УСТАНОВКА ДЛЯ ВАКУУМНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ, ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ И НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Вакуумная ионно-плазменная установка предназначена обработки и нанесения покрытий на детали, относится к вакуумной ионно-плазменной и ионно-имплантационной технологии и может быть применена для обработки лопаток турбомашин, 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 вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий [Патент РФ №2294395, Установка для вакуумной ионно-плазменной обработки поверхностей. МПК С23С 14/34, опубл. 2007.02.27], содержащая вакуумную камеру с загрузочной дверью, имеющей разъемное, герметичное фланцевое соединение с вакуумной камерой установки и шарнирно закрепленной с помощью петель на корпусе камеры и фиксируемой с помощью клиновых затворов, поворотное приспособление для размещения изделий, по крайней мере один электродуговой испаритель, 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 1200x200 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 полезной модели является разработка конструкции установки для вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий обеспечивающей высокое качество обработки длинномерных деталей, а также повышения производительности за счет одновременной обработки большого количества деталей при обеспечении качества их обработки.
Технический результат достигается тем, что установка для вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий, содержащая вакуумную камеру с загрузочной дверью, имеющей разъемное, герметичное фланцевое соединение с вакуумной камерой установки и шарнирно закрепленной с помощью петель на корпусе камеры и фиксируемой с помощью клиновых затворов, поворотное приспособление для размещения изделий, по крайней мере один электродуговой испаритель, систему подачи газов, откачную систему, источники питания и блок управления, в отличие от прототипа, вакуумная камера установки выполнена в виде шестигранника, с вертикальными стенками-гранями, имеющими размеры: ширина грани от 400 мм до 2000 мм, высота грани от 600 мм до 3000 мм, причем, каждая из шести вертикальных стенок-граней вакуумной камеры снабжены, по крайней мере одним люком для установки технологического модуля, причем, как варианты: вакуумная камера выполнена в виде равностороннего шестигранника; одна из вертикальных стенок-граней камеры выполнена в виде загрузочной двери, имеющей разъемное герметичное фланцевое соединение с вакуумной камерой установки и шарнирно закрепленной с помощью петель на корпусе камеры и фиксируемой с помощью клиновых затворов; загрузочная дверь выполнена двухстворчатой, причем в качестве створок двери используют две соседние вертикальные стенки-грани камеры; загрузочная дверь выполнена двухстворчатой, причем в качестве створок двери используют две соседние вертикальные стенки-грани камеры; разъем загрузочной двери образован сечением вертикальной плоскостью, проходящей через две соседние вертикальные стенки-грани и прилегающие к ним верхнюю и нижнюю грани, а вертикальная плоскость проходит или через ребра соседних вертикальных стенок-граней, или через плоскость, параллельную плоскости, проходящей через ребра соседних вертикальных стенок-граней; установка снабжена дополнительной загрузочной дверью, расположенной симметрично первой загрузочной двери, а дополнительная загрузочная дверь имеет те же размеры, что и первая загрузочная дверь.
Технический результат достигается также тем, что установка снабжена по крайней мере одним высокоэнергетическим источником для ионной имплантации газа с энергией до 50 кэВ или одним высокоэнергетическим источником металлической плазмы с энергией до 50 кэВ. Технический результат достигается также тем, что установка снабжена 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.
Технический результат достигается также тем, что верхняя грань выполнена с вертикальным люком, при этом загрузочная дверь и вертикальный люк выполнены с возможностью установки дополнительных источников плазмы.
Технический результат достигается также тем, что по крайней мере, один из катодов электродуговых испарителей выполнен 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 по крайней мере, один из высокоэнергетических источников металлической плазмы снабжен протяженным электродуговым испарителем, выполненным 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 вакуумная камера выполнена в виде каркаса, образованного ребрами граней шестигранной призмы, снабженного верхней и нижней крышкой и боковыми стенками, образованными загрузочными дверьми, причем, по крайней мере, одна загрузочная дверь может быть выполнена с возможностью электроизоляции от вакуумной камеры установки.
Технический результат достигается также тем, что источники металлической плазмы и электродуговые испарители снабжены средствами для фильтрования плазмы от капельной фазы.
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 в виде пластин длиной от 500 до 2000 мм, шириной от 50 до 300 мм и толщиной от 10 до 70 мм.
Одной из особенностей предлагаемой установки является шестигранная конструкция вакуумной камеры предлагаемой установки. В отличие от известных цилиндрических и кубических конструкций шестигранная конструкция, за счет использования преимуществ цилиндрических и кубических конструкций вакуумных камер позволяет достичь ряда новых эффектов. Наличие плоских граней шестигранной конструкции позволяет, как и в кубической конструкции, более рационально использовать стенки камеры для монтажа технологичеких 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).Плоские грани позволяют достаточно легко формировать варианты конструкций камеры с дверями-люками, обеспечивающими более легкий доступ во внутренний объем камеры. В то же время, в отличие от кубической конструкции, шестигранная конструкция вакуумной камеры не имеет явно выраженных угловых «мертвых» зон, образованных между гранями вертикальных стенок камеры. Кроме того, шестигранная конструкция вакуумной камеры по сравнению с кубической создает условия для одновременного воздействия и/или нанесения шести видов материалов на обрабатываемую. Все 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 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: ширина грани от 400 мм до 2000 мм, высота грани от 600 мм до 3000 мм.
Вакуумная камера предлагаемой установки может быть выполнена с возможностью легкого техобслуживания, наладки монтажа или демонтажа дополнительных технологических модулей, в том числе и протяженных источников и испарителей. Вариант выполнения установки с каркасом, проходящим через все ребра шестигранной призмы и съемными стенками-дверями позволяет обеспечить наиболее эффективное обслуживание, а возможность электроизоляции секций-модулей, сформированных на базе каждой грани - увеличивает технологические возможности установки.
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.
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 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).
Установка для вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий содержит вакуумную камеру 1, выполненную в виде полой шестигранной призмы высотой Н (Н от 600 мм до 3000 мм) и шириной L стенки-грани 2 (L от 400 мм до 2000 мм), имеющую дверь 3 и откачную трубу 4, а также верхнюю крышку 5 и днище 6. На стенках вакуумной камеры 1 установлены технологические модули 7 (ионно-плазменные источники, электродуговые испарители, в том числе и протяженные, источники металлической и газовой плазмы, устройства для ионной имплантации и др.) Электродуговые испарители 7 с расположенными в вакуумной камере 1 протяженными катодами выполнены в виде пластин длиной а и шириной b. Держатели изделий 8 выполнены с возможностью вращения вокруг собственной оси и относительно центра вакуумной камеры 1. Обрабатываемые изделия 9 закрепляются в держателях изделий 8.
Вакуумная ионно-плазменная установка работает следующим образом. Обрабатываемые изделия 9 устанавливают в держателях изделий 8, затем закрывают дверь 3 вакуумной камеры 1, создают в вакуумной камере 1 вакуум, включают привод держателя изделий.
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. Зажигают вакуумно-дуговой разряд между катодами электродуговых испарителей 7, закрытых поворотными экранами (не показаны) и вакуумной камерой, являющейся анодом вакуумно-дугового разряда. Затем подключают изделия к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда и зажигают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд между катодами 7 и изделиями 9. При этом изделия, 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 7 к положительному полюсу источника питания зажигают двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд между катодами и дополнительным электродом 7, 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 и вакуумной камерой. 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 7 открывают, отводя в сторону оптически непрозрачные поворотные экраны. Зажигают вакуумно-дуговой разряд между катодами 7 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 9 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.
Режимы работы установки.
кк
см
1) Обработка в тлеющем разряде (параметры: рабочий газ - Ar, N; при заданных значениях рабочего давления (Р), обеспечиваемого РРГ камеры и напряжения тлеющего разряда (U); время обработки).
ки
ии
см
2) Обработка ионным источником (параметры: рабочий газ - Ar, N; при заданных значениях рабочего давления (Р), поддерживаемого в камере и обеспечиваемого РРГ ионного источника; заданного напряжения на ионном источнике (U); заданного напряжения на деталях (U); время обработки).
кк
Д
см
3) Ионная очистка дуговыми испарителями (параметры: рабочий газ - Аr; при заданных значениях рабочего давления (Р), поддерживаемого в камере и обеспечиваемого РРГ камеры; заданной величины тока, подаваемого на дуговой испаритель (I); заданного напряжения на деталях (U); время обработки; заданного режима и скорости движения области катодных пятен вниз и вверх по длине катода (при вертикальном положении катода)).
кк
ки
д
см
4) Нанесение покрытия (режимы задаются в зависимости от конкретного химического состава и конструкции покрытия, в частности толщины слоев; задаются значения рабочего давления (Р), поддерживаемого в камере и обеспечиваемого РРГ камеры и рабочего давления (Р), обеспечиваемого РРГ ионного источника; задаются параметры работы дуговых испарителей; заданной величины тока, подаваемого на дуговой испаритель (I); заданного напряжения на деталях (U); время обработки; заданного режима и скорости движения области катодных пятен вниз и вверх по длине катода).
кк
ки
см
- Ионно-имплантационная обработка (режимы задаются в зависимости от заданных параметров получаемого имплантационного слоя; задаются значения рабочего давления (Р), поддерживаемого в камере и обеспечиваемого РРГ камеры и рабочего давления (Р); задаются параметры работы имплантера; заданного напряжения на деталях (U)).
Техническим результатом полезной модели является разработка конструкции установки для вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации и нанесения покрытий обеспечивающей высокое качество обработки длинномерных деталей, а также повышения производительности за счет одновременной обработки большого количества деталей при обеспечении качества их обработки.
В отличие от прототипа, предлагаемая установка для вакуумной ионно-плазменной обработки, ионной имплантации 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 камеры в виде шестигранника обеспечивает равномерный процесс обработки деталей, а также расширяет технологические возможности установки по сравнению с кубической камерой, сохраняя преимущества последней. Расширению технологических возможностей установки способствует также возможность электроизоляции стенок, в том числе и в процессе обработки детали.
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.