УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ И НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Изобретение относится к технике для нанесения покрытий на детали машин, более конкретно к вакуумной ионно-плазменной обработке поверхностей, и может быть использовано для модифицирования поверхности и нанесения функциональных покрытий на лопатки турбомашин, например длинномерных деталей паровых турбин, при обеспечении их комплексной поверхностной обработки, включающей очистку и активацию поверхности, нанесение различного вида функциональных многослойных покрытий, модифицирование поверхности металлической и газовой плазмой, а также для комбинированной поверхностной обработки, включающей химико-термическую обработку с последующим нанесением покрытия в одном технологическом цикле.
Известна установка для нанесения защитных покрытий путем осаждения из вакуумно-дуговой плазмы материала покрытия [Патент РФ №2058427, МПК C23C 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 вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий [Патент РФ №2294395, Установка для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхностей. МПК C23C 14/34, опубл. 2007.02.27], содержащая вакуумную камеру с по крайней мере одной загрузочной дверью, нижнее поворотное приспособление для размещения обрабатываемых изделий, электродуговые испарители, систему подачи газов, откачную систему, источники питания и блок управления. Эта установка позволяет повышать эксплуатационные свойства изделий путем комплексной обработки, включающей ионно-плазменную или ионно-имплантационную обработку и нанесение покрытия в одном цикле.
Однако конструкция установки для вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий не обеспечивает высокое качество обработки длинномерных деталей (особенно изделия больших размеров, к которым относят, например, лопатки паровых турбин с областью подлежащей обработке размером около 1200×200 мм), а также не позволяет повысить производительность за счет одновременной обработки большого количества деталей при обеспечении высокого качества их обработки. 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 изобретения является повышение функциональных возможностей, повышения производительности и качества обработки длинномерных изделий за счет одновременного или последовательного использования технологий, основанных на методах вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий.
Технический результат достигается тем, что установка для комплексной ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий, содержащая цилиндрическую вакуумную камеру с загрузочной дверью, оснащенную фланцевыми соединениями для установки технологических модулей, вакуумопровода, вакуумных насосов и вакуумных вводов, поворотное приспособление для размещения обрабатываемых изделий, технологические модули, систему подачи газов, откачную систему, источники питания и блок управления, в отличие от прототипа, в качестве технологических модулей установка содержит источники ускоренных ионов металлов и газов, протяженный вакуумно-дуговой генератор металлической плазмы, протяженный дуальный магнетрон, протяженный генератор газовой плазмы, причем вакуумная камера выполнена из немагнитной нержавеющей стали размерами: диаметр от 900 мм до 1000 мм, высота от 1300 мм до 1400 мм, а поворотное приспособление для размещения обрабатываемых изделий выполнено с возможностью размещения длинномерных изделий; кроме того, установка может иметь не менее шести мест для установки технологических модулей, а система подачи газов имеет от двух до восьми каналов для подачи газов, а плоскость разъема загрузочной двери отсекает часть обечайки вакуумной камеры в плоскости параллельной плоскости, проходящей через вертикальную ось обечайки вакуумной камеры; кроме того, установка может быть снабжена по крайней мере тремя вакуумно-дуговыми генераторами металлической плазмы, по крайней мере одним магнетронным испарителем, по крайней мере одним устройством для имплантации газов, по крайней мере одним устройством для имплантации металлов и по крайней мере одним устройством для ассистирующих ионов.
Технический результат достигается также тем, что установка содержит вакуумно-дуговой генератор металлической плазмы, дуальный магнетрон, генератор газовой плазмы, выполнены с длиной рабочей части от 900 до 1000 мм, причем их продольные оси параллельны вертикальной оси вакуумной камеры установки, а электродуговые испарители снабжены плазменными фильтрами для отделения капельной фазы.
2
Технический результат достигается также тем, что установка может быть снабжена высокочастотным источником питания напряжением от 100 B до 5000 B и током до 60 A, а вакуумная камера может быть выполнена с водяной рубашкой охлаждения, обеспечивающей охлаждение вакуумных уплотнений и теплоотвод от камеры до 30 кВт, снабженной на выходном коллекторе датчиком температуры и выдерживающей водяное давление до 6 кгс/см.
Технический результат достигается также тем, что внутренняя поверхность стенки вакуумной камеры снабжена секционными, быстросъемными экранами из нержавеющей стали, выполненными с возможностью предохранения поверхности стенок от запыления и имеющими вырезы и отверстая, соответствующие размерам и расположению соответствующих фланцевых соединений и вакуумных вводов, а вакуумные уплотнения выполнены из материала, обеспечивающего герметичность при температурах до 300-350°C, а входы вращения и подачи высокого напряжения на изделия оснащены изоляцией выдерживающей рабочие напряжения U=6 кВ.
Технический результат достигается также тем, что, установка снабжена: термопарными и ионизационными датчиками давления, выполненными с возможностью их совместной работы; источниками ускоренных ионов металлов и газов, выполненных на одной базе с возможностью изменения сорта ускоряемых ионов; источником ускоренных ионов плазмы основанном на импульсно-периодическом формировании ионного пучка из очищенной от микрокапельной фракции плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда; причем источник ионов металлов снабжен двумя, аксиально-симметричными апертурами, обеспечивающими равномерность распределения плотности ионного тока в соответствие с заданными режимами обработки протяженных изделий, а ионный источник снабжен диодным блоком выполненным с возможностью обеспечения извлечения ионов из плазменного потока и отсечки от ускоряющего зазора вторичных и плазменных электронов.
Технический результат достигается также тем, что: ионный источник выполнен с возможностью обеспечения свободного доступа для смены катодов и сервисного обслуживания диодного блока; ионный источник выполнен с возможностью обеспечения длительной работы при температуре до 400°C; ионный источник металлов содержит вакуумно-дуговой генератор плазмы с дуговым испарителем, источником питания и системой поджига, высоковольтный изолятор с элементами гальванической развязки, плазменный фильтр с источниками питания, сеточную систему, систему охлаждения с дистиллированной водой, высоковольтный импульсный генератор, генератор импульсов отсечки, систему управления и контроля параметров ионного источника металлов, причем высоковольтный генератор ионного источника, выполнен с возможностью обеспечения импульсно-периодического режима формирования ускоряющего напряжения и напряжения для отсечки вторичных и плазменных электронов, а также с возможностью дискретного изменения ускоряющего напряжения со значениями: 20 кВ, 30 кВ, 40 кВ, а система управления ионного источника выполнена с возможностью обеспечения подключения энергопотребляемых элементов установки к сети переменного напряжения, формирования управляющих сигналов и контроля параметров ионного источника, при обеспечении всех конструкционных элементов ионного источника защитным заземлением.
Технический результат достигается также тем, что: ионный источник газов содержит два плазменных катода, установленных на торцах полого цилиндрического электрода, выполненного с возможностью генерирования плазмы тлеющего разряда, с последующим извлечением и ускорением ионов в диодной системе, плазменный ионный источник, источник постоянного высокого напряжения, импульсный источник питания первой ступени разряда, источник питания второй ступени разряда, источник напряжения отсечки вторичных электронов, причем ионный источник газов снабжен стойкой питания ионных источников, содержащей систему питания с маслонаполненными баками, систему забора и слива масла, систему контроля уровня и температуры масла, исполнительные механизмы, содержащие приводы, редукторы, шаговые и асинхронные двигатели, блок сетевого питания, дублирующий блок управления, механизм смены источников, причем генератор газовой плазмы выполнен протяженным размерами 1000 мм×100 мм, а стойка управления ионного источника газов, содержит источник питания дугового разряда силой тока до 200 A, источник питания накаленных катодов, источник питания электромагнитных систем.
Технический результат достигается также тем, что установка выполнена по крайней мере с тремя протяженными электродуговыми испарителями снабженными катодами размерами 1000 мм×120 мм×30 мм, по крайней мере двумя датчики крайних положений дуги, электромагнитной системой для стабилизации горения дуги, поджигающим устройством, по крайней мере двумя инверторными источники питания дуги, силовыми распределителями, коммутаторами, по крайней мере одним дополнительным развитым анодом для стабилизации горения дуги. Технический результат достигается также тем, что установка содержит источник питания потенциала смещения величиной тока 50 α и напряжением 900 В, инверторы электрического смещения, ключ дугогашения выполненные с возможностью обеспечения: в режиме тлеющего разряда напряжения U=от 350 B до 900 B, ионный ток I=от 1 A до 8 A, в режиме ионной очистки напряжения U=от 350 B до 900 B, ионный ток I=32 A, в режиме напыления напряжения U=от 30 B до 350 B, ионный ток I=50 A.
2
2
3
Технический результат достигается также тем, что: дуальный магнетрон выполнен с возможностью получения окисных пленок MeO, MeO, где в качестве Me используется Al, Ti, Zr; дуальный магнетрон выполнен с возможностью получения соединений аргона, азота, кислорода и их смесей с металлами.
Технический результат достигается также тем, что установка содержит: 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; нижний уровень системы автоматизации включающий 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; средний уровень системы автоматизации включающий программируемый логический контроллер, модули ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, адаптер, источники питания.
Технический результат достигается также тем, что установка содержит: отдельную стойку управления и питания, выполненную с возможностью размещения источников питания генераторов плазмы, потенциала смещения, систем диагностики и управления установкой, причем стойка управления и питания содержит: сетевое и коммутационное оборудование, стойку вакуумной камеры, стойки с источниками питания, распределительные электрические шкафы, силовые и коммуникационные магистрали, блок сетевого питания, включающий рубильники, распределительные щиты, пускатели, предохранители, блокировки, сигнализации и систему охлаждения, включающую: распределительный щит, разводку, управляемые клапаны.
Технический результат достигается также тем, что установка содержит: технологические модули, выполненные с возможностью: обеспечения процессов ионной очистки поверхности материалов, обеспечения высококонцентрационной ионной имплантации, обеспечения формирования переходных слоев между основой и покрытием, обеспечения осаждения покрытий в условиях ионного ассистирования с возможностью обеспечения регулирования интенсивностью последовательного и/или совместного воздействия на поверхность потоков плазмы и ускоренных ионов, с возможностью обеспечения комбинированных режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов с возможностью обеспечения условий реализации процессов в едином вакуумном объеме и технологическом цикле различных видов энергетического воздействия, включая следующие сочетания: имплантация ионов газа или металла, ионная очистка с использованием генератора газовой или металлической плазмы в условиях формирования на обрабатываемых деталях непрерывного отрицательного потенциала смещения, осаждение покрытий из плазмы вакуумной дуги и/или магнетронного разряда, осаждение покрытия из плазмы вакуумной дуги и магнетронного разряда одновременно в условиях ионного ассистирования протяженным генератором газовой плазмы.
Технический результат достигается также тем, что установка снабжена: инверторным источником питания смещения напряжением до 1000 B и током до 60 A; по крайней мере одним инверторным источником питания с коммутаторами напряжением до 25 B и током до 400 A, выполненными с возможностью подключения к электродуговым испарителям; по крайней мере, одним высокоэнергетическим источником для ионной имплантации газа с энергией до 50 кэВ и, по крайней мере, одним высокоэнергетическим источником металлической плазмы с энергией до 50 кэВ.
Достижение технического результата объясняется следующим.
Предлагаемая установка позволяет, в отличие от прототипа, за счет использования протяженных электродуговых источников и источников металлической плазмы, более эффективно использовать объем камеры. При этом процессы имплантации, ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий, осуществляемые в одном технологическом цикле установки, позволяют достичь более высокого качества обработки длинномерных деталей или большого количества одновременно обрабатываемых деталей. Кроме того, равномерное распределение плазмы в объеме вакуумной камеры позволяет обеспечивать качественную обработку изделий как при вращении деталей вокруг собственной оси, так и без их вращения.
В качестве устройства для ионной имплантации в установке, наряду с другими устройствами, может использоваться 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.
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 электродуговых испарителей могут быть выполнены размерами 1000 мм×120 мм×30 мм
Одной из особенностей предлагаемой установки является конструкция вакуумной камеры предлагаемой установки, обеспечивающая легкий доступ во внутренний объем камеры, в частности за счет разъема двери, проходящего. Наличие внутренних объемов дверей и их массивность позволяет достаточно легко монтировать непосредственно на стенках дверей значительное количество ионно-плазменных устройств различного назначения и производить их техническое обслуживание. Так наличие люков в конструкции вакуумной камеры, позволяет более рационально использовать стенки камеры для монтажа технологических модулей и их элементов (ионно-плазменных источников, электродуговых испарителей, в том числе и протяженных, источников металлической и газовой плазмы, устройств для ионной имплантации и др. Технологический модуль предназначен для выполнения всех технологических этапов. В состав технологического модуля входят технологические блоки, предназначенные для выполнения одного из этапов технологического процесса). Цилиндрическая форма вакуумной камеры не имеет явно выраженных угловых «мертвых» зон, образованных, как, например в кубическом варианте между гранями вертикальных стенок камеры [патент РФ №2294395, МПК C23C 14/34, Опубл.: 2007.02.27]. При этом использование протяженных люков и массивной загрузочной двери в предлагаемой установке с цилиндрической вакуумной камерой, позволяет сохранить преимущества кубической конструкции камеры. При этом по сравнению с кубической камерой разъемная цилиндрическая конструкция создает условия для одновременной обработки и нанесения покрытий с гораздо большего числа ионно-плазменных устройств на обрабатываемую поверхность деталей. Все это обеспечивает повышение функциональных возможностей установки при оптимальном использовании ее рабочего объема, положительно отражается на технологичности ее изготовления и обслуживания, равномерности распределения плазмы во внутреннем пространстве вакуумной камеры.
Высота и внутренний объем вакуумной камеры должны быть достаточными для свободного размещения технологических устройств и оснастки, а также обрабатываемых деталей. Исходя из обеспечения возможности обработки длинномерных изделий, в частности лопаток турбомашин, оптимальные размеры вакуумной камеры составляют: диаметр от 900 мм до 1000 мм, высота от 1300 мм до 1400 мм, причем, для обеспечения стабильности процесса, вакуумная камера выполнена из немагнитной нержавеющей стали.
Повышение функциональных свойств установки обеспечивается также использованием различных технологических модулей, выполненых с возможностью: обеспечения процессов ионной очистки поверхности материалов, обеспечения высококонцентрационной ионной имплантации, обеспечения формирования переходных слоев между основой и покрытием, обеспечения осаждения покрытий в условиях ионного ассистирования с возможностью обеспечения регулирования интенсивностью последовательного и/или совместного воздействия на поверхность потоков плазмы и ускоренных ионов, с возможностью обеспечения комбинированных режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов с возможностью обеспечения условий реализации процессов в едином вакуумном объеме и технологическом цикле различных видов энергетического воздействия, включая следующие сочетания: имплантация ионов газа или металла, ионная очистка с использованием генератора газовой или металлической плазмы в условиях формирования на обрабатываемых деталях непрерывного отрицательного потенциала смещения, осаждение покрытий из плазмы вакуумной дуги и/или магнетронного разряда, осаждение покрытия из плазмы вакуумной дуги и магнетронного разряда одновременно в условиях ионного ассистирования протяженным генератором газовой плазмы.
Кроме того, при использовании длинномерных держателей изделий, за один цикл возможна обработка либо одного длинномерного изделия, либо - нескольких изделий малого размера. Это обеспечивает высокую производительность установки.
Такое выполнение установки для вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий на поверхности длинномерных деталей позволяет упростить конструкцию, снизить затраты на изготовление и эксплуатацию, улучшить качество комплексной обработки поверхностей.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 и 2 показаны конструктивная схема предлагаемой установки (фиг.1 - вид сверху -поперечный разрез, фиг.2 - продольный разрез установки).
Установка для комплексной ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий содержит вакуумную камеру 1, выполненную из немагнитной нержавеющей стали в виде полой цилиндрической обечайки высотой от 1300 мм до 1400 мм и диаметром от 900 мм до 1000 мм, имеющую загрузочную дверь, плоскость разъема 9 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 технологические модули: протяженный вакуумно-дуговой генератор металлической плазмы 2, протяженный дуальный магнетрон 3, протяженный генератор газовой плазмы 4, источники ускоренных ионов металлов и газов 8 (кроме того, в состав в состав технологических модулей могут входить: обычные электродуговые испарители и магнетронные испарители, устройства для имплантации газов, устройства для имплантации металлов, устройства ионного ассистирования протяженным генератором газовой плазмы, устройства для ионно-лучевой обработки и нанесения покрытия, система подачи газов и др.). Вакуумная камера 1 снабжена рубашкой водяного охлаждения. Электродуговые испарители снабжены протяженными катодами выполненными в виде пластин длиной катоды электродуговых испарителей могут быть выполнены размерами 1000 мм×120 мм×30 мм (выбранными из диапазона: длина - от 500 до 2000 мм, ширина - от 50 до 300 мм, толщина - от 10 до 70 мм). В вакуумной камере 1 установлены защитные экраны 5 и подвижные защитные экраны с пневмоприводами, поворотное приспособление 11, снабженные держателями изделий и планетарным механизмом перемещения изделий 6, выполненных с возможностью вращения вокруг собственной оси и относительно центра вакуумной камеры 1. Обрабатываемые изделия 12 закрепляются в держателях изделий поворотного приспособления 11. Установка также снабжена дополнительным электродом.
Установка для комплексной ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий работает следующим образом. Обрабатываемые изделия 12 устанавливают в держателях изделий, затем закрывают дверь 9 вакуумной камеры 1, создают в вакуумной камере 1 вакуум, включают привод держателя изделий.
Затем производят обработку изделий одним из следующих способов: нагревом, химико-термической обработкой, ионной имплантацией, нанесением покрытия, или сочетанием этих способов.
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. Зажигают вакуумно-дуговой разряд между вакуумной камерой 1 и катодами электродуговых испарителей 2, закрытых поворотными экранами 7. Вакуумная камерой 1 выполняет роль анода вакуумно-дугового разряда. Затем подключают изделия к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда и зажигают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд между катодами 2 и изделиями 12. При этом изделия 12, которые служат анодом двухступенчатого вакуумно-дугового разряда интенсивно нагреваются электронами плазмы.
Химико-термическую обработку в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. Осуществляют нагрев изделий вышеописанным способом. Затем, подключая дополнительный электрод к положительному полюсу источника питания зажигают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд между катодами 2 и дополнительным электродом, являющимся анодом двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. В результате горения двухступенчатого вакуумно-дугового разряда 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.
Зажигают вакуумно-дуговой разряд между катодами электродугового испарителя 2 и вакуумной камерой 1. Зажигают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд. В результате горения двухступенчатого вакуумно-дугового разряда 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. 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 электродуговых испарителей 2 открывают, отводя в сторону оптически непрозрачные поворотные экраны. Зажигают вакуумно-дуговой разряд между катодами 2 и вакуумной камерой 1, являющейся анодом вакуумно-дугового разряда. В результате горения вакуумно-дугового разряда в камере образуется металло-газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, ионы металла катодов, электроны и нейтральные частицы. На изделия 12 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. Покрытия также могут быть нанесены электронно-лучевым или магнетронным методами.
Смотровые окна 10 со шторками служат для наблюдения за процессами, протекающими в установке. Привод 11 с регулируемой скоростью вращения, позволяет более целенаправленно регулировать процессами обработки поверхности изделий 12. Высоковольтный ввод 13 служит для надежного подвода высокого напряжения в вакуумную камеру 1 установки.
В отличие от прототипа, предлагаемая установка для комплексной ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий имеет более удобную для технического обслуживания конструкцию вакуумной камеры. Известно, что от качества подготовки камеры и устройств, для обработки деталей зависит качество и надежность формируемых поверхностей деталей. Поэтому, удобство и легкость технического обслуживания не только снижает трудоемкость подготовки, но и сказывается на качестве обработки деталей. Кроме того, конструкция цилиндрической камеры, имеющая значительную высоту рабочей части, в сочетании с протяженными ионно-плазменными устройствами (испарителями, устройствами для ионной имплантации и др.) обеспечивает равномерный процесс обработки деталей, а также расширяет технологические возможности установки по сравнению с прототипом и с установками, например, установками с кубическими камерами, сохраняя преимущества последних.
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 ионно-плазменные устройства установки выполнены длиной до 1200 мм, что обеспечивает зону обработки установки достаточного для качественной обработки длинномерных изделий размера, что указывает на достижение поставленного в изобретении технического результата - повышения функциональных возможностей, повышения производительности и качества обработки длинномерных изделий за счет одновременного или последовательного использования технологий, основанных на методах вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий.
Пример. В таблице представлены технические характеристики варианта предлагаемой установки для комплексной ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий.
Таблица
Состав и технические характеристики комплексной установки
№
Наименование
Кол-во, шт.
1
Источник ионов металлов
1
Ток ионов в импульсе, А
1,5
Плотность тока ионов в импульсе, мА/см<sup>2</sup>
2
Средняя плотность тока ионов, мкА/ см<sup>2</sup>
150
Длительность импульсов тока ионов, мкс
400
Частота следования импульсов тока ионов, с<sup>-1</sup>
До 200
Неравномерность распределения средней плотности тока ионов по сечению пучка, %
15-20
Ускоряющее напряжение, кВ
20/30/40
Размер выходной апертуры источника, мм
120×600
2
Источник ионов газов
1
Ток ионов в импульсе, А
2
Плотность тока ионов (Ar, N) в импульсе, мА/см<sup>2</sup>
3
Средняя плотность тока пучка газовых ионов, мкА/ см<sup>2</sup>
300
Длительность импульсов тока ионов, мкс
500
Частота следования импульсов тока ионов, с<sup>-1</sup>
200
Неравномерность распределения плотности тока ионов по сечению пучка, %
15-20
Ускоряющее напряжение, кB
20/30/40
Размер выходной апертуры источника, мм
100×600
3
Среднечастотный дуальный магнетрон
2
Размеры мишеней, мм
900/100
Напряжение разряда, кB
0,35-1
Ток разряда, A
до 30
Частота генерации разряда, с<sup>-1</sup>
до 4·10<sup>4</sup>
Скорость нанесения покрытия на выходе магнетрона, мкм/ч
ДО 12
4
Генератор металлической плазмы
3
Размеры катода, мм
1000×120×30
Ток разряда, A
50…400
Напряжение горения дуги, B
20…30
Источник питания дуги с коммутатором переключения, типа
Sirion-500TG
Напряжение холостого хода, B
80…100
5
Генератор газовой плазмы
1
Ток разряда, A
200
Плотность ионного тока, мА/см<sup>2</sup>
До 10
Рабочие газы
аргон, азот, ацетилен
Размеры выходной апертуры источника, мм
100/600
Неравномерность распределения по сечению пучка, %
15…20
6
Источник смещения
1
Потенциал
Отрицательны постоянный
Диапазон изменения выходного напряжения источника, B
0-1000
Диапазоны изменения тока, A
0-50
В режиме ионной очистки U, B
0-900
В режиме ионной очистки I A
32
В режиме ионной напыления U, B
0-350
В режиме ионной напыления I A
50
Ключ дугогашения типа
ELS-48kW
Потребляемая мощность, кВт
48
7
Система автоматизации
1
Архитектура системы
Модульного типа
Интерфейс
RS232/RS 485
Скорость передачи данных ввода-вывода, Мбит/с
1,544
Среда программирования
ProWORX,  SCADA
8
Вакуумный пост
1
8.1
Вакуумная камера
1
Диаметр рабочей зоны, мм
до 900-1000
Высота, мм
до 1300-1400
Число позиций для размещения ионных источников и генераторов плазмы
6
Предельное остаточное давление, Па
6,6·10<sup>-3</sup>
Рабочее давление, Па
0,065-0,65
Время откачки до давления (6·10<sup>-3</sup> Па), мин
30
Величина натекания - не более, мкм. рт.ст./с
40
8.2
Система перемещения образцов
2
Тип механизма
Планетарный
Число позиций для размещения изделий, шт
12 и 24
Скорость вращения водила n, об/мин
1-10
Скорость вращения сателлитов n, об/мин
5-15
8.3
Турбомолекулярный насос
3
8.4
Форвакуумный агрегат
2
8.5
Высоковакуумный затвор
3
8.6
Регулятор расхода газов
6
Верхний предел регулирования и преобразования расхода газа, мл/мин
1-500
Избыточное давление, МПа
0.03-0.3
Быстродействие (время установления показаний), c
2
9
Система диагностики
1
9.1
Давления
На основе датчиков типа "Баратрон"
1
На основе датчиков термопарного и ионизационного типов, вакуумметр типа ВК-6
1
9.2
Температуры
1
Пирометр с оптическим фильтром, компьютерным интерфейсом и программным обеспечением
Диапазон измерения температуры, °C
25-1000
Длина волны измеряемого излучения, мкм
1-15
9.3
Цилиндр Фарадея с интегратором тока, компьютерным интерфейсом и программным обеспечением
1
9.4
Времяпролетный масс-спектрометр
1
Измеряемые параметры
Сорт и процентное содержание ионов в плазме
1
Процентное соотношение ионов различной зарядности
Тип ионов
Газовые, металлические
9.5
Визуальный контроль
9.5.1
Смотровое окно с защитными экранами и сменными оптическими фильтрами
6
10
Стойка управления и питания
1
11
Экспериментальный стенд
1
12
Комплект запасных частей
1
12.1
Вакуумные уплотнения, обеспечивающие герметичность при температуре до 300°C
20
12.2
Съемные фланцы для проведения испытаний камеры
6
12.3
Комплект запасных частей и принадлежностей, поставляемых заводом-изготовителем к серийно выпускаемому оборудованию
1
13
Комплект технической документации
1