  катодов могут использоваться: титан, алюминий, хром и ванадий, а также сплавы на основе Ni, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас. %: Cr 16-26, Co 16-26, Al 9-15, Y 0,2-0,7, Ni - остальное, и сплав  на основе Al, дополнительно содержащего Si и Co, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Si 7-11, Co 7-14, Y 0,2-0,7, Al – остальное.
Нанесение покрытия в предлагаемой установке осуществляют следующим образом (фиг.1). В вакуумную камеру 1 напускают рабочий газ. Катоды ЭДИ 3 открывают, отводя в сторону оптически непрозрачные поворотные экраны. Зажигают вакуумно-дуговой разряд между катодами 3 и вакуумной камерой 1, являющейся анодом вакуумно-дугового разряда. В результате горения вакуумно-дугового разряда в камере образуется металлогазовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, ионы металла катодов, электроны и нейтральные частицы. На изделия 5 подают отрицательный потенциал от источника питания потенциала смещения. При этом ионы металла ускоряются в электрическом поле изделий и осаждаются на их поверхности, образуя покрытие. При использовании в качестве рабочего газа активного газа ионы рабочего газа соединяются с ионами металла, при этом образуется покрытие из соединений металла и неметалла. Изделия 5, преимущественно в виде колец или полуколец (например, могут  использоваться лопатки направляющего аппарата компрессора, закрепленные на полукольцах), закрепляются на держателе изделий 4, внутренней поверхностью к центральным ЭДИ 2. Изделия 5 могут располагаться в несколько этажей друг над другом, для более рационального использования рабочей части камеры 1. Держатель изделий приводится либо во вращательное, либо в возвратно-колебательное движение вокруг вертикальной оси вакуумной камеры 1. При перемещении держателя 4 с  изделиями 5 вокруг испаряющегося материалов  катодов 3 ЭДИ 2 на внутреннюю поверхность изделий 5 осаждается покрытие. При этом, при использовании различных материалов катодов 3 и их заданном цикле работы образуются покрытия, состав которых определяется периодичностью включения в работу каждого из ЭДИ 2. Например, при использовании четырехкатодной системы (фиг. 1) два из катодов которой выполнены из сплава на основе Ni, содержащего Cr, Co, Al,  Y, а другие два из сплава  на основе Al, содержащего Si,  Co, Y, при последовательном, попарном  включении в работу каждого из ЭДИ 2 можно получить двухслойное покрытие, первый слой которого будет состоять из сплава системы Ni,- Cr-Co-Al -Y, а второй слой  из сплава системы Al-Si-Co-Y.
При необходимости нанесения покрытия на обе стороны изделий 5 установка может дополнительно снабжаться  протяженными испарителями (ЭДИ) расположенными в периферийной части вакуумной камеры, а держатель 4 изделий 5 располагаться между периферийным и центральными ЭДИ.
При этом, в зависимости от количества ЭДИ, схема их расположения в центральной части может быть выполнена, например, для двух или более ЭДИ с катодами, расположенными  в виде многогранной призмы (фиг. 1 и фиг. 2 ).
Установка предусматривает также  использование,  при необходимости,   плазменных фильтров для  очистки наносимого материала от капельной фазы.
Пример. В таблице представлены технические характеристики варианта предлагаемой установки для нанесения ионно-плазменных покрытий.
№ пп
Наименование
Кол-во штук
1
Протяженный ЭДИ
от 2 до 8
Размеры катода, мм
1000х140х30
Материал катодов
титан, алюминий, хром,  ванадий, сплавы: системы Ni,-Cr-Co-Al-Y и  Al-Si-Co-Y.
Ток разряда, А
До 400
Напряжение горения дуги, В
20…30
Напряжение холостого хода, В
80…100
2
Вакуумная камера
1
Диаметр рабочей зоны, мм
1200…1400
Высота рабочей зоны, мм
1200…1400
Предельное остаточное давление, Па
6,6 х10<sup>-3</sup>
Рабочее давление, Па
0,065…0,65
Время откачки до давления (6,6 х10<sup>-3</sup>Па) , мин
25…30
Рабочая температура в камере, <sup>0</sup>С
450…550
Установка может содержать микропроцессорную систему автоматизации, выполненную с возможностью обеспечения контроля за работой установки и с возможностью управления основными элементами и технологическими модулями установки, а также с возможностью обеспечения непрерывного мониторинга технологических режимов, автономного поддержания заданных режимов работы источников ионов и плазмы и обеспечения их изменения по командам с пульта оператора. Кроме того, установка может содержать системы автоматизации, включающие датчики и вторичные преобразователи, обеспечивающие формирование входных электрических аналоговых и дискретных сигналов системы автоматизации, а также исполнительные механизмы: реле, переключатели, шаговые двигатели, клапаны, причем подсистема нижнего уровня включает резервный блок ручного управления, выполненный с возможностью обеспечения управления технологическими режимами работы установки. Установка также может содержать средний уровень системы автоматизации, включающий программируемый логический контроллер, модули ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, адаптер, источники питания.