Вакуумно-дуговой источник плазмы для обработки трубчатых изделий сложной геометрии

Изобретение относится к устройствам нанесения покрытий в вакууме и может найти применение для получения металлических покрытий на внутренних поверхностях трубчатых изделий со сплошными стенками и сложным внутренним рельефом. Вакуумно-дуговой источник плазмы содержит протяженный цилиндрический катод (1), катодные токоподводы (2) и (11), поджигающие электроды (4) и (10), устройство гашения дуги в виде реле времени с обмоткой (5), включенного размыкающей контактной парой в цепь питания дуги, и аноды (7) и (9), которые выполнены в виде хомута конической формы, охватывающего покрываемое трубчатое изделие (8) и электрически соединенные с реле времени с обмоткой (5), и коммутатор (12). Аноды (7) и (9), катодные токоподводы (2) и (11) и поджигающие электроды (4) и (10) расположены на противоположных концах протяженного цилиндрического катода (1). Концы цилиндрического катода (1) через токоподводы (2) и (11) и нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт первой контактной пары коммутатора (12) подсоединены к отрицательному полюсу источника питания (3) дуги. Аноды (7) и (9) через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт второй контактной пары коммутатора (12) подсоединены через размыкающую контактную пару реле времени к положительному полюсу источника питания (3) дуги. Поджигающие электроды (4) и (10) через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт третьей контактной пары коммутатора (12) подсоединены к положительному полюсу обмотки (5) реле времени. Такое выполнение источника плазмы позволило исключить несплошности покрытия на внутренних поверхностях сложного рельефа. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к устройствам нанесения покрытий в вакууме и может найти применение для получения металлических покрытий на внутренних поверхностях трубчатых изделий со сплошными стенками и сложным внутренним рельефом, содержащим канавки, проточки, резьбы и т.п.

Известны способы и устройства нанесения покрытий на внутреннюю поверхность трубчатых изделий в вакууме термическим испарением материала покрытия, например, патент РФ 2042739 и патент РФ 2024646.

Недостатком этих способов и устройств является достаточно низкая адгезия получаемых покрытий к подложке.

Известен вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий протяженный катод и протяженную магнитную систему, дугогасящий экран, поджигающий электрод и анод, отличающийся тем, что протяженная магнитная система выполнена таким образом, что составляющие вектора магнитной индукции по длине рабочей зоны лежат в плоскости, перпендикулярной оси (см. патент РФ 2072642).

Недостатком известного источника является сложность конструкции, не позволяющая наносить покрытия на внутренние поверхности трубчатых изделий со сплошными стенками.

Известен вакуумный источник плазмы протяженной конструкции импульсного действия, содержащий протяженный катод, анод, дугогасящий экран и поджигающий электрод (см. Н.З.Ветров, А.А.Лисенков. Вакуумно-дуговые источники плазмы протяженной конструкции. Материалы 4-й Международной конференции "Вакуумные технологии и оборудование", ХФТИ. - Харьков, 2001, с.339-342).

В протяженном цилиндрическом испарителе импульсного действия на движение катодного пятна оказывает влияние магнитное поле токового канала в плазме и тока, протекающего по катоду. Силовые линии магнитных полей, создаваемые этими токами, в этом случае направлены тангенциально поверхности катода. Катодные пятна перемещаются от поджигающего электрода в сторону токового ввода, имея составляющие как продольного перемещения вдоль катода, так и азимутальную составляющую. Таким образом, катодное пятно, совершая вращательное движение вокруг цилиндрического катода, смещается в сторону токового ввода. Достигнув дугогасящего экрана, катодные пятна попадают в зазор между катодом и экраном, что и приводит к погасанию разряда. Время жизни катодных пятен на рабочей поверхности катода определяется временем их перемещения к дугогасящему экрану и зависит от величины разрядного тока.

Недостатками указанного устройства являются возникающие привязки дуги вблизи дугогасящего экрана и возникающие вследствие этого неравномерность выработки катода и утолщение покрытия изделия вблизи экрана.

Наиболее близким техническим решением к заявленному, является вакуумно-дуговой источник плазмы для обработки трубчатых изделий, содержащий протяженный цилиндрический катод, подсоединенный одним концом через токоподвод к отрицательному полюсу источника питания дуги, поджигающий электрод, расположенный с другого конца катода, анод и устройство гашения дуги, в котором устройство гашения дуги выполнено в виде реле времени с обмоткой, включенного размыкающей контактной парой в цепь питания дуги, а анод выполнен в виде хомута конической формы, охватывающего покрываемое трубчатое изделие и электрически соединенного с реле времени и размещенного со стороны катодного токоподвода, причем обмотка реле времени включена между катодным токоподводом и поджигающим электродом (см. патент РФ 2227173).

Недостатками данного устройства являются затенения и вызываемая ими несплошность покрытия на задних, по отношению к направлению движения дуги, склонах рельефа внутренней поверхности сложной формы.

Цель изобретения - повышение качества наносимого покрытия на внутреннюю поверхность изделия за счет симметричного выполнения источника.

Поставленная цель достигается тем, что в вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем протяженный цилиндрический катод, подсоединенный одним концом через токоподвод к отрицательному полюсу источника питания дуги, поджигающий электрод, расположенный с другого конца катода, устройство гашения дуги в виде реле времени с обмоткой, включенного размыкающей контактной парой в цепь питания дуги, и анод в виде хомута конической формы, охватывающего покрываемое трубчатое изделие и электрически соединенное с реле времени, обмотка которого включена между катодным токоподводом и поджигающим электродом, он снабжен вторым аналогично выполненным анодом, вторым поджигающим электродом и вторым катодным токоподводом, и коммутатором, причем аноды, катодные токоподводы и поджигающие электороды расположены на противоположных концах протяженного цилиндрического катода, концы которого через первый и второй токоподводы и нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт первой контактной пары коммутатора подсоединены к отрицательному полюсу источника питания дуги, первый и второй аноды через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт второй контактной пары коммутатора подсоединены через размыкающую контактную пару реле времени к положительному полюсу источника питания дуги, первый и второй поджигающие электроды через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт третьей контактной пары коммутатора подсоединены к положительному полюсу обмотки реле времени.

В вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем протяженный цилиндрический катод 1, подсоединенный одним концом через токоподвод 2 к отрицательному полюсу источника питания дуги 3, поджигающий электрод 4, расположенный с другого конца катода 1, устройство гашения дуги в виде реле времени с обмоткой 5, включенного размыкающей контактной парой 6 в цепь питания дуги, и анод 7 в виде хомута конической формы, охватывающего покрываемое трубчатое изделие 8 и электрически соединенное с реле времени, обмотка 5 которого включена между катодным токоподводом 2 и поджигающим электродом 4, он снабжен вторым аналогично выполненным анодом 9, вторым поджигающим электродом 10 и вторым катодным токоподводом 11, и коммутатором 12, причем аноды 7, 9, катодные токоподводы 2, 11 и поджигающие электороды 4, 10 расположены на противоположных концах протяженного цилиндрического катода 1, концы которого через первый и второй токоподводы 2, 11 и нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт первой контактной пары коммутатора 12 подсоединены к отрицательному полюсу источника 3 питания дуги, первый и второй аноды 8, 10 через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт второй контактной пары коммутатора 13 подсоединены через размыкающую контактную пару 6 реле времени к положительному полюсу источника 3 питания дуги, первый и второй поджигающие электроды 4, 10 через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт третьей контактной пары коммутатора 12 подсоединены к положительному полюсу обмотки реле 5 времени.

На чертеже представлена принципиальная схема, поясняющая работу устройства.

Принцип действия устройства следующий.

Между катодом 1 и анодом 7 устройства создается электрическое поле от источника 3 питания дуги. Затем подается поджигающий импульс А, который через поджигающий электрод 4 инициирует электродуговой разряд между катодом 1 и анодом 7. При этом фронтом поджигающего импульса запускается реле времени 5. Катодные пятна перемещаются по поверхности протяженного катода 1 от поджигающего электрода 4 в сторону катодного токоподвода 2, имея составляющие как продольного перемещения вдоль катода, так и азимутальную составляющую. Таким образом, катодное пятно, совершая вращательное движение вокруг цилиндрического катода, смещается в сторону токоподвода 2, достигая анода 7 за время Т. Реле времени 5, включенное своими контактами в цепь питания дуги, через время Т размыкает цепь питания дуги, что приводит к погасанию дуги. Время срабатывания реле выбирается экспериментально равным среднему времени прохождения катодного пятна по поверхности протяженного катода от поджигающего электрода до торца анода с меньшим внутренним диаметром. После погасания дуги подается следующий поджигающий импульс А, причем следующий поджигающий импульс может быть подан через время не менее Т. В паузе между поджигающими импульсами А подается импульс переключения направления движения дуги В. При этом происходит переключение коммутатора 12. При включенном коммутаторе 12 подается поджигающий импульс А, который через поджигающий электрод 10 инициирует электродуговой разряд между катодом 1 и анодом 9. При этом фронтом поджигающего импульса запускается реле времени 5. Катодные пятна перемещаются по поверхности протяженного катода 1 от поджигающего электрода 10 в сторону катодного токоподвода 11, имея составляющие как продольного перемещения вдоль катода, так и азимутальную составляющую. Таким образом, катодное пятно, совершая вращательное движение вокруг цилиндрического катода, смещается в сторону токоподвода 11, достигая анода 9 за то же время Т. Реле времени 5, включенное своими контактами в цепь питания дуги, через время Т размыкает цепь питания дуги, что приводит к погасанию дуги. После погасания дуги подается следующий поджигающий импульс А.

Количество необходимых циклов (поджигающих импульсов А) и переключений направления движения дуги (импульсов В) для получения покрытия для каждой детали сложной геометрии определяется экспериментально, исходя из необходимой толщины покрытия, формы рельефа поверхности, материала катода и величины дугового тока.

Применение предлагаемого источника с достижением положительного эффекта экспериментально проверено в процессе нанесения вакуумного покрытия в сравнении с наиболее близким техническим решением - вакуумно-дуговым источником плазмы для обработки трубчатых изделий (патент РФ 2227173). Результаты приведены в таблице.

Таблица. Результаты практического применения устройства
Изделие	Покрытие	Результат (заявляемый источник)	Результат (патент РФ 2227173)
втулки с внутренними ступенями внутренним диаметром 60 мм длиной 120 мм из стали 12Х18Н10Т	Титан, 10 мкм	Покрытие сплошное, однородное	Несплошность покрытия на обратной по отношению к поджигающему электроду поверхности ступеней рельефа
втулки с внутренними ступенями внутренним диаметром 60 мм длиной 120 мм из стали 12Х18Н10Т	Никель, 10 мкм	Покрытие сплошное, однородное	Несплошность покрытия на обратной по отношению к поджигающему электроду поверхности ступеней рельефа
втулки внутренним диаметром 80 мм длиной 170 мм с резьбовым рельефом и ступенчатыми выступами из стали 08Х18Н10Т	Титан, 5 мкм	Покрытие сплошное, однородное, отклонение толщины не более 15%	Несплошность покрытия на обратной по отношению к поджигающему электроду поверхности резьбы и ступеней рельефа
втулки внутренним диаметром 80 мм длиной 170 мм с резьбовым рельефом и ступенчатыми выступами из стали 08Х18Н10Т	Никель, 5 мкм	Покрытие сплошное, однородное, отклонение толщины не более 15%	Несплошность покрытия на обратной по отношению к поджигающему электроду поверхности резьбы и ступеней рельефа

Таким образом, применение данного устройства позволило исключить несплошность покрытия на внутренних поверхностях сложного рельефа, что подтверждено приведенными примерами.

Вакуумно-дуговой источник плазмы для обработки трубчатых изделий сложной геометрии, содержащий протяженный цилиндрический катод, подсоединенный одним концом через токоподвод к отрицательному полюсу источника питания дуги, поджигающий электрод, расположенный с другого конца катода, устройство гашения дуги в виде реле времени с обмоткой, включенного размыкающей контактной парой в цепь питания дуги, и анод в виде хомута конической формы, охватывающего покрываемое трубчатое изделие и электрически соединенное с реле времени, обмотка которого включена между катодным токоподводом и поджигающим электродом, отличающийся тем, что он снабжен вторым аналогично выполненным анодом, вторым поджигающим электродом и вторым катодным токоподводом и коммутатором, причем аноды, катодные токоподводы и поджигающие электроды расположены на противоположных концах протяженного цилиндрического катода, концы которого через 1-й и 2-й токоподводы и нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт первой контактной пары коммутатора подсоединены к отрицательному полюсу источника питания дуги, 1-й и 2-й аноды через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт второй контактной пары коммутатора подсоединены через размыкающую контактную пару реле времени к положительному полюсу источника питания дуги, 1-й и 2-й поджигающие электроды через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт третьей контактной пары коммутатора подсоединены к положительному полюсу обмотки реле времени.