RU2707688C1 - Device for forming coating from cubic tungsten carbide - Google Patents

Device for forming coating from cubic tungsten carbide Download PDF

Info

Publication number
RU2707688C1
RU2707688C1 RU2019121795A RU2019121795A RU2707688C1 RU 2707688 C1 RU2707688 C1 RU 2707688C1 RU 2019121795 A RU2019121795 A RU 2019121795A RU 2019121795 A RU2019121795 A RU 2019121795A RU 2707688 C1 RU2707688 C1 RU 2707688C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tungsten
accelerator
barrel
chamber
cylinder
Prior art date
Application number
RU2019121795A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Анатольевич Сивков
Дмитрий Сергеевич Никитин
Иван Игоревич Шаненков
Ильяс Аминович Рахматуллин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Priority to RU2019121795A priority Critical patent/RU2707688C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2707688C1 publication Critical patent/RU2707688C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to chemical deposition of a coating by deposition of a compound using electric discharges and plasma jets, and can be used in engine building, aircraft engineering and machine building. Device for forming a coating from cubic tungsten carbide on a metal substrate has a source of tungsten- and carbon-containing plasma, a chamber whose volume is limited by two metal covers which are fixed to it by bolt joints. As source of tungsten- and carbon-containing plasma there used is coaxial magnetoplasma accelerator, in which cylindrical electroconductive barrel is made of two electroconductive cylinders of inner cylinder from graphite and external cylinder from strong non-magnetic material, central electrode consisting of graphite tip and steel shank. Barrel and central electrode are electrically connected by fuse link made of pressed mixture of powders of tungsten and soot in atomic ratio C:W from 0.30:0.70 to 0.65:0.35. Housing of said accelerator is made of magnetic material, is conjugated with external metal cylinder and covers zone of fuse connection. Key and capacitor bank connected to the first bus line are connected in series to the second bus duct connected to the shank of the central electrode. Free end of the barrel of the accelerator is inserted into the reactor chamber through an axial hole in its first metal side cover.
EFFECT: obtaining coating from cubic tungsten carbide with thickness of 30–50 mcm and hardness of 30,8±0,5 to 32,5±0,7 GPa on a metal substrate.
1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химическому нанесению покрытия осаждением соединения с использованием электрических разрядов и плазменных струй, и может быть использовано в двигателестроении, авиастроении и машиностроении.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to chemical coating by deposition of compounds using electrical discharges and plasma jets, and can be used in engine building, aircraft building and mechanical engineering.

Известно устройство магнетронного распыления для получения покрытий из кубического карбида вольфрама [Fuchs K. et al. Reactive and non-reactive high rate sputter deposition of tungsten carbide //Thin Solid Films. - 1987. - Т. 151. - №. 3. - С. 383-395], содержащее вакуумную камеру, заполненную ацетиленом, в которой на расстоянии 60 мм друг от друга размещены анод с закрепленной на нем подложкой из молибдена или цементированных карбидов и катод, являющийся источником материала покрытия (вольфрам или гексагональный карбид вольфрама). Подложка совмещена с системой водяного охлаждения для регулирования температуры от 100 до 200 °C и находится под электрическим потенциалом от 0 до 1000 В.A magnetron sputtering device is known for producing cubic tungsten carbide coatings [K. Fuchs et al. Reactive and non-reactive high rate sputter deposition of tungsten carbide // Thin Solid Films. - 1987. - T. 151. - No. 3. - S. 383-395], containing a vacuum chamber filled with acetylene, in which an anode with a molybdenum or cemented carbide substrate and a cathode that is a source of coating material (tungsten or hexagonal carbide) are mounted at a distance of 60 mm from each other. tungsten). The substrate is combined with a water cooling system to control the temperature from 100 to 200 ° C and is under the electric potential from 0 to 1000 V.

Наличие горючего газа, необходимость использования водяного охлаждения и приложения электрического потенциала к подложке технически усложняет устройство. The presence of combustible gas, the need to use water cooling and the application of an electric potential to the substrate technically complicates the device.

Известно устройство для получения покрытия из кубического карбида вольфрама [Voevodin A. A. et al. Nanocrystalline WC and WC/a-C composite coatings produced from intersected plasma fluxes at low deposition temperatures //Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. - 1999. - Т. 17. - №. 3. - С. 986-992], принятое за прототип, содержащее камеру, к которой подключен турбомолекулярный вакуумный насос, баллон с аргоном, снабженный манометром. В камере размещены магнетрон, являющийся источником вольфрамсодержащей плазмы, графитовая мишень и подложка в виде диска из нержавеющей стали марки 440C, расположенная на расстоянии 5 см от графитовой мишени. Снаружи камеры установлен лазер, на оптической оси которого расположена система зеркал и линз, окно в камере напротив графитовой мишени. Генерируемые потоки вольфрам- и углеродсодержащей плазмы направлены на подложкуA device for producing a coating of cubic tungsten carbide [Voevodin A. A. et al. Nanocrystalline WC and WC / a-C composite coatings produced from intersected plasma fluxes at low deposition temperatures // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. - 1999. - T. 17. - No. 3. - S. 986-992], taken as a prototype, containing a chamber to which a turbomolecular vacuum pump is connected, a cylinder with argon, equipped with a pressure gauge. The chamber contains a magnetron, which is a source of tungsten-containing plasma, a graphite target, and a 440C stainless steel disk substrate located at a distance of 5 cm from the graphite target. A laser is installed outside the camera, on the optical axis of which there is a system of mirrors and lenses, a window in the camera opposite the graphite target. The generated tungsten and carbon-containing plasma flows are directed to the substrate

Такое устройство позволяет получать пленки толщиной до 0,5 мкм с нанокристаллическим кубическим карбидом вольфрама с размером частиц 5-10 нм в матрице из аморфного углерода, однако является технически сложным, содержащим два высокоэнергетических устройства.Such a device allows to obtain films with a thickness of up to 0.5 μm with nanocrystalline cubic tungsten carbide with a particle size of 5-10 nm in an amorphous carbon matrix, however, it is technically complex, containing two high-energy devices.

Техническим результатом предложенного изобретения является разработка устройства для формирования покрытия из кубического карбида вольфрама.The technical result of the proposed invention is the development of a device for forming a coating of cubic tungsten carbide.

Предложенное устройство для формирования покрытия из кубического карбида вольфрама, также как в прототипе, содержит камеру, к которой подключен насос, баллон с аргоном, снабженный манометром, источник вольфрамсодержащей плазмы и средство для крепления металлической подложки.The proposed device for forming a coating of cubic tungsten carbide, as in the prototype, contains a chamber to which a pump is connected, an argon cylinder equipped with a pressure gauge, a source of tungsten-containing plasma, and means for fixing the metal substrate.

Согласно изобретению в качестве источника вольфрам- и углеродсодержащей плазмы использован коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, в котором цилиндрический электропроводящий ствол выполнен из двух электропроводящих цилиндров: внутреннего цилиндра из графита и внешнего цилиндра из прочного немагнитного материала, центрального электрода, состоящего из графитового наконечника и хвостовика из стали. Ствол и центральный электрод соединены электрически плавкой перемычкой, выполненной из спрессованной смеси порошков вольфрама и сажи в атомном соотношении C:W от 0,30:0,70 до 0,65:0,35, помещенной поверх токопроводящего углеродного слоя, нанесенного на поверхность изолятора, отделяющего электропроводящий ствол от центрального электрода. Корпус выполнен из магнитного материала, сопряжен с внешним металлическим цилиндром и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина части, перекрывающей зону размещения плавкой перемычки, составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Соленоид выполнен за одно целое с фланцем и цилиндрической частью, в которой размещен корпус и укреплен резьбовой заглушкой, укреплен прочным стеклопластиковым корпусом и стянут мощными токопроводящими шпильками между фланцем и стеклопластиковым упорным кольцом. Токопроводящие шпильки электрически соединены токопроводящим кольцом. К токопроводящим шпилькам присоединен шинопровод внешней схемы электропитания. Второй шинопровод схемы электропитания присоединен к хвостовику. К второму шинопроводу последовательно присоединены ключ и конденсаторная батарея, связанная с шинопроводом. Свободный конец ствола ускорителя вставлен в камеру через осевое отверстие в её первой металлической боковой крышке и герметично зафиксирован с помощью уплотнительных колец, расположенных между фланцем и боковой крышкой, и шпилек, соединяющих кольцо, упирающееся во фланец, и первую боковую крышку. Внутри камеры предусмотрены стяжные шпильки для закрепления металлической подложки параллельно первой боковой крышке. Камера через первый вентиль соединена с форвакуумным насосом и через второй вентиль связана с баллоном, наполненным аргоном. Объем камеры ограничен двумя боковыми крышками, которые прикреплены к ней болтовыми соединениями.According to the invention, a coaxial magnetoplasma accelerator is used as a source of tungsten and carbon-containing plasma, in which a cylindrical electrically conductive barrel is made of two electrically conductive cylinders: an inner cylinder of graphite and an outer cylinder of durable non-magnetic material, a central electrode consisting of a graphite tip and a steel shank. The barrel and the central electrode are connected by an electrically fused jumper made of a compressed mixture of tungsten and soot powders in an atomic ratio C: W from 0.30: 0.70 to 0.65: 0.35, placed on top of a conductive carbon layer deposited on the surface of the insulator separating the electrically conductive barrel from the Central electrode. The housing is made of magnetic material, is interfaced with an external metal cylinder and overlaps the area of the fusible link. The length of the part overlapping the zone of placement of the fusible bridge is 40-50 mm, and its outer surface is conical. The solenoid is made in one piece with the flange and the cylindrical part, in which the housing is placed and strengthened by a threaded plug, strengthened by a durable fiberglass housing and pulled together by powerful conductive pins between the flange and the fiberglass thrust ring. The conductive studs are electrically connected by a conductive ring. An external power supply busbar is connected to the conductive studs. The second busbar of the power supply circuit is connected to the shank. A key and a capacitor bank connected to the busbar are connected in series to the second busbar. The free end of the accelerator barrel is inserted into the chamber through an axial hole in its first metal side cover and is hermetically fixed by means of o-rings located between the flange and the side cover and studs connecting the ring resting on the flange and the first side cover. Inside the chamber, tie rods are provided for fixing the metal substrate parallel to the first side cover. The chamber through the first valve is connected to the foreline pump and through the second valve is connected to a cylinder filled with argon. The chamber volume is limited by two side covers that are bolted to it.

В отличие от прототипа коаксиальный магнитоплазменный ускоритель с расположенной между электродами электрически плавкой перемычкой из спрессованной смеси порошков вольфрама и сажи в атомном соотношении C:W от 0,30:0,70 до 0,65:0,35 представляет собой единое устройство для генерирования сверхзвуковых струй вольфрам- и углеродсодержащей плазмы при образовании дугового разряда. Вследствие воздействия сверхзвуковой струи вольфрам- и углеродсодержащей электроразрядной плазмы расплавляется незначительный объем материала металлической подложки и происходит перемешивание материалов в приграничном слое с последующей кристаллизацией, что обеспечивает высокую прочность сцепления покрытия с подложкой. Преимуществом такой структуры является формирование покрытия с характеристиками, значительно превышающими характеристики подложки по прочностным свойствам.In contrast to the prototype, a coaxial magnetoplasma accelerator with an electrically fused jumper between electrodes made of a compressed mixture of tungsten and soot powders in an atomic ratio C: W from 0.30: 0.70 to 0.65: 0.35 is a single device for generating supersonic jets of tungsten and carbon-containing plasma during the formation of an arc discharge. Due to the action of a supersonic jet of tungsten and carbon-containing electrodischarge plasma, an insignificant volume of the metal substrate material is melted and materials are mixed in the boundary layer with subsequent crystallization, which ensures high adhesion of the coating to the substrate. The advantage of this structure is the formation of a coating with characteristics significantly exceeding the characteristics of the substrate in terms of strength properties.

Предложенное устройство позволяет получить покрытия из кубического карбида вольфрама толщиной 30-50 мкм и твердостью от 30,8±0,5 до 32,5±0,7 ГПа на металлической подложке.The proposed device allows to obtain coatings of cubic tungsten carbide with a thickness of 30-50 μm and a hardness of 30.8 ± 0.5 to 32.5 ± 0.7 GPa on a metal substrate.

На фиг. 1 показано устройство для формирования покрытия и кубического карбида вольфрама.In FIG. 1 shows a device for forming a coating and cubic tungsten carbide.

На фиг. 2 представлена рентгеновская дифрактограмма сформированного в результате осаждения покрытия.In FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of a coating formed as a result of deposition.

На фиг. 3 приведен сканирующий микроснимок поперечного среза покрытия.In FIG. Figure 3 shows a scanning micrograph of the cross section of the coating.

В таблице 1 представлены условия проведения формирования покрытия из кубического карбида вольфрама и параметры осажденного покрытия.Table 1 presents the conditions for the formation of a coating of cubic tungsten carbide and the parameters of the deposited coating.

Устройство для формирования покрытия из кубического карбида вольфрама (фиг. 1) содержит коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, в котором цилиндрический электропроводящий ствол выполнен из двух электропроводящих цилиндров: внутреннего цилиндра 1 из графита и внешнего цилиндра 2 из прочного немагнитного материала (из нержавеющей стали), центрального электрода, состоящего из графитового наконечника 3 и хвостовика 4 из стали. Ствол и центральный электрод соединены электрически плавкой перемычкой 5, выполненной из спрессованной смеси порошков вольфрама и сажи в атомном соотношении C:W от 0,30:0,70 до 0,65:0,35 со средним размером частиц не более 1 мкм, помещенной поверх токопроводящего углеродного слоя, нанесенного на поверхность изолятора 6, отделяющего электропроводящий ствол от центрального электрода. Корпус 7 выполнен из магнитного материала и сопряжен с внешним металлическим цилиндром 2, и перекрывает зону размещения плавкой перемычки 5. Длина части, перекрывающей зону размещения плавкой перемычки 5, составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Соленоид 8 выполнен за одно целое с фланцем 9 и цилиндрической частью 10, в которой размещен корпус 7 и укреплен резьбовой заглушкой 11. Соленоид 8 укреплен прочным стеклопластиковым корпусом 12 и стянут мощными токопроводящими шпильками 13 между фланцем 9 и стеклопластиковым упорным кольцом 14. Токопроводящие шпильки 13 электрически соединены токопроводящим кольцом 15, а к токопроводящим шпилькам 13 присоединен шинопровод 16 внешней схемы электропитания. Второй шинопровод 17 схемы электропитания присоединен к хвостовику 4. Ко второму шинопроводу 17 последовательно присоединены ключ 18 и конденсаторная батарея 19, связанная с шинопроводом 16.A device for forming a coating of cubic tungsten carbide (Fig. 1) contains a coaxial magnetoplasma accelerator, in which a cylindrical electrically conductive barrel is made of two electrically conductive cylinders: an inner cylinder 1 of graphite and an outer cylinder 2 of durable non-magnetic material (stainless steel), a central electrode consisting of a graphite tip 3 and a shank 4 of steel. The barrel and the central electrode are connected electrically by a fused jumper 5 made of a compressed mixture of tungsten and soot powders in an atomic ratio C: W from 0.30: 0.70 to 0.65: 0.35 with an average particle size of not more than 1 μm, placed on top of the conductive carbon layer deposited on the surface of the insulator 6, separating the conductive barrel from the Central electrode. The housing 7 is made of magnetic material and is coupled to an external metal cylinder 2, and overlaps the zone of placement of the fusible link 5. The length of the part overlapping the zone of placement of the fusible link 5 is 40-50 mm, and its outer surface is conical. The solenoid 8 is made in one piece with the flange 9 and the cylindrical part 10, which houses the housing 7 and is strengthened by a threaded plug 11. The solenoid 8 is strengthened by a strong fiberglass housing 12 and pulled by powerful conductive studs 13 between the flange 9 and the fiberglass stop ring 14. Conductive studs 13 electrically connected by a conductive ring 15, and busbar 16 of an external power supply circuit is connected to the conductive studs 13. The second busbar 17 of the power supply circuit is connected to the shank 4. To the second busbar 17, a key 18 and a capacitor bank 19 connected to the busbar 16 are sequentially connected.

Свободный конец ствола ускорителя вставлен в камеру 20 через осевое отверстие в её первой металлической боковой крышке 21 и герметично зафиксирован с помощью уплотнительных колец 22, расположенных между фланцем 9 и боковой крышкой 21, и шпилек 23, соединяющих кольцо 24, упирающееся во фланец 9, и первую боковую крышку 21. Внутри камеры 20, параллельно первой боковой крышке 21, на расстоянии 65 мм от торца свободного конца ствола ускорителя, при помощи двух стяжных шпилек 25, закреплена подложка 26 в виде металлической пластины. Камера через первый вентиль 27 соединена с форвакуумным насосом. Камера через второй вентиль 28 соединена с баллоном, наполненным аргоном, и манометром. Объем камеры 20 ограничен двумя боковыми крышками 21 и 29, которые прикреплены к ней болтовыми соединениями.The free end of the accelerator barrel is inserted into the chamber 20 through an axial hole in its first metal side cover 21 and hermetically fixed by means of o-rings 22 located between the flange 9 and the side cover 21, and studs 23 connecting the ring 24 abutting against the flange 9, and the first side cover 21. Inside the chamber 20, parallel to the first side cover 21, at a distance of 65 mm from the end of the free end of the accelerator barrel, using two tie rods 25, a substrate 26 is fixed in the form of a metal plate. The chamber through the first valve 27 is connected to the foreline pump. The chamber through the second valve 28 is connected to a cylinder filled with argon, and a pressure gauge. The volume of the chamber 20 is limited by two side covers 21 and 29, which are bolted to it.

Работа устройства заключается в следующем. Между внутренним цилиндром 1 ствола ускорителя и наконечником центрального электрода 3 помещают электрически плавкую перемычку 5, выполненную из прессованной смеси порошкообразного вольфрама и сажи в атомном соотношении C:W от 0,30:0,70 до 0,65:0,35 с размерами частиц не более 1 мкм, закладываемой поверх токопроводящего углеродного слоя, предварительно нанесенного на поверхность изолятора 6 путем распыления углеродного спрея марки Graphit 33. Ускоритель плотно состыковывают с внешней стороной первой крышкой 21 с помощью кольца 24 и уплотнительных колец 22. С внутренней стороны первой крышки 21 на расстоянии 65 мм от торца свободного конца ствола параллельно фланцу 9 располагают металлическую подложку 26 и жестко фиксируют при помощи двух стяжных шпилек 25. Первую крышку 21 с зафиксированными на ней ускорителем и подложкой плотно состыковывают с помощью болтовых соединений с камерой 20. Противоположную сторону камеры 20 закрывают второй крышкой 29. После этого камеру 20 вакуумируют через первый вентиль 27, затем через второй вентиль 28 заполняют аргоном при давлении 105 Па и при комнатной температуре.The operation of the device is as follows. Between the inner cylinder 1 of the accelerator barrel and the tip of the central electrode 3, an electrically fused jumper 5 is placed, made of a pressed mixture of powdered tungsten and carbon black in an atomic ratio C: W from 0.30: 0.70 to 0.65: 0.35 with particle sizes not more than 1 μm, laid on top of the conductive carbon layer, previously deposited on the surface of the insulator 6 by spraying a Graphit 33 carbon spray. The accelerator is tightly joined to the outer side of the first cover 21 using a ring 24 and sealing rings 22. On the inner side of the first cover 21 at a distance of 65 mm from the end of the free end of the barrel, a metal substrate 26 is arranged parallel to the flange 9 and fixedly fixed with two tie rods 25. The first cover 21 is tightly joined with bolted joints with the accelerator and the substrate fixed on it. with the chamber 20. The opposite side of the chamber 20 is closed with a second cover 29. After that, the chamber 20 is evacuated through the first valve 27, then through the second valve 28 it is filled with argon at a pressure of 10 5 Pa and at room temperature e.

Конденсаторную батарею 19 емкостью 6 мФ заряжают до напряжения 3 кВ. Ключ 18 замыкают, после чего в контуре электропитания ускорителя начинает протекать ток от конденсаторной батареи 19 по шинопроводу 16, токопроводящему кольцу 15, шпилькам 13, фланцу 9, виткам соленоида 8, корпусу 7, внешнему металлическому цилиндру 2, внутреннему цилиндру 1, плавкой перемычки 5, наконечнику 3, хвостовику 4, второму шинопроводу 17. При этом плавкая перемычка 5 разогревается, плавится, и ее материал переходит в плазменное состояние с образованием дугового разряда. Конфигурация плазменной структуры типа Z-пинч с круговой плазменной перемычкой задается формой плавкой перемычки 5 и наличием цилиндрического канала в изоляторе 6. Далее плазма разряда сжимается магнитным полем собственного тока и аксиальным полем соленоида 8 и существует в ускорительном канале в виде удлиняющегося Z-пинча с круговой плазменной перемычкой на конце, через которую ток переходит на цилиндрическую поверхность ускорительного канала внутреннего цилиндра, в процессе ускорения плазменной перемычки под действием силы Лоренца. Плазменная струя истекает из ускорительного канала внутреннего цилиндра 1 в камеру 20, заполненную аргоном, и воздействует на поверхность подложки 26, образуя покрытие из кубического карбида вольфрама. После осаждения покрытия открывают вторую крышку 29 и снимают металлическую подложку 26 с осажденным покрытием со стяжных шпилек 27.The capacitor bank 19 with a capacity of 6 mF is charged to a voltage of 3 kV. The key 18 is closed, after which a current starts flowing from the capacitor bank 19 through the busbar 16, the conductive ring 15, the studs 13, the flange 9, the turns of the solenoid 8, the housing 7, the outer metal cylinder 2, the inner cylinder 1, and the fusible link 5 in the power supply circuit of the accelerator , tip 3, shank 4, second busbar 17. In this case, the fusible jumper 5 heats up, melts, and its material goes into a plasma state with the formation of an arc discharge. The configuration of the plasma structure of the Z-pinch type with a circular plasma bridge is determined by the shape of the fusible bridge 5 and the presence of a cylindrical channel in the insulator 6. Further, the discharge plasma is compressed by the magnetic field of its own current and the axial field of the solenoid 8 and exists in the accelerator channel in the form of an extending Z-pinch with a circular a plasma jumper at the end, through which the current passes to the cylindrical surface of the accelerating channel of the inner cylinder, during the acceleration of the plasma jumper under the action of the Lorentz force. The plasma jet flows from the accelerating channel of the inner cylinder 1 into the chamber 20 filled with argon and acts on the surface of the substrate 26, forming a coating of cubic tungsten carbide. After coating deposition, the second cover 29 is opened and the metal substrate 26 with the deposited coating is removed from the tie rods 27.

При зарядном напряжении 3 кВ конденсаторной батареи емкостью 6 мФ и использовании электрически плавкой перемычки 5, выполненной из спрессованной смеси порошков вольфрама и сажи в атомном соотношении C:W 0,30:0,70, был реализован импульсный режим осаждения покрытия на подложку в виде медной пластины толщиной 2 мм с линейными размерами 100х100 мм, обеспечивший следующие параметры дугового разряда: амплитуда тока дугового разряда 130 кА, мощность дугового разряда 120 МВт, длительность импульса 300 мкс.At a charging voltage of 3 kV capacitor bank with a capacity of 6 mF and using an electrically fused jumper 5 made of a compressed mixture of tungsten and soot powders in the atomic ratio C: W 0.30: 0.70, a pulsed deposition mode of the coating on the substrate in the form of a copper 2 mm thick plates with linear dimensions of 100x100 mm, which ensured the following parameters of the arc discharge: amplitude of the arc discharge current 130 kA, arc discharge power 120 MW, pulse duration 300 μs.

Образовавшееся покрытие исследовали с помощью методов рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии.The resulting coating was investigated using x-ray diffractometry and scanning electron microscopy.

Рентгеновская дифрактограмма сформированного в результате осаждения покрытия (фиг. 2) и результаты количественного рентгеноструктурного анализа (таблице 1) показали преимущественное содержание фазы кубического карбида вольфрама в структуре полученного покрытия.The X-ray diffraction pattern of the coating formed as a result of deposition (Fig. 2) and the results of quantitative X-ray diffraction analysis (Table 1) showed the predominant content of the phase of cubic tungsten carbide in the structure of the obtained coating.

Сканирующий микроснимок (фиг. 3) демонстрирует поперечный срез покрытия толщиной ~50 мкм.Scanning micrograph (Fig. 3) shows a transverse section of the coating with a thickness of ~ 50 μm.

Твердость полученного покрытия, определенная методом Берковича, составила 32,5±0,7 ГПа, модуль Юнга 310±5 ГПа.The hardness of the obtained coating, determined by the Berkovich method, was 32.5 ± 0.7 GPa, Young's modulus 310 ± 5 GPa.

Результаты формирования покрытия из кубического карбида вольфрама на подложках из меди и титана приведены в таблице 1.The results of the formation of a coating of cubic tungsten carbide on substrates of copper and titanium are shown in table 1.

Таким образом, предложенное устройство может быть использовано для получения покрытий из кубического карбида вольфрама разной толщины с характеристиками, значительно превышающими характеристики подложки по прочностным свойствам.Thus, the proposed device can be used to obtain coatings of cubic tungsten carbide of different thicknesses with characteristics significantly exceeding the characteristics of the substrate in terms of strength properties.

Таблица 1Table 1

№ примера
п/п
Example No.
p / p
Атомное соотношение C:WAtomic ratio C: W Материал подложкиBacking material Толщина покрытия, мкмCoating thickness, microns Амплитуда тока дугового разряда,
кА
The amplitude of the arc current,
kA
Мощность дугового разряда, МВтArc discharge power, MW Длительность импульса, мксPulse duration, μs Содержание WC1-x,
%
Content WC 1-x ,
%
Содержание WC,
%
WC content,
%
Твердость, ГПаHardness, GPa Модуль Юнга, Young's modulus
1one 0,30:0,700.30: 0.70 МедьCopper 50fifty 130130 120120 300300 99,599.5 0,50.5 32,5±0,732.5 ± 0.7 310±5310 ± 5 22 0,65:0,350.65: 0.35 МедьCopper 30thirty 120120 110110 310310 95,095.0 5,05,0 31,7±0,631.7 ± 0.6 302±4302 ± 4 33 0,50:0,500.50: 0.50 ТитанTitanium 4040 125125 115115 305305 92,092.0 8,08.0 30,8±0,530.8 ± 0.5 295±4295 ± 4

Claims (1)

Устройство для формирования покрытия из кубического карбида вольфрама на металлической подложке, содержащее камеру, к которой подключен насос, баллон с аргоном, снабженный манометром, источник вольфрам- и углеродсодержащей плазмы и средство для крепления металлической подложки, отличающееся тем, что в качестве источника вольфрам- и углеродсодержащей плазмы использован коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, в котором цилиндрический электропроводящий ствол выполнен из двух электропроводящих цилиндров внутреннего цилиндра из графита и внешнего цилиндра из прочного немагнитного материала и центрального электрода, состоящего из графитового наконечника и хвостовика из стали, при этом ствол и центральный электрод соединены электрически плавкой перемычкой, выполненной из спрессованной смеси порошков вольфрама и сажи в атомном соотношении C:W от 0,30:0,70 до 0,65:0,35, помещенной поверх токопроводящего углеродного слоя, нанесенного на поверхность изолятора, отделяющего электропроводящий ствол от центрального электрода, при этом корпус упомянутого ускорителя выполнен из магнитного материала, сопряжен с внешним металлическим цилиндром и перекрывает зону размещения плавкой перемычки, при этом длина части корпуса, перекрывающей зону размещения плавкой перемычки, составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной, при этом соленоид упомянутого ускорителя выполнен за одно целое с фланцем и цилиндрической частью, в которой размещен упомянутый корпус, укреплен резьбовой заглушкой и прочным стеклопластиковым корпусом и стянут мощными токопроводящими шпильками между фланцем и стеклопластиковым упорным кольцом, токопроводящие шпильки электрически соединены токопроводящим кольцом, при этом к токопроводящим шпилькам присоединен первый шинопровод внешней схемы электропитания, а второй шинопровод схемы электропитания присоединен к хвостовику, при этом к второму шинопроводу последовательно присоединены ключ и конденсаторная батарея, связанная со вторым шинопроводом, при этом свободный конец ствола ускорителя вставлен в камеру-реактор через осевое отверстие в первой металлической боковой крышке и герметично зафиксирован с помощью уплотнительных колец, расположенных между фланцем и первой боковой крышкой, и шпилек, соединяющих кольцо, упирающееся во фланец, и первую боковую крышку, при этом внутри камеры расположены стяжные шпильки для закрепления металлической подложки параллельно первой боковой крышке, при этом камера через первый вентиль соединена с форвакуумным насосом и через второй вентиль связана с баллоном, наполненным аргоном, причем объем камеры ограничен двумя боковыми крышками, которые прикреплены к ней болтовыми соединениями.A device for forming a coating of cubic tungsten carbide on a metal substrate, comprising a chamber to which a pump is connected, an argon cylinder equipped with a manometer, a source of tungsten and carbon-containing plasma, and means for fixing the metal substrate, characterized in that the source of tungsten and carbon-containing plasma used a coaxial magnetoplasma accelerator in which a cylindrical electrically conductive barrel is made of two electrically conductive cylinders of the inner cylinder of gra a fit and an external cylinder made of durable non-magnetic material and a central electrode consisting of a graphite tip and a steel shank, while the barrel and the central electrode are connected by an electrically fused jumper made of a compressed mixture of tungsten and carbon black powders in an atomic ratio C: W of 0.30 : 0.70 to 0.65: 0.35, placed on top of the conductive carbon layer deposited on the surface of the insulator separating the electrically conductive barrel from the Central electrode, while the body of the said accelerator is made of m material, is interfaced with an external metal cylinder and overlaps the zone of placement of the fused jumper, while the length of the part of the body overlapping the zone of placement of the fused jumper is 40-50 mm, and its external surface is conical, while the solenoid of the said accelerator is made in one piece the flange and the cylindrical part in which the said housing is located is strengthened by a threaded plug and a durable fiberglass housing and pulled together by powerful conductive studs between the flange and the fiberglass a thrust ring, the conductive studs are electrically connected by a conductive ring, while the first busbar of the external power supply circuit is connected to the conductive studs, and the second busbar of the power supply circuit is connected to the shank, while a key and a capacitor bank connected to the second busbar are sequentially connected to the second bus duct, this free end of the accelerator barrel is inserted into the reactor chamber through an axial hole in the first metal side cover and hermetically fixed with by means of o-rings located between the flange and the first side cover and studs connecting the ring resting on the flange and the first side cover, tie rods are located inside the chamber for fixing the metal substrate parallel to the first side cover, while the chamber is connected through the first valve with a foreline pump and through a second valve connected to a cylinder filled with argon, and the chamber volume is limited by two side covers, which are attached to it by bolted connections.
RU2019121795A 2019-07-11 2019-07-11 Device for forming coating from cubic tungsten carbide RU2707688C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019121795A RU2707688C1 (en) 2019-07-11 2019-07-11 Device for forming coating from cubic tungsten carbide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019121795A RU2707688C1 (en) 2019-07-11 2019-07-11 Device for forming coating from cubic tungsten carbide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2707688C1 true RU2707688C1 (en) 2019-11-28

Family

ID=68836275

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019121795A RU2707688C1 (en) 2019-07-11 2019-07-11 Device for forming coating from cubic tungsten carbide

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2707688C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2503740C2 (en) * 2011-10-18 2014-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method of making composite coatings by coaxial laser surfacing
CN104928613A (en) * 2015-06-05 2015-09-23 柳州弘天科技有限公司 Preparation method for machining cutter
CN109440105A (en) * 2018-12-06 2019-03-08 嘉兴市劼力机械科技有限公司 A kind of preparation method of machining tool

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2503740C2 (en) * 2011-10-18 2014-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method of making composite coatings by coaxial laser surfacing
CN104928613A (en) * 2015-06-05 2015-09-23 柳州弘天科技有限公司 Preparation method for machining cutter
CN109440105A (en) * 2018-12-06 2019-03-08 嘉兴市劼力机械科技有限公司 A kind of preparation method of machining tool

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Voevodin A. A. et al. Nanocrystalline WC and WC/a-C composite coatings produced from intersected plasma fluxes at low deposition temperatures, Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 1999, т. 17, N3, с. 986-992. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8036341B2 (en) Stationary x-ray target and methods for manufacturing same
US8387561B2 (en) Method and apparatus for cathodic arc ion plasma deposition
US8038858B1 (en) Coaxial plasma arc vapor deposition apparatus and method
JPS62120472A (en) Electric arc vapor deposition method and apparatus
JPS60255973A (en) Method and device for evaporating material in vacuum
US20070144901A1 (en) Pulsed cathodic arc plasma
JP4861257B2 (en) Fine particle film manufacturing method and manufacturing apparatus using coaxial vacuum arc deposition source
RU2422555C1 (en) Procedure for electric-explosive application of metal coating on contact surfaces
US4565618A (en) Apparatus for producing diamondlike carbon flakes
RU2707673C1 (en) Method of forming coating from cubic tungsten carbide
RU2707688C1 (en) Device for forming coating from cubic tungsten carbide
US6361663B1 (en) Vacuum arc evaporator
JP2008095163A (en) Method of forming nanometal particle and method of forming nanometal thin film, and method of controlling size of nanometal particle
Tochitsky et al. Electrical erosion pulsed plasma accelerators for preparing diamond-like carbon coatings
Zhukeshov et al. The pulse plasma flows application in material science and nanotechnology
JP2766755B2 (en) Substrate coating method
GB1574677A (en) Method of coating electrically conductive components
RU2607398C2 (en) Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation
RU2807261C1 (en) Method for producing powder metal matrix composite from copper and silicon carbide
RU2753182C1 (en) Device for producing nanocrystalline epsilon of iron oxide phase
JP2854130B2 (en) Apparatus for coating substrates by sputtering
TWI846716B (en) Plasma spray systems and methods
TWI707608B (en) Vacuum arc source
RU2622549C2 (en) Method of producing coatings of titanium carbide on the inner surface of copper anode of transmitting tube
Bluhm et al. Industrial applications of high voltage pulsed power techniques: developments at Forschungszentrum Karlsruhe (FZK)