RU157370U1

RU157370U1 - INSTALLATION FOR COATING ON THE SURFACE OF PARTS

Info

Publication number: RU157370U1
Application number: RU2015124365/02U
Authority: RU
Inventors: Константин Сергеевич Медведев; Геннадий Викторович Качалин; Алексей Феликсович Медников
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2015-11-27

Abstract

Установка для нанесения покрытий на поверхность деталей, содержащая вакуумную камеру с системой напуска инертного и реакционных газов, установленную на валу внутри корпуса с возможностью вращения карусель, на которой размещены держатели деталей, оси которых параллельны оси вращения карусели, проходящей через центр вакуумной камеры, зубчатые колеса, расположенные на осях, магнетроны и ионные источники, плоские рабочие поверхности которых расположены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось вращения карусели и ось держателя, отличающаяся тем, что она снабжена зубчатым солнечным колесом, закрепленным в корпусе вакуумной камеры над каруселью на одном уровне с зубчатыми колесами держателей с образованием с ними зубчатого зацепления, при этом количество ионных источников равно количеству магнетронов и каждый ионный источник расположен перед магнетроном по направлению движения деталей на расстоянии от 50 до 300 мм.Installation for coating the surface of parts, containing a vacuum chamber with an inert and reaction gas inlet system mounted on a shaft inside the housing with the possibility of rotation of the carousel, on which are placed the holders of the parts, the axes of which are parallel to the axis of rotation of the carousel passing through the center of the vacuum chamber, gears located on the axes, magnetrons and ion sources, the flat working surfaces of which are perpendicular to the plane passing through the axis of rotation of the carousel and the axis of the holder, from characterized in that it is equipped with a sun gear fixed in the vacuum chamber housing above the carousel at the same level with the gear wheels of the holders with the formation of gear teeth with them, while the number of ion sources is equal to the number of magnetrons and each ion source is located in front of the magnetron in the direction of movement of the parts at a distance of 50 to 300 mm.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к вакуумной технике, в частности, к вакуумным установкам для нанесения износостойких, антифрикционных, жаростойких и термобарьерных покрытий на дорогостоящие детали, такие как лопатки турбин и компрессоров, штоки, валы, шибера и седла, инструменты для металлообработки.The utility model relates to the field of mechanical engineering, namely to vacuum technology, in particular, to vacuum installations for applying wear-resistant, anti-friction, heat-resistant and thermal barrier coatings to expensive parts, such as turbine and compressor blades, rods, shafts, gates and saddles, tools for metalworking.

Известна установка для нанесения металлосодержащих покрытий на крупноразмерные подложки в вакууме (патент RU на изобретение №2062818, МПК C23C 14/34, опубл. 27.06.1996), содержащая вакуумную камеру, систему вакуумирования, механизм перемещения подложек, уложенных в пакет, источник распыляемого материала в виде генератора плазмы наносимого металла, по крайней мере, два плазменных источника ионов инертного газа, установленных вдоль линии, перпендикулярной направлению движения подложки и параллельной подложке, причем источник ионов инертного газа и источник распыляемого материала расположены последовательно в направлении движения подложки. Проходящие одновременно процессы очистки поверхности изделий и нанесения покрытий осуществляются за одну технологическую операцию, что не позволяет осуществить нанесение многослойных покрытий. Кроме того, установка позволяет наносить покрытия только на плоские поверхности изделий.A known installation for applying metal-containing coatings on large-sized substrates in vacuum (RU patent for the invention No. 2062818, IPC C23C 14/34, publ. 06/27/1996), containing a vacuum chamber, a vacuum system, a mechanism for moving substrates laid in a bag, a source of spray material in the form of a plasma generator of the deposited metal, at least two plasma sources of inert gas ions installed along a line perpendicular to the direction of motion of the substrate and parallel to the substrate, and the source of inert gas ions and the spray tip of the material is arranged sequentially in the direction of movement of the substrate. The simultaneous processes of cleaning the surface of products and coating are carried out in one technological operation, which does not allow the application of multilayer coatings. In addition, the installation allows coating only on flat surfaces of products.

Недостатком настоящей установки является узкая область применения.The disadvantage of this installation is the narrow scope.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали (патент RU на полезную модель №100519, МПК C23C 14/56, опубл. 20.12.2010), содержащая установленный в вакуумной камере, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, ионный источник, карусель, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель детали. Во время работы установки в вакуумной камере присутствует остаточная неконтролируемая атмосфера, содержащая химически активные газы, на поверхности деталей локально размещаются низкоэнергетические атомы, поступающие от источников распыляемого материала, расположенных вдали от зоны нанесения покрытия.Closest to the technical nature of the claimed utility model is an installation for applying nanocomposite coatings on flat surfaces of a part (RU patent for utility model No. 100519, IPC C23C 14/56, publ. 12/20/2010), containing at least a vacuum chamber , one source of sprayable material, an ion source, a carousel on which at least one part holder is located. During the operation of the installation, a residual uncontrolled atmosphere containing chemically active gases is present in the vacuum chamber; low-energy atoms coming from the sources of the sprayed material located far from the coating zone are locally placed on the surface of the parts.

Недостатком настоящей установки является узкая область применения за счет возможности нанесения покрытий только на плоские поверхности деталей и сниженное качество наносимых многослойных покрытий за счет образования неконтролируемой слоистой структуры покрытия, ухудшающей его свойства из-за осаждения на поверхности деталей тонкой, структурно несовершенной окисной пленки с низкой адгезией.The disadvantage of this installation is the narrow scope due to the possibility of coating only on the flat surfaces of the parts and the reduced quality of the applied multilayer coatings due to the formation of an uncontrolled layered coating structure, which worsens its properties due to the deposition on the surface of parts of a thin, structurally imperfect oxide film with low adhesion .

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение адгезионных характеристик наносимых покрытий за счет диффузии распыляемого материала в подложку или в предыдущий слой, а также обеспечение возможности нанесения покрытий на любые поверхности деталей.The technical task of the proposed utility model is to increase the adhesive characteristics of the applied coatings due to diffusion of the sprayed material into the substrate or to the previous layer, as well as providing the possibility of coating on any surfaces of the parts.

Технический результат заключается в расширении области применения установки и повышении качества покрытий за счет получения совершенной поверхности и однородного по составу и структуре покрытия по всей толщине многослойной структуры.The technical result consists in expanding the scope of the installation and improving the quality of coatings by obtaining a perfect surface and a uniform coating composition and structure throughout the thickness of the multilayer structure.

Это достигается тем, что установка для нанесения покрытий на поверхности деталей, содержащая вакуумную камеру, внутри корпуса которой, содержащего систему напуска инертного и реакционных газов, установлена карусель на валу с возможностью вращения, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель детали с зубчатым колесом, расположенным на оси держателя, параллельной оси вращения карусели, проходящей в центре вакуумной камеры, не менее одного магнетрона и ионного источника, плоские рабочие поверхности которых расположены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось вращения карусели и ось держателя, снабжена зубчатым солнечным колесом, закрепленным в корпусе вакуумной камеры над каруселью на одном уровне с зубчатым колесом держателя, образуя с ним зубчатое зацепление, при этом количество ионных источников выбрано равным количеству магнетронов и каждый ионный источник расположен перед магнетроном по направлению движения деталей на расстоянии от 50 до 300 мм друг относительно друга.This is achieved by the fact that the installation for coating on the surface of parts containing a vacuum chamber, inside the housing of which containing an inert and reaction gas inlet system, a carousel is mounted on the shaft with the possibility of rotation, on which at least one part holder with gear a wheel located on the axis of the holder parallel to the axis of rotation of the carousel, passing in the center of the vacuum chamber, at least one magnetron and ion source, the flat working surfaces of which are perpendicular The plane passing through the axis of rotation of the carousel and the axis of the holder is equipped with a sun gear fixed in the vacuum chamber housing above the carousel at the same level with the gear of the holder, forming a gearing with it, while the number of ion sources is chosen equal to the number of magnetrons and each ion the source is located in front of the magnetron in the direction of movement of the parts at a distance of 50 to 300 mm relative to each other.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема установки для нанесения покрытий на поверхности деталей.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows a diagram of the installation for coating on the surface of the parts.

Установка для нанесения покрытий на поверхности деталей 1 содержит вакуумную камеру 2, внутри корпуса которой, содержащего систему напуска инертного и реакционных газов 3, установлена карусель 4 на валу 5 с возможностью вращения. На карусели 4 размещен, по меньшей мере, один держатель 6 детали 1 с зубчатым колесом 7, расположенным на оси держателя 6, параллельной оси вращения О карусели 4, проходящей в центре вакуумной камеры 2. Над каруселью 4 расположено зубчатое солнечное колесо 8, закрепленное в корпусе вакуумной камеры 2 на одном уровне с зубчатым колесом 7 держателя 6, образуя с ним зубчатое зацепление. Магнетроны 9 и ионные источники 10 установлены в вакуумной камере 2 так, что их плоские рабочие поверхности расположены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось вращения О карусели 4 и ось держателя 6, при этом количество ионных источников 10 выбрано равным количеству магнетронов 9 и каждый ионный источник 10 расположен перед магнетроном 9 по направлению движения деталей 1 на расстоянии 50-300 мм друг относительно друга.Installation for coating on the surface of the parts 1 contains a vacuum chamber 2, inside the housing of which containing the inert and reaction gas inlet system 3, a carousel 4 is mounted on the shaft 5 for rotation. At least one holder 6 of part 1 is placed on the carousel 4 with a gear 7 located on the axis of the holder 6 parallel to the axis of rotation O of the carousel 4 extending in the center of the vacuum chamber 2. Above the carousel 4 there is a sun gear 8 fixed in the housing of the vacuum chamber 2 at the same level with the gear 7 of the holder 6, forming a gearing with it. Magnetrons 9 and ion sources 10 are installed in the vacuum chamber 2 so that their flat working surfaces are perpendicular to the plane passing through the axis of rotation O of the carousel 4 and the axis of the holder 6, while the number of ion sources 10 is chosen equal to the number of magnetrons 9 and each ion source 10 located in front of the magnetron 9 in the direction of movement of the parts 1 at a distance of 50-300 mm relative to each other.

Установка для нанесения покрытий на поверхности деталей работает следующим образом.Installation for coating on the surface of the parts is as follows.

Вакуумную камеру 2 откачивают до давления 5·10^-3 Па. Приходит во вращение карусель 4. Посредством зацепления неподвижного зубчатого солнечного колеса 8 и зубчатых колес 7 держателей 6, последние, с закрепленными на них деталями 1, также приходят во вращение. После этого производят радиационный нагрев поверхности деталей 1. Далее в вакуумную камеру 2 через систему напуска инертного и реакционных газов 3 подают рабочий газ аргон до давления (3÷6)·10^-1 Па и при напряжении смещения 900÷1200 В зажигается тлеющий разряд между деталями 1 и вакуумной камерой 2. Включаются все ионные источники 10. Магнетроны 9 выводятся на 0,1÷0,3 от рабочей мощности при нанесении покрытия. Перемещаясь перед ионными источниками 10, вращающиеся детали 1 очищаются бомбардировкой ионами аргона. Одновременная работа магнетронов 9 и ионных источников 10, и подача напряжения 900÷1200 В на детали позволяет одновременно проводить очистку деталей 1 и мишеней магнетронов 9.The vacuum chamber 2 is pumped out to a pressure of 5 · 10 ^-3 Pa. The carousel comes into rotation 4. By engaging the stationary sun gear 8 and the gears 7 of the holders 6, the latter, with the parts 1 fixed to them, also come into rotation. After that, the surface of the parts 1 is radiation-heated. Next, argon working gas is supplied to the vacuum chamber 2 through the inert and reaction gas inlet system 3 to a pressure of (3 ÷ 6) · 10 ^-1 Pa and a glow discharge between ignition voltage of 900 ÷ 1200 V parts 1 and a vacuum chamber 2. All ion sources 10 are switched on. Magnetrons 9 are output at 0.1 ÷ 0.3 of the operating power during coating. Moving in front of the ion sources 10, the rotating parts 1 are cleaned by bombardment by argon ions. The simultaneous operation of magnetrons 9 and ion sources 10, and applying a voltage of 900 ÷ 1200 V to the parts allows simultaneous cleaning of parts 1 and targets of the magnetrons 9.

Магнетроны 9 выводятся на рабочую мощность, включаются ионные источники 10 и начинается процесс нанесения покрытий на поверхности деталей 1. Вращающиеся детали 1 перемещаются перед магнетроном 9 в течение времени Т₁, за которое на них наносится покрытие толщиной D₁. Затем карусель 4 с деталями 1 совершает неполный оборот за время T₂>T₁ где на поверхности деталей 1 осаждается тонкая пленка с неконтролируемыми свойствами толщиной D₂<D₁, преимущественно окислов наносимого материала с рыхлой, иногда даже аморфной структурой. Приближаясь к очередному магнетрону 9, детали 1 проходят перед ионным источником 10, где происходит стравливание тонкой пленки D₂ и активация поверхности деталей 1. После этого детали 1 оказываются перед магнетроном 9, где происходит нанесение следующего слоя покрытия на очищенную поверхность деталей 1.The magnetrons 9 are brought to operating power, ion sources 10 are turned on, and the coating process begins on the surface of the parts 1. Rotating parts 1 move in front of the magnetron 9 for a time T ₁ , during which a coating of thickness D ₁ is applied to them. Then the carousel 4 with parts 1 makes an incomplete revolution in the time T ₂ > T ₁ where a thin film with uncontrolled properties of thickness D ₂ <D ₁ is deposited on the surface of parts ₁ , mainly oxides of the applied material with a loose, sometimes even amorphous structure. Approaching the next magnetron 9, the parts 1 pass in front of the ion source 10, where the thin film D ₂ is etched and the surface of the parts 1 is activated. After that, the parts 1 are in front of the magnetron 9, where the next coating layer is applied to the cleaned surface of the parts 1.

При необходимости получения соединений из окислов, нитридов, карбидов и карбонитридов используется смесь инертного газа аргона с добавлением реакционных газов (азота, углерода, кислорода и т.п.). С использованием плазменного эмиссионного контроля производят настройку реактивного режима напыления. Осуществляют нормировку оптического сигнала излучения основного металла мишеней магнетронов 9 и поддерживают необходимый уровень снижения этого сигнала в результате напуска реакционного газа, поступающего через систему напуска инертного и реакционных газов 3, и вступающего в реакцию с распыленным материалом мишеней магнетронов 9. Затем выводятся на рабочую мощность магнетроны 9, включаются ионные источники 10 и начинается процесс нанесения покрытий на поверхности деталей 1.If it is necessary to obtain compounds from oxides, nitrides, carbides and carbonitrides, a mixture of inert argon gas with the addition of reaction gases (nitrogen, carbon, oxygen, etc.) is used. Using a plasma emission control, the reactive spraying mode is adjusted. The optical signal of the radiation of the base metal of the magnetron targets 9 is normalized and the necessary level of reduction of this signal is maintained as a result of the inlet of the reaction gas entering through the inert and reaction gas inlet system 3 and reacting with the atomized material of the magnetron targets 9. Then the magnetrons are brought to operating power 9, ion sources 10 are turned on and the coating process on the surface of parts 1 begins.

Экспериментально установлено, что расположение ионного источника 10 перед магнетроном 9 по направлению движения деталей 1 на расстоянии от 50 до 300 мм друг относительно друга не позволяет осаждаться тонкой, структурно несовершенной окисной пленке с низкой адгезией на поверхности деталей 1 и образовывать неконтролируемую слоистую структуру наносимого покрытия.It was experimentally established that the location of the ion source 10 in front of the magnetron 9 in the direction of movement of the parts 1 at a distance of 50 to 300 mm relative to each other does not allow a thin, structurally imperfect oxide film to be deposited with low adhesion on the surface of the parts 1 and to form an uncontrolled layered coating structure.

Использование полезной модели позволяет наносить покрытия на любые поверхности деталей и повысить качество покрытий за счет проведения доочистки и активации поверхности деталей на определенном расстоянии перед нанесением каждого следующего слоя покрытия, что обеспечивает получение совершенной поверхности и однородного по составу и структуре покрытия по всей толщине многослойной структуры.Using the utility model, it is possible to apply coatings to any surfaces of parts and improve the quality of coatings by performing post-treatment and activation of the surfaces of parts at a certain distance before applying each subsequent coating layer, which ensures a perfect surface and a coating that is uniform in composition and structure over the entire thickness of the multilayer structure.

Claims

Installation for coating the surface of parts, containing a vacuum chamber with an inert and reaction gas inlet system mounted on a shaft inside the housing with the possibility of rotation of the carousel, on which are placed the holders of the parts, the axes of which are parallel to the axis of rotation of the carousel passing through the center of the vacuum chamber, gears located on the axes, magnetrons and ion sources, the flat working surfaces of which are perpendicular to the plane passing through the axis of rotation of the carousel and the axis of the holder, from characterized in that it is equipped with a sun gear fixed in the vacuum chamber housing above the carousel at the same level with the gear wheels of the holders with the formation of gear teeth with them, while the number of ion sources is equal to the number of magnetrons and each ion source is located in front of the magnetron in the direction of movement of the parts at a distance of 50 to 300 mm.