RU2554252C2 - Application of coating and arc evaporator to this end - Google Patents
Application of coating and arc evaporator to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2554252C2 RU2554252C2 RU2013151254/02A RU2013151254A RU2554252C2 RU 2554252 C2 RU2554252 C2 RU 2554252C2 RU 2013151254/02 A RU2013151254/02 A RU 2013151254/02A RU 2013151254 A RU2013151254 A RU 2013151254A RU 2554252 C2 RU2554252 C2 RU 2554252C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- coating
- cylindrical shell
- strip
- region
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технике и технологии нанесения защитных ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, например, для защиты рабочих и направляющих лопаток турбомашин.The invention relates to techniques and technologies for applying protective ion-plasma coatings and can be used in mechanical engineering, for example, to protect working and guide vanes of turbomachines.
Широко известны способы и установки для нанесения защитных покрытий путем осаждения из вакуумно-дуговой плазмы материала покрытия с использованием электродуговых испарителей металлов, содержащий катод, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения и источник постоянного тока, соединенный с катодом и анодом [например, Патент США 3793179, МПК С23С 14/32, 1974].Widely known are methods and apparatuses for applying protective coatings by deposition from a vacuum arc plasma of a coating material using electric arc metal evaporators, comprising a cathode made of an evaporated material and having an evaporation surface and a direct current source connected to the cathode and anode [for example, US Patent 3793179, IPC С23С 14/32, 1974].
Используемые в таких установках катоды, выполненные из материала покрытия, используются, как правило, для испарения токопроводящих материалов и нанесения упрочняющих покрытий ограниченной толщины на детали машин из плазмы испаряемого материала (патент Великобритании №1322670, патент США №5529674, патент ЕП №0922606).The cathodes used in such installations, made of coating material, are used, as a rule, for the evaporation of conductive materials and the application of reinforcing coatings of limited thickness on machine parts from the plasma of the vaporized material (UK patent No. 1322670, US patent No. 5529674, patent EP No. 0922606).
Недостатком электродуговых испарителей, используемых на установках для нанесения покрытий указанного типа, является ограниченный запас испаряемого материала, а также низкая производительность, что не позволяет наносить защитные покрытия большой толщины (порядка 20-40 мкм) на детали машин в одном цикле напыления.The disadvantage of electric arc evaporators used in coating plants of this type is the limited stock of evaporated material, as well as low productivity, which does not allow to apply protective coatings of large thickness (about 20-40 microns) on machine parts in one spraying cycle.
Известен электродуговой испаритель, содержащий цилиндрический охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда, средствами фиксации положения катодного пятна на поверхности испарения катода (патент США 6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09).A known electric arc evaporator containing a cylindrical cooled cathode made of a vaporized material in the form of a cylindrical shell, equipped with means for supplying and discharging a cooling medium, electric means for connecting the cathode to a discharge power supply, means for fixing the position of the cathode spot on the cathode evaporation surface (US patent 6926811, IPC C23C 14/34, “Arc-coating process with rotating cathodes”, publ. 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.The use of magnetic fixators of the cathode spot in the last two technical solutions (AS USSR 1524534, IPC C23C 14/00, "Installation for applying protective coatings" publ. 2000.09.27) and (US Patent 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.
Известен электродуговой испаритель металлов, содержащий анод, охлаждаемый катод электродугового разряда, вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения, расположенную вдоль продольной оси, и токоподводы с противоположных торцов катода, подключенные к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом [А.С. СССР 461163, МПК С23С 14/32, 1975].Known electric arc evaporator of metals, containing the anode, the cooled cathode of the electric arc discharge, elongated along its longitudinal axis, made of vaporized material and having an evaporation surface located along the longitudinal axis, and current leads from opposite ends of the cathode connected to controlled keys electrically connected through individual elements inclusion with the control unit, and connected to a direct current source, also connected to the anode [A.S. USSR 461163, IPC С23С 14/32, 1975].
В известном электродуговом испарителе катодное пятно под воздействием электромагнитного поля тока, протекающего по катоду, всегда движется в направлении токоподвода. Когда катодное пятно достигает торца катода, средство определения положения катодного пятна вырабатывает электрический сигнал, который поступает на блок управления. Блок управления обеспечивает включение управляемого ключа, расположенного у торца катода, противоположного тому, где находится катодное пятно, одновременно отключая другой ключ.In a known electric arc evaporator, the cathode spot, under the influence of the electromagnetic field of the current flowing through the cathode, always moves in the direction of current supply. When the cathode spot reaches the end of the cathode, the means for determining the position of the cathode spot generates an electrical signal, which is fed to the control unit. The control unit enables the activation of a controlled key located at the end of the cathode opposite to where the cathode spot is located, while simultaneously disconnecting another key.
Однако известные электродуговые испарители не обеспечивают стабильного и надежного процессов ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий на детали машин и аппаратов, поскольку в процессе работы установки с известными испарителями возникает вероятность возникновения дуги между анодом и нерабочей частью испарителя. Кроме того, известные испарителя не обеспечивают постоянства геометрических параметров области испарения материала катода и скорости ее перемещения, что также отрицательно сказывается на надежности технологических процессов обработки деталей.However, the known electric arc evaporators do not provide stable and reliable processes of ion-plasma treatment and coating on machine parts, since during the operation of the installation with known evaporators there is a possibility of an arc between the anode and the non-working part of the evaporator. In addition, the known evaporators do not ensure the constancy of the geometric parameters of the region of evaporation of the cathode material and the speed of its movement, which also negatively affects the reliability of the technological processes of processing parts.
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 cooled cathode, made of evaporated material, in the form of cylindrical shells, successively mounted in height on a cylindrical glass, 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 located in the cavity of the cylindrical glass kinematically connected to the drive by means of a hollow rod placed in a hollow electrically insulated rod of a cooled cathode (AS USSR 1524534, IPC С23С 14/00, "Installation for applying protective coatings" publ. 2000.09.27).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа способа и устройства, являются способ нанесения покрытий, включающий размещение деталей в вакуумной камере, приложение к деталям потенциала электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов, по крайней мере, одного катода, выполненного в виде цилиндрической обечайки и снабженного магнитны фиксатором области катодных пятен (патент РФ №2187576. МПК С23С 14/38. УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ. Опубл. 2002) и электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме, содержащий по крайней мере один охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда, с расположенным внутри катода магнитным фиксатором положения области катодных пятен (патент РФ №2187576. МПК С23С 14/38. УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ. Опубл. 2002).The closest technical solution, selected as a prototype of the method and device, is a coating method, which includes placing parts in a vacuum chamber, applying an electric bias potential to parts, ion cleaning the surface of the parts and coating them with electric arc evaporation of at least one material a cathode made in the form of a cylindrical shell and provided with a magnetic clamp for the region of cathode spots (RF patent No. 2187576. IPC С23С 14/38. INSTALLATION FOR APPLICATION OF PROTECTIVE COATINGS I. Publ. 2002) and an electric arc evaporator for coating in vacuum, containing at least one cooled cathode made of a vaporized material in the form of a cylindrical shell, equipped with means for supplying and discharging a cooling medium, electric means for connecting the cathode to a discharge power supply, s located inside the cathode with a magnetic fixator for the position of the region of cathode spots (RF patent No. 2187576. IPC С23С 14/38. INSTALLATION FOR APPLICATION OF PROTECTIVE COATINGS. Publ. 2002).
Известный способ нанесения покрытия и электродуговой испаритель для его реализации используют для испарения материала катода область катодных пятен в виде кольца, вокруг возвратно-поступательно перемещающегося катода, при фиксированном положении фиксатора катодных пятен. В рассматриваемом способе используется, как правило, центральное расположение цилиндрического катода, что является наиболее целесообразным для обеспечения идентичных условий нанесения покрытий на детали, расположенных вокруг катода.The known coating method and the electric arc evaporator for its implementation use for the evaporation of the cathode material the region of the cathode spots in the form of a ring around the reciprocating cathode, with a fixed position of the cathode spot retainer. In the method under consideration, as a rule, the central arrangement of the cylindrical cathode is used, which is most expedient for ensuring identical conditions for coating the parts located around the cathode.
Однако данный способ нанесения покрытия и электродуговой испаритель обладают рядом недостатков, приводящих к снижению производительности нанесения покрытий, снижению их качества за счет повышенного содержания капельной фазы в покрытии. Это связано с тем, что при нанесении покрытий, данный испаритель работает при высокой концентрации энергии в катодном пятне дуги, происходит интенсивный локальный перегрев поверхностного слоя материала катода, приводящее к его чрезмерному расплавлению и разбрызгиванию с образованием капельной фазы. Кроме того, для испарения материала используется только небольшой участок катода, что резко снижает рабочую зону нанесения покрытия на детали и приводит к разнотолщинности покрытия, связанной с различной интенсивностью осаждения материала по высоте детали (распыление материала в радиальном направлении от цилиндрического катода идет в форме струи, и количество осаждаемого материала снижается от центральной ее части к периферии).However, this coating method and the electric arc evaporator have a number of disadvantages leading to a decrease in the coating productivity and a decrease in their quality due to the increased content of the droplet phase in the coating. This is due to the fact that, when coating, this evaporator operates at a high concentration of energy in the cathode spot of the arc, intense local overheating of the surface layer of the cathode material occurs, leading to its excessive melting and spraying with the formation of a droplet phase. In addition, only a small portion of the cathode is used to evaporate the material, which drastically reduces the working area of the coating on the parts and leads to coating thickness differences associated with different deposition rates of the material along the height of the part (the material is sprayed radially from the cylindrical cathode in the form of a jet, and the amount of material deposited decreases from its central part to the periphery).
Задачей, на выполнение которой направлено данное техническое решение, является возможность создания такого способа и электродугового испарителя для его реализации, который обеспечивал бы повышение производительности процесса нанесения покрытия при одновременном повышении его качества.The task to which this technical solution is directed is the possibility of creating such a method and an electric arc evaporator for its implementation, which would provide an increase in the productivity of the coating process while improving its quality.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение производительности нанесения покрытий за счет увеличения площади распыления материала катода, повышение качества покрытия за счет снижения содержания в нем капельной фазы и обеспечения равнотолщинности покрытия.The technical result of the invention is to increase the coating productivity by increasing the spraying area of the cathode material, improving the quality of the coating by reducing the content of the drop phase in it and ensuring equal thickness of the coating.
Технический результат достигается тем, что в способе нанесения покрытий, включающем размещение деталей в вакуумной камере, приложение к деталям потенциала электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов, по крайней мере, одного катода, выполненного в виде цилиндрической обечайки и снабженного магнитным фиксатором области катодных пятен, в отличие от прототипа, упомянутый фиксатор выполнен с возможностью обеспечения области образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода и перемещающейся по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации, а возвратно-поступательное перемещение области катодных пятен упомянутой полосы осуществляют за счет переключения полярности противоположных торцов катода, при этом возможны следующие варианты способа: используют центральное расположение катода в вакуумной камере; используют скорость перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода от 0,2 м/с до 30 м/с; при нанесении покрытий детали вращают вокруг собственной оси и перемещают относительно катода; после ионной очистки проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали, причем ионную очистку проводят ионами Ar и/или N при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 90 мкА/см2 до 200 мкА/см2 в течение от 0,2 до 0,5 ч, затем проводят ионную имплантацию ионами одного или нескольких элементов N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si. при энергии от 25 до 60 кэВ, дозой от 1,6·1017 см-2 до 5·1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7·1015 с-1 до 1·1015 с-1; в качестве материала покрытия наносят жаростойкий сплав состава Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное, или состава Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное, или состава Si - от 4,0 до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, используя в качестве детали лопатку турбины газотурбинного двигателя или газотурбинной установки из никелевого или кобальтового сплава; при нанесении покрытий детали вращают вокруг собственной оси и перемещают относительно катода;The technical result is achieved by the fact that in the coating method, which includes placing parts in a vacuum chamber, applying electric bias potential to the parts, ionically cleaning the surface of the parts and coating them with electric arc evaporation of materials of at least one cathode made in the form of a cylindrical shell and provided with a magnetic lock region of the cathode spots, in contrast to the prototype, the said lock is made with the possibility of providing the area of formation of cathode spots in the form strip oriented along the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode and moving along the trajectory of the coaxial circumference of the cylindrical shell of the cathode while maintaining its orientation, and the reciprocating movement of the region of the cathode spots of the said strip is carried out by switching the polarity of the opposite ends of the cathode, while the following options are possible: using the central location of the cathode in a vacuum chamber; using the speed of movement of the said strip along the trajectory, the coaxial circumference of the cylindrical shell of the cathode from 0.2 m / s to 30 m / s; when coating parts rotate around its own axis and move relative to the cathode; after ion cleaning, ion-implantation treatment of the surface of the part is carried out, and ion cleaning is carried out with Ar and / or N ions at an energy of 8 to 10 keV, a current density of 90 μA / cm 2 to 200 μA / cm 2 for 0.2 to 0.5 h, then ion implantation is carried out with ions of one or more elements of N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si. at an energy of 25 to 60 keV, a dose of 1.6 · 10 17 cm -2 to 5 · 10 17 cm -2 , with a dose rate of 0.7 · 10 15 s -1 to 1 · 10 15 s -1 ; as a coating material, a heat-resistant alloy of Cr composition is applied - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Ni - the rest, or Cr composition - from 18 to 34%; Al - from 3 to 16%; Y - from 0.2 to 0.7%; Co - from 16 to 30%; Ni - the rest, or Si composition - from 4.0 to 12.0%; Y - from 1.0 to 2.0%; Al — the rest using a turbine blade of a gas turbine engine or a gas turbine installation of nickel or cobalt alloy as a part; when coating parts rotate around its own axis and move relative to the cathode;
после ионной очистки проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали, причем ионную очистку проводят ионами Ar и/или N при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 90 мкА/см2 до 300 мкА/см2 в течение от 0,2 до 0,5 ч, затем проводят ионную имплантацию ионами одного или нескольких элементов N, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si при энергии от 25 до 60 кэВ, дозой от 1,6·1017 см-2 до 5·1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7·1015 с-1 до 1·1015 с-1; в качестве материала покрытия используют нитриды Me-N, карбиды Ме-С и карбо-нитриды Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, N - азот, С - углерод; используя в качестве детали лопатку из титановых сплавов или высоколегированных сталей или сплавов на никелевой основе для компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или паровой турбины; при нанесении покрытия обеспечивают параллельность осей вращения деталей с осью катода; используют катод, выполненный из одного из следующих металлов Ni, Co, Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Y, La, и/или любого сплава на основе указанных металлов; нанесение покрытия производят в среде реакционного газа, в качестве которого используют азот и/или углерод при давлении 10-2-5·10-4 мм рт.ст.; в качестве детали используют лопатку турбомашины; используют цилиндрический катод с размерами в диапазонах: высота - от 200 мм до 3000 мм, внешний диаметр - от 200 до 600 мм, толщина стенки катода - от 10 до 80 мм, причем ширину упомянутой полосы области образования катодных пятен выбирают от 5 мм до 40 мм.after ion cleaning, ion-implantation treatment of the surface of the part is carried out, and ion cleaning is carried out with Ar and / or N ions at an energy of 8 to 10 keV, a current density of 90 μA / cm 2 to 300 μA / cm 2 for 0.2 to 0.5 h, then ion implantation is carried out with ions of one or more elements of N, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si at an energy of 25 to 60 keV, a dose of 1.6 · 10 17 cm -2 to 5 · 10 17 cm -2 , with a dose rate of 0.7 · 10 15 s -1 to 1 · 10 15 s -1 ; the coating material used is Me-N nitrides, Me-C carbides and Me-NC carbo-nitrides, where Me is Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo, or a combination thereof, N is nitrogen, C is carbon; using as a part a blade made of titanium alloys or high alloy steels or nickel-based alloys for a compressor of a gas turbine engine or gas turbine installation or steam turbine; when applying the coating provide parallelism of the axis of rotation of the parts with the axis of the cathode; using a cathode made of one of the following metals Ni, Co, Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Y, La, and / or any alloy based on these metals; coating is carried out in a reaction gas medium, in which nitrogen and / or carbon are used at a pressure of 10-2 -5 · 10 -4 mm Hg; as a part, a turbomachine blade is used; use a cylindrical cathode with dimensions in the ranges: height - from 200 mm to 3000 mm, outer diameter - from 200 to 600 mm, cathode wall thickness - from 10 to 80 mm, and the width of the said strip of the region of cathode spot formation is selected from 5 mm to 40 mm
Технический результат достигается также тем, что в электродуговом испарителе для нанесения покрытий в вакууме, содержащий по крайней мере один охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда, с расположенным внутри катода магнитным фиксатором положения области катодных пятен, отличающийся тем, что упомянутый фиксатор выполнен с возможностью образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода и с возможностью перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации, а средства электрической связи катода с источником электропитания разряда выполнены в виде токоподводов с противоположных торцов катода, подключенных к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, при этом возможны следующие варианты испарителя: магнитный фиксатор положения области катодных пятен выполнен в виде протяженного стержня, расположенного эксцентрично продольной оси цилиндрической обечайки катода и выполненной с возможностью перемещения по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода; перемещение упомянутого магнитного фиксатора по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода, обеспечивается коленчатым или эксцентриковым валом; магнитный фиксатор положения области катодных пятен выполнен в виде расположенных по периферии катоды магнитных катушек, выполненных с возможностью последовательного включения с выключением предыдущей магнитной катушки, а цилиндрический катод выполнен с размерами, выбранными из диапазона: высота - от 200 до 3000 мм, внешний диаметр - от 200 до 600 мм, толщина стенки катода - от 10 до 80 мм.The technical result is also achieved by the fact that in an electric arc evaporator for coating in a vacuum, containing at least one cooled cathode made of an evaporated material in the form of a cylindrical shell, equipped with means for supplying and discharging a cooling medium, electric means for connecting the cathode with a discharge power supply, with a magnetic fixator of the position of the region of the cathode spots located inside the cathode, characterized in that said fixer is configured to form cathode spots ten in the form of a strip oriented along the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode and with the possibility of moving the said strip along the path, the coaxial circumference of the cylindrical shell of the cathode while maintaining its orientation, and the means of electrical communication of the cathode with the discharge power supply are made in the form of current leads from opposite ends of the cathode connected to controlled keys, electrically connected through individual switching elements with a control unit, and connected to a direct current source a, also connected to the anode, the following options for the evaporator are possible: the magnetic position lock of the cathode spot region is made in the form of an extended rod located eccentrically to the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode and made with the possibility of moving around a circle with a center located on the axis of the cylindrical shell of the cathode; the movement of the said magnetic retainer in a circle with a center located on the axis of the cylindrical shell of the cathode is provided by a cranked or eccentric shaft; the magnetic position fixer of the cathode spot region is made in the form of magnetic coils located on the periphery of the cathode, made to sequentially turn on and off the previous magnetic coil, and the cylindrical cathode is made with dimensions selected from the range: height - from 200 to 3000 mm, outer diameter - from 200 to 600 mm, the cathode wall thickness is from 10 to 80 mm.
Перечисленные существенные признаки предлагаемого изобретения позволяют достичь технического результата предлагаемого изобретения - повысить производительность нанесения покрытий за счет увеличения площади распыления материала катода, повысить качество покрытия за счет снижения содержания в нем капельной фазы и обеспечения равнотолщинности покрытия.These essential features of the invention allow to achieve the technical result of the invention — to increase the coating productivity by increasing the spray area of the cathode material, to improve the quality of the coating by reducing the content of the droplet phase in it and to ensure equal thickness of the coating.
Управляемость положением области катодных пятен определяется величиной магнитного поля, чем больше напряженность магнитного поля, тем выше управляемость. В предлагаемом техническом решении управление областью катодных пятен (или областью испарения материала катода) обеспечивается за счет нескольких приемов. Первый прием заключается в создании области образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода. Поскольку магнитное поле магнитным фиксатором положения области катодных пятен создается в виде полосы, то и область испарения материала катода также формируется подобно ей, в виде той же самой полосы на катоде. При этом полоса на катоде расположена вдоль продольной оси обечайки катода (вдоль образующей цилиндрической поверхности катода). Однако указанная область испарения материала катода в виде полосы, инициируемой магнитным фиксатором не была бы стабильна, если бы не использовался второй прием - обеспечение возвратно-поступательного перемещения области катодных пятен по упомянутой полосе за счет переключения полярности противоположных торцов катода. Второй прием позволяет управлять областью катодных пятен за счет синхронизации переключения полярности торцов катода и скорости перемещения области катодных пятен от одного торца катода до другого. Как только область катодных пятен достигает противоположного торца катода (при передвижении вдоль оси обечайки катода), происходит переключение полярности торцов катода и область катодных пятен начинает перемещаться в обратную сторону. Скорость перемещения области катодых пятен составляет от 8 м/с до 20 м/с. При такой скорости перемещения область испарения практически представляет собой сплошную полосу, тянущуюся от одного торца катода до другого. Однако, формирование области испарения только в виде упомянутой полосы не позволит достичь эффекта предлагаемого изобретения, поэтому используется третий прием управления областью катодных пятен - перемещение упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации. Скорость перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода берется от 0,2 м/с до 30 м/с.The controllability of the position of the cathode spot region is determined by the magnitude of the magnetic field, the greater the magnetic field strength, the higher the controllability. In the proposed technical solution, the control of the region of cathode spots (or the region of evaporation of the cathode material) is provided by several techniques. The first trick is to create a cathode spot formation region in the form of a strip oriented along the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode. Since the magnetic field is created by a magnetic retainer of the cathode spot region in the form of a strip, the evaporation region of the cathode material is also formed like it, in the form of the same strip on the cathode. In this case, the strip on the cathode is located along the longitudinal axis of the cathode shell (along the generatrix of the cylindrical surface of the cathode). However, the indicated region of evaporation of the cathode material in the form of a strip initiated by a magnetic lock would not be stable if the second method were not used - providing reciprocating movement of the cathode spot region along the said strip by switching the polarity of the opposite ends of the cathode. The second method allows you to control the region of the cathode spots due to the synchronization of switching the polarity of the ends of the cathode and the speed of movement of the region of cathode spots from one end of the cathode to another. As soon as the region of cathode spots reaches the opposite end of the cathode (when moving along the axis of the cathode shell), the polarity of the ends of the cathode is switched and the region of cathode spots begins to move in the opposite direction. The speed of movement of the cathode spot region is from 8 m / s to 20 m / s. At such a speed of movement, the region of evaporation is practically a continuous strip stretching from one end of the cathode to the other. However, the formation of the evaporation region only in the form of the said strip will not allow to achieve the effect of the present invention, therefore, the third method of controlling the region of the cathode spots is used — moving the said strip along the path of the coaxial circumference of the cylindrical shell of the cathode while maintaining its orientation. The speed of movement of the said strip along the trajectory of the coaxial circumference of the cylindrical shell of the cathode is taken from 0.2 m / s to 30 m / s.
В результате использования всех трех приемов управления областью катодных пятен создается значительная площадь испарения материала, практически одновременно со всей поверхности катода. Это позволяет достичь следующих двух важных эффектов. Первый достигаемый эффект заключается в том, что быстрая смена зоны испарения материала катода предотвращает перегрев локальных участков, что значительно уменьшает количество капельной фазы в испаренном материале катода. Как правило, использование в катодах охлаждения только за счет теплоотвода через стенку катода (например водоохлаждаемый катод), недостаточно для предотвращения интенсивного расплавления металла в области действия катодных пятен (электрической дуги). В то же время охлаждение за счет скоростного подвода в зону испарения материала новой поверхности дает дополнительный эффект, снижающий процесс образования капельной фазы. При этом количество теплоты удаляемого из области воздействия катодных пятен участка катода достаточно для продолжения на какое-то время процесса испарения материала. Кроме того, за счет уноса теплоты испарением происходит дополнительное охлаждение этого участка катода. Второй достигаемый эффект связан со значительным увеличением области испарения материала, что приводит к повышению рабочего объема установки, а следовательно, к увеличению количества одновременно обрабатываемых деталей (повышению производительности процесса обработки).As a result of using all three methods of controlling the region of cathode spots, a significant area of material evaporation is created, almost simultaneously from the entire surface of the cathode. This allows you to achieve the following two important effects. The first effect achieved is that a quick change in the evaporation zone of the cathode material prevents overheating of the local sections, which significantly reduces the amount of droplet phase in the evaporated cathode material. As a rule, the use of cooling cathodes only due to heat removal through the cathode wall (for example, a water-cooled cathode) is insufficient to prevent intense metal melting in the area of action of the cathode spots (electric arc). At the same time, cooling due to the high-speed supply of a new surface to the material evaporation zone gives an additional effect that reduces the formation of the droplet phase. In this case, the amount of heat removed from the area of the cathode spots of the cathode section is sufficient to continue the evaporation of the material for some time. In addition, due to the entrainment of heat by evaporation, additional cooling of this section of the cathode takes place. The second effect achieved is associated with a significant increase in the area of evaporation of the material, which leads to an increase in the working volume of the installation and, consequently, to an increase in the number of simultaneously processed parts (to increase the productivity of the processing process).
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан катодный узел с магнитным фиксатором, выполненным в виде протяженного стержня, расположенного эксцентрично продольной оси цилиндрической обечайки катода (а - в продольном сечении, б - в поперечном сечении); на фиг.2 - катодный узел с магнитным фиксатором, выполненным в виде расположенных по периферии катоды магнитных катушек (а - в продольном сечении, б - в поперечном сечении); на фиг.3 - сравнение вариантов площадей испарения катодов: а - по прототипу, б - по предлагаемому способу; на фиг.4 - область образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода и перемещающейся по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the cathode assembly with a magnetic lock made in the form of an extended rod located eccentrically to the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode (a - in longitudinal section, b - in cross section); figure 2 - cathode assembly with a magnetic lock, made in the form located on the periphery of the cathode of the magnetic coils (a - in longitudinal section, b - in cross section); figure 3 - comparison of options for the evaporation area of the cathodes: a - according to the prototype, b - according to the proposed method; figure 4 is a region of the formation of cathode spots in the form of a strip oriented along the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode and moving along the path of the coaxial circumference of the cylindrical shell of the cathode.
Фигуры 1-4 содержат: 1 - катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки; 2 - охлаждаемый катододержатель; 3 - магнитный фиксатор области катодных пятен; 4 - магнитное поле; 5 - зона испарения материала катода; 6 - поток испаренного материала; 7 - область образования катодных пятен в виде полосы; (стрелками обозначено направление перемещения области катодных пятен: сплошной стрелкой - направление вращения области катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода, сплошной и пунктирной окаймленной стрелками - возвратно-поступательное перемещение области катодных пятен полосы за счет переключения полярности противоположных торцов катода; «+» и «-» - полярность торцов катода).Figures 1-4 contain: 1 - a cathode made of evaporated material in the form of a cylindrical shell; 2 - cooled cathode holder; 3 - magnetic clamp region of the cathode spots; 4 - magnetic field; 5 - zone of evaporation of the cathode material; 6 - flow of evaporated material; 7 - region of formation of cathode spots in the form of a strip; (arrows indicate the direction of movement of the region of the cathode spots: a solid arrow indicates the direction of rotation of the region of the cathode spots in the form of a strip oriented along the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode, solid and dotted bordered by arrows - reciprocating movement of the region of the cathode spots of the strip by switching the polarity of the opposite ends of the cathode ; “+” And “-” - polarity of the ends of the cathode).
Электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме (фиг.1, фиг.2, фиг.4), содержит охлаждаемый катод 1, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный, через катододержатель 2 средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода 1 с источником электропитания разряда. Внутри катода 1 расположен магнитный фиксатор 3 положения области катодных пятен. Фиксатор 3 выполнен с возможностью образования катодных пятен в виде полосы 7 (фиг.4), ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода 1. Фиксатор 3 обеспечивает перемещение полосы 7 по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода 1 с сохранением своей ориентации вдоль оси обечайки катода 1. Средства электрической связи катода 1 с источником электропитания разряда выполнены через катододержатель 2 в виде токоподводов с противоположных торцов катода, подключенных к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом. По сравнению с прототипом (патент РФ №2187576) предлагаемый способ (фиг.3б) обеспечивает испарение материала катода 1, практически со всей его поверхности 5 одновременно, в то время как у прототипа происходит испарение только на локальном участке 5 поверхности катода 1 - в виде кольца (фиг.3а).An electric arc evaporator for coating in vacuum (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 4) contains a cooled
Способ осуществляется, а устройство работает следующим образом (фиг.1, фиг.2, фиг.4). С помощью системы поджига (не показана) на поверхности испарения катода 1 возбуждается катодное пятно вакуумной дуги. Катодное пятно движется в сторону перемещения регулируемого магнитного фиксатора 3. При этом магнитный фиксатор 3 создает магнитное поле 4 в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси катода 1. Магнитное поле 4 инициирует образование области катодных пятен в виде полосы 7, а переключение полярности торцов катода 1 обеспечивает перемещение области катодных пятен по указанной полосе 7, на которой и происходит испарение материала катода 1. При этом магнитный фиксатор 3 перемещающейся по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода 1 с сохранением своей ориентации вдоль оси обечайки катода 1, что обеспечивает перемещение 7 по всей цилиндрической поверхности катода 1. Значительная скорость перемещения полосы 7 по поверхности катода 1 (от 0,2 до 30 м/с) позволяет практически одновременно испарять материал со всей поверхности катода 1 (фиг.3б и фиг.4). Скорость движения области катодных пятен за счет перемещения полосы 7 по поверхности катода и возвратно-поступательное передвижение области катодных пятен за счет синхронного переключения полярности торцов катода выбираются из условия наименьшего нагрева поверхности катода 1.The method is carried out, and the device operates as follows (figure 1, figure 2, figure 4). Using the ignition system (not shown) on the evaporation surface of the
Для повышения равномерности нанесения покрытий на детали, а также для расширения функциональных возможностей могут использоваться следующие варианты расположения катодов: периферийное, центральное, а также комбинированное - сочетание центрального расположения катодов с периферийным. При использовании в вакуумной установке периферийного расположения катодов нанесения покрытия происходит в направлении от периферии к центру и детали, проходя зоны распыления каждого из катодов, образуют слои покрытия, соответствующие химическому составу и конструкции соответствующего составного катода. При использовании центрального расположения катодов нанесения покрытия происходит в направлении от центра к периферии и детали, также проходя зону распыления каждого катода, также образуют слои покрытия, соответствующие химическому составу и конструкции соответствующего составного катода, однако с несколько иным эффектом, который, в частности, определяется более экономичным использованием материала катодов. При использовании комбинированного расположения катодов - центрального и периферийного, кроме перечисленных эффектов, дополнительно значительно усиливается эффект смешения испаряемых материалов катодов, связанный с взаимным осажденим и реиспарением материалов соседних катодов.To increase the uniformity of coating on parts, as well as to expand the functionality, the following cathode arrangement options can be used: peripheral, central, as well as combined — a combination of the central arrangement of cathodes with peripheral. When the peripheral arrangement of the cathodes is used in a vacuum installation, the coating occurs in the direction from the periphery to the center and the parts, passing the spray zones of each of the cathodes, form coating layers corresponding to the chemical composition and design of the corresponding composite cathode. When using the central arrangement of the cathodes, the coating occurs in the direction from the center to the periphery and the part, also passing through the spray zone of each cathode, also form coating layers corresponding to the chemical composition and design of the corresponding composite cathode, but with a slightly different effect, which, in particular, is determined more economical use of cathode material. When using a combined arrangement of cathodes - central and peripheral, in addition to the above effects, the mixing effect of the vaporized cathode materials associated with the mutual deposition and re-evaporation of materials of adjacent cathodes is additionally significantly enhanced.
Для оценки предлагаемого технического решения по таким характеристикам, как: повышение производительности нанесения покрытий, повышение качества покрытия за счет снижения содержания в нем капельной фазы и обеспечения равнотолщинности покрытия были проведены исследования по сравнению с теми же характеристиками способа-прототипа. При этом характеристики прототипа или близкие к нему характеристики признавались неудовлетворительными (Н.Р.), а характеристики, превышающие характеристики прототипа, - как удовлетворительный результат (У.Р.)To evaluate the proposed technical solution according to such characteristics as: increasing the productivity of coating, improving the quality of the coating by reducing the content of the droplet phase in it and ensuring equal thickness of the coating, studies were conducted in comparison with the same characteristics of the prototype method. Moreover, the characteristics of the prototype or close to it characteristics were recognized as unsatisfactory (N.R.), and characteristics exceeding the characteristics of the prototype, as a satisfactory result (U.R.)
Покрытия наносились на образцы из следующих материалов: из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе 20Х13, 15Х11МФ, ЭИ961, ЭП866, ЭП708; из титановых сплавов ВТ6, ВТ 18-У и ВТ9; из кобальтовых и никелевых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000).Coatings were applied to samples from the following materials: from high alloy steels and nickel-based alloys 20X13, 15X11MF, EI961, EP866, EP708; from titanium alloys VT6, VT 18-U and VT9; from cobalt and nickel alloys (TsNK-7, TsNK-21, FSX-414, ZhS-6, ZhS-6U, EI-893, U-5000).
Режимы обработки образцов.Modes of sample processing.
Ионная очистка: ионы Ar и/или N при энергии 6 кэВ - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 8 кэВ - удовлетворительный результат (У.Р.); 10 кэВ (У.Р.); 12 кэВ (Н.Р.); плотность тока: 80 МкА/см2 (Н.Р.); 90 МкА/см2 (У.Р.); 130 МкА/см2 (У.Р.); 200 МкА/см2 (У.Р.); 220 МкА/см2 (Н.Р.); время ионной очистки: 0,1 часа (Н.Р.); 0,2 часа (У.Р.); 0,5 часа (У.Р.); 0,8 часа (Н.Р.).Ion purification: Ar and / or N ions at an energy of 6 keV - unsatisfactory result (N.R.); 8 keV - satisfactory result (U.R.); 10 keV (U.R.); 12 keV (N.R.); current density: 80 MkA / cm 2 (N.R.); 90 MkA / cm 2 (U.R.); 130 MkA / cm 2 (U.R.); 200 μA / cm 2 (U.R.); 220 MkA / cm 2 (N.R.); ion cleaning time: 0.1 hours (N.R.); 0.2 hours (U.R.); 0.5 hours (U.R.); 0.8 hours (N.R.).
Ионная имплантация ионами N, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si: энергия - 20 кэВ (Н.Р.); 25 кэВ (У.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 60 кэВ (У.Р.); 70 кэВ (Н.Р.); доза - 1,2·1017 см-2 (Н.Р.); 1,6·1017 см-2 (У.Р.); 5·1017 см-2 (У.Р.); 6·1017 см-2 (Н.Р.); скоростью набора дозы - 0,4·1015 с-1 (Н.Р.); 0,7·1015 с-1 (У.Р.); 1·1015 с-1 (У.Р.); 3·1015 с-1 (Н.Р.).Ion implantation with N, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si ions: energy - 20 keV (N.R.); 25 keV (U.R.); 30 keV (U.R.); 60 keV (U.R.); 70 keV (N.R.); dose - 1.2 · 10 17 cm -2 (N.R.); 1.6 · 10 17 cm -2 (U.R.); 5 · 10 17 cm -2 (U.R.); 6 · 10 17 cm -2 (N.R.); dose rate - 0.4 · 10 15 s -1 (N.R.); 0.7 · 10 15 s -1 (U.R.); 1 · 10 15 s -1 (U.R.); 3 · 10 15 s -1 (N.R.).
Создание требуемого вакуума производилось турбомолекулярным насосом; создавали вакуум от 10-5 до 10-7 мм рт.ст.The creation of the required vacuum was carried out by a turbomolecular pump; created a vacuum from 10 -5 to 10 -7 mm Hg
После обработки деталей проводили постимплантационный отжиг в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.After processing the parts, postimplantation annealing was performed in one vacuum volume of the installation in one technological cycle.
Ионную имплантацию проводили как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В качестве образцов использовались также лопатки компрессора газотурбинного двигателя, лопатки газотурбинной установки и лопатки паровой турбины - из вышеуказанных сплавов.Ion implantation was performed both in pulsed and continuous modes. The blades of the compressor of a gas turbine engine, the blades of a gas turbine installation and the blades of a steam turbine from the above alloys were also used as samples.
В качестве жаростойких покрытий использовались сплавы составов: Cr - от 18% до 34% (14% - (Н.Р.); 18% (У.Р.); 22% (У.Р.); 26% (У.Р.); 34% (У.Р.); 38% - (Н.Р.)); Al - от 3% до 16% (2% - (Н.Р.); 3% (У.Р.); 6% (У.Р.); 9% (У.Р.); 11% (У.Р.); 12% (У.Р.); 16% (У.Р.); 18% - (Н.Р.)); Y - от 0, 2% до 0,7% (0, 1% - (Н.Р.); 0,2% (У.Р.); 0,4% (У.Р.); 0,5% (У.Р.); 0,7% (У.Р.); 0,8% - (Н.Р.)); Ni - остальное, и составов: Cr - от 18% до 34% (14% - (Н.Р.); 18% (У.Р.); 26% (У.Р.); 34% (У.Р.); 38% - (Н.Р.)); Al - от 3% до 16% (2% - (Н.Р.); 3% (У.Р.); 6% (У.Р.); 12% (У.Р.); 16% (У.Р.); 18% - (Н.Р.)); Y - от 0,2% до 0,7% (0,1% - (Н.Р.); 0,2% (У.Р.); 0,4% (У.Р.); 0,7% (У.Р.); 0,8% - (Н.Р.)); Со - от 16% до 30% (14% - (Н.Р.); 16% (У.Р.); 24% (У.Р.); 30% (У.Р.); 32% - (Н.Р.);); Ni - остальное, и их сочетания; Si - от 4,0% до 12, 0% (3,0% - (Н.Р.); 4,0% (У.Р.); 6,0% (У.Р.); 8,0% (У.Р.); 12,0% (У.Р.); 14,0% - (Н.Р.)); Y - от 1,0 до 2,0% (0,8% - (Н.Р.); 1,0% (У.Р.); 1,2% (У.Р.); 1,6% (У.Р.); 2,0% (У.Р.); 2,2% - (Н.Р.)); Al - остальное.As heat-resistant coatings, alloys of compositions were used: Cr - from 18% to 34% (14% - (N.R.); 18% (U.R.); 22% (U.R.); 26% (U. R.); 34% (U.R.); 38% - (N.R.)); Al - from 3% to 16% (2% - (N.R.); 3% (U.R.); 6% (U.R.); 9% (U.R.); 11% (U .R.); 12% (U.R.); 16% (U.R.); 18% - (N.R.)); Y - from 0, 2% to 0.7% (0, 1% - (N.R.); 0.2% (U.R.); 0.4% (U.R.); 0.5 % (U.R.); 0.7% (U.R.); 0.8% - (N.R.)); Ni - the rest, and compositions: Cr - from 18% to 34% (14% - (N.R.); 18% (U.R.); 26% (U.R.); 34% (U.R. .); 38% - (N.R.)); Al - from 3% to 16% (2% - (N.R.); 3% (U.R.); 6% (U.R.); 12% (U.R.); 16% (U .R.); 18% - (N.R.)); Y - from 0.2% to 0.7% (0.1% - (N.R.); 0.2% (U.R.); 0.4% (U.R.); 0.7 % (U.R.); 0.8% - (N.R.)); Co - from 16% to 30% (14% - (N.R.); 16% (U.R.); 24% (U.R.); 30% (U.R.); 32% - ( N.R.);); Ni - the rest, and their combinations; Si - from 4.0% to 12.0% (3.0% - (N.R.); 4.0% (U.R.); 6.0% (U.R.); 8.0 % (U.R.); 12.0% (U.R.); 14.0% - (N.R.)); Y - from 1.0 to 2.0% (0.8% - (N.R.); 1.0% (U.R.); 1.2% (U.R.); 1.6% (U.R.); 2.0% (U.R.); 2.2% - (N.R.)); Al is the rest.
На образцы были нанесены покрытия из нитридов Me-N, карбидов Ме-С и карбонитридов Me-NC (где Me - металлы, N - азот, С - углерод). В качестве металлов использовались: Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiALZrMo и их сочетания. Все варианты исследуемых покрытий показали удовлетворительные характеристики как по производительности процесса нанесения, так и по минимальному количеству содержания капельной фазы и равнотолщинности покрытий.The samples were coated with Me-N nitrides, Me-C carbides and Me-NC carbonitrides (where Me are metals, N is nitrogen, C is carbon). The metals used were: Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiALZrMo and their combinations. All variants of the coatings under study showed satisfactory characteristics both in terms of the productivity of the deposition process and in the minimum amount of the droplet phase content and the uniform thickness of the coatings.
Для нанесения покрытий использовали цилиндрические катоды с размерами в диапазонах: высота - от 200 мм до 3000 мм (160 мм - (Н.Р.); 200 мм - (У.Р.); 800 мм - (У.Р.); 2000 мм - (У.Р.); 3000 мм - (У.Р.); 3400 мм - (Н.Р.)), внешний диаметр - от 200 мм до 600 мм (160 мм - (Н.Р.); 200 мм - (У.Р.); 400 мм - (У.Р.); 600 мм - (У.Р.); 700 мм - (Н.Р.)), толщина стенки катода - от 10 мм до 80 мм (8 мм - (Н.Р.); 10 мм - (У.Р.); 20 мм - (У.Р.); 80 мм - (У.Р.); 100 мм - (Н.Р.)), ширина полосы области образования катодных пятен от 5 мм до 40 мм (3 мм - (Н.Р.); 5 мм - (У.Р.); 20 мм - (У.Р.); 40 мм - (У.Р.); 60 мм - (Н.Р.)).For coating deposition, cylindrical cathodes were used with sizes in the ranges: height - from 200 mm to 3000 mm (160 mm - (N.R.); 200 mm - (U.R.); 800 mm - (U.R.); 2000 mm - (U.R.); 3000 mm - (U.R.); 3400 mm - (N.R.)), outer diameter - from 200 mm to 600 mm (160 mm - (N.R.) ; 200 mm - (U.R.); 400 mm - (U.R.); 600 mm - (U.R.); 700 mm - (N.R.)), cathode wall thickness - from 10 mm to 80 mm (8 mm - (N.R.); 10 mm - (U.R.); 20 mm - (U.R.); 80 mm - (U.R.); 100 mm - (N.R. .)), the width of the strip of the region of cathode spot formation from 5 mm to 40 mm (3 mm - (N.R.); 5 mm - (U.R.); 20 mm - (U.R.); 40 mm - (U.R.); 60 mm - (N.R.)).
Использовались следующие варианты магнитного фиксатора положения области катодных пятен: в виде протяженного стержня, расположенного эксцентрично продольной оси цилиндрической обечайки катода и выполненной с возможностью перемещения по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода (перемещение магнитного фиксатора по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода, обеспечивалось как коленчатым валом, так и эксцентриковым валом); в виде расположенных по периферии катода магнитных катушек, выполненных с возможностью последовательного включения с выключением предыдущей магнитной катушки.The following options were used for magnetic fixation of the position of the region of cathode spots: in the form of an extended rod located eccentrically to the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode and made with the possibility of moving around a circle with a center located on the axis of the cylindrical shell of the cathode (moving the magnetic lock around a circle with a center located on the axis a cylindrical shell of the cathode, provided as a crankshaft, and an eccentric shaft); in the form of magnetic coils located on the periphery of the cathode, made with the possibility of sequential switching on and off of the previous magnetic coil.
Испарение материала с катода производилость при следующих условиях образования области катодных пятен на его поверхности. Использовались магнитные фиксаторы указанных выше типов, которые обеспечили ширину полосы области образования катодных пятен от 5 мм до 40 мм. В процессе работы электродугового испарителя зона испарения материала формировалась в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода. При этом осуществлялось перемещение упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации. Кроме того, средства электрической связи катода с источником электропитания разряда, выполненные в виде токоподводов с противоположных торцов катода, подключенных к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, обеспечивали возвратно-поступательное перемещение области катодных пятен по упомянутой полосе за счет переключения полярности противоположных торцов катода. Скорость перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода, составляла от 0,2 м/с до 30 м/с (0,1 м/с (Н.Р.); 0,2 м/с (У.Р.); 2,5 м/с (У.Р.); 10 м/с (У.Р.); 30 м/с (У.Р.); 35 м/с (Н.Р.)).Evaporation of the material from the cathode productivity under the following conditions of the formation of the region of cathode spots on its surface. We used magnetic clamps of the above types, which provided the bandwidth of the region of cathode spot formation from 5 mm to 40 mm. During the operation of the electric arc evaporator, the material evaporation zone was formed in the form of a strip oriented along the longitudinal axis of the cylindrical shell of the cathode. In this case, the mentioned strip was moved along the trajectory of the coaxial circumference of the cylindrical shell of the cathode while maintaining its orientation. In addition, the means of electrical communication of the cathode with the discharge power source, made in the form of current leads from opposite ends of the cathode, connected to controlled keys electrically connected through individual switching elements to the control unit and connected to a direct current source, also connected to the anode, provided translational movement of the region of cathode spots along the aforementioned band by switching the polarity of the opposite ends of the cathode. The speed of movement of the said strip along the trajectory, the coaxial circumference of the cylindrical shell of the cathode, ranged from 0.2 m / s to 30 m / s (0.1 m / s (N.R.); 0.2 m / s (U.R .); 2.5 m / s (U.R.); 10 m / s (U.R.); 30 m / s (U.R.); 35 m / s (N.R.)).
Использовалось как центральное расположение одного катода, так и нескольких (три катода на одной оси или один центральный три периферийных катода) в вакуумной камере. Катоды были выполнены из из следующих металлов Ni, Co, Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Y, La, а также сплавов на основе указанных металлов систем (Ni-Со; Ni-Со-Cr; Ni-Со-Cr-Al; Ni-Co-Cr-Al-Y; Ni-Cr-Al-Y; Ni-Со-Cr-Al-Y-Hf; Ni-r-Al-Y-Hf; Co-Cr-Al-Y-Hf-La; Ni-Cr-Al-Y-Hf-La; Ni-Co-Cr-Al-Ti-Zr-Y-Hf-La). Нанесение покрытия производили как в вакууме (10-6-10-9 мм рт.ст.), так и в среде реакционного газа, в качестве которого использовали азот и/или углерод при давлении 10-5-10-4 мм рт.ст.Both the central location of one cathode and several (three cathodes on one axis or one central three peripheral cathodes) in a vacuum chamber were used. The cathodes were made of the following metals Ni, Co, Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Y, La, as well as alloys based on these metal systems (Ni-Co; Ni-Co-Cr; Ni-Co-Cr- Al; Ni-Co-Cr-Al-Y; Ni-Cr-Al-Y; Ni-Co-Cr-Al-Y-Hf; Ni-r-Al-Y-Hf; Co-Cr-Al-Y- Hf-La; Ni-Cr-Al-Y-Hf-La; Ni-Co-Cr-Al-Ti-Zr-Y-Hf-La). The coating was applied both in vacuum (10 -6 -10 -9 mm Hg) and in a reaction gas medium, which was used nitrogen and / or carbon at a pressure of 10 -5 -10 -4 mm Hg .
Исследование равнотолщинности покрытий показало, что при нанесении покрытия со средним значением толщины в 60 мкм, толщина по способу-прототипу находится в диапазоне от 40 до 70 мкм, в то время как по предлагаемому способу толщина находится в пределах 58-61 мкм.The study of the equal thickness of the coatings showed that when applying a coating with an average thickness of 60 μm, the thickness according to the prototype method is in the range from 40 to 70 μm, while according to the proposed method, the thickness is in the range of 58-61 μm.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает создание такого способа и электродугового испарителя для его реализации, который повышает производительность процесса нанесения покрытия при одновременном повышении его качества. Повышение производительности нанесения покрытий обеспечивается увеличением площади распыления материала катода, повышение качества покрытия обеспечивается снижением содержания в нем капельной фазы, а также обеспечением равнотолщинности покрытия, которое повышается за счет практически одновременного испарения материала со всей цилиндрической поверхности катода в виде равномерного потока.Thus, the present invention provides the creation of such a method and an electric arc evaporator for its implementation, which increases the productivity of the coating process while improving its quality. An increase in the coating deposition performance is provided by an increase in the spraying area of the cathode material, an increase in the quality of the coating is ensured by a decrease in the content of the droplet phase in it, as well as by ensuring an equal thickness of the coating, which increases due to the almost simultaneous evaporation of the material from the entire cylindrical surface of the cathode in the form of a uniform flow.
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013151254/02A RU2554252C2 (en) | 2013-11-18 | 2013-11-18 | Application of coating and arc evaporator to this end |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013151254/02A RU2554252C2 (en) | 2013-11-18 | 2013-11-18 | Application of coating and arc evaporator to this end |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013151254A RU2013151254A (en) | 2015-05-27 |
| RU2554252C2 true RU2554252C2 (en) | 2015-06-27 |
Family
ID=53284778
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013151254/02A RU2554252C2 (en) | 2013-11-18 | 2013-11-18 | Application of coating and arc evaporator to this end |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2554252C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2669136C1 (en) * | 2017-09-19 | 2018-10-08 | Научно-производственная Ассоциация "Технопарк авиационных технологий" (НПА "Технопарк АТ") | Method of ion-bombardment processing of compressor vanes made of nickel-based high-alloy steels and alloys |
| RU2708711C1 (en) * | 2019-09-24 | 2019-12-11 | ООО "НПП "Уралавиаспецтехнология" | Method of applying ion-plasma coatings on stator semi-ring with blades and installation for its implementation |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2187576C2 (en) * | 2000-09-14 | 2002-08-20 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Protective coat applying apparatus |
| US6926811B2 (en) * | 2002-04-22 | 2005-08-09 | Pivot A.S. | Arc-coating process with rotating cathodes |
| RU2280709C2 (en) * | 2004-02-09 | 2006-07-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е.И. Забабахина" (ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ) | Plant for application of coats |
| RU2367723C1 (en) * | 2008-06-03 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Cathode assembly for electric-arc evaporator |
| RU2380456C1 (en) * | 2008-05-04 | 2010-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation |
| US20130043121A1 (en) * | 2010-04-14 | 2013-02-21 | The Regents Of The University Of California | Method and Apparatus for Sputtering with a Plasma Lens |
-
2013
- 2013-11-18 RU RU2013151254/02A patent/RU2554252C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2187576C2 (en) * | 2000-09-14 | 2002-08-20 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Protective coat applying apparatus |
| US6926811B2 (en) * | 2002-04-22 | 2005-08-09 | Pivot A.S. | Arc-coating process with rotating cathodes |
| RU2280709C2 (en) * | 2004-02-09 | 2006-07-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е.И. Забабахина" (ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ) | Plant for application of coats |
| RU2380456C1 (en) * | 2008-05-04 | 2010-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation |
| RU2367723C1 (en) * | 2008-06-03 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Cathode assembly for electric-arc evaporator |
| US20130043121A1 (en) * | 2010-04-14 | 2013-02-21 | The Regents Of The University Of California | Method and Apparatus for Sputtering with a Plasma Lens |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2669136C1 (en) * | 2017-09-19 | 2018-10-08 | Научно-производственная Ассоциация "Технопарк авиационных технологий" (НПА "Технопарк АТ") | Method of ion-bombardment processing of compressor vanes made of nickel-based high-alloy steels and alloys |
| RU2708711C1 (en) * | 2019-09-24 | 2019-12-11 | ООО "НПП "Уралавиаспецтехнология" | Method of applying ion-plasma coatings on stator semi-ring with blades and installation for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013151254A (en) | 2015-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8387561B2 (en) | Method and apparatus for cathodic arc ion plasma deposition | |
| RU2625698C1 (en) | Method of application of protective coatings and device for its implementation | |
| ES2374832T3 (en) | LAYER OF HARD MATERIAL. | |
| EP1436441B2 (en) | Method for applying metallic alloy coatings and coated component | |
| JP6101238B2 (en) | Coating apparatus for coating a substrate and method for coating a substrate | |
| WO2007115253A2 (en) | Method for magnetron sputter deposition | |
| EP2602354A1 (en) | Filtered cathodic vacuum arc deposition apparatus and method | |
| TWI411696B (en) | Method for depositing electrical isulating layers | |
| KR20070042086A (en) | Arc ion plating apparatus | |
| JP2007217795A (en) | Component, apparatus and method for manufacture of layer system | |
| JP4693002B2 (en) | Arc ion plating equipment | |
| RU2380456C1 (en) | Method for application of ion-plasma coatings and installation for its realisation | |
| JPH04277499A (en) | Metallic vapor deposition method and processing furnace thereof | |
| JP2009215622A (en) | Film-forming apparatus | |
| RU2554252C2 (en) | Application of coating and arc evaporator to this end | |
| US20200123645A1 (en) | Plasma Process and Reactor for the Thermochemical Treatment of the Surface of Metallic Pieces | |
| RU2376398C2 (en) | Method of ion-plasma coating and arc vapour source with composite cathode | |
| RU2661162C1 (en) | Installation for ion-plasma modification and coating the mono-wheels with blades | |
| RU2708711C1 (en) | Method of applying ion-plasma coatings on stator semi-ring with blades and installation for its implementation | |
| JP2019023351A (en) | Low-temperature electric arc ion plating coating | |
| US20130032469A1 (en) | Arc pvd plasma source and method of deposition of nanoimplanted coatings | |
| RU2399692C2 (en) | Procedure for application of coating and electric arc evaporator with rotating cathode for implementation of this procedure | |
| RU76918U1 (en) | VACUUM ION-PLASMA INSTALLATION | |
| RU2566232C1 (en) | Method of combined ion-plasma treatment of products out of aluminium alloys | |
| EP2597174B1 (en) | Vapor deposition of ceramic coatings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181119 |