Способ нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские поверхности детали и устройство для его реализации (варианты)
Владельцы патента RU 2450086:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский институт "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ") (RU)
Изобретение относится к способу нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности деталей и устройству для его реализации. Технический результат - повышение качества покрытия и однородности его свойств на всей площади обрабатываемой поверхности плоской детали. Способ включает установку на держателе карусели в вакуумной камере по крайней мере одной плоской детали, приведение карусели во вращение и формирование нанокомпозитного покрытия на плоской детали с помощью установленных в вакуумной камере источников распыляемого материала. При прохождении детали перед источником распыляемого материала ее ориентируют с расположением обрабатываемой плоской поверхности перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, параллельные друг другу и фиксируют деталь относительно оси держателя. При этом вне области осаждения распыляемого материала осуществляют разворот детали на 180° относительно оси держателя. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методам формирования защитных покрытий на плоских деталях, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам, воздействию агрессивной рабочей среды. Изобретение может быть использовано для защиты элементов запорно-регулирующей арматуры, используемой для добычи и транспортировки нефти и газа, от эрозии и коррозии.
Известны способы нанесения нанокомпозитных покрытий с периодической структурой методом магнетронного распыления, при которых обрабатываемые детали устанавливают с помощью держателей на карусель, расположенную в вакуумной камере (см. RU №2308538, МПК8 С23С 14/35, опубл. 20.10.2007). Карусель и держатели одновременно вращаются относительно своих осей, таким образом, детали совершают планетарное движение, позволяющее осуществить напыление со всех сторон при их прохождении перед источниками распыляемого материала, в указанном патенте - магнетронов, установленных с внешней стороны карусели. Деталями с плоскими поверхностями (плоскими деталями) считаются детали, имеющие две плоские поверхности, параллельные друг другу. Примерами плоской детали могут быть шиберная задвижка, седло шиберной задвижки.
Недостатком установки является различная скорость роста покрытия на центральной части детали и ее краях, неравномерность нагрева центральной части детали и ее краев, поверхность детали периодически экспонируется под острыми углами, что ведет к огрублению покрытия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ для формирования покрытия с помощью распыления (см. публикация US №20040026240, МПК С23С 14/00, опубл. 12.02.2004), заключающийся в размещении на карусели в вакуумной камере, по крайней мере, одной плоской, приведении карусели во вращение и формировании нанокомпозитного покрытия на плоской детали с помощью установленных в вакуумной камере источников распыляемого материала. Плоские детали, расположенные на карусели, не вращаются вокруг собственной оси и расположены так, что обеспечивается относительное постоянство расстояний от магнетрона до различных областей детали и устраняется экспозиция детали под острыми углами. Недостатком способа является отсутствие обработки детали с другой стороны, необходимость дублирования с внутренней стороны карусели всех магнетронов, установленных с внешней стороны, для обработки детали с другой стороны и нанесения чередующихся слоев из разных материалов, менее эффективная обработка плоских поверхностей ионным пучком.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для формирования покрытия на плоские поверхности детали с помощью распыления (см. публикация US №2004/0026240, МПК С23С 14/00, опубл. 12.02.2004), содержащее установленный в вакуумной камере по меньшей мере один источник распыляемого материала, карусель, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель плоской детали.
Недостатками такого устройства является отсутствие обработки детали с другой стороны, необходимость дублирования с внутренней стороны карусели всех магнетронов, установленных с внешней стороны, для обработки детали с другой стороны и нанесения чередующихся слоев из разных материалов, менее эффективная обработка плоских поверхностей ионным пучком.
Технической задачей изобретения является повышение качества нанокомпозитного покрытия и однородности его свойств на всей площади обрабатываемой поверхности плоской детали.
Эта техническая задача в способе решается тем, что в известном способе нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские поверхности детали, включающем установку на держателе карусели в вакуумной камере, по крайней мере, одной плоской детали с возможностью ее планетарного вращения, приведении карусели во вращение и формировании нанокомпозитного покрытия на плоской детали с помощью установленных в вакуумной камере источников распыляемого материала, при прохождении детали перед источником распыляемого материала ее ориентируют с расположением обрабатываемой плоской поверхности перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, параллельные друг другу, и фиксируют деталь относительно оси держателя, а вне области осаждения распыляемого материала осуществляют разворот детали на 180° относительно оси держателя.
Кроме того, во время разворота детали на 180° ее обрабатывают ионным пучком.
Эта техническая задача в устройстве решается тем, что в известном устройстве для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали, содержащем установленный в вакуумной камере по меньшей мере один источник распыляемого материала, карусель, на которой размещен, по меньшей мере держатель плоской детали, перед источником распыляемого материала деталь установлена неподвижно относительно оси держателя и держатель детали выполнен с возможностью расположения ее плоской обрабатываемой поверхности перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, параллельные друг другу, при прохождении детали перед источником распыляемого материала, а вне области осаждения распыляемого материала размещен узел разворота, установленный с возможностью разворота детали на 180° относительно оси держателя.
Кроме того, в устройстве источник распыляемого материала может быть выполнен в виде N магнетронов, где N - целое число и N≥1.
Источник распыляемого материала может быть выполнен в виде N электродуговых источников, где N - целое число и N≥1.
Кроме того, в устройстве количество источников распыляемого материала может быть выбрано М, где М - целое четное число и М≥2, причем источники распыляемого материала установлены парами напротив друг друга на расстоянии, обеспечивающем прохождение детали между ними.
Мишени источников распыляемого материала могут быть выполнены из разных материалов.
В другом варианте выполнения известное устройство для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали, содержащее установленный в вакуумной камере по меньшей мере один источник распыляемого материала, карусель, на которой размещен, по меньшей мере держатель плоской детали, снабжено ионным источником, установленным так, что ионный пучок воздействует на поверхность при развороте детали на 180°, а перед источником распыляемого материала деталь установлена неподвижно относительно оси держателя и держатель детали выполнен с возможностью расположения ее плоской обрабатываемой поверхности перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, параллельные друг другу, при прохождении детали перед источником распыляемого материала, а вне области осаждения распыляемого материала размещен узел разворота, установленный с возможностью разворота детали на 180° относительно оси держателя.
Расстояние от источника распыляемого материала до детали при ее прохождении перед ним целесообразно делать небольшим для повышения интенсивности напыления. Поскольку ширина детали мала по сравнению с радиусом карусели, траектория движения детали при прохождении ее перед источником распыляемого материала близка к прямой линии, а обрабатываемая поверхность располагается приблизительно параллельно источнику распыляемого материала. Благодаря этому достигается одинаковая скорость роста покрытия и одинаковая температура во всех областях обрабатываемой поверхности плоской детали, что обеспечивает однородность свойств покрытия на обрабатываемой поверхности.
На некотором удалении от источника распыляемого материала установлен узел разворота детали, представляющий собой неподвижный относительно вакуумной камеры сектор зубчатого колеса. Под некоторым удалением имеется в виду такое удаление, при котором осаждение на деталь распыляемых источником частиц пренебрежимо мало. При необходимости уменьшения такого удаления используют защитные экраны. Зубчатое колесо держателя контактирует с сектором зубчатого колеса и образует вместе с ним зубчатую передачу. Передаточное число этой зубчатой передачи выбирается таким образом, чтобы в ограниченной области контакта осуществить разворот детали на 180°. Зубчатая передача создает усилие, достаточное для освобождения держателя, при этом после разворота держатель снова фиксируется. При следующем прохождении детали перед источником распыляемого материала она окажется развернутой к нему другой стороной. Для нанесения чередующегося слоя из другого материала источник распыляемого материала, имеющий мишень из этого материала, установлен на некотором удалении от узла разворота детали. Применение ионного источника в области разворота детали на 180° для обработки поверхности ионным пучком перед нанесением каждого слоя способствует лучшей адгезии материала покрытия. Разворот детали при обработке пучком ионов ее поверхности обеспечивает требуемые острые углы экспозиции, соответствующие оптимальному режиму такой обработки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства для реализации способа нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские детали, на фиг.2 показан узел вращения детали в устройстве для реализации способа нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские детали, на фиг.3 показан общий вид другого варианта установки для реализации способа нанесения нанокомпозитного покрытий на плоские поверхности детали с ионным источником.
Устройство для реализации способа нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские поверхности детали 1 содержит вакуумную камеру 2, карусель 3, установленную в ней, при этом ось вращения 4 карусели 3 проходит в центре вакуумной камеры 2. Карусель 3 оснащена, по меньшей мере, одним держателем 5 детали 1, имеющим возможность поворачиваться вокруг собственной оси 6, которая параллельна оси вращения 4. Ось вращения 6 держателя 5 является собственной осью вращения детали 1 и может совпадать с осью симметрии детали 1. Установленная на держателе 5 деталь 1 ориентирована таким образом, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения 4 и 6, при этом держатель 5 механически зафиксирован на карусели 3.
Каждый держатель 5 содержит зубчатое колесо 7, расположенное на оси 6 держателя 5. На расстоянии от источника распыляемого материала 8 установлен узел разворота детали 1, представляющий собой неподвижный относительно вакуумной камеры 2 сектор зубчатого колеса 9. Зубчатое колесо 7 держателя 5 контактирует с сектором зубчатого колеса 9 узла разворота детали 1 и образует вместе с ним зубчатую передачу. Передаточное число этой зубчатой передачи выбирается таким образом, чтобы в ограниченной области контакта осуществить разворот детали на 180°.
В другом варианте исполнения установки для реализации способа нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские поверхности детали около узла разворота детали установлен ионный источник 10. Для нанесения чередующегося слоя из другого материала источник распыляемого материала 11, имеющий мишень 12 из этого материала, установлен на некотором удалении от узла разворота детали напротив источника распыляемого материала 8. Возможна установка нескольких источников распыляемого материала 13-14 с внешней и внутренней стороны карусели и нескольких узлов разворота, при этом дублирования источников распыляемого материала для нанесения чередующихся покрытий на разные стороны детали 1 не требуется. Возможна также одновременная обработка двух плоских поверхностей, для чего устанавливаются по два источника распыляемого материала 8 и 11 (или 13 и 14) напротив друг друга, при этом указанные источники могут иметь мишени 12 из разных материалов.
Устройство для реализации способа нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские поверхности детали работает следующим образом.
Карусель 3 и держатель 5 имеют возможность вращения относительно собственных осей 4 и 6, при этом оси 4 и 6 карусели 3 и держателя 5 параллельны друг другу. С внешней стороны карусели 3 расположен, по крайней мере, один источник распыляемого материала 8. Поскольку ширина детали 1 мала по сравнению с радиусом карусели 3, траектория движения детали 1 при прохождении ее перед источником распыляемого материала 8 близка к прямой линии, а обрабатываемая поверхность располагается параллельно источнику распыляемого материала 8. При прохождении перед источником распыляемого материала 8 закрепленная на держателе деталь 1 неподвижна относительно оси держателя 6 и ориентирована таким образом, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения 4 и 6 карусели 3 и держателя 5, что приводит к одинаковой скорости роста покрытия и одинаковой температуре во всех областях обрабатываемой поверхности плоской детали 1 и обеспечивает однородность свойств покрытия на обрабатываемой поверхности. Разворот детали на 180° относительно оси 6 держателя 5 осуществляется вне области осаждения распыляемого материала. Под расстоянием в изобретении подразумевает такое удаление, при котором осаждение на деталь 1 распыляемых источником 8 частиц пренебрежимо мало. При необходимости уменьшения такого расстояния используют защитные экраны.
Источник распыляемого материала 8 может быть выполнен в виде N магнетронов или электродуговых источников, где N - целое число и N≥1. Максимальное количество источников распыляемого материала 8 определяется размерами и конструктивными особенностями вакуумной камеры 2.
Устройство для реализации способа нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские детали может содержать четное количество источников распыляемого материала 8 и 11 (13 и 14), установленных друг напротив друга с возможностью прохождения детали между ними, при этом источники распыляемого материала 8, 11, 13, 14 могут иметь мишени 12 из разных материалов, а покрытие в этом случае наносится одновременно на две обрабатываемые поверхности детали 1. Разворот детали на 180° относительно оси держателя осуществляется при помощи зубчатой передачи, состоящей из зубчатого колеса 7, закрепленного на оси 6 держателя 5, и сектора зубчатого колеса 9, установленного неподвижно относительно вакуумной камеры 2. Зубчатая передача создает усилие, достаточное для освобождения держателя 5, при этом после разворота держатель 5 снова фиксируется. При следующем прохождении детали 1 перед источником распыляемого материала 8 она окажется развернутой к нему другой стороной.
Источников распыляемого материала может быть М штук, где М - целое четное число и М≥2, причем источники распыляемого материала установлены парами напротив друг друга на расстоянии, обеспечивающем прохождение детали между ними. Максимальное количество источников распыляемого материала 8 определяется размерами и конструктивными особенностями вакуумной камеры 2. В качестве разных материалов мишени 12 могут применяться Ti, Fe, Ni, Co, Cr, Al, Y, Zr, Hf, V, Та, Mo, W, B, Si, С или любой сплав на основе указанных элементов.
При наличии ионного источника 10 в устройстве, он воздействует ионным пучком на обрабатываемую поверхность при развороте детали 1 на 180°. Разворот детали 1 при обработке пучком ионов ее поверхности обеспечивает требуемые острые углы экспозиции, соответствующие оптимальному режиму такой обработки. При организации такого движения деталей становится эффективной их обработка пучком ионов от ионного источника, поскольку наилучшие результаты такой обработки достигаются при острых углах экспозиции.
Использование предложенного изобретения обеспечивает однородность свойств покрытия на плоской поверхности детали; снижает при этом количества используемых источников распыляемого материала при нанесении чередующихся слоев разных материалов; создает при этом оптимальные условия для обработки детали потоком ионов; упрощает установку для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали.
1. Способ нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские поверхности детали, включающий установку на держателе карусели в вакуумной камере по крайней мере одной плоской детали, приведение карусели во вращение и формирование нанокомпозитного покрытия на плоской детали с помощью установленных в вакуумной камере источников распыляемого материала, отличающийся тем, что при прохождении детали перед источником распыляемого материала ее ориентируют с расположением обрабатываемой плоской поверхности перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, параллельные друг другу, и фиксируют деталь относительно оси держателя, а вне области осаждения распыляемого материала осуществляют разворот детали на 180° относительно оси держателя.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при развороте детали на 180° ее обрабатывают ионным пучком.
3. Устройство для нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские поверхности детали, содержащее установленный в вакуумной камере по меньшей мере один источник распыляемого материала, карусель, на которой размещен по меньшей мере один держатель плоской детали, отличающееся тем, что перед источником распыляемого материала деталь установлена неподвижно относительно оси держателя и держатель детали выполнен с возможностью расположения ее плоской обрабатываемой поверхности перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, параллельные друг другу, при прохождении детали перед источником распыляемого материала, а вне области осаждения распыляемого материала размещен узел разворота, установленный с возможностью разворота детали на 180° относительно оси держателя.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что источник распыляемого материала выполнен в виде N магнетронов, где N - целое число и N≥1.
5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что источник распыляемого материала выполнен в виде N электродуговых источников, где N - целое число и N≥1.
6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что установлено М источников распыляемого материала, где М - целое четное число и М≥2, причем источники распыляемого материала установлены парами напротив друг друга на расстоянии, обеспечивающем прохождение детали между ними.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что мишени источников распыляемого материала выполнены из разных материалов.
8. Устройство для нанесения нанокомпозитного покрытия на плоские поверхности детали, содержащее установленный в вакуумной камере по меньшей мере один источник распыляемого материала, карусель, на которой размещен по меньшей мере один держатель плоской детали, отличающееся тем, что оно снабжено ионным источником, установленным так, что ионный пучок воздействует на поверхность при развороте детали на 180°, а перед источником распыляемого материала деталь установлена неподвижно относительно оси держателя и держатель детали выполнен с возможностью расположения ее плоской обрабатываемой поверхности перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, параллельные друг другу, при прохождении детали перед источником распыляемого материала, а вне области осаждения распыляемого материала размещен узел разворота, установленный с возможностью разворота детали на 180° относительно оси держателя.
