ВАКУУМНАЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА

Вакуумная ионно-плазменная установка предназначена обработки длинномерных изделий, относится к в вакуумной ионно-плазменной технологии и может быть применена для обработки длинномерных изделий, например длинномерных лопаток паровых турбин.
Известна установка для нанесения защитных покрытий путем осаждения из вакуумно-дуговой плазмы материала покрытия [Патент РФ №2058427, МПК С23С 14/34,опубл. 20.04.1996.]. Установка содержит вакуумную камеру, в которой расположен катод, выполненный из материала покрытия, защитный экран катода, анод, держатель изделий, электрод для возбуждения вакуумной дуги и систему электропитания. Установка предназначена для испарения токопроводящих материалов и нанесения упрочняющих покрытий на детали машин.
Известны вакуумные плазменные установки, содержащие вакуумную камеру с системой откачки и установленные в камере плазменный ускоритель и технологическое приспособление для закрепления обрабатываемых изделий. [Гришин С.Д. и др. Плазменные ускорители. М.: Машиностроение, 1983, с.189, 194. Левченко Ю.М. и др.].
Известна установка для ионного азотирования содержит вакуумную камеру с расположенными в ней катодами, источники питания, держатель изделий [Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, С.177-181]. Обработка на таких установках производится с целью повышения эксплуатационных свойств изделий (износостойкости, эрозионной стойкости и пр.). Обработку в таких установках осуществляют путем высокотемпературной выдержки изделий в среде ионизированного рабочего газа.
Недостатком известной установки [Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, С.177-181]
является невысокая эффективность процесса модификации поверхности изделий вследствие низкой энергии частиц рабочего газа. При химико-термической обработке для получения необходимой концентрации легирующего элемента в поверхности изделий необходимо длительная выдержка изделий в среде рабочего газа при высокой температуре. Это является причиной низкой производительности процесса. При этом происходит образование хрупких крупнодисперсных структурных составляющих, что снижает механические и эксплуатационные свойства изделий. Также недостатком является невозможность внедрения в поверхность элементов в количестве, превышающем их предел растворимости в материале изделий.
Известны также установки для модификации поверхности путем ионной имплантации [Обеспечение эксплуатационных свойств лопаток компрессора из титановых сплавов путем ионного модифицирования поверхности на установке «Вита» / Смыслов A.M., Гусева М.И., Смыслова М.К. и др. // Авиационная промышленность. - 1992. - №5. - С.24-26], содержащие вакуумную камеру с установленными на ней устройствами для ионной имплантации, источники питания, держатель изделий. Обработку изделий в таких установках осуществляют следующим образом. Обрабатываемые изделия размещают в вакуумной камере установки, затем в ней создают вакуум и напускают в нее рабочий газ. Затем производят бомбардировку изделий ускоренными ионами рабочего газа, которые внедряются в поверхность изделий. Модификация поверхности путем ионной имплантации позволяет улучшать прочностные характеристики изделий без снижения пластичности, благодаря чему повышают, например, сопротивление усталости изделий.
Недостатком известных установок является ограниченность технологических возможностей, вследствие чего не удается получить высокие эксплуатационные свойства обрабатываемых деталей.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является установка для нанесения покрытий методом электродугового испарения [Патент РФ №2022056], содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней катодами электродуговых испарителей, источники питания вакуумно-дугового разряда, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, держатель изделий и оптически непрозрачный поворотный экран, расположенный между катодом электродугового испарителя и держателем изделий.
Эта установка позволяет повышать эксплуатационные свойства изделий путем комплексной обработки, включающей химико-термическую обработку и нанесение покрытия в одном цикле.
Обработку изделий в данной установке осуществляют следующим образом. Обрабатываемые изделия размещают в вакуумной камере, затем создают в ней вакуум. При этом оптически непрозрачный поворотный экран закрывает катод ЭДИ. В камеру напускают рабочий газ (азот), зажигают ДВДР между катодом ЭДИ, закрытым оптически непрозрачным поворотным экраном, и катодом ЭДИ, расположенным напротив него, который в данном случае служит анодом ДВДР, и генерируют газовую плазму. Изделия подвергают химико-термической обработке (азотированию) путем выдерживания их в газовой плазме при рабочей температуре. Для нагрева изделий до рабочей температуры к ним прикладывают положительный потенциал от источника питания. При этом изделия служат анодом ДВДР и происходит их нагрев электронами металло-газовой плазмы.
После проведения процесса химико-термической обработки производят нанесение покрытия. Для этого оптически непрозрачный поворотный экран отводят в сторону, открывая путь потоку металлической плазмы, генерируемой катодом. При этом в вакуумной камере образуется металло-газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, ионы металла катода ЭДИ, электроны и нейтральные частицы. Нанесение покрытия
производят путем осаждения на изделия ионов металла и ионов рабочего газа.
Однако установка-прототип имеет ограниченные технологические возможности и не позволяет качественно обрабатывать изделия (особенно изделия больших размеров, к которым относят, например, лопатки паровых турбин с областью подлежащей обработке размером около 1200×200 мм). Кроме того, установка-прототип имеет низкую производительность и высокий расход энергии и материалов. Это объясняется следующими причинами:
- несовершенством метода модификации поверхности;
- неравномерностью распределения плазмы внутри камеры (что снижает однородность обработки поверхности, особенно длинномерных изделий);
- низкой производительностью процесса генерации плазмы;
- неэффективностью использования плазмы при модификации поверхности;
- неравномерностью толщины покрытия по длине изделия.
Техническим результатом полезной модели является расширение технологических возможностей установки, повышение качества обработки изделий, а также повышение производительности установки и снижение расхода энергии и материалов за счет применения более эффективного метода модификации поверхности, повышения однородности распределения плазмы внутри камеры; увеличения производительности процесса генерации плазмы, более эффективного использования плазмы при модификации поверхности, повышения равномерности толщины покрытия по длине изделия.
Технический результат достигается тем, что вакуумная ионно-плазменная установка содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней катодами электродуговых испарителей, источники питания вакуумно-дугового разряда, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового
разряда, держатель изделий и оптически непрозрачный поворотный экран, расположенный между катодом электродугового испарителя и держателем изделий, в отличие от прототипа, она содержит, по крайней мере, одно устройство для ионной имплантации, выполненное в виде источника питания потенциала смещения, причем, по крайней мере, один из катодов электродуговых испарителей в виде пластины длиной от 500 до 2000 мм, шириной от 50 до 300 мм и толщиной от 10 до 70 мм.
Технический результат достигается также тем, что в вакуумной камере предлагаемой установки расположен дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.
Технический результат достигается также тем, что вакуумная камера предлагаемой установки выполнена в виде полого цилиндра вращения высотой от 800 до 2500 мм и внутренним диаметром от 500 до 1200 мм и кроме того, как вариант, вакуумная камера выполнена с возможностью присоединения дополнительных секций вакуумной камеры.
Технический результат достигается также тем, что дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра вращения и расположен в центре вакуумной камеры.
Технический результат достигается также тем, что держатель изделий состоит из отдельных электроизолированных секций по числу электродуговых испарителей, выполненных с возможностью подключения как к независимым отрицательным выводам источника питания потенциала смещения, так и к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда независимо друг от друга качества обработки изделий предлагаемая установка снабжена устройством для ионной имплантации, а все электродуговые испарители снабжены оптически непрозрачными поворотными экранами.
Достижение технического результата объясняется следующим.
С целью расширения технологических возможностей и повышения качества обработки изделий предлагаемая установка снабжена устройством для ионной имплантации. Преимущество ионной имплантации перед химико-термической обработкой, в частности азотированием, - в большей глубине модифицированного слоя за счет повышенной энергии имплантируемых частиц и радиационно-стимулируемой диффузии [Гусева М.И. Ионная имплантация в неполупроводниковые материалы // Итоги науки и техники: серия Физические основы лазерной и пучковой технологии. Т.5. - Ионно-пучковая технология. - М. - 1989]. При ионной имплантации реализуются не только твердорастворный и дисперсионный механизмы упрочнения, но и дислокационный. При этом возникают эффекты дальнодействия, за счет чего толщина упрочненного слоя превышает толщину слоя с измененным химическим составом. Кроме того, при ионной имплантации возможно внедрение в поверхность легирующих элементов в количестве, превышающем их предел растворимости в материале изделия.
В отличие от химико-термической обработки, ионная имплантация не требует длительного выдерживания изделий при высокой температуре и не приводит к огрублению структуры материала. Поэтому ионная имплантация оказывает упрочняющее воздействие на поверхность, не снижая пластичности, что позволяет повысить сопротивление усталости изделий, в частности предел выносливости с концентратором напряжений, в то время как после химико-термической обработке предел выносливости с концентратором напряжений как правило снижается.
Еще одним преимуществом ионной имплантации перед химико-термической обработкой является эффективная активация поверхности, что улучшает условия нанесения на нее покрытия, повышает их адгезию. При этом физико-химическое состояние материала плавно изменяется по глубине поверхности, создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое.
Предлагаемая установка позволяет, в отличие от прототипа, проводить в одном цикле обработки не только термическую обработку, химико-термическую обработку и нанесение покрытия, но и ионную имплантацию, а также различные сочетания указанных видов обработки, что обеспечивает качественно новый уровень свойств поверхности изделий - высокий уровень твердости, износостойкости, эрозионной и коррозионной стойкости, сопротивления усталости и др. Предлагаемая установка позволяет получать новые физические и механические свойства поверхности, создавать полупроводниковые слои, многослойные композиции с различными свойствами слоев и т.п.
Наиболее технологичным устройством для ионной имплантации является источник питания потенциала смещения. Источник питания потенциала смещения представляет собой высоковольтный источник питания, выполненный с возможностью подачи отрицательного потенциала достаточной для ионной имплантации величины на обрабатываемые изделия. Ионную имплантацию с помощью этого устройства осуществляют путем подачи на изделия отрицательного потенциала достаточной для ионной имплантации величины, при этом положительные ионы плазмы ускоряются в электрическом поле изделий и бомбардируют поверхность изделий, внедряясь в нее.
В установке-прототипе в качестве анода ДВДР (двухступенчатого вакуумно-дугового разряда) используют один из катодов ЭДИ (электродуговых испарителей), при этом только один из ЭДИ снабжен оптически непрозрачным поворотным экраном. Это приводит к низкой производительности процесса генерации газовой плазмы и неравномерности ее распределения в вакуумной камере. В вакуумной камере предлагаемой установки расположен дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания ДВДР, причем все ЭДИ снабжены оптически непрозрачными поворотными экранами. Это позволяет значительно повысить производительность
процесса генерации газовой плазмы за счет одновременного горения нескольких ДВДР при использовании в качестве анода ДВДР дополнительного электрода. Также это обеспечивает более равномерное распределение плазмы в вакуумной камере.
Дополнительный электрод может быть выполнен в виде вертикального цилиндра вращения, расположенного в центре вакуумной камеры. Цилиндрическая форма дополнительного электрода и расположение его в центре вакуумной камеры обеспечивают равномерное распределение плазмы в вакуумной камере, устойчивость горения разряда на его поверхности, наиболее эффективное охлаждение, позволяют максимально использовать внутреннее пространство вакуумной камеры. Благодаря равномерному распределению плазмы во внутреннем объеме вакуумной камеры становится возможной качественная обработка изделий без их вращения.
Для качественной обработки изделий необходимо, чтобы рабочая зона вакуумной камеры (зона обработки) имела размер не меньший, чем область изделий, подлежащая обработке. Для создания большой зоны обработки и обеспечения надежности работы установки катоды ЭДИ могут быть выполнены в виде пластин длиной от 500 до 2000 мм, шириной от 50 до 300 мм и толщиной от 10 до 70 мм.
Вакуумная камера предлагаемой установки может быть выполнена в виде полого цилиндра вращения, в частности расположенного вертикально. Это обеспечивает оптимальное использование внутреннего объема вакуумной камеры, технологичность ее изготовления и обслуживания и равномерность распределения плазмы во внутреннем пространстве вакуумной камеры.
Высота и внутренний диаметр вакуумной камеры должны быть достаточными для свободного размещения ЭДИ, оптически непрозрачных поворотных экранов, держателя изделий с изделиями, дополнительного электрода и других элементов и устройств установки. Исходя из обеспечения возможности обработки длинномерных изделий, в частности лопаток
турбомашин, оптимальные размеры вакуумной камеры составляют: высота - от 800 до 2500 мм, внутренний диаметр - от 500 до 1200 мм.
Вакуумная камера предлагаемой установки может быть выполнена с возможностью присоединения дополнительных секций вакуумной камеры. Это обеспечивает возможность изменения размеров камеры для их оптимизации в зависимости от размеров обрабатываемых изделий. Для обработки изделий большого размера вакуумную камеру увеличивают путем присоединения дополнительных секций вакуумной камеры. При обработке изделий меньшего размера вакуумную камеру уменьшают. При этом за счет уменьшения внутреннего объема вакуумной камеры сокращается время откачки и снижается расход материалов.
В установке-прототипе обработку изделий осуществляют электронами плазмы (нагрев) и ионами (химико-термическая обработка) последовательно. При обработке изделий электронами держатель изделий подключают к положительному полюсу источника питания ДВДР, при этом изделия выполняют роль анода ДВДР. При обработке изделий ионами в качестве анода ДВДР используют катод ЭДИ. Недостаток этой схемы в неэффективном использовании плазмы, в результате чего снижается производительность, повышается расход энергии и материалов: при обработке электронами используют только электронную компоненту плазмы, а ионная не используется; при обработке ионами используют только ионную компоненту плазмы, а электронная не используется.
С целью повышения эффективности использования плазмы и повышения производительности установки держатель изделий предлагаемой установки состоит из отдельных электроизолированных секций держателя изделий по числу ЭДИ, выполненных с возможностью подключения с помощью переключателей как к независимым отрицательным выводам источника питания потенциала смещения, так и к положительному полюсу источника питания ДВДР независимо друг от друга.
Это дает возможность одновременной обработки электронами плазмы одной группы изделий (или одного изделия) и обработки ионами плазмы другой группы изделий. При этом одновременно используется как электронная, так и ионная компоненты плазмы, что снижает расход энергии и материалов. Изделия, установленные в секции держателя изделий, подключенные к положительному полюсу источника питания ДВДР служат анодом ДВДР и подвергаются эффективному нагреву электронами. Изделия, установленные в секции держателя изделий, подключенные к отрицательным выводам источника питания потенциала смещения подвергаются ионной имплантации. Изделия, установленные в секции держателя изделий, не подключенные ни к одному из источников, подвергаются химико-термической обработке.
Держатель изделий предлагаемой установки может быть выполнен с возможностью установки в него наборов изделий. Таким образом, за один цикл возможна обработка либо одного длинномерного изделия, либо -нескольких изделий малого размера. Это обеспечивает высокую производительность установки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 и 2 показаны конструктивная схема предлагаемой установки (фиг.1 - продольный разрез установки, фиг.2 - вид сверху - поперечный разрез). На фиг.3 - электрическая схема установки.
Вакуумная ионно-плазменная установка содержит вакуумную камеру 1, выполненную в виде полого цилиндра вращения с высотой Н и внутренним диаметром D, имеющую дверь 2 и откачную трубу 3. На стенках вакуумной камеры 1 установлены ЭДИ с расположенными в вакуумной камере 1 катодами ЭДИ 4, 5, 6, выполненными в виде пластин длиной L и шириной В. В центре вакуумной камеры 1 установлен дополнительный электрод 7 в виде цилиндра вращения. Держатели изделий 8, 9, 10 выполнены с возможностью вращения вокруг собственной оси и относительно центра вакуумной камеры 1. Между каждым из катодов ЭДИ 4,
5, 6 и соответствующей держателем изделий установлены поворотные оптически непрозрачные экраны 11, 12, 13. Обрабатываемые изделия 14, 15, 16 закрепляются в держателях изделий 8, 9, 10. Привод 17 держателей изделий 8, 9, 10 обеспечивает их вращение, а привод 18 экранов 11, 12, 13 - их поворот.
Катоды ЭДИ 4, 5, 6 подключены к отрицательным полюсам источников питания ВДР 15, 16, 17, положительные полюсы которых подключены к заземленной вакуумной камере 1. Дополнительный электрод 7 имеет возможность подключения к положительному полюсу источника питания ДВДР 18 с помощью ключа 19. Секции держателя изделий 8, 9, 10 с помощью переключателей 20, 21, 22 имеют возможность независимого друг от друга подключения как к независимым отрицательным выводам источника питания потенциала смещения 23, так и к положительному полюсу источника питания ДВДР 18. Вакуумная камера 1, отрицательный полюс источника питания ДВДР 18 и положительный полюс источника питания потенциала смещения 23 заземлены.
Вакуумная камера 1 может иметь возможность присоединения дополнительных секций вакуумной камеры. Держатели изделий 8, 9, 10 могут быть выполнены с возможностью установки в него наборов изделий.
Вакуумная ионно-плазменная установка работает следующим образом. Обрабатываемые изделия 14, 15, 16 устанавливают в секции держателя изделий 8, 9, 10, затем закрывают дверь 2 вакуумной камеры 1, создают в вакуумной камере 1 вакуум, включают привод держателя изделий 17.
Затем производят обработку изделий одним из следующих способов: нагрев, химико-термическая обработка, ионная имплантация, нанесение покрытия, или их сочетанием.
Нагрев изделий осуществляют с целью их термической обработки или для подготовки их к последующей обработке, например нанесению покрытия. Нагрев изделий в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. В вакуумную камеру 1 напускают рабочий газ. Катоды
ЭДИ 4, 5, 6 закрывают поворотными оптически непрозрачными экранами 11, 12, 13. Зажигают ВДР между катодами ЭДИ и вакуумной камерой, являющейся анодом ВДР. Затем с помощью переключателей 20, 21, 22 подключают изделия к положительному полюсу источника питания ДВДР 18 и зажигают ДВДР между катодами ЭДИ 4, 5, 6 и изделиями 8, 9, 10. При этом изделия, которые служат анодом ДВДР интенсивно нагреваются электронами плазмы ДВДР.
Химико-термическую обработку в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. Осуществляют нагрев изделий вышеописанным способом. Затем переводят переключатели 20, 21, 22 в нейтральное положение и подключая дополнительный электрод 7 к положительному полюсу источника питания ДВДР 18 с помощью ключа 19, зажигают ДВДР между катодами ЭДИ 4, 5, 6 и дополнительным электродом 7, являющимся анодом ДВДР. В результате горения ДВДР в камере образуется газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, электроны и нейтральные частицы. Изделия выдерживают в газовой плазме, при этом происходит диффузионное внедрение ионов и атомов рабочего газа в поверхность изделий.
Ионную имплантацию в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. В вакуумную камеру 1 напускают рабочий газ. Катоды ЭДИ 4, 5, 6 закрывают оптически непрозрачными поворотными экранами 11, 12, 13. Зажигают ВДР (вакуумно-дуговой разряд) между катодами ЭДИ и вакуумной камерой, являющейся анодом ВДР. Подключая дополнительный электрод 7 к положительному полюсу источника питания ДВДР 18 с помощью ключа 19, зажигают ДВДР между катодами ЭДИ и дополнительным электродом 7, являющимся анодом ДВДР. В результате горения ДВДР в камере образуется газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, электроны и нейтральные частицы. На изделия, подвергаемые ионной имплантации, подают отрицательный потенциал достаточной для ионной имплантации величины от источника питания потенциала смещения
23 с помощью переключателей 20, 21, 22. При этом ионы плазмы рабочего газа ускоряются в электрическом поле изделий и внедряются в их поверхность.
Нанесение покрытия в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. В вакуумную камеру 1 напускают рабочий газ. Катоды ЭДИ 4, 5, 6 открывают, отводя в сторону оптически непрозрачные поворотные экраны 11, 12, 13. Зажигают ВДР между катодами ЭДИ и вакуумной камерой, являющейся анодом ВДР. В результате горения ВДР в камере образуется металло-газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, ионы металла катодов ЭДИ, электроны и нейтральные частицы. На изделия 8, 9, 10 подают отрицательный потенциал от источника питания потенциала смещения 23 с помощью переключателей 20, 21, 22. 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.
Предлагаемая установка позволяет, в отличие от прототипа, проводить не только термическую обработку, химико-термическую обработку, нанесение покрытия, а также и ионную имплантацию изделий. За счет расширения технологических возможностей предлагаемая установка заменяет несколько устройств: печь для термической обработки, установку для химико-термической обработки, установку для ионной имплантации и установку для нанесения покрытий. При совмещении в одном цикле обработки различных операций, например ионной имплантации и нанесения покрытия или ионной имплантации и термической обработки реализуется комплексная вакуумная ионно-плазменная обработка, которая, с одной стороны, позволяет повысить качество обработки изделий, а с другой - снизить стоимость обработки. За счет совмещения в одном цикле обработки операций ионной имплантации и нанесения покрытия значительно повышается качество обработанных изделий: адгезия покрытия, предел
выносливости обработанных изделий. За счет чередования процессов нагрева, выдержки, ионной имплантации, нанесения покрытия в одном цикле возможно получение новых физических, механических и эксплуатационных свойств поверхности изделий.
Известные вакуумные ионно-плазменные установки, как правило, предназначены для обработки изделий небольшого размера (режущий инструмент, лопатки газотурбинных двигателей и т.п.). Предлагаемая установка предназначена, главным образом, для обработки длинномерных изделий, например лопаток паровых турбин. Вакуумная камера предлагаемой установки имеет размеры, позволяющие размещать в ней длинномерные изделия, а катоды электродуговых испарителей выполнены из пластин длиной от 500 до 2000 мм, шириной от 50 до 300 мм и толщиной от 10 до 70 мм, что обеспечивает зону обработки установки достаточного для качественной обработки длинномерных изделий размера.