Установка для нанесения защитных покрытий

 

Изобретение относится к получению защитных покрытий на изделиях авиационной техники, преимущественно на деталях газотурбинных двигателей. Изобретение направлено на повышение надежности работы установки и качества покрытий. Установка содержит корпус вакуумной камеры 1 с крышкой 25 и расположенные в ней подвижный катод 2, выполненный в виде цилиндрической обечайки из испаряемого материала и снабженный подвижным цилиндрическим магнитным фиксатором катодного пятна 5, электроизолированный держатель 10, снабженный системой защитных экранов и подключенный к отрицательному полюсу источника смещения потенциала 17, а также к приводу 12, обеспечивающему ему планетарное перемещение вокруг оси катода, охлаждаемый полый цилиндрический анод 3, снабженный магнитной катушкой 4 и соосно охватывающий катод 2 и держатель 10, защитный электроизолированный экран катода 6, кольцевые электроды 8 и 21, ограничивающие полость между анодом и катодом в осевом направлении, и возбудитель катодного пятна 7, патрубок 23, размещенный на крышке 21 вакуумной камеры в промежутке между катодом 2 и держателем 10, газоразрядный источник ионов 22, размещенный в патрубке 23 и снабженный со стороны вакуумной камеры заслонкой, закрывающей патрубок, и полым подвижным штоком 26, соединенным вне патрубка с механизмом 29, обеспечивающим перемещение газоразрядного источника ионов 22 в зону обработки покрываемых изделий, источник питания 28, соединенный с анодом и охлаждаемым корпусом газоразрядного источника 22 через полость подвижного штока 26, газовую систему 30, подающую рабочий газ в газоразрядный источник ионов 22 через полость подвижного штока 26 и регулирующую давление в вакуумной камере 1, концевой выключатель 27, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала от источника питания 28 на держатель 10 при введении газоразрядного источника ионов 22 в зону обработки, а также электронный ключ 19, включенный в цепь источника смещения потенциала 17 держателя, причем один из кольцевых электродов 21 крепится к крышке 25 вакуумной камеры при помощи электроизолированных подвесок, а другой кольцевой электрод 8 крепится к защитному экрану катода 6, содержащему основание 11, выполненное в виде охлаждаемой обечайки, закрепленной к вакуумной камере 1 соосно с катодом 2, позиции держателя 10 выполнены в виде трубок, соединенных между собой вне системы защитных экранов держателя при помощи кольца 9 с отверстиями, и снабжены подвижными втулками с уступом, удерживающими кольцо 9 от осевого перемещения и позволяющими проворачиваться позиции держателя относительно кольца 9. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к авиационному материаловедению и может найти применение для получения защитных покрытий из чистых металлов, многокомпонентных сплавов и соединений металлов (нитридов, карбидов и др.) на изделиях авиационной техники, преимущественно на деталях газотурбинных двигателей.

В промышленности широко известны установки для нанесения защитных покрытий путем осаждения из вакуумно-дуговой плазмы материала покрытия [1]. Такие установки содержат вакуумную камеру, в которой расположен катод, выполненный из материала покрытия, защитный экран катода, анод (обычно анодом является корпус вакуумной камеры), электроизолированный держатель, электрод для поджига вакуумной дуги и систему электропитания. Установки подобного типа используются для испарения токопроводящих материалов и нанесения упрочняющих покрытий ограниченной толщины (обычно не более 10 мкм) на режущий инструмент и детали машин из плазмы испаряемого материала.

Недостатками установок подобного типа являются ограниченный запас испаряемого материала катода и низкая их производительность, что не позволяет наносить защитные покрытия большой толщины (свыше 30-40 мкм) на детали машин в одном цикле напыления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является установка для нанесения защитных покрытий, преимущественно на лопатки газотурбинных двигателей [2], содержащая корпус вакуумной камеры с крышкой и расположенные в ней подвижный катод, выполненный в виде цилиндрической обечайки из испаряемого материала и снабженный подвижным цилиндрическим магнитным фиксатором катодного пятна, электроизолированый держатель с позициями вращения, снабженный системой защитных экранов и подключенный к отрицательному полюсу источника смещения потенциала, а также к приводу, обеспечивающему ему планетарное перемещение вокруг оси катода, охлаждаемый полый цилиндрический анод, снабженный магнитной катушкой и соосно охватывающий катод и держатель, защитный электроизолированный экран катода, кольцевые электроды, ограничивающие полость между анодом и катодом в осевом направлении и возбудитель катодного пятна.

Такое исполнение установки обеспечивает нанесение на изделия (в основном на лопатки турбин) защитных покрытий толщиной 80-100 мкм и более, что является ее основным преимуществом.

Недостатками установки являются низкая надежность ее работы и неудовлетворительное качество защитных покрытий (низкая адгезия), наносимых на полированные изделия, например лопатки компрессора ГТД, а также ее ограниченные технологические возможности.

Технической задачей данного изобретения является повышение надежности работы установки, обеспечение высокого качества покрытий, наносимых на полированные изделия, и повышение технологических возможностей установки при сохранении высокой повторяемости (~ 100%) параметров наносимых покрытий (толщины, адгезии, состава).

Это достигается тем, что установка для нанесения защитных покрытий, содержащая корпус вакуумной камеры с крышкой и расположенные в ней подвижный катод, выполненный в виде цилиндрической обечайки из испаряемого материала и снабженный подвижным цилиндрическим магнитным фиксатором катодного пятна, электроизолированый держатель с позициями вращения, снабженный системой защитных экранов и подключенный к отрицательному полюсу источника смещения потенциала, а также к приводу, обеспечивающему ему планетарное перемещение вокруг оси катода, охлаждаемый полый цилиндрический анод, снабженный магнитной катушкой и соосно охватывающий катод и держатель, защитный электроизолированный экран катода, кольцевые электроды, ограничивающие полость между анодом и катодом в осевом направлении и возбудитель катодного пятна, дополнительно содержит патрубок, размещенный на крышке вакуумной камеры в промежутке между катодом и держателем, газоразрядный источник ионов, размещенный в патрубке и снабженный со стороны вакуумной камеры заслонкой, закрывающей патрубок, и полым подвижным штоком, соединенным вне патрубка с механизмом, обеспечивающим перемещение газоразрядного источника ионов в зону обработки покрываемых изделий, источник питания, соединенный с анодом и охлаждаемым корпусом газоразрядного источника через полость подвижного штока, газовую систему, подающую рабочий газ в газоразрядный источник ионов через полость подвижного штока и регулирующую давление в вакуумной камере, концевой выключатель, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала от источника питания на держатель при введении газоразрядного источника ионов в зону обработки, а также электронный ключ, включенный в цепь источника смещения потенциала держателя, причем один из кольцевых электродов крепится к крышке вакуумной камеры при помощи электроизолированных подвесок, а другой кольцевой электрод крепится к защитному экрану катода, содержащему основание, выполненное в виде охлаждаемой обечайки, закрепленной к вакуумной камере соосно с катодом, позиции вращения держателя выполнены в виде трубок, соединенных между собой вне системы защитных экранов держателя при помощи кольца с отверстиями, и снабжены подвижными втулками с уступом, удерживающими кольцо от осевого перемещения и позволяющими проворачиваться позиции вращения держателя относительно кольца.

В качестве газоразрядного источника ионов используется источник с анодным слоем и замкнутым холловским током, а магнитный зазор источника выполнен в виде протяженного замкнутого овала с высотой, равной высоте зоны обработки установки.

Электронный ключ содержит транзистор, последовательно включенную с ним индуктивность, диод для сброса накопленной в индуктивности энергии, датчики тока и напряжения цепи источника смещения потенциала держателя и схему управления транзистором.

Одна из электроизолированных подвесок снабжена вне вакуумной камеры клеммой для подключения положительного полюса от источника смещения потенциала держателя.

Такое выполнение установки обеспечивает высокое качество покрытий, наносимых на полированные изделия, например лопатки компрессора газотурбинного двигателя, за счет проведения предварительной очистки полированной поверхности потоком газовых ионов, генерируемых газоразрядным источником ионов, снабженным газовой системой и соединенным вне патрубка с механизмом перемещения, обеспечивающим перемещение источника в зону обработки покрываемых изделий и подачу при этом отрицательного потенциала от источника питания газоразрядного источника ионов на держатель (держатель удерживает обрабатываемые изделия), что обеспечивает повторяемость режима очистки поверхности обрабатываемых изделий газовыми ионами. Высокое качество покрытий, наносимых на полированные изделия, обеспечиваются также последующей (после перемещения газоразрядного источника из зоны обработки в патрубок и закрытия патрубка заслонкой, предохраняющей источник от металлизации) очисткой этой поверхности потоком ионов материала покрытия при полном устранении эрозионных следов на поверхности обрабатываемых изделий за счет использования в цепи подачи потенциала смещения на держатель, электронного ключа, позволяющего надежно отключать потенциал на держателе до формирования на полированной поверхности изделия катодного пятна вакуумной дуги и последующего быстрого повторного включения потенциала на держатель, необходимого для проведения процесса ионной обработки. Применение электронного ключа при данном исполнении установки обеспечивает также повышение технологических возможностей установки, так как позволяет проводить наряду с нанесением защитных покрытий на изделия ионную обработку поверхности изделий (ионное травление и насыщение обрабатываемой поверхности ионами металлов и сплавов при потенциале на держателе свыше 300-400 В) при больших (до 50 А) ионных токах на обрабатываемых изделиях, достигаемых в установке при токах вакуумного дугового разряда 700-1000 А. Повышение надежности работы установки достигается охлаждением основания экрана катода (устранение нагрева днища вакуумной камеры и манжетного уплотнения электроизолированного полого штока катода, приводящее к ухудшению вакуума при длительной работе установки), креплением верхнего экрана установки к крышке вакуумной камеры (исключается возможность короткого замыкания экрана с анодом установки, что имеет место для прототипа из-за металлизации изоляторов, разделяющих экран от анода установки), соединением позиций планетарного привода вращения между собой при помощи кольца с отверстиями (устранение возможности короткого замыкания между электроизолированными позициями вращения держателя с системой защитных экранов держателя) при сохранении высокой повторяемости (~ 100%) параметров наносимых покрытий, присущей прототипу.

На фиг. 1 схематически изображена предлагаемая установка для нанесения защитных покрытий (общий вид); на фиг. 2 - схема поперечного сечения газоразрядного источника ионов; на фиг.3 - конструкция сочленения позиций держателя между собой при помощи кольца и втулок; на фиг.4 - принципиальная электрическая схема электронного ключа.

Установка содержит вакуумную камеру 1, катод 2 из испаряемого материала, анод 3, магнитную катушку анода 4, магнитный фиксатор катодного пятна 5, защитные экраны катода 6, возбудитель катодного пятна 7, кольцевые электроды 8 и 21, кольцо 9 держателя 10 обрабатываемых изделий 18, снабженного системой защитных экранов, охлаждаемое основание 11 экранов катода, выполненное в виде охлаждаемой обечайки, закрепленной к вакуумной камере 1, соосно с катодом 2, привод 12 держателя, обеспечивающий планетарное вращение обрабатываемых изделий 18 вокруг катода 2. Катод 2 выполнен в виде полой цилиндрической обечайки и установлен на охлаждаемом цилиндрическом стакане 20, который при помощи полого электроизолированного штока катода 13 кинематически связан с приводом перемещения катода 14. Магнитный фиксатор катодного пятна 5 при помощи полой штанги 15, размещенной соосно в полом штоке катода 13, кинематически связан с приводом 16, позволяющим изменять положение магнитного фиксатора катодного пятна 5 относительно держателя 10. Источник смещения потенциала 17 соединен отрицательной клеммой к держателю 10 и одновременно к обрабатываемым изделиям 18. Положительный полюс источника смещения потенциала 17 соединен через электронный ключ 19 к кольцевому электроду 21, который крепится к крышке вакуумной камеры 25 при помощи электроизолированных подвесок 33, одна из которых снабжена клеммой для подключения. Кольцевые электроды 8 и 21 ограничивают промежуток между катодом 2 и анодом 3 в осевом направлении. Установка содержит также газоразрядный источник ионов 22, убирающийся в патрубок 23, размещенный на крышке 25 вакуумной камеры 1 в промежутке между катодом 2 и держателем 10, причем магнитный зазор 24 источника ионов 22 выполнен в виде протяженного замкнутого овала с высотой, равной высоте зоны обработки установки. Источник ионов 22, выполненный, например, в виде источника с анодным слоем и замкнутым холловским током, соединен вне вакуумной камеры 1 посредством полого подвижного штока 26 с механизмом 29, обеспечивающим перемещение источника ионов 22 из патрубка 23 в зону обработки обрабатываемых изделий, и снабжен источником питания 28, соединенным с анодом 34 и корпусом газоразрядного источника 35 (фиг.2) через полость подвижного штока 26. Подвижный шток 26 кинематически связан с концевым выключателем 27 (на фиг.1 показано стрелкой), обеспечивающим подачу отрицательного потенциала от источника питания 28 на держатель 10 и, соответственно, на обрабатываемые изделия 18, при введении газоразрядного источника ионов 22 в зону обработки установки. Газоразрядный источник ионов 22 снабжен газовой системой 30 с электромагнитным клапаном 31, подающей рабочий газ в газоразрядный источник ионов 22, через полость подвижного штока 26, и регулирующей давление в вакуумной камере 1, а также заслонкой 32, закрывающей патрубок 23 и предохраняющей источник ионов 22 от металлизации. Источник ионов 22 с анодным слоем и замкнутым холловским током имеет корпус 35, выполненный в виде охлаждаемого магнитопровода, снабжен электромагнитной катушкой 36 (или постоянными магнитами, на фиг.2 не показано) и газораспределителем 37, обеспечивающим равномерную подачу рабочего газа в магнитный зазор 24.

Обрабатываемые изделия 18 размещаются при помощи технологической оснастки 38 (фиг. 3) на позиции вращения 40 держателя 10, выполненные в виде трубок, которые при помощи подвижных втулок 39 с уступом соединены между собой кольцом 9 с отверстиями, причем подвижные втулки с уступом удерживают кольцо 9 от осевого перемещения в сторону системы защитных экранов держателя 10 и позволяют проворачиваться позиции 40 держателя 10 относительно кольца 9 с отверстиями.

Электронный ключ 19 (фиг. 4) содержит транзистор 41, последовательно включенную с транзистором 41 индуктивность 43, диод 42 для сброса накопленной в индуктивности 43 энергии, датчики тока 44 и напряжения 45 цепи источника смещения потенциала 17, подающие сигнал на схему управления транзистором 46. Нагрузкой для источника смещения потенциала 17 является плазменный промежуток 47 между держателем 10 (обрабатываемыми изделиями 18) и кольцевым электродом 21.

Работа на установке осуществляется следующим образом.

Предварительно обезжиренные изделия 18 устанавливаются при помощи технологической оснастки 38 на позиции держателя 10. Крышка 25 герметично закрывается. В камере 1 создается вакуум 1•10^-3-1•10^-5 Па. После чего производится позиционирование магнитного фиксатора катодного пятна 5 относительно обрабатываемых изделий 18, установленных на держателе 10, посредством привода 16, кинематически связанного при помощи полой штанги 15 с магнитным фиксатором катодного пятна 5. Включается подача охлаждающей среды в корпус вакуумной камеры 1, цилиндрический стакан 20, анод 3, основание 11 системы защитных экранов 6 катода 2 и корпус газоразрядного источника ионов 22 (на фиг. 2 не показано). Затем включается привод 29, опускающий газоразрядный источник ионов 22 в зону обработки изделий. При этом включается концевой выключатель 27, соединяющий минусовую клемму источника питания 28 с держателем 10 и, соответственно, с обрабатываемыми изделиями 18. Затем включается источник питания 28 и устанавливается напряжение в 1,5-2,5 кВ между анодом 34 и корпусом источника 35 и включается планетарное вращение позиций 40 держателя 10 с обрабатываемыми изделиями 18. В таком состоянии установка готова к процессу ионной очистки обрабатываемых изделий 18 газовыми ионами, который начинается после включения газовой системы 30 и регулирования подачи рабочего газа в газоразрядный источник ионов 22 по току ионов источника (0,2-0,3 А) и давлению газа в вакуумной камере, которое обычно составляет (1-3) •10^-2 Па. Затем устанавливаются режимные значения напряжения и тока на газоразрядном источнике ионов 22 и начинается процесс ионной очистки изделий 18 газовыми ионам (обычно используется Ar). После завершения ионной очистки поверхности обрабатываемых изделий 18 (длительность ~20 минут), источник питания 28 и газовая система 30 отключаются, включается привод 29 и источник ионов перемещается в патрубок 23, который закрывается заслонкой 32, предохраняющей источник ионов от металлизации, источник питания 28 при помощи концевого выключателя 27 отключается от обрабатываемых изделий 18. Затем подается напряжение от соответствующих источников питания (на чертеже показаны не все источники питания) на магнитный фиксатор катодного пятна 5, магнитную катушку анода 4, межэлектродный промежуток, т.е. между катодом 2 и анодом 3. На изделия 18 подводится отрицательный потенциал от источника смещения потенциала 17 относительно кольцевого электрода 21. В таком состоянии установка полностью готова к процессу нанесения покрытий. К возбудителю катодного пятна 7 подводится напряжение, положительное по отношению к катоду 2 (см. фиг.1). Включается привод этого устройства, при этом поджигающий электрод устройства 7 приводится кратковременно в соприкосновение с катодом 2 и при его отделении от катода 2 на катоде возбуждается катодное пятно и зажигается вакуумный дуговой разряд между катодом 2 и анодом 3, горящий в парах испаряемого материала, из которого изготовлен катод 2. При наличии тока вакуумной дуги, происходит включение привода 14, кинематически связанного при помощи полой электроизолированной штанги 13 с катодом 2, приводящее к возвратно-поступательному перемещению катода 2 относительно магнитного фиксатора катодных пятен 5, удерживающего катодные пятна дуги на внешней поверхности катода 2 по кольцевой траектории. Далее происходит процесс окончательной ионной очистки поверхности покрываемых изделий 18 бомбардировкой ионами плазмы материала катода (покрытия) при напряжении 300-1000 В на источнике смещения потенциала 17. В процессе ионной очистки на поверхности полированных обрабатываемых изделий 18 начинают с большой частотой возникать микродуговые привязки, что приводит к кратковременному (10-200 мкс) прерыванию напряжения на держателе 10 до формирования катодного пятна на поверхности обрабатываемых изделий 18 при помощи электронного ключа 19, реагирующего за ~1-2 мкс на быстрое возрастание ионного тока (датчик 43) и снижение напряжения (датчик 45) в цепи источника смещения потенциала 17. Сигналы с датчиков 43 и 45 поступают на схему управления 46 электронного ключа 19, которая в свою очередь отключает транзистор 41 и удерживает его в выключенном состоянии в течение определенного интервала времени. При выключенном транзисторе 41, энергия, накопленная в индуктивности 43, рассеивается в плазменном промежутке 47 по цепи индуктивность 43 - плазменный промежуток 47 - диод 42. Использование предварительной ионной очистки поверхности обрабатываемых изделий 18 газовыми ионами позволяет при окончательной очистке поверхности ионами плазмы материала катода 2 и применении электронного ключа 19, обладающего высоким быстродействием, обеспечивает полное устранение эрозионных следов на поверхности обрабатываемых изделий от катодных пятен вакуумной дуги (микродуговых привязок), что гарантирует высокое качество покрытия на изделиях 18 с полированной поверхностью. После завершения ионной очистки поверхности обрабатываемых изделий 18, которая длится обычно 3-5 минут и контролируется по уменьшению частоты срабатывания электронного ключа 19, напряжение на изделиях от источника смещения потенциала 17 изменяется до режимного значения и начинается процесс обработки поверхности изделий. При напряжении источника смещения потенциала 17 в диапазоне 0-150 В имеет место преимущественное осаждение на поверхности изделий покрытия из материала катода 2. При напряжении источника смещения потенциала 17 в диапазоне 300-1000 В имеет место преимущественное ионное травление или насыщение поверхности металлическими ионами в зависимости от пары материалов - материала обрабатываемого изделия 18 и материала катода 2. После проведения требуемой обработки поверхности изделий 18, отключается электропитание вакуумной дуги, магнитного фиксатора катодных пятен 5, магнитной катушки анода 4, потенциала на держателе 10, привода вращения держателя 10 покрываемых (обрабатываемых) изделий и привода 14. После охлаждения обработанных изделий в высоком вакууме, производится напуск воздуха в камеру 1, снимается крышка 25 и из вакуумной камеры 1 извлекаются готовые изделия 18. При необходимости получения покрытий и обработки поверхности более чем одним материалом из двух слоев и различных материалов катод 2 выполняется из соответствующего числа полых цилиндрических обечаек, последовательно закрепленных на цилиндрическом стакане 20, а процесс обработки поверхности изделий осуществляется аналогично описанному выше. Для получения покрытий из нитридов и карбидов металлов процесс ведется при подаче в вакуумную камеру соответствующего реактивного газа - азота, ацетилена и т. д. от газовой системы 30.

В целом предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить надежность работы установки, повысить адгезию защитных и упрочняющих покрытий, наносимых на полированные изделия, и значительно расширить технологические возможности установки по сравнению с прототипом.

Применение изобретения в промышленности позволит проводить на едином оборудовании разные процессы ионной обработки поверхности, существенно повысить качество обработки и надежность работы установки, что даст значительный экономический эффект.

Литература 1. Патент Великобритании 1322670, кл. С 7 F, 1973.

2. Мубояджян С.Н. и др. "Промышленная установка МАП-1 для нанесения защитных покрытий различного назначения", Авиационная промышленность, 1995, 7-8, с.44-48.

Формула изобретения

1. Установка для нанесения защитных покрытий, содержащая корпус вакуумной камеры с крышкой и расположенные в ней подвижный катод, выполненный в виде цилиндрической обечайки из испаряемого материала и снабженный подвижным цилиндрическим магнитным фиксатором катодного пятна, электроизолированный держатель с позициями вращения, снабженный системой защитных экранов и подключенный к отрицательному полюсу источника смещения потенциала, а также к приводу, обеспечивающему ему планетарное перемещение вокруг оси катода, охлаждаемый полый цилиндрический анод, снабженный магнитной катушкой и соосно охватывающий катод и держатель, защитный электроизолированный экран катода, кольцевые электроды, ограничивающие полость между анодом и катодом в осевом направлении, и возбудитель катодного пятна, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит патрубок, размещенный на крышке вакуумной камеры в промежутке между катодом и держателем, газоразрядный источник ионов, размещенный в патрубке и снабженный со стороны вакуумной камеры заслонкой, закрывающей патрубок, и полым подвижным штоком, соединенным вне патрубка с механизмом, обеспечивающим перемещение газоразрядного источника ионов в зону обработки покрываемых изделий, источник питания, соединенный с анодом и охлаждаемым корпусом газоразрядного источника через полость подвижного штока, газовую систему, подающую рабочий газ в газоразрядный источник ионов через полость подвижного штока и регулирующую давление в вакуумной камере, концевой выключатель, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала от источника питания на держатель при введении газоразрядного источника ионов в зону обработки, а также электронный ключ, включенный в цепь источника смещения потенциала держателя, причем один из кольцевых электродов крепится к крышке вакуумной камеры при помощи электроизолированных подвесок, а другой кольцевой электрод крепится к защитному экрану катода, содержащему основание, выполненное в виде охлаждаемой обечайки, закрепленной к вакуумной камере соосно с катодом, позиции вращения держателя выполнены в виде трубок, соединенных между собой вне системы защитных экранов держателя при помощи кольца с отверстиями, и снабжены подвижными втулками с уступом, удерживающими кольцо от осевого перемещения и позволяющими проворачиваться позиции вращения держателя относительно кольца.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве газоразрядного источника ионов используется источник с анодным слоем и замкнутым холловским током, а магнитный зазор источника выполнен в виде протяженного замкнутого овала с высотой, равной высоте зоны обработки установки.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что электронный ключ содержит транзистор, последовательно включенную с ним индуктивность, диод для сброса накопленной в индуктивности энергии, датчики тока и напряжения цепи источника смещения потенциала держателя и схему управления транзистором.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что одна из электроизолированных подвесок снабжена вне вакуумной камеры клеммой для подключения положительного полюса от источника смещения потенциала держателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4