RU2375493C1 - Способ нанесения ионно-плазменного покрытия - Google Patents
Способ нанесения ионно-плазменного покрытия Download PDFInfo
- Publication number
- RU2375493C1 RU2375493C1 RU2008117933/02A RU2008117933A RU2375493C1 RU 2375493 C1 RU2375493 C1 RU 2375493C1 RU 2008117933/02 A RU2008117933/02 A RU 2008117933/02A RU 2008117933 A RU2008117933 A RU 2008117933A RU 2375493 C1 RU2375493 C1 RU 2375493C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- applying
- implantation
- coating
- anodes
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу вакуумного нанесения ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, преимущественно, для ответственных деталей, например, рабочих и направляющих лопаток турбомашин. Способ включает размещение деталей на приспособлении в вакуумной камере, приложение к деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов путем возбуждения дуги между анодами и катодами, подключенными к индивидуальным источникам электрического питания. В процессе нанесения покрытия в качестве катодов и анодов используют одинаковые длинномерные плоские охлаждаемые пластины-планары из наносимого материала покрытия. Периодически изменяют электрическую полярность пластин-планаров на противоположную, переключая аноды на полярность катодов, а катоды на полярность анодов, обеспечивая при этом величину соотношения площадей анодов (Fa) к площадям катодов (Fk) не менее двух (Fa/Fk≥2), при суммарной площади анодов (ΣFa) и катодов (ΣFk), равной 20…90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры (Fv.k.). В результате достигается повышение коэффициента использования наносимого материала. 14 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
Изобретение относится к технике вакуумного нанесения износо-, коррозионно- и эрозионностойких ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, преимущественно для ответственных деталей, например, рабочих и направляющих лопаток турбомашин.
Новый, более высокий уровень функциональных свойств лопаток ГТД и ГТУ определяется, главным образом, характеристиками их рабочих поверхностей. Как показывает практика развития техники и технологий в этой области, наиболее эффективным методом их обеспечения являются покрытия с заданным составом и свойствами, наиболее перспективным и эффективным процессом нанесения покрытий являются ионно-плазменные способы нанесения покрытий в вакууме. Эти способы имеют ряд существенных преимуществ перед другими известными способами нанесения покрытий.
Известен способ вакуумно-плазменного нанесения покрытий, включающий размещение изделий на приспособлении в вакуумной камере, приложение к приспособлению электрического смещения, электродуговое испарение металлического катода, формирование на поверхности изделий слоя покрытия (а.с. 2073743, С23С 14/00, 14/32, 20.05.92. Способ нанесения покрытий в вакууме и устройство для его осуществления).
Известен способ ионно-плазменного нанесения покрытий, включающий размещение изделий в вакуумной камере, подачу на них напряжения смещения, зажигание дугового разряда, очистку и разогрев изделия ионами испаряемого материала катода до температуры конденсации покрытия, подачу в камеру газа-реагента, снижение напряжения (А.С. 2061788, С23С 14/34, 09.03.93. Способ нанесения покрытий в вакууме).
Известен также способ нанесения покрытий на лопатки турбомашин, включающий осаждение в вакууме на поверхности пера лопатки конденсированного покрытия (патент РФ №2165475, С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, 20.04.2001).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ нанесения ионно-плазменного покрытия, включающий размещение деталей на приспособлении в вакуумной камере, приложение к деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов путем возбуждения дуги между катодами с индивидуальными источниками электрического питания и анодами (а.с. №1468017, МПК5 С23С 14/48, БИ №18, 1994 г.).
Недостатком известных способов являются низкий коэффициент использования испаряемого материала катодов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента использования испаряемого материала катодов за счет повторного испарения (реиспарения) наносимого материала.
Технический результат достигается тем, что в способе нанесения ионно-плазменного покрытия, включающем размещение деталей на приспособлении в вакуумной камере, приложение к деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов путем возбуждения дуги между анодами и катодами, подключенными к индивидуальным источникам электрического питания, в отличие от прототипа, в процессе нанесения покрытия в качестве катодов и анодов используют одни и те же длинномерные плоские охлаждаемые пластины-планары из наносимого материала покрытия, периодически изменяют электрическую полярность пластин-планаров на противоположную, переключая аноды на полярность катодов, а катоды на полярность анодов, обеспечивая при этом величину соотношения площадей анодов (Fa) к площадям катодов (Fk) не менее двух (Fa/Fk≥2), при суммарной площади анодов (ΣFa) и катодов (ΣFk), равной 20…90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры (Fv.k.), Fv.k.=(0,2…0,9)( ΣFa+ΣFk). Как варианты воплощений способа, могут использоваться следующие приемы и операции: используют пластины-планары с одинаковыми размерами и формой, причем высота, ширина и толщина используемых пластин-планаров выбирается соответственно в диапазонах: длина - от 80 мм до 3000 мм, ширина - от 30 до 500 мм, толщина - от 5 до 100 мм; в качестве материала пластины-планара используют металл, выбранный из элементов IV, V, VI групп Периодической таблицы, и Аl, а также их сплавов, а также Ti, Zr, Hf, Cr, Al, La, Eu, Ni, Co, Cr, Al, Y и/или сплав на основе указанных металлов; используют периферийное и/или центральное расположение пластин-планаров.
Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменного покрытия, нанесение покрытия производят в среде реакционного газа, а в качестве реакционного газа могут использовать азот при давлении 10-2-5·10-4 мм.
Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменного покрытия, перед нанесением покрытия поверхность детали подвергают ионно-имплантационной обработке с постимплантационным отжигом, причем, имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 1010 до 5·1020 ион/см2, а в качестве легирующих элементов используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, а имплантацию и постимплантационный отжиг производят с последующим нанесением покрытия в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменного покрытия в качестве детали используют лопатку турбомашины, а перед нанесением покрытия электролитно-плазменной обработкой производят полирование поверхности пера лопатки.
Перечисленные существенные признаки предлагаемого изобретения позволяют достичь поставленной технической задачи - повышение коэффициента использования испаряемого материала катодов за счет повторного испарения (реиспарения) наносимого материала, поскольку при значительной площади пластин-планаров, поочередно используемых то в качестве анодов, то в качестве катодов, осажденный на поверхность анодов материал реиспаряется при переключении анода на режим работы катода.
Способ осуществляется следующим образом. Детали размещают на приспособлении в вакуумной камере, прикладывают к деталям потенциал электрического смещения, производят ионную очистку поверхности деталей и производят нанесение на них покрытия электродуговым испарением материала катодов. Для нанесения покрытия используют катоды-планары, работающие в режиме возвратно-поступательного движения области катодного пятна (зоны испарения) под воздействием электромагнитного поля, возникающего в результате протекания тока по катоду. Возвратно-поступательное движение области катодного пятна обеспечивается переключением контактов на концах катода-планара. Испарение материала катода происходит за счет дуги, возбужденной между расположенными по периферии чередующимися анодами и катодами, образующими развитую поверхность внутри камеры (до 90% внутренней площади камеры). Причем, при нанесении покрытия одни электроды-планары выполняют функцию катодов, другие - анодов, при этом площадь электродов-планаров, образующих аноды, по крайней мере в два раза превышает площадь электродов-планаров, образующих катоды. Далее, в процессе нанесения покрытия, часть электродов-планаров, выполнявших функцию катодов, переключаются и становятся анодами, а часть электродов-планаров, выполнявших функцию анодов, переключаются и становятся катодами. В результате этого, материал нанесенный на электроды-планары, служившие анодами при переключении их на режим катодов, начинает реиспаряться. Такое многократное реиспарение наносимого материала позволяет в значительной степени повысить коэффициент использования материала при формировании покрытий. Наиболее просто и целесообразно выполнять одинаковые электроды-планары, размещая их таким образом, чтобы около одного электрода-планара, работающего в режиме катода, находились два электрода-планара, работающие в режиме анода, причем они приходились на этот катод. Другими словами, схема подключения катодов (Кi) и анодов (Аi) (по замкнутому контуру) может быть следующей: «…-A1-K1-A1-А2-К2-А2-А3-К3-А3-…-Аn-Кn-Аn-…-A1-K1-A1-…» (cx.1), где n - количество работающих катодов. Далее, согласно приведенной схемы подключения катодов, выделенные курсивом аноды (Аi) при переключении становятся катодами, а катоды, обозначенные (Ki), - станут анодами. При этом анод последующей группы, например анод А2, перейдет в анод A1.1 предшествующей группы. Преобразовав предыдущую схему (cx.1) для нового состояния, записав в скобках предыдущее состояние подключения электродов-планаров, получим следующую схему: «…-An(A1)-А1(K1)-K1(A1)-А1 (А2)-А2(К2)-К2(А2)-А2(А3)-А3(К3)-К3(А3)-…-Аn-1(Аn)-Аn(Кn)-Кn (Аn)-…-An(А1)-A1(К1)- К1(А1)…» (сх.2).
Для обеспечения приведенной схемы переключения электродов-планаров необходимо использовать для каждого катода индивидуальные источники электрического питания. Использование при формировании покрытия таких газов, как азот и ацетилен позволяет получать на наносимых деталях (но не на электродах-планарах, поскольку они находятся вне зоны химической ионно-плазменной реакции) многослойные нитридные и карбонитридные покрытия.
Пример
Для оценки увеличения коэффициента использования материала при нанесении покрытия по предлагаемому способу были проведены следующие исследования. Покрытия были нанесены по трем вариантам. Первый вариант был выполнен согласно условиям предложенного технического решения. Второй и третий варианты - представляли собой реализации условий способов-прототипов.
Предложенное техническое решение было реализовано в вакуумной камере ионно-плазменной установки с девятью одинаковыми электродами-планарами размерами 18×180×800 мм, изготовленных из титанового сплава ВТ1-0. Электроды-планары поочередно подключались к трем источниками электрического питания, по схеме: «…-A1-K1-А1-А2-К2-А2-A3-К3-A3-A1-…», позволяющей электродам-планарам поочередно выполнять функции анодов и катодов. Переключение электродов-планаров осуществлялось через каждые 5 минут, при общем времени напыления 1,5 часа. Коэффициент использования материала катодов определялся по изменению общей массы электродов-планаров.
Второй вариант, выполненный по способу-прототипу, был осуществлен в тех же условиях, что и предлагаемый способ, за исключением операции переключения электродов-планаров. В третьем варианте, также выполненном по условиям способа-прототипа, в установке были оставлены только три электрода-планара, служившие катодами. В последнем варианте, анодом служил корпус вакуумной камеры установки. Время нанесения покрытия и режимы напыления во всех трех случаях были одинаковыми. Покрытия наносили на пластины в вакуумной камере экспериментальной установки с периферийным расположением катода при токе дуги 120 А. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Результаты оценки коэффициентов использования материала приведены в таблице.
| № | Варианты нанесения покрытия | Изменение массы электродов-планаров, кг | Снижение расхода материала катода, % |
| 1 | Вариант №1 (Предлагаемое техническое решение) | 0,311 | 42 |
| 2 | Вариант №2 (Способ-прототип) | 0,754 | 102 |
| 3 | Вариант №3 (Способ-прототип) | 0,738 | 100 |
Как видно из приведенной таблицы, расход материала катода в предлагаемом способе в 2,4 раза ниже, чем в способе-прототипе.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить коэффициент использования испаряемого материала катодов за счет повторного испарения (реиспарения) наносимого материала.
Claims (15)
1. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия, включающий размещение деталей на приспособлении в вакуумной камере, приложение к деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов путем возбуждения дуги между анодами и катодами, подключенными к индивидуальным источникам электрического питания, отличающийся тем, что в процессе нанесения покрытия в качестве катодов и анодов используют одинаковые длинномерные плоские охлаждаемые пластины-планары из наносимого материала покрытия, периодически изменяют электрическую полярность пластин-планаров на противоположную, переключая аноды на полярность катодов, а катоды на полярность анодов, обеспечивая при этом величину соотношения площадей анодов (Fa) к площадям катодов (Fk) не менее двух (Fa/Fk≥2), при суммарной площади анодов (ΣFa) и катодов (ΣFk), равной 20…90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры (Fv.k.).
2. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.1, отличающийся тем, что используют пластины-планары с одинаковыми размерами и формой, причем высоту, ширину и толщину используемых пластин-планаров выбирают соответственно в диапазонах: длина от 80 до 3000 мм, ширина от 30 до 500 мм, толщина от 5 до 100 мм.
3. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала пластины-планара используют металл, выбранный из элементов IV, V, VI групп Периодической таблицы и Аl, и/или их сплавы.
4. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала пластины-планара используют следующие металлы: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Mo, W, Аl, La, Eu и/или сплав на основе указанных металлов.
5. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала пластины-планара используют металлы: Ni, Со, Cr, Аl, Y и/или сплав на основе указанных металлов.
6. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.1, отличающийся тем, что используют периферийное расположение пластин-планаров.
7. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по по п.1, отличающийся тем, что используют центральное расположение пластин-планаров.
8. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.1, отличающийся тем, что используют центральное и периферийное расположение пластин-планаров.
9. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что нанесение покрытия производят в среде реакционного газа.
10. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.9, отличающийся тем, что в качестве реакционного газа используют азот при давлении 10-2-5·10-4 мм.
11. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия поверхность детали подвергают ионно-имплантационной обработке с постимплантационным отжигом, при этом имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 1010 до 5·1020 ион/см2, а в качестве легирующих элементов используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, причем имплантацию и постимплантационный отжиг и последующее нанесение покрытия производят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
12. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.9, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия поверхность детали подвергают ионно-имплантационной обработке с постимплантационным отжигом, при этом имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 1010 до 5·1020 ион/см2, а в качестве легирующих элементов используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, причем имплантацию и постимплантационный отжиг и последующее нанесение покрытия производят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
13. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.10, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия поверхность детали подвергают ионно-имплантационной обработке с постимплантационным отжигом, при этом имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 1010 до 5·1020 ион/см2, а в качестве легирующих элементов используют ионы Сr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, причем имплантацию и постимплантационный отжиг и последующее нанесение покрытия производят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
14. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по любому из пп.1-8 и 10, отличающийся тем, что в качестве детали используют лопатку турбомашины.
15. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.14, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия электролитно-плазменной обработкой производят полирование поверхности пера лопатки.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117933/02A RU2375493C1 (ru) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | Способ нанесения ионно-плазменного покрытия |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117933/02A RU2375493C1 (ru) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | Способ нанесения ионно-плазменного покрытия |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2375493C1 true RU2375493C1 (ru) | 2009-12-10 |
Family
ID=41489606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008117933/02A RU2375493C1 (ru) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | Способ нанесения ионно-плазменного покрытия |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2375493C1 (ru) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2445406C1 (ru) * | 2010-10-05 | 2012-03-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ обработки поверхности изделия из титанового сплава |
| RU2649928C1 (ru) * | 2017-05-31 | 2018-04-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой |
| RU2655563C1 (ru) * | 2017-08-18 | 2018-05-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии |
| RU2685888C1 (ru) * | 2018-05-08 | 2019-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов |
| RU2685892C1 (ru) * | 2018-05-08 | 2019-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ упрочняющей обработки лопаток моноколеса из титановых сплавов |
| RU2692356C1 (ru) * | 2018-06-20 | 2019-06-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Способ нанесения защитного покрытия на лопатки блиска из титанового сплава |
-
2008
- 2008-05-04 RU RU2008117933/02A patent/RU2375493C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2445406C1 (ru) * | 2010-10-05 | 2012-03-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ обработки поверхности изделия из титанового сплава |
| RU2649928C1 (ru) * | 2017-05-31 | 2018-04-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой |
| RU2655563C1 (ru) * | 2017-08-18 | 2018-05-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии |
| RU2685888C1 (ru) * | 2018-05-08 | 2019-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов |
| RU2685892C1 (ru) * | 2018-05-08 | 2019-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ упрочняющей обработки лопаток моноколеса из титановых сплавов |
| RU2692356C1 (ru) * | 2018-06-20 | 2019-06-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Способ нанесения защитного покрытия на лопатки блиска из титанового сплава |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2375493C1 (ru) | Способ нанесения ионно-плазменного покрытия | |
| US11875976B2 (en) | Plasma source utilizing a macro-particle reduction coating and method of using a plasma source utilizing a macro-particle reduction coating for deposition of thin film coatings and modification of surfaces | |
| Madadi et al. | Improving performance in PEMFC by applying different coatings to metallic bipolar plates | |
| CN101175867A (zh) | 硬材料层 | |
| KR101361240B1 (ko) | 경질 재료층을 갖는 공작물의 코팅 방법 | |
| US8338058B2 (en) | Separator for fuel cell having intermediate layer and method for manufacturing same | |
| CN101484606B (zh) | 导电层的制备方法 | |
| US8088536B2 (en) | Fuel cell separator and method for manufacturing the same | |
| US9551067B2 (en) | Coating method for depositing a layer system on a substrate and substrate having a layer system | |
| CA2332856A1 (en) | Method for deposition of wear resistant coatings to improve service life of coated components | |
| CN212335269U (zh) | 一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及真空镀膜装置 | |
| CN111945111A (zh) | 一种沉积在立方氮化硼刀具表面的复合涂层及沉积方法 | |
| US20200123645A1 (en) | Plasma Process and Reactor for the Thermochemical Treatment of the Surface of Metallic Pieces | |
| RU84019U1 (ru) | Установка для комплесной вакуумной ионно-плазменной обработки | |
| CN1202277C (zh) | 双辉放电渗镀金属碳或者氮化合物装置及工艺 | |
| RU2403316C2 (ru) | Способ нанесения ионно-плазменного покрытия | |
| JP2019023351A (ja) | 低温アーク放電イオンめっきコーティング | |
| RU76918U1 (ru) | Вакуумная ионно-плазменная установка | |
| RU2554252C2 (ru) | Способ нанесения покрытия и электродуговой испаритель для осуществления способа | |
| CN110923636A (zh) | γ-TiAl合金表面电子束复合等离子合金化处理方法 | |
| CN100349264C (zh) | GaN基化合物材料上原位淀积高介电常数Al2O3和金属膜的方法 | |
| RU2708711C1 (ru) | Способ нанесения ионно-плазменных покрытий на статорное полукольцо с лопатками и установка для его реализации | |
| Ichiki et al. | Improvement of compact electron-beam-excited plasma source for increased producible plasma density | |
| RU2710809C1 (ru) | Установка для нанесения ионно-плазменных покрытий | |
| EP3964604A1 (en) | Doped dlc for bipolar plate (bpp) and tribological applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140505 |