Способ и устройство модифицирования поверхности осесимметричных изделий

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2504040:

Открытое Акционерное Общество "ТВЭЛ" (RU)

Изобретение относится к технологии ионно-плазменной обработки поверхности изделий в источнике ионов с широким энергетическим спектром в скрещенных электрическом и магнитном полях, с отбором ионов с границы плазмы и ускорении их электрическим полем. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности. Обрабатываемое осесимметричное изделие в виде заземленного катода помещается в камеру, наполненную рабочим газом, в магнитное поле и с цилиндрическим анодом, находящимся под электрическим потенциалом в газовом разряде, с целью получения режимов очистки и травления, высоких антикоррозионных, трибологических и механических свойств осесимметричное изделие располагают соосно с осесимметричным составным анодом, с изменяемой геометрией в зависимости от формы и размеров обрабатываемой поверхности, в скрещенных осесимметричном радиально направленном электрическом и продольном магнитном полях, создают регулируемый радиально сходящийся ионный поток в интервале энергий от 0,5 до 5 кэВ и давлении рабочего газа от 10^-2 до 100 Па, для этого располагают по торцам соосно изолированные электроды, находящиеся под авторегулирующимся электрическим потенциалом, формируют продольное аксиальносимметричное однородное магнитное поле и продольно перемещают обрабатываемое изделие с осевым поворотом (вращением). Устройство содержит магнитную систему и вакуумную камеру, внутри которой размещены катод и цилиндрический анод, катод расположен осесимметрично внутри анода, по торцам которого установлены соосно изолированные отражательные электроды, в качестве катода используется осесимметричное изделие, поверхность которого подвергается обработке. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предполагаемое изобретение может найти применение в области энергетического машиностроения, в авиационной и в космической промышленности для создания высокоэффективных технологий обработки поверхностей изделий, предпочтительно трубчатых, с формированием в них специальных физико-механических свойств: высокой коррозионностойкости, износостойкости, твердости, антифрикционностью, создание сжимающих напряжений, залечивание микродефектов, специфической топографии поверхности.

Перспективность применения технологии ионно-плазменной обработки поверхности изделий обусловлена тем, что ее воздействие, в отличие от традиционных методов финишной обработки, характеризуется одновременным модифицированием геометрических характеристик рельефа, размеров зерен, дефектной и фазовой структуры поверхностного слоя изделия и, как следствие этого, изменением физико-механических характеристик и прочностных свойств, а также эффективной очисткой поверхности от загрязнений.

Известны способы и устройства, патенты РФ №2039126, №2167466, №2346080, №2039126, обработки поверхности изделий в ионных и плазменных пучках, сформированных в электрическом и магнитном полях в ускорителях с анодным слоем.

В качестве аналога предполагаемого изобретения рассмотрен патент РФ №2167466 в котором излагается плазменный источник ионов и способ его работы. Изобретение относится к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков, и к способам их работы. Плазменный источник ионов содержит катодную камеру с газовводом. Полый анод, образующий анодную камеру, сообщен с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в стенке последней. В состав источника ионов входит электрическая система извлечения ионов с эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры. С помощью магнитной системы в катодной и анодной камерах создается магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления. В катодной камере установлен поджигной электрод, электрически соединенный с полым анодом. В выходном отверстии катодной камеры установлен дополнительный электрод, который электрически изолирован от полого анода и катодной камеры. В дополнительном электроде выполнено осевое отверстие, диаметр d которого не превышает 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода. Указанное выполнение источника ионов и способ его работы позволяют повысить энергетическую эффективность и газовую экономичность устройства и повысить однородность плотности генерируемого ионного тока.

Предлагаемые способ и устройство не имеют прямых аналогов ни в нашей стране, ни за рубежом.

Создают скрещенные осесимметричные радиально направленное электрическое и продольное магнитное поля, соосно с осе симметричным обрабатываемым изделием.

Устанавливают соосно с изделием составной анод, с изменяемой геометрией в зависимости от формы и размеров обрабатываемой поверхности изделия.

Устанавливают по торцам соосно с изделием изолированные электроды, находящиеся под авто регулирующимся электрическим потенциалом и формируют однородное продольное магнитное поле.

Положительный эффект от модифицирования поверхности достигается за счет изменения физико-механических и структурных свойств поверхностного слоя изделия: ионная очистка, травление, полировка, поверхностное легирование, увеличение твердости, снижение коэффициента трения, создание сжимающих напряжений, залечивание микродефектов, повышение коррозионной стойкости поверхностного слоя, формирование специфической топографии поверхности.

Конструкция коаксиального источника ионов для формирования радиально сходящегося пучка ионов Не⁺, Ar⁺ с широким энергетическим спектром состоит из цилиндрического анода 1, цилиндрического катода (осесимметричного образеца) 2, полюса магнита 3, области разряда рабочего газа 4, высоковольтного ввода 5, торцевых отражателей свободных электронов (газового разряда) 6, корпуса 7. Основным элементом предлагаемого изобретения является вакуумная камера (рисунок 1), состоящая из корпуса 7, осесимметричного составного анода 1 с изменяемой геометрией в зависимости от формы и размеров обрабатываемой поверхности изделия, катода 2 - самой обрабатываемой детали, предпочтительно в виде цилиндра (труба, стержень) и полюсных наконечников электромагнита 3. При разности потенциалов между анодом и катодом выше 0,5-5 кВ (энергия ионов соответственно 0,5-5 кэВ) и напряженности магнитного поля около 0,1-1 Тл, в скрещенных полях создается газовый разряд, в котором свободные электроны движутся по круговым орбитам в интервале радиусов 10-50 мм и ионизируют рабочий газ 4 при давлениях 1×10^-2 до 100 Па, формируя симметричный радиально сходящийся к оси (на образец 2) поток ионов. С целью повышения эффективности ионизации рабочего газа установлены по торцам соосно изолированные отражательные электроды 6, находящиеся под отрицательным авто регулирующимся электрическим потенциалом относительно катода 2, в интервале значений 50-500 В, достаточным для запирания свободных электронов в разрядном промежутке анод-катод 4. Обмотки электромагнита находятся при атмосферном давлении, а магнитный поток замыкается через немагнитные стенки камеры.

Предлагаемый способ и устройство модифицирования поверхности изделий успешно апробированы в опытной лабораторной установке в режимах очистки, полировки и поверхностного легирования внешней поверхности циркониевых оболочек твэл: производительность - более 1 м² обрабатываемой поверхности в мин; потребление электроэнергии - 0,5-1 кВт час/м²; обслуживающий персонал - 1 человек; габариты установки - ширина 0,5 метра, высота - 1 метр, длина 1,5 метра.

1. Способ модифицирования поверхности изделий, заключающийся в том, что обрабатываемое осесимметричное изделие в виде заземленного катода помещается в камеру, наполненную рабочим газом, в магнитное поле и с цилиндрическим анодом, находящимся под электрическим потенциалом в газовом разряде, отличающийся тем, что, с целью получения режимов очистки и травления, высоких антикоррозионных, трибологических и механических свойств, осесимметричное изделие располагают соосно с осесимметричным составным анодом с изменяемой геометрией в зависимости от формы и размеров обрабатываемой поверхности, в скрещенных осесимметричном радиально направленном электрическом и продольном магнитном полях, создают регулируемый осесимметричный радиально сходящийся ионный поток в интервале энергий от 0,5 до 5 кэВ и давлении рабочего газа от 1·10^-2 до 100 Па, для этого располагают по торцам соосно изолированные электроды, находящиеся под авторегулирующимся электрическим потенциалом, формируют продольное аксиально-симметричное однородное магнитное поле и продольно перемещают обрабатываемое изделие с осевым поворотом (вращением).

2. Устройство для модифицирования поверхности осесимметричных изделий путем ионно-плазменной обработки, содержащее магнитную систему, создающую направленное магнитное поле, вакуумную камеру, внутри которой размещены катод и цилиндрический анод, отличающееся тем, что катод расположен осесимметрично внутри анода, по торцам которого установлены соосно изолированные отражательные электроды, служащие для запирания свободных электронов внутри анода и находящиеся под отрицательным авторегулирующимся относительно катода потенциалом, а в качестве катода используется осесимметричное изделие, поверхность которого подвергается обработке.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магнитная система состоит из полюсных наконечников электромагнита, расположенных по торцам пространства, образованного цилиндрическими анодом и осесимметричным катодом, за отражательными электродами, и обмотки электромагнита, находящейся за пределами вакуумной камеры, а магнитный поток замыкается через немагнитные стенки камеры.

Похожие патенты:

Электронно-ионный источник // 2378732

Изобретение относится к области получения электронных и ионных пучков и может быть использовано в ускорительной технике. .

Плазменный источник ионов // 2371803

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков. .

Источник ионов с мультипольным магнитным полем в полом катоде // 2352013

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц. .

Комбинированный источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом // 2248641

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к технике создания источников ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Источник ионов с эффектом полого катода // 2231163

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц. .

Мультикасповый источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом // 2214016

Изобретение относится к источникам заряженных частиц и применяется в области ускорительной техники. .

Электронно-ионный источник // 2209483

Изобретение относится к получению электронных и ионных пучков и может быть использовано в ускорительной технике. .

Ионный источник // 2205467

Изобретение относится к технике получения ионных пучков, в частности пучков многозарядных, высокозарядных и поляризованных ионов. .

Источник ионов // 2180146

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов. .

Дуоплазматрон с малым потоком газа на выходе // 2170988

Изобретение относится к источникам заряженных частиц и применяется в ускорительной технике. .

Высокочастотная ускоряющая структура для пучков ионов, экстрагированных из лазерной плазмы // 2533194

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использовано в медицине и технологии. Технический результат - увеличение интенсивности в ускоренном пучке ионов на выходе ускоряющей ВЧ-структуры ускорителя, использующего лазерные источники ионов, в которых плазма образуется при облучении материала мишени оптическим излучением лазера. В высокочастотной ускоряющей структуре для пучков ионов, экстрагированных из лазерной плазмы, состоящей из ВЧ-резонатора с ускоряющим электрическим полем и трубками дрейфа, расстояние между центрами смежных зазоров которых изменяется по определенному закону, на входных и выходных торцах всех трубок дрейфа установлены металлические сетки, выполненные в виде аксиально-симметричных концентрических колец с радиальными перемычками, величина равновесной фазы ускоряющего электрического поля в центре ускоряющих зазоров соответствует максимальному значению напряженности данного поля. Между трубками дрейфа отсутствует поперечное электрическое поле и формируется только аксиально-симметричное продольное, ускоряющее ионы, электрическое поле, величина которого не зависит от расстояния до центральной продольной оси. 4 ил.

Лазерно-плазменный генератор ионов с большим зарядом // 2538764

Изобретение относится к генераторам ионов, применяемым в плазменной технике и ускорителях заряженных частиц. Технический результат - повышение тока ионов с высоким зарядовым состоянием в пучке на выходе лазерно-плазменного генератора ионов с большим зарядом. Лазерно-плазменный генератор ионов с большим зарядом состоит из лазера, трубчатого пролетного канала, облучаемой лазером мишени, установленной внутри трубчатого пролетного канала со стороны одного из его концов, трубчатого металлического экрана, установленного коаксиально внутри трубчатого пролетного канала между мишенью и точками на стенках этого канала, в которых лазерная плазма при разлете начинает касаться его боковых стенок, и системы отбора ионов, установленной в противоположном месту установки мишени конце трубчатого пролетного канала. Мишень и металлический экран электрически соединены между собой и электрически изолированы от всех других электродов. Электроны из образующейся на мишени лазерной плазмы не могут уходить через материал мишени или окружающие электроды. Оставаясь в этой плазме, они повышают как вероятность ионизации вещества мишени, увеличивая зарядовое состояние плазменных ионов, так и препятствуют росту величины положительного электрического потенциала самой лазерной плазмы относительно окружающих ее электродов, что способствует уменьшению эмиссии ионов из данной плазмы. 1 ил.

Способ работы плазменного источника ионов и плазменный источник ионов // 2620603

Изобретение относится к области получения пучков ионов и может быть использовано для решения научных и прикладных задач, в частности использоваться в ускорителях или масс-спектрометрии и для обработки поверхностей различных изделий в вакууме. Технический результат - обеспечение получения потока ионов при давлении от 10-2 Торр и ниже, а также упрощение способа и конструкции устройства. В способе работы плазменного источника ионов в газоразрядную камеру предварительно вводят рабочий газ через газоввод, создают магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления относительно анода и катода, подают напряжение на анод и на полый катод, зажигают тлеющий разряд, образуют ионы за счет бомбардировки атомов рабочего газа электронами, достигается тем, что при зажигании тлеющего разряда устанавливают давление в газоразрядной камере ниже Р=10-2 Торр, создают разные концентрации частиц газа в различных областях межэлектродного пространства за счет организации сверхзвукового потока рабочего газа в заданной области межэлектродного зазора в поперечном к электрическому полю направлении при скорости потока газа более V=300 м/с. Устройство плазменного источника ионов содержит откачную вакуумную систему, подключенную к газоразрядной камере, с размещенными в ней газовводом для рабочего газа, полым катодом, анодом, и магнитную систему, предназначенную для создания в разрядной камере магнитного поля с вектором индукции осевого направления относительно анода и катода, дополнительно содержит конфузор, а газоввод выполнен как сверхзвуковое сопло, являющееся диффузором, причем конфузор и диффузор установлены в межэлектродном пространстве в газоразрядной камере соосно против друг друга таким образом, что ось конфузора и диффузора находится в поперечном к оси анода и катода направлении на заданном расстоянии относительно анода и катода. 2 н.п. ф-лы. 3 ил.

Импульсный источник ионов гелия // 2642921

Изобретение относится к области ускорительной техники. Импульсный источник ионов гелия с холодными катодом и антикатодом состоит из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, кольцевой анодный изолятор, анод в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, антикатод в виде диска, выполненный из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса. На антикатоде выполнен кольцевой выступ, соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, диаметр выступа больше, чем диаметр стакана в катоде, но меньше, чем внутренний диаметр анода. Технический результат - стабилизации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии. Устройство обеспечивает получение импульсного пучка ионов гелия при частоте импульсов 16-50 Гц, длительности импульсов синусоидальной формы по основанию импульса 100×10-6 с и амплитуде тока ионного пучка 80×10-3 А. 1 ил.

Дуоплазматронный источник газовых ионов // 2647887

Изобретение относится к источникам газовых ионов, применяемых в ускорителях заряженных частиц. Дуоплазматронный источник газовых ионов состоит из соосно расположенных: катода, промежуточного электрода с отверстием и анода с отверстием эмиссии. Между анодом и промежуточным электродом размещен трубчатый металлический цилиндр, один торец которого закреплен на промежуточном электроде, а противоположный торец перекрыт диафрагмой с отверстием, площадь которого выбирают меньше площади внутренней поверхности трубчатого металлического цилиндра как отношение корня квадратного удвоенной массы электрона к корню квадратному массы иона рабочего газа. Технический результат - увеличение фазовой плотности тока инжектируемого ионного пучка. 1 ил.