RU2380456C1 - Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation - Google Patents
Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2380456C1 RU2380456C1 RU2008117934/02A RU2008117934A RU2380456C1 RU 2380456 C1 RU2380456 C1 RU 2380456C1 RU 2008117934/02 A RU2008117934/02 A RU 2008117934/02A RU 2008117934 A RU2008117934 A RU 2008117934A RU 2380456 C1 RU2380456 C1 RU 2380456C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- cathodes
- ion
- vacuum chamber
- coating
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике вакуумного нанесения износо-, коррозионно- и эрозионностойких ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, например для защиты рабочих и направляющих лопаток турбомашин.The invention relates to techniques for vacuum deposition of wear-, corrosion- and erosion-resistant ion-plasma coatings and can be used in mechanical engineering, for example, to protect working and guide vanes of turbomachines.
Новый, более высокий уровень функциональных свойств лопаток ГТД и ГТУ, а также паровых турбин 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. Этот способы имеют ряд существенных преимуществ перед другими известными способами нанесения покрытий.A new, higher level of functional properties of GTE and GTU blades, as well as steam turbines, is determined mainly by the characteristics of their working surfaces. As the practice of the development of equipment and technologies in this area shows, the most effective method for their provision is coatings with a given composition and properties. The most promising and effective coating process is ion-plasma coating methods in vacuum. This methods have a number of significant advantages over other known coating methods.
Известен способ вакуумно-плазменного нанесения покрытий, включающий размещение изделий на приспособлении в вакуумной камере, приложении 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).A known method of vacuum-plasma coating, including the placement of products on the device in a vacuum chamber, application to the device of electric displacement, electric arc evaporation of the metal cathode, the formation of a coating layer on the surface of the products (A.S. 2073743, C23C 14/00, 14/32, 05/20/92. The method of coating in vacuum and a device for its implementation).
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).A known method of ion-plasma coating, including the placement of products in a vacuum chamber, applying bias voltage to them, igniting an arc discharge, cleaning and heating the product with ions of the evaporated cathode material to the condensation temperature of the coating, supplying a reagent gas to the chamber, reducing voltage (a. S. 2061788, C23C 14/34, 03/09/93. Method of coating in vacuum).
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).There is also known a method of coating on the blades of turbomachines, including deposition in vacuum on the surface of the pen blades of a condensed coating (RF patent No. 21545475, C23C 14/16, 30/00, C22C 19/05, 21/04, 04/20/2001).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ нанесения ионно-плазменных покрытий, включающий размещение деталей в вакуумной камере на приспособлении, приложение к приспособлению и деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей, приведение во вращательное движение вокруг своей продольной оси по крайней мере одного цилиндрического трубчатого катода с расположенным внутри него фиксатором катодного пятна, приведение фиксатора катодного пятна в возвратно-поступательное движение по всей рабочей высоте катода, поворот фиксатора катодного пятна на угол, обеспечивающий распыление материала вне рабочей зоны нанесения покрытия на детали, подачу потенциала на катод, возбуждение между катодом и анодом вакуумно-дугового разряда и очистку поверхности катода, поворот фиксатора катодного пятна на угол, обеспечивающий распыление материала в зоне расположения деталей и нанесение на детали покрытия электродуговым испарением материала катода при возвратно-поступательном перемещении катодного пятна в осевом направлении, обеспечиваемым перемещением фиксатора катодного пятна патент США №6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09.The closest technical solution, selected as a prototype, is a method for applying ion-plasma coatings, including placing parts in a vacuum chamber on a fixture, applying electric bias to the fixture and parts, ion cleaning the surface of the parts, rotational movement around its longitudinal axis at at least one cylindrical tubular cathode with a cathode spot retainer located inside it, bringing the cathode spot retainer into a reciprocating motion living across the entire working height of the cathode, rotation of the cathode spot retainer by an angle, providing spraying of the material outside the working area of coating the parts, supplying potential to the cathode, excitation of a vacuum-arc discharge between the cathode and anode, and cleaning of the cathode surface, rotation of the cathode spot retainer by an angle providing spraying of the material in the area where the parts are located and coating the parts of the cathode by electric arc evaporation upon reciprocating movement of the cathode spot in the axial direction Research Institute for moving the lock cathode spot US patent №6926811, IPC S23S 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», publ. 08/08/09.
Применение магнитных фиксаторов катодного пятна в последних двух технических решениях (а.с. СССР №1524534 МПК С23С14/00, «Установка для нанесения защитных покрытий», опубл. 2000.09.27) и (Патент США №6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09) позволяет управлять положением и параметрами катодного пятна. Хотя известное техническое решение (Патент США №6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09) и создает условия для охлаждения зоны испарения материала без сильного перегрева поверхности, позволяющие уменьшить вероятность образования в формируемом покрытии капельной фазы, однако они оказываются недостаточными для ведения интенсивных процессов испарения.The use of magnetic fixators of the cathode spot in the last two technical solutions (USSR AS No. 1524534 IPC С23С14 / 00, “Installation for the application of protective coatings, publ. 2000.09.27) and (US Patent No. 6926811, IPC С23С 14/34, "Arc-coating process with rotating cathodes", publ. 2005.08.09) allows you to control the position and parameters of the cathode spot. Although the well-known technical solution (US Patent No. 6926811, IPC С23С 14/34, “Arc-coating process with rotating cathodes”, published 2005.08.09) creates conditions for cooling the evaporation zone of the material without severe overheating of the surface, which reduces the likelihood of formation in formed coating of the droplet phase, however, they are insufficient to conduct intensive evaporation processes.
В этой связи, известный способ нанесения ионно-плазменных покрытий (Патент США №6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09) имеет ограничения по величине площади и высоты цилиндрического катода, который определяется высотой вакуумной камеры установки. Другими словами, для ведения интенсивных процессов испарения материала необходимо обеспечение скоростной подачи в зону испарения новой («остывшей») поверхности катода. Хотя и скорость вращения катода, наряду с перемещением катодного пятна при перемещении магнитного фиксатора по высоте катода, и позволяет подводить в зону испарения новые поверхности катода, однако интенсификация процесса испарения материала требует увеличения поверхности катода, т.е. габаритов катода, так что известный способ можно осуществить только за счет увеличения габаритов вакуумной камеры установки.In this regard, the known method of applying ion-plasma coatings (US Patent No. 6926811, IPC C23C 14/34, "Arc-coating process with rotating cathodes", publ. 2005.08.09) has limitations on the size of the area and height of the cylindrical cathode, which determined by the height of the vacuum chamber of the installation. In other words, to conduct intensive material evaporation processes, it is necessary to provide a high-speed supply to the evaporation zone of a new (“cooled”) cathode surface. Although the speed of rotation of the cathode, along with the movement of the cathode spot when moving the magnetic fixture along the height of the cathode, allows you to bring new surfaces of the cathode into the evaporation zone, however, the intensification of the evaporation of the material requires an increase in the surface of the cathode, dimensions of the cathode, so that the known method can be implemented only by increasing the dimensions of the vacuum chamber of the installation.
Известны электродуговые испарители металлов для нанесения покрытий на протяженные изделия (а.с. СССР №461163, МПК С23С 14/32, 1975). Такие устройства имеют катодные узлы с протяженными вытянутыми катодами для испаряемого материала с длиной, равной длине обрабатываемого изделия. Для получения однородных по толщине покрытий катодное пятно вынуждают сканировать по всей длине поверхности испарения катода. При этом, управляемость катодным пятном зависит от величины магнитного поля, чем больше магнитное поле, тем выше управляемость.Known electric arc evaporators of metals for coating long products (AS USSR No. 461163, IPC S23C 14/32, 1975). Such devices have cathode assemblies with extended elongated cathodes for the vaporized material with a length equal to the length of the workpiece. To obtain coatings uniform in thickness, the cathode spot is forced to scan along the entire length of the cathode evaporation surface. Moreover, the controllability of the cathode spot depends on the magnitude of the magnetic field, the larger the magnetic field, the higher the controllability.
Эксплуатация такого катодного узла показала недостаточную степень управляемости катодным пятном вакуумной дуги при наличии двух переключаемых токоподводов к катоду, характеризующуюся тем, что при работе, особенно в окислительной атмосфере, катодное пятно не всегда движется в сторону включенного ключа (патент Франции №2147880, МПК С23С 13/00, 1973).The operation of such a cathode assembly showed an insufficient degree of controllability of the vacuum arc by the cathode spot in the presence of two switchable current leads to the cathode, characterized in that, when operating, especially in an oxidizing atmosphere, the cathode spot does not always move in the direction of the switched key (French patent No. 2147880, IPC С23С 13 / 00, 1973).
Известен охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала, в виде цилиндрических обечаек, последовательно укрепленных по высоте на цилиндрическом стакане, который соединен с полым электроизоляционным штоком, соединенным вне вакуумной камеры с приводом, охлаждаемый катод снабжен расположенным соосно в полости цилиндрического стакана цилиндрическим магнитным фиксатором катодного пятна, кинематически связанным с приводом при помощи полой штанги, размещенной в полом электроизолированном штоке охлаждаемого катода (а.с. СССР №1524534, МПК С23С 14/00, «Установка для нанесения защитных покрытий», опубл. 2000.09.27).Known is a cooled cathode made of vaporized material in the form of cylindrical shells successively mounted in height on a cylindrical cup, which is connected to a hollow insulating rod connected outside the vacuum chamber to the drive, the cooled cathode is equipped with a cylindrical magnetic cathode spot retainer coaxially in the cavity of the cylindrical cup kinematically connected to the drive by means of a hollow rod placed in a hollow electrically insulated rod of a cooled cathode (AS USSR No. 15245 34, IPC С23С 14/00, “Installation for the application of protective coatings”, publ. 2000.09.27).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является установка для нанесения ионно-плазменных покрытий, содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней протяженными цилиндрическими трубчатыми охлаждаемыми катодами электродуговых испарителей, выполненными с возможностью вращения вокруг собственной оси и снабженными магнитными фиксаторами положения катодного пятна с приводами, источники питания вакуумно-дугового разряда, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, держатель изделий, по крайней мере одно устройство для ионной имплантации, выполненное в виде источника питания потенциала смещения, дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, причем дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра вращения и расположен в центре вакуумной камеры (Патент США №6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09). Применение магнитных фиксаторов катодного пятна в последних двух технических решениях (А.С. СССР №1524534, МПК С23С 14/00, «Установка для нанесения защитных покрытий», опубл. 2000.09.27) и (Патент США №6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09) позволяет управлять положением и параметрами катодного пятна. Хотя, как это отмечалось выше, известное техническое решение и создает условия для охлаждения зоны испарения материала без сильного перегрева поверхности, позволяющие уменьшить вероятность образования в формируемом покрытии капельной фазы, однако эффективность охлаждения оказывается недостаточной для ведения интенсивных процессов испарения материала катода.The closest technical solution, selected as a prototype, is an installation for applying ion-plasma coatings containing a vacuum chamber with extended cylindrical tubular cooled cathodes of electric arc evaporators located in it, made to rotate around its own axis and equipped with magnetic clamps for the position of the cathode spot with drives , vacuum-arc discharge power sources, two-stage vacuum-arc discharge power source, product holder, at least one device for ion implantation, made in the form of a bias potential power supply, an additional electrode configured to connect a two-stage vacuum-arc discharge to the positive pole of the power source, the additional electrode being made in the form of a rotation cylinder and located in the center of the vacuum chamber ( US patent No. 6926811, IPC C23C 14/34, "Arc-coating process with rotating cathodes", publ. 2005.08.09). The use of magnetic fixators of the cathode spot in the last two technical solutions (AS USSR No. 1524534, IPC C23C 14/00, "Installation for the application of protective coatings, publ. 2000.09.27) and (US Patent No. 6926811, IPC C23C 14 / 34, "Arc-coating process with rotating cathodes", publ. 2005.08.09) allows you to control the position and parameters of the cathode spot. Although, as noted above, the known technical solution creates the conditions for cooling the evaporation zone of the material without severe overheating of the surface, which can reduce the likelihood of the formation of a droplet phase in the formed coating, however, the cooling efficiency is insufficient to conduct intensive evaporation of the cathode material.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества покрытий за счет уменьшения капельной фазы и улучшения охлаждения поверхности катода без увеличения габаритов вакуумной камеры установки.The technical result of the invention is to improve the quality of coatings by reducing the droplet phase and improving the cooling of the cathode surface without increasing the dimensions of the vacuum chamber of the installation.
Технический результат достигается тем, что в способе нанесения ионно-плазменных покрытий, включающем размещение деталей в вакуумной камере на приспособлении, приложение к приспособлению и деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей, приведение во вращательное движение вокруг своей продольной оси по крайней мере одного цилиндрического трубчатого катода с расположенным внутри него фиксатором катодного пятна, приведение фиксатора катодного пятна в возвратно-поступательное движение по всей рабочей высоте катода, поворот фиксатора катодного пятна на угол, обеспечивающий распыление материала вне рабочей зоны нанесения покрытия на детали, подачу потенциала на катод, возбуждение между катодом и анодом вакуумно-дугового разряда и очистку поверхности катода, поворот фиксатора катодного пятна на угол, обеспечивающий распыление материала в зоне расположения деталей, и нанесение на детали покрытия электродуговым испарением материала катода при возвратно-поступательном перемещении катодного пятна в осевом направлении, обеспечиваемым перемещением фиксатора катодного пятна, в отличие от прототипа, при испарении материала катода, дополнительно, при одновременном перемещении фиксатора катодного пятна производят возвратно-поступательное движение катода в осевом направлении, причем величина амплитуды возвратно-поступательного движения катода в осевом направлении (Нкв/п) составляет: Нкв/п=(0,2…3)Ну.п, где Ну.п - предельная высота рабочей зоны вакуумной камеры установки ионно-плазменного напыления, при превышении высоты катода (Hк) предельной высоты рабочей зоны вакуумной камеры (Ну.п) в 0,2…4 раз (Hк/Ну.п=0,2…4), а амплитуда возвратно-поступательного движения фиксатора катодного пятна в осевом направлении (Нм.ф.в/п) составляет (0,1…1)Ну.п.The technical result is achieved by the fact that in the method of applying ion-plasma coatings, including placing parts in a vacuum chamber on the device, applying electric bias to the device and parts, ion cleaning the surface of the parts, and rotating at least one cylindrical tubular into rotational movement around its longitudinal axis cathode with a cathode spot retainer located inside it, bringing the cathode spot retainer into reciprocating motion over the entire working height of the cathode a, rotation of the cathode spot retainer by an angle, providing spraying of the material outside the working area of coating the parts, supplying the potential to the cathode, excitation of a vacuum-arc discharge between the cathode and anode and cleaning of the cathode surface, rotation of the cathode spot retainer by an angle, which sprays the material in the location of the parts, and applying to the parts of the coating by electric arc evaporation of the cathode material with the reciprocating movement of the cathode spot in the axial direction provided by the movement the cathode spot retainer, in contrast to the prototype, during evaporation of the cathode spot, additionally, while moving the cathode spot retainer, the cathode is reciprocated in the axial direction, and the magnitude of the amplitude of the cathode reciprocated movement in the axial direction (N q / p ) : N q / p = (0.2 ... 3) N cp , where N cp is the maximum height of the working area of the vacuum chamber of the ion-plasma spraying unit, when the cathode height (H k ) exceeds the maximum height of the working area of the vacuum chamber (N y .p ) 0.2 ... 4 times (H c / N c.p. 0.2 ... 4), and the amplitude of the reciprocating motion of the cathode spot retainer in the axial direction (N m.p.v / p ) is ( 0.1 ... 1) H u.p.
Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменных покрытий могут использоваться следующие приемы и операции: при нанесении покрытий детали вращаются вокруг собственной оси и перемещаются относительно катодов; катод и фиксатор катодного пятна перемещают: либо в противоположных направлениях, либо в одном направлении, либо как в одном направлении, так и в противоположных направлениях.The technical result is also achieved by the fact that in the method of applying ion-plasma coatings, the following techniques and operations can be used: when coating the parts rotate around its own axis and move relative to the cathodes; the cathode and the cathode spot retainer move: either in opposite directions, or in one direction, or both in one direction and in opposite directions.
Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменных покрытий могут использоваться следующие приемы и операции: при нанесении покрытия обеспечивают параллельность осей вращения катодов и деталей; в качестве материалов катодов используют следующие металлы: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Mo, W, Al, La, Eu и/или сплавов на основе указанных металлов, а также Ni, Co, Cr, Al, Y и/или сплавов на основе указанных металлов.The technical result is also achieved by the fact that in the method of applying ion-plasma coatings, the following techniques and operations can be used: when coating is applied, the axes of rotation of the cathodes and parts are parallel; The following metals are used as cathode materials: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, La, Eu and / or alloys based on these metals, as well as Ni, Co, Cr, Al, Y and / or alloys based on these metals.
Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменных покрытий могут использоваться следующие приемы и операции: периферийное, центральное или центральное и периферийное расположение катодов, а перед нанесением покрытия производят ионно-имплантационную обработку поверхности и постимплантационный отжиг, причем имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 1010 до 5·1020 ион/см2, 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.The technical result is also achieved by the fact that the following methods and operations can be used in the method of applying ion-plasma coatings: peripheral, central or central and peripheral arrangement of the cathodes, and before coating is applied, ion-implantation surface treatment and post-implantation annealing are performed, and ion implantation of alloying elements produced at ion energies of 0.2-300 keV and ion implantation dose of 10 10 to 5 · 10 20 ion / cm 2 , Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti or ions are used as alloying elements and a combination of implantation and annealing and postimplantation produce followed by coating in the same vacuum volume in a single technological cycle.
Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменных покрытий могут использоваться следующие приемы и операции: в качестве детали используют лопатку турбомашины; нанесение покрытия производят в среде реакционного газа; в качестве реакционного газа используют азот и/или углерод при давлении 10-2-5·10-4 мм.The technical result is also achieved by the fact that in the method of applying ion-plasma coatings, the following techniques and operations can be used: a turbomachine blade is used as a part; coating is carried out in a reaction gas medium; nitrogen and / or carbon are used as reaction gas at a pressure of 10 -2 -5 · 10 -4 mm.
Технический результат достигается также тем, что в установке для нанесения ионно-плазменных покрытий, содержащей вакуумную камеру с расположенными в ней протяженными цилиндрическими трубчатыми охлаждаемыми катодами электродуговых испарителей, выполненными с возможностью вращения вокруг собственной оси и снабженными магнитными фиксаторами положения катодного пятна с приводами, источники питания вакуумно-дугового разряда, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, держатель изделий, по крайней мере одно устройство для ионной имплантации, выполненное в виде источника питания потенциала смещения, дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, причем дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра вращения и расположен в центре вакуумной камеры, в отличие от прототипа протяженные цилиндрические катоды электродуговых испарителей выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси катодов, обеспечивающего величину амплитуды возвратно-поступательного движения катода в осевом направлении Нкв/п=(0,2…3) Ну.п, где Ну.п - предельная высота рабочей зоны вакуумной камеры, при превышении высоты катода (Hк) предельной высоты рабочей зоны вакуумной камеры (Ну.п) в 0,2…4 раз (Hк/Ну.п=0,2…4) и приводов фиксатора катодного пятна, обеспечивающих поворот фиксатора катодного пятна вокруг оси и возвратно-поступательное перемещение в осевом направлении на величину (0,1…1)Ну.п.The technical result is also achieved by the fact that in the installation for applying ion-plasma coatings containing a vacuum chamber with extended cylindrical tubular cooled cathodes of electric arc evaporators located therein, arranged to rotate around its own axis and provided with magnetic clamps for positioning the cathode spot with drives, power sources vacuum-arc discharge, two-stage vacuum-arc discharge power supply, product holder, at least one device about for ion implantation, made in the form of a bias potential power source, an additional electrode made with the possibility of connecting a two-stage vacuum-arc discharge to the positive pole of the power source, the additional electrode being made in the form of a rotation cylinder and located in the center of the vacuum chamber, unlike the prototype extended cylindrical cathodes of electric arc evaporators are made with the possibility of reciprocating motion along the axis of the cathodes, providing the magnitude of the amplitude Udy cathode reciprocating motion in the axial direction N q / n = (0.2 ... 3) u.p H, where H u.p - maximum height of the working zone of the vacuum chamber, above the height of the cathode (H k) limiting the height of the working zones of the vacuum chamber (N c.p. ) 0.2 ... 4 times (H c / N c.p. 0.2 ... 4) and cathode spot retainer drives that provide rotation of the cathode spot retainer around the axis and reciprocating movement axially by an amount (0.1 ... 1) H u.p.
Технический результат достигается также тем, что в установке для нанесения ионно-плазменных покрытий возможны следующие варианты воплощений: катоды выполнены с внешним и внутренним диаметрами и высотой в диапазонах: внешний диаметр - от 80 до 500 мм, внутренний диаметр - от 30 до 400 мм, при толщине стенки катода не менее 20 мм и высотой от 150 до 4000 мм; катоды выполнены из следующих металлов: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Mo, W, Al, La, Eu и/или сплавов на основе указанных металлов, а также из металлов: Ni, Co, Cr, Al, Y и/или сплавов на основе указанных металлов.The technical result is also achieved by the fact that in the installation for applying ion-plasma coatings the following embodiments are possible: cathodes are made with external and internal diameters and heights in the ranges: outer diameter - from 80 to 500 mm, inner diameter - from 30 to 400 mm, with a cathode wall thickness of at least 20 mm and a height of 150 to 4000 mm; cathodes are made of the following metals: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, La, Eu and / or alloys based on these metals, as well as metals: Ni, Co, Cr, Al , Y and / or alloys based on these metals.
Технический результат достигается также тем, что в установке для нанесения ионно-плазменных покрытий возможны следующие варианты воплощений: вакуумная камера выполнена в виде полого цилиндра вращения высотой 1500…2500 мм и диаметром 800…2500 мм; вакуумная камера снабжена дверями-секциями, выполненными с возможностью размещения в них протяженных цилиндрических охлаждаемых катодов электродуговых испарителей, выполненных с возможностью их вращения вокруг собственной оси и возвратно-поступательного перемещения вдоль оси вращения катода; высота секции катодов электродуговых испарителей выполнена большей, чем высота вакуумной камеры в (1,2…5) раз, и обеспечивает размещение катодов, превышающих высоту вакуумной камеры установки в (1,2…4) раза; вакуумная камера выполнена с возможностью присоединения дополнительных секций вакуумной камеры.The technical result is also achieved by the fact that in the installation for applying ion-plasma coatings the following embodiments are possible: the vacuum chamber is made in the form of a hollow cylinder of revolution with a height of 1500 ... 2500 mm and a diameter of 800 ... 2500 mm; the vacuum chamber is equipped with door sections made with the possibility of placing in them extended cylindrical cooled cathodes of electric arc evaporators, made with the possibility of their rotation around its own axis and reciprocating along the axis of rotation of the cathode; the height of the cathode section of electric arc evaporators is made greater than the height of the vacuum chamber by (1.2 ... 5) times, and ensures the placement of cathodes exceeding the height of the vacuum chamber of the installation (1.2 ... 4) times; the vacuum chamber is configured to attach additional sections of the vacuum chamber.
Принципы, применяемые в предлагаемом способе нанесения ионно-плазменного покрытия и установки для его реализации, позволяют увеличить площадь катода, поскольку используемая высота катода может быть в несколько раз (согласно предлагаемому способу - до 4 раз) больше по сравнению с рабочей высотой вакуумной камеры установки, где производится непосредственное испарение материала катода («…величина амплитуды возвратно-поступательного движения катода в осевом направлении (Hк.в/п) составляет: Hк.в/п=(0,2…3) Ну.п, где Ну.п - предельная высота рабочей зоны вакуумной камеры установки ионно-плазменного напыления, при превышении высоты катода (Hк) предельной высоты рабочей зоны вакуумной камеры (Ну.п) в 0,2…4 раз (Hк/ Ну.п=0,2…4)…»). В связи с этим, использование предлагаемого способа позволяет обеспечить хорошее охлаждение подводимой в зону испарения поверхности катода, как за счет лучшего теплоотвода (увеличение массы катода), так и за счет более быстрой смены поверхности испарения при одновременном вращении и осевом перемещении катода.The principles used in the proposed method for applying an ion-plasma coating and installation for its implementation, can increase the cathode area, since the used cathode height can be several times (according to the proposed method - up to 4 times) compared with the working height of the vacuum chamber of the installation, where direct evaporation of the cathode material is performed ("... the magnitude of the amplitude of the cathode reciprocating motion in the axial direction (H q.v / p ) is: H k.v / p = (0.2 ... 3) N cp , where N u.p - maximum height ra eyes vacuum chamber zone setting ion-plasma sputtering cathode in excess height (H k) limiting the height of the working zone of the vacuum chamber (u.p H) 0.2 ... 4 times (H k / H = 0.2 ... u.p four)…"). In this regard, the use of the proposed method allows for good cooling of the cathode surface supplied to the evaporation zone, both due to better heat removal (increase in cathode mass) and due to faster change of the evaporation surface with simultaneous rotation and axial movement of the cathode.
На чертеже показан катодный узел установки.The drawing shows the cathode assembly unit.
Ионно-плазменная установка и ее катодный узел (изображенный на чертеже) содержит цилиндрическую вакуумную камеру 1 и протяженные цилиндрические водоохлаждаемые катоды 2, расположенные в двери-секции 3. Внутри катода 2 расположен регулируемый магнитный фиксатор положения катодного пятна 4, выполненный с возможностью перемещения вдоль оси катода 2. Катодный узел снабжен механизмом вращения и возвратно-поступательного движения катода 5, системой водяного охлаждения и системой токоподвода (не показаны). Детали 6 в вакуумной камере 1 закрепляются и приводятся во вращательное движение вокруг своей оси и поворачиваются относительно катодов 2. Катоды 2 имеют высоту Hк и выполнены с возможностью перемещения в осевом направлении на величину Нк.в/п. Вакуумная камера 1 имеет предельную высоту рабочей зоны, равную Ну.п. Магнитный фиксатор положения катодного пятна 4 выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении на величину Нм.ф.в/п=(0,1…1)Ну.п. Катоды 2 вращаются вокруг собственной оси с угловой скоростью ω и одновременно перемещаются возвратно-поступательно в осевом направлении со скоростью V. Фиксатор положения катодного пятна 4 также перемещается возвратно-поступательно в осевом направлении со скоростью ν.The ion-plasma installation and its cathode assembly (shown in the drawing) contains a
Способ осуществляется, а установка работает следующим образом.The method is carried out, and the installation works as follows.
Детали 6 размещают в вакуумной камере 1 на приспособлении, прикладывают к приспособлению и деталям потенциал электрического смещения, производят ионную очистку поверхности деталей, катоды 2 приводят во вращательное движение вокруг своей оси и поступательное движение вдоль оси катода, при этом, одновременно приводят в движение магнитный фиксатор положения катодного пятна 4. С помощью системы поджига (не показана) на поверхности испарения вращающегося катода 2 возбуждаются катодные пятна вакуумной дуги. Катодное пятно каждого катода 2 движется в сторону перемещения регулируемого магнитного фиксатора 4. В зависимости от интенсивности процесса испарения материала на катоде 2 производят регулирование скорости вращения ω катода 2, скорости перемещения катодного пятна ν и скорости перемещения V катода 2. При этом, если задать большую скорость вращения ω катода 2 и малое значение скоростей V и ν, то в зоне испарения будет практически находиться одна и та же область катода, что приведет к перегреву и образованию капельной фазы. Если же задать незначительную скорость вращения катода, при малых скоростях V и v, то перегрев поверхности катода в зоне испарения будет еще больший. Поэтому, исходя из конкретного режима испарения материала назначают (экспериментально определенные для каждого случая) минимально возможные скорости ω, V и ν, а также их соотношение. При этом действует общее правило: «чем больше скорости подвода новых поверхностей к зоне испарения материала (т.е. чем больше значения скоростей ω, V и ν), тем меньше капельной фазы». Производят очистку поверхностей катодов 2. Для этого осуществляют поворот фиксатора положения катодного пятна 4 на угол, обеспечивающий распыление материала вне рабочей зоны нанесения покрытия на детали 6. После окончания очистки катодов 2, поворачивают фиксатор положения катодного пятна 4 на угол, обеспечивающий распыление материала в зоне расположения деталей 6, и осуществляют нанесение на детали 6 покрытия электродуговым испарением материала катода при возвратно-поступательном перемещении катодного пятна в осевом направлении, осуществляемый перемещением фиксатора катодного пятна. При нанесении покрытий детали 6 вращаются вокруг собственной оси и перемещаются относительно катодов 2 при помощи приспособления 7. В зависимости от конкретных задач обработки деталей, катод и фиксатор положения катодного пятна 4 могут перемещать либо в одном, либо в противоположных направлениях. В качестве материалов катодов 2 могут использоваться как один материал, так и одновременно несколько (по числу катодов), выбранные из следующих металлов: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Мо, W, Al, La, Eu и/или сплавы на основе указанных металлов, а также - Ni, Co, Cr, Al, Y и/или сплавы на основе указанных металлов. Перед нанесением покрытия может производиться ионно-имплантационная обработка поверхности и постимплантационный отжиг. Имплантация ионов легирующих элементов в этом случае производится 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. В качестве деталей 6 могут быть использованы лопатки турбомашины, например паровых турбин. Кроме того, использование таких газов, как азот и ацетилен позволяет получать многослойные нитридные и карбонитридные покрытия.
ПримерExample
Для оценки предложенного технического решения были нанесены покрытия по способу-прототипу и предложенному способу. Разница при нанесении по сравниваемым вариантам заключалась в том, что при нанесении по способу-прототипу использовалось только вращательное движение катода, а при нанесении по предложенному способу - дополнительно использовалось возвратно-поступательное движение катода на всю величину его возможного хода. Катодный узел для проверки предложенного решения содержал катод, выполненный из титанового сплава ВТ 1-0, имеющего следующие размеры: внешний диаметр - 240 мм, внутренний диаметр - 160 мм (обеспечивающий начальную толщину стенки - 40 мм) и высота от 1200 мм. Осевой ход катодов - 500 мм, высота рабочей зоны распыления - 650 мм. Покрытия наносили на лопатки компрессора из легированной стали 20Х13, в вакуумной камере экспериментальной установки с периферийным расположением катода. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Покрытия толщиной 11-15 мкм осаждались в течение 2 часов при температуре 560-580°С при токе дуги 130 А. Слои TiN осаждали в среде реакционного газа азота при напряжении на подложке 140 В. Для осаждения слоев TiCN в качестве реакционного газа использовалась смесь азота и ацетилена (содержание ацетилена в смеси 30%), напряжение на подложке 160 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiN составляет 0,3 А, при конденсации TiCN - 0,4 А. Скорость вращения катода составляла 32 об/мин. Проведенные металлографические исследования показали, что покрытия, ненесенные по предлагаемому способу, имели меньшее по сравнению с покрытиями, нанесенными по способу-прототипу, содержание капельной фазы, эквивалентное применению специальных сеточных сепараторов.To evaluate the proposed technical solutions were coated according to the prototype method and the proposed method. The difference when applying according to the compared options was that when applying according to the prototype method, only the rotational motion of the cathode was used, and when applying according to the proposed method, the reciprocating motion of the cathode was additionally used for the entire value of its possible stroke. The cathode assembly for checking the proposed solution contained a cathode made of VT 1-0 titanium alloy having the following dimensions: outer diameter — 240 mm, inner diameter — 160 mm (providing an initial wall thickness of 40 mm), and a height of 1200 mm or more. The axial stroke of the cathodes is 500 mm, the height of the atomization working zone is 650 mm. Coatings were applied to the compressor blades of alloy steel 20X13, in the vacuum chamber of the experimental setup with a peripheral location of the cathode. The coatings were applied after preliminary ion cleaning. Coatings 11-15 μm thick were deposited for 2 hours at a temperature of 560-580 ° C with an arc current of 130 A. TiN layers were deposited in a reaction gas of nitrogen at a substrate voltage of 140 V. A mixture of nitrogen was used as a reaction gas to deposit TiCN layers. and acetylene (the content of acetylene in the mixture is 30%), the voltage on the substrate is 160 V. The focusing coil current for TiN condensation is 0.3 A, for TiCN condensation it is 0.4 A. The cathode rotation speed was 32 rpm. Metallographic studies showed that the coatings worn by the proposed method had a lower content of the droplet phase, equivalent to the use of special mesh separators compared to coatings applied by the prototype method.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает достижение поставленного технического результата предлагаемого изобретения - повышение качества покрытий за счет уменьшения капельной фазы и улучшения охлаждения поверхности катода без увеличения габаритов вакуумной камеры установки. Кроме того, предлагаемое изобретение позволило создать такой способ нанесения покрытия и установку для его осуществления, в котором сочетались бы хорошее охлаждение катода (за счет эффективного теплоотвода и быстрой смены поверхности испарения) и высокая степень стабильности управления положением катодного пятна на поверхности испарения катода (за счет использования управляемого магнитного фиксатора положения катодного пятна), а также возможность чередующегося испарения различных металлов при использовании нескольких катодов из разнородных материалов и возможности использования более интенсивных процессов испарения материалов.Thus, the present invention ensures the achievement of the technical result of the present invention - improving the quality of coatings by reducing the droplet phase and improving cooling of the cathode surface without increasing the dimensions of the vacuum chamber of the installation. In addition, the present invention allowed to create such a method of coating and installation for its implementation, which would combine good cooling of the cathode (due to efficient heat removal and rapid change of the evaporation surface) and a high degree of stability of controlling the position of the cathode spot on the evaporation surface of the cathode (due to the use of a controlled magnetic fixator for the position of the cathode spot), as well as the possibility of alternating evaporation of various metals when using several cathodes from p znorodnyh materials and the possibility of using a more intensive process of evaporation materials.
Claims (27)
равном (0,2-4), а приводы фиксаторов катодного пятна выполнены с возможностью обеспечения поворота фиксаторов катодного пятна вокруг оси и возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении на величину
(0,1÷1)Ну.п.22. Installation for applying ion-plasma coatings, containing a vacuum chamber, long cylindrical tubular cooled cathodes of electric arc evaporators, made with the possibility of rotation around its own axis and equipped with magnetic clamps for the position of the cathode spot with drives, vacuum-arc discharge power sources, a two-stage vacuum power source -arc discharge, product holder, at least one device for ion implantation, made in the form of a bias potential power source an additional electrode made with the possibility of connecting a two-stage vacuum-arc discharge power source to the positive pole, the additional electrode made in the form of a cylinder of revolution and located in the center of the vacuum chamber, characterized in that the vacuum chamber is equipped with door sections in which extended cylindrical cooled cathodes of electric arc evaporators, and extended cylindrical cathodes of electric arc evaporators are made with the possibility of reciprocating th movement along the axis of the cathodes and ensuring the magnitude of the amplitude of the reciprocating motion of the cathode in the axial direction H q.v / p = (0.2 ÷ 3) N s.p. , where N s.p. - the maximum height of the working area of the vacuum chamber with the ratio the height of the cathode (H to ) to the maximum height of the working area of the vacuum chamber (N US ),
equal to (0.2-4), and the cathode spot retainer drives are configured to rotate the cathode spot clamp around the axis and reciprocate in the axial direction by
(0,1 ÷ 1) H u.p.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117934/02A RU2380456C1 (en) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117934/02A RU2380456C1 (en) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008117934A RU2008117934A (en) | 2009-11-10 |
| RU2380456C1 true RU2380456C1 (en) | 2010-01-27 |
Family
ID=41354445
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008117934/02A RU2380456C1 (en) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2380456C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2478141C2 (en) * | 2011-05-05 | 2013-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова") | Modification method of material surface by plasma treatment |
| RU2554252C2 (en) * | 2013-11-18 | 2015-06-27 | Аскар Джамилевич Мингажев | Application of coating and arc evaporator to this end |
| RU2562566C2 (en) * | 2013-06-18 | 2015-09-10 | Виталий Степанович Гончаров | Vacuum ion-plasma coating application plant |
| RU2637860C1 (en) * | 2016-10-11 | 2017-12-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method of producing wear resistant coating for cutting tool |
| RU2642237C2 (en) * | 2015-11-26 | 2018-01-24 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" | Coating plasma-arc device |
| RU2693229C1 (en) * | 2018-06-20 | 2019-07-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Apparatus for applying ion-plasma coatings on blisk blades |
| RU2693227C1 (en) * | 2018-04-25 | 2019-07-01 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of applying erosion-resistant coatings on blisk blizzards of gas turbine engine of titanium alloys |
-
2008
- 2008-05-04 RU RU2008117934/02A patent/RU2380456C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2478141C2 (en) * | 2011-05-05 | 2013-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова") | Modification method of material surface by plasma treatment |
| RU2562566C2 (en) * | 2013-06-18 | 2015-09-10 | Виталий Степанович Гончаров | Vacuum ion-plasma coating application plant |
| RU2554252C2 (en) * | 2013-11-18 | 2015-06-27 | Аскар Джамилевич Мингажев | Application of coating and arc evaporator to this end |
| RU2642237C2 (en) * | 2015-11-26 | 2018-01-24 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" | Coating plasma-arc device |
| RU2637860C1 (en) * | 2016-10-11 | 2017-12-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method of producing wear resistant coating for cutting tool |
| RU2693227C1 (en) * | 2018-04-25 | 2019-07-01 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of applying erosion-resistant coatings on blisk blizzards of gas turbine engine of titanium alloys |
| RU2693229C1 (en) * | 2018-06-20 | 2019-07-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Apparatus for applying ion-plasma coatings on blisk blades |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008117934A (en) | 2009-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2380456C1 (en) | Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation | |
| US8387561B2 (en) | Method and apparatus for cathodic arc ion plasma deposition | |
| EP1436441B1 (en) | Method for applying metallic alloy coatings and coated component | |
| US4877505A (en) | Method and apparatus for application of coatings on substrates | |
| RU2625698C1 (en) | Method of application of protective coatings and device for its implementation | |
| US4645895A (en) | Method and apparatus for surface-treating workpieces | |
| US6045667A (en) | Process and system for the treatment of substrates using ions from a low-voltage arc discharge | |
| JP6101238B2 (en) | Coating apparatus for coating a substrate and method for coating a substrate | |
| KR940004902B1 (en) | Physical vapor deposition method of thermochemical treatment of metals and furnace for implementing said method | |
| RU2430992C2 (en) | Procedure for application of wear resistant coating on blades of compressor of gas turbine engine (gte) | |
| JP2007217795A (en) | Component, apparatus and method for manufacture of layer system | |
| JPH11140630A (en) | Cathode arc vapor deposition device | |
| RU2599073C1 (en) | Method of ion-plasma application of multilayer coating on articles from aluminium alloys | |
| RU2376398C2 (en) | Method of ion-plasma coating and arc vapour source with composite cathode | |
| Pyachin et al. | Formation and study of electrospark coatings based on titanium aluminides | |
| RU2554252C2 (en) | Application of coating and arc evaporator to this end | |
| RU2399692C2 (en) | Procedure for application of coating and electric arc evaporator with rotating cathode for implementation of this procedure | |
| RU2380457C2 (en) | Cathode unit of electric arc evaporator | |
| RU2661162C1 (en) | Installation for ion-plasma modification and coating the mono-wheels with blades | |
| US9153422B2 (en) | Arc PVD plasma source and method of deposition of nanoimplanted coatings | |
| RU2420608C1 (en) | Electric arc evaporator with sectional revolving cathode | |
| RU2566232C1 (en) | Method of combined ion-plasma treatment of products out of aluminium alloys | |
| Misumi et al. | Fundamental study on sputter deposition of ceramic film by large-area electron beam irradiation | |
| RU2708711C1 (en) | Method of applying ion-plasma coatings on stator semi-ring with blades and installation for its implementation | |
| Krioni et al. | Application of ion-plasma coatings with low droplet phase content |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140505 |