RU76918U1

RU76918U1 - VACUUM ION-PLASMA INSTALLATION

Info

Publication number: RU76918U1
Application number: RU2008117861/22U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Смыслов; Марина Константиновна Смыслова; Юрий Михайлович Дыбленко; Аскар Джамилевич Мингажев; Галина Владимировна Годовская; Анур Наилевич Исанбердин; Михаил Юрьевич Дыбленко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология"
Priority date: 2008-05-04
Filing date: 2008-05-04
Publication date: 2008-10-10

Abstract

Полезная модель направлена на расширение технологических возможностей установки, повышение производительности и качества обработки изделий. Указанный технический результат достигается тем, что вакуумная, ионно-плазменная установка содержит вакуумную камеру с расположенными в ней катодами электродуговых испарителей, источники питания вакуумно-дугового разряда, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, держатель изделий и оптически непрозрачный поворотный экран, расположенный между катодом электродугового испарителя и держателем изделий. Кроме того, установка содержит, по крайней мере, одно устройство для ионной имплантации, выполненное в виде источника питания потенциала смещения, причем, по крайней мере, один из катодов электродуговых испарителей в виде пластины длиной от 500 до 2000 мм, шириной от 50 до 300 мм и толщиной от 10 до 70 мм. Кроме того, в вакуумной камере расположен дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. Вакуумная камера представляет собой полый цилиндра вращения, размеры которого могут быть: высота от 800 до 2500 мм и внутренний диаметр от 500 до 1200 мм. Установка предусматривает присоединение дополнительных секций вакуумной камеры. 5 з.п.ф., 3 илл.The utility model is aimed at expanding the technological capabilities of the installation, increasing productivity and quality of product processing. The specified technical result is achieved in that the vacuum ion-plasma installation comprises a vacuum chamber with cathodes of electric arc evaporators located therein, power sources of a vacuum arc discharge, a power source of a two-stage vacuum arc discharge, a product holder and an optically opaque rotary screen located between the cathode electric arc evaporator and product holder. In addition, the installation contains at least one device for ion implantation, made in the form of a bias power supply, and at least one of the cathodes of electric arc evaporators in the form of a plate with a length of 500 to 2000 mm, a width of 50 to 300 mm and a thickness of 10 to 70 mm. In addition, in the vacuum chamber there is an additional electrode made with the possibility of connecting a two-stage vacuum-arc discharge to the positive pole of the power source. The vacuum chamber is a hollow cylinder of revolution, the dimensions of which can be: height from 800 to 2500 mm and inner diameter from 500 to 1200 mm. The installation provides for the attachment of additional sections of the vacuum chamber. 5 cpf, 3 ill.

Description

Вакуумная ионно-плазменная установка предназначена обработки длинномерных изделий, относится к в вакуумной ионно-плазменной технологии и может быть применена для обработки длинномерных изделий, например длинномерных лопаток паровых турбин.Vacuum ion-plasma installation is designed to process long products, relates to vacuum ion-plasma technology and can be used to process long products, such as long blades of steam turbines.

Известна установка для нанесения защитных покрытий путем осаждения из вакуумно-дуговой плазмы материала покрытия [Патент РФ №2058427, МПК С23С 14/34,опубл. 20.04.1996.]. Установка содержит вакуумную камеру, в которой расположен катод, выполненный из материала покрытия, защитный экран катода, анод, держатель изделий, электрод для возбуждения вакуумной дуги и систему электропитания. Установка предназначена для испарения токопроводящих материалов и нанесения упрочняющих покрытий на детали машин.A known installation for applying protective coatings by deposition of a coating material from a vacuum arc plasma [RF Patent No. 2054827, IPC S23C 14/34, publ. 04/20/1996.]. The apparatus comprises a vacuum chamber in which a cathode is located made of a coating material, a cathode shield, an anode, a product holder, an electrode for excitation of a vacuum arc, and a power supply system. The installation is designed for the evaporation of conductive materials and the application of hardening coatings on machine parts.

Известны вакуумные плазменные установки, содержащие вакуумную камеру с системой откачки и установленные в камере плазменный ускоритель и технологическое приспособление для закрепления обрабатываемых изделий. [Гришин С.Д. и др. Плазменные ускорители. М.: Машиностроение, 1983, с.189, 194. Левченко Ю.М. и др.].Known vacuum plasma systems containing a vacuum chamber with a pumping system and installed in the chamber a plasma accelerator and technological device for fixing the processed products. [Grishin S.D. and other plasma accelerators. M .: Engineering, 1983, p. 189, 194. Levchenko Yu.M. and etc.].

Известна установка для ионного азотирования содержит вакуумную камеру с расположенными в ней катодами, источники питания, держатель изделий [Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, С.177-181]. Обработка на таких установках производится с целью повышения эксплуатационных свойств изделий (износостойкости, эрозионной стойкости и пр.). Обработку в таких установках осуществляют путем высокотемпературной выдержки изделий в среде ионизированного рабочего газа.Known installation for ion nitriding contains a vacuum chamber with cathodes located in it, power sources, product holder [Lakhtin Yu.M., Arzamasov B.N. Chemical-thermal treatment of metals. - M .: Metallurgy, 1985, S.177-181]. Processing at such plants is carried out in order to improve the operational properties of products (wear resistance, erosion resistance, etc.). Processing in such installations is carried out by high-temperature exposure of the products in an ionized working gas environment.

Недостатком известной установки [Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, С.177-181] A disadvantage of the known installation [Lakhtin Yu.M., Arzamasov B.N. Chemical-thermal treatment of metals. - M .: Metallurgy, 1985, S.177-181]

является невысокая эффективность процесса модификации поверхности изделий вследствие низкой энергии частиц рабочего газа. При химико-термической обработке для получения необходимой концентрации легирующего элемента в поверхности изделий необходимо длительная выдержка изделий в среде рабочего газа при высокой температуре. Это является причиной низкой производительности процесса. При этом происходит образование хрупких крупнодисперсных структурных составляющих, что снижает механические и эксплуатационные свойства изделий. Также недостатком является невозможность внедрения в поверхность элементов в количестве, превышающем их предел растворимости в материале изделий.is the low efficiency of the process of surface modification of products due to the low energy of the particles of the working gas. During chemical-thermal treatment, to obtain the necessary concentration of the alloying element in the surface of the products, it is necessary to hold the products for a long time in a working gas medium at high temperature. This is the reason for the low productivity of the process. In this case, the formation of brittle coarse-grained structural components occurs, which reduces the mechanical and operational properties of the products. Another disadvantage is the impossibility of introducing elements into the surface in an amount exceeding their solubility limit in the material of the products.

Известны также установки для модификации поверхности путем ионной имплантации [Обеспечение эксплуатационных свойств лопаток компрессора из титановых сплавов путем ионного модифицирования поверхности на установке «Вита» / Смыслов A.M., Гусева М.И., Смыслова М.К. и др. // Авиационная промышленность. - 1992. - №5. - С.24-26], содержащие вакуумную камеру с установленными на ней устройствами для ионной имплантации, источники питания, держатель изделий. Обработку изделий в таких установках осуществляют следующим образом. Обрабатываемые изделия размещают в вакуумной камере установки, затем в ней создают вакуум и напускают в нее рабочий газ. Затем производят бомбардировку изделий ускоренными ионами рабочего газа, которые внедряются в поверхность изделий. Модификация поверхности путем ионной имплантации позволяет улучшать прочностные характеристики изделий без снижения пластичности, благодаря чему повышают, например, сопротивление усталости изделий.Installations for surface modification by ion implantation are also known [Ensuring the operational properties of compressor blades made of titanium alloys by ion surface modification in the Vita installation / Smyslov A.M., Guseva MI, Smyslova MK et al. // Aviation industry. - 1992. - No. 5. - S.24-26], containing a vacuum chamber with devices for ion implantation installed on it, power sources, product holder. The processing of products in such installations is as follows. The processed products are placed in the vacuum chamber of the installation, then a vacuum is created in it and the working gas is introduced into it. Then produce the bombardment of products accelerated ions of the working gas, which are introduced into the surface of the products. Surface modification by ion implantation allows to improve the strength characteristics of products without reducing ductility, thereby increasing, for example, the fatigue resistance of products.

Недостатком известных установок является ограниченность технологических возможностей, вследствие чего не удается получить высокие эксплуатационные свойства обрабатываемых деталей.A disadvantage of the known installations is the limited technological capabilities, as a result of which it is not possible to obtain high operational properties of the machined parts.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является установка для нанесения покрытий методом электродугового испарения [Патент РФ №2022056], содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней катодами электродуговых испарителей, источники питания вакуумно-дугового разряда, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, держатель изделий и оптически непрозрачный поворотный экран, расположенный между катодом электродугового испарителя и держателем изделий.The closest technical solution selected as a prototype is an installation for coating by the method of electric arc evaporation [RF Patent No. 2022056], comprising a vacuum chamber with cathodes of electric arc evaporators located therein, vacuum-arc discharge power sources, a two-stage vacuum-arc discharge power source, the product holder and an optically opaque rotary screen located between the cathode of the electric arc evaporator and the product holder.

Эта установка позволяет повышать эксплуатационные свойства изделий путем комплексной обработки, включающей химико-термическую обработку и нанесение покрытия в одном цикле.This installation allows you to improve the operational properties of products by complex processing, including chemical-thermal treatment and coating in one cycle.

Обработку изделий в данной установке осуществляют следующим образом. Обрабатываемые изделия размещают в вакуумной камере, затем создают в ней вакуум. При этом оптически непрозрачный поворотный экран закрывает катод ЭДИ. В камеру напускают рабочий газ (азот), зажигают ДВДР между катодом ЭДИ, закрытым оптически непрозрачным поворотным экраном, и катодом ЭДИ, расположенным напротив него, который в данном случае служит анодом ДВДР, и генерируют газовую плазму. Изделия подвергают химико-термической обработке (азотированию) путем выдерживания их в газовой плазме при рабочей температуре. Для нагрева изделий до рабочей температуры к ним прикладывают положительный потенциал от источника питания. При этом изделия служат анодом ДВДР и происходит их нагрев электронами металло-газовой плазмы.The processing of products in this installation is as follows. The processed products are placed in a vacuum chamber, then create a vacuum in it. In this case, an optically opaque rotary screen closes the EDI cathode. Working gas (nitrogen) is injected into the chamber, a DDR is ignited between the EDI cathode, which is closed by an optically opaque rotary screen, and the EDI cathode opposite it, which in this case serves as the DDR anode, and a gas plasma is generated. Products are subjected to chemical-thermal treatment (nitriding) by keeping them in a gas plasma at operating temperature. To heat products to operating temperature, a positive potential is applied to them from a power source. In this case, the products serve as the anode of the DDR and they are heated by the electrons of the metal-gas plasma.

После проведения процесса химико-термической обработки производят нанесение покрытия. Для этого оптически непрозрачный поворотный экран отводят в сторону, открывая путь потоку металлической плазмы, генерируемой катодом. При этом в вакуумной камере образуется металло-газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, ионы металла катода ЭДИ, электроны и нейтральные частицы. Нанесение покрытия After the process of chemical-thermal treatment, the coating is applied. For this, an optically opaque rotary screen is diverted to the side, opening the way to the flow of metal plasma generated by the cathode. In this case, a metal-gas plasma is formed in the vacuum chamber containing ions of the working gas, metal ions of the EDI cathode, electrons and neutral particles. Coating

производят путем осаждения на изделия ионов металла и ионов рабочего газа.produced by deposition on the product of metal ions and ions of the working gas.

Однако установка-прототип имеет ограниченные технологические возможности и не позволяет качественно обрабатывать изделия (особенно изделия больших размеров, к которым относят, например, лопатки паровых турбин с областью подлежащей обработке размером около 1200×200 мм). Кроме того, установка-прототип имеет низкую производительность и высокий расход энергии и материалов. Это объясняется следующими причинами:However, the prototype installation has limited technological capabilities and does not allow high-quality processing of products (especially large-sized products, which include, for example, steam turbine blades with an area to be processed of about 1200 × 200 mm in size). In addition, the prototype installation has low productivity and high consumption of energy and materials. This is due to the following reasons:

- несовершенством метода модификации поверхности;- imperfection of the surface modification method;

- неравномерностью распределения плазмы внутри камеры (что снижает однородность обработки поверхности, особенно длинномерных изделий);- uneven distribution of plasma inside the chamber (which reduces the uniformity of surface treatment, especially of long products);

- низкой производительностью процесса генерации плазмы;- low productivity of the plasma generation process;

- неэффективностью использования плазмы при модификации поверхности;- inefficiency of using plasma for surface modification;

- неравномерностью толщины покрытия по длине изделия.- uneven coating thickness along the length of the product.

Техническим результатом полезной модели является расширение технологических возможностей установки, повышение качества обработки изделий, а также повышение производительности установки и снижение расхода энергии и материалов за счет применения более эффективного метода модификации поверхности, повышения однородности распределения плазмы внутри камеры; увеличения производительности процесса генерации плазмы, более эффективного использования плазмы при модификации поверхности, повышения равномерности толщины покрытия по длине изделия.The technical result of the utility model is to expand the technological capabilities of the installation, improve the quality of processing products, as well as increase the productivity of the installation and reduce the consumption of energy and materials through the use of a more effective method of surface modification, increase the uniformity of the plasma distribution inside the chamber; increasing the productivity of the plasma generation process, more efficient use of plasma during surface modification, increasing the uniformity of the coating thickness along the length of the product.

Технический результат достигается тем, что вакуумная ионно-плазменная установка содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней катодами электродуговых испарителей, источники питания вакуумно-дугового разряда, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового The technical result is achieved by the fact that a vacuum ion-plasma installation containing a vacuum chamber with cathodes of electric arc evaporators located therein, vacuum-arc discharge power sources, a two-stage vacuum-arc power source

разряда, держатель изделий и оптически непрозрачный поворотный экран, расположенный между катодом электродугового испарителя и держателем изделий, в отличие от прототипа, она содержит, по крайней мере, одно устройство для ионной имплантации, выполненное в виде источника питания потенциала смещения, причем, по крайней мере, один из катодов электродуговых испарителей в виде пластины длиной от 500 до 2000 мм, шириной от 50 до 300 мм и толщиной от 10 до 70 мм.discharge, the product holder and an optically opaque rotary screen located between the cathode of the electric arc evaporator and the product holder, in contrast to the prototype, it contains at least one device for ion implantation, made in the form of a bias potential power source, and at least , one of the cathodes of electric arc evaporators in the form of a plate with a length of 500 to 2000 mm, a width of 50 to 300 mm and a thickness of 10 to 70 mm.

Технический результат достигается также тем, что в вакуумной камере предлагаемой установки расположен дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.The technical result is also achieved by the fact that in the vacuum chamber of the proposed installation there is an additional electrode made with the possibility of connecting a two-stage vacuum-arc discharge power source to the positive pole.

Технический результат достигается также тем, что вакуумная камера предлагаемой установки выполнена в виде полого цилиндра вращения высотой от 800 до 2500 мм и внутренним диаметром от 500 до 1200 мм и кроме того, как вариант, вакуумная камера выполнена с возможностью присоединения дополнительных секций вакуумной камеры.The technical result is also achieved by the fact that the vacuum chamber of the proposed installation is made in the form of a hollow cylinder of revolution with a height of 800 to 2500 mm and an inner diameter of 500 to 1200 mm, and in addition, as an option, the vacuum chamber is configured to attach additional sections of the vacuum chamber.

Технический результат достигается также тем, что дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра вращения и расположен в центре вакуумной камеры.The technical result is also achieved by the fact that the additional electrode is made in the form of a cylinder of revolution and is located in the center of the vacuum chamber.

Технический результат достигается также тем, что держатель изделий состоит из отдельных электроизолированных секций по числу электродуговых испарителей, выполненных с возможностью подключения как к независимым отрицательным выводам источника питания потенциала смещения, так и к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда независимо друг от друга качества обработки изделий предлагаемая установка снабжена устройством для ионной имплантации, а все электродуговые испарители снабжены оптически непрозрачными поворотными экранами.The technical result is also achieved by the fact that the product holder consists of separate electrically insulated sections according to the number of electric arc evaporators, made with the possibility of connecting both the independent negative terminals of the bias power source and the positive pole of the two-stage vacuum-arc discharge power source, independent of each other quality processing of products, the proposed installation is equipped with a device for ion implantation, and all electric arc evaporators are equipped with optical opaque swivel screens.

Достижение технического результата объясняется следующим.The achievement of the technical result is explained by the following.

С целью расширения технологических возможностей и повышения качества обработки изделий предлагаемая установка снабжена устройством для ионной имплантации. Преимущество ионной имплантации перед химико-термической обработкой, в частности азотированием, - в большей глубине модифицированного слоя за счет повышенной энергии имплантируемых частиц и радиационно-стимулируемой диффузии [Гусева М.И. Ионная имплантация в неполупроводниковые материалы // Итоги науки и техники: серия Физические основы лазерной и пучковой технологии. Т.5. - Ионно-пучковая технология. - М. - 1989]. При ионной имплантации реализуются не только твердорастворный и дисперсионный механизмы упрочнения, но и дислокационный. При этом возникают эффекты дальнодействия, за счет чего толщина упрочненного слоя превышает толщину слоя с измененным химическим составом. Кроме того, при ионной имплантации возможно внедрение в поверхность легирующих элементов в количестве, превышающем их предел растворимости в материале изделия.In order to expand technological capabilities and improve the quality of product processing, the proposed installation is equipped with a device for ion implantation. The advantage of ion implantation over chemical-thermal treatment, in particular nitriding, is in the greater depth of the modified layer due to the increased energy of implanted particles and radiation-stimulated diffusion [Guseva MI Ion implantation in non-semiconductor materials // Itogi Nauki i Tekhniki: a Series Physical Basics of Laser and Beam Technology. T.5. - Ion beam technology. - M. - 1989]. During ion implantation, not only solid-solution and dispersion hardening mechanisms are realized, but also dislocation ones. In this case, long-range effects arise, due to which the thickness of the hardened layer exceeds the thickness of the layer with a changed chemical composition. In addition, during ion implantation, it is possible to introduce alloying elements into the surface in an amount exceeding their solubility limit in the product material.

В отличие от химико-термической обработки, ионная имплантация не требует длительного выдерживания изделий при высокой температуре и не приводит к огрублению структуры материала. Поэтому ионная имплантация оказывает упрочняющее воздействие на поверхность, не снижая пластичности, что позволяет повысить сопротивление усталости изделий, в частности предел выносливости с концентратором напряжений, в то время как после химико-термической обработке предел выносливости с концентратором напряжений как правило снижается.Unlike chemical-thermal treatment, ion implantation does not require prolonged exposure of the products at high temperature and does not lead to coarsening of the material structure. Therefore, ion implantation has a strengthening effect on the surface without reducing ductility, which allows to increase the fatigue resistance of products, in particular, the fatigue limit with a stress concentrator, while after chemical-thermal treatment the fatigue limit with a stress concentrator is usually reduced.

Еще одним преимуществом ионной имплантации перед химико-термической обработкой является эффективная активация поверхности, что улучшает условия нанесения на нее покрытия, повышает их адгезию. При этом физико-химическое состояние материала плавно изменяется по глубине поверхности, создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое.Another advantage of ion implantation over chemical-thermal treatment is the effective activation of the surface, which improves the conditions for coating on it and increases their adhesion. In this case, the physicochemical state of the material smoothly changes along the surface depth; favorable compressive residual stresses are created in the surface layer.

Предлагаемая установка позволяет, в отличие от прототипа, проводить в одном цикле обработки не только термическую обработку, химико-термическую обработку и нанесение покрытия, но и ионную имплантацию, а также различные сочетания указанных видов обработки, что обеспечивает качественно новый уровень свойств поверхности изделий - высокий уровень твердости, износостойкости, эрозионной и коррозионной стойкости, сопротивления усталости и др. Предлагаемая установка позволяет получать новые физические и механические свойства поверхности, создавать полупроводниковые слои, многослойные композиции с различными свойствами слоев и т.п.The proposed installation allows, unlike the prototype, to carry out in one processing cycle not only heat treatment, chemical-thermal treatment and coating, but also ion implantation, as well as various combinations of these types of processing, which provides a qualitatively new level of surface properties of products - high the level of hardness, wear resistance, erosion and corrosion resistance, fatigue resistance, etc. The proposed installation allows to obtain new physical and mechanical properties of the surface, with create semiconductor layers, multilayer compositions with various layer properties, etc.

Наиболее технологичным устройством для ионной имплантации является источник питания потенциала смещения. Источник питания потенциала смещения представляет собой высоковольтный источник питания, выполненный с возможностью подачи отрицательного потенциала достаточной для ионной имплантации величины на обрабатываемые изделия. Ионную имплантацию с помощью этого устройства осуществляют путем подачи на изделия отрицательного потенциала достаточной для ионной имплантации величины, при этом положительные ионы плазмы ускоряются в электрическом поле изделий и бомбардируют поверхность изделий, внедряясь в нее.The most technologically advanced device for ion implantation is a bias potential power source. The bias potential power source is a high voltage power source configured to supply a negative potential of sufficient magnitude for ion implantation on the workpiece. Ion implantation using this device is carried out by supplying a negative potential sufficient for ion implantation to the products, while positive plasma ions are accelerated in the electric field of the products and bombard the surface of the products, penetrating into it.

В установке-прототипе в качестве анода ДВДР (двухступенчатого вакуумно-дугового разряда) используют один из катодов ЭДИ (электродуговых испарителей), при этом только один из ЭДИ снабжен оптически непрозрачным поворотным экраном. Это приводит к низкой производительности процесса генерации газовой плазмы и неравномерности ее распределения в вакуумной камере. В вакуумной камере предлагаемой установки расположен дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания ДВДР, причем все ЭДИ снабжены оптически непрозрачными поворотными экранами. Это позволяет значительно повысить производительность In the prototype installation, one of the EDI cathodes (electric arc evaporators) is used as the anode of the DVDR (two-stage vacuum-arc discharge), while only one of the EDI is equipped with an optically opaque rotary screen. This leads to low productivity of the gas plasma generation process and the uneven distribution in the vacuum chamber. In the vacuum chamber of the proposed installation, an additional electrode is located, made with the possibility of connecting to the positive pole of the DVDR power supply, and all EDI are equipped with optically opaque rotary screens. This significantly improves productivity.

процесса генерации газовой плазмы за счет одновременного горения нескольких ДВДР при использовании в качестве анода ДВДР дополнительного электрода. Также это обеспечивает более равномерное распределение плазмы в вакуумной камере.the process of generating a gas plasma due to the simultaneous combustion of several DVDR when using an additional electrode as the DVDR anode. It also provides a more uniform plasma distribution in the vacuum chamber.

Дополнительный электрод может быть выполнен в виде вертикального цилиндра вращения, расположенного в центре вакуумной камеры. Цилиндрическая форма дополнительного электрода и расположение его в центре вакуумной камеры обеспечивают равномерное распределение плазмы в вакуумной камере, устойчивость горения разряда на его поверхности, наиболее эффективное охлаждение, позволяют максимально использовать внутреннее пространство вакуумной камеры. Благодаря равномерному распределению плазмы во внутреннем объеме вакуумной камеры становится возможной качественная обработка изделий без их вращения.The additional electrode can be made in the form of a vertical cylinder of revolution located in the center of the vacuum chamber. The cylindrical shape of the additional electrode and its location in the center of the vacuum chamber ensure uniform distribution of the plasma in the vacuum chamber, the stability of the discharge burning on its surface, the most efficient cooling, and make maximum use of the internal space of the vacuum chamber. Due to the uniform distribution of plasma in the internal volume of the vacuum chamber, it becomes possible to qualitatively process products without rotating them.

Для качественной обработки изделий необходимо, чтобы рабочая зона вакуумной камеры (зона обработки) имела размер не меньший, чем область изделий, подлежащая обработке. Для создания большой зоны обработки и обеспечения надежности работы установки катоды ЭДИ могут быть выполнены в виде пластин длиной от 500 до 2000 мм, шириной от 50 до 300 мм и толщиной от 10 до 70 мм.For high-quality processing of products, it is necessary that the working area of the vacuum chamber (processing zone) has a size no smaller than the area of the products to be processed. To create a large processing zone and ensure the reliability of the installation, EDI cathodes can be made in the form of plates with a length of 500 to 2000 mm, a width of 50 to 300 mm and a thickness of 10 to 70 mm.

Вакуумная камера предлагаемой установки может быть выполнена в виде полого цилиндра вращения, в частности расположенного вертикально. Это обеспечивает оптимальное использование внутреннего объема вакуумной камеры, технологичность ее изготовления и обслуживания и равномерность распределения плазмы во внутреннем пространстве вакуумной камеры.The vacuum chamber of the proposed installation can be made in the form of a hollow cylinder of revolution, in particular, located vertically. This ensures optimal use of the internal volume of the vacuum chamber, the manufacturability of its manufacture and maintenance, and uniform distribution of plasma in the inner space of the vacuum chamber.

Высота и внутренний диаметр вакуумной камеры должны быть достаточными для свободного размещения ЭДИ, оптически непрозрачных поворотных экранов, держателя изделий с изделиями, дополнительного электрода и других элементов и устройств установки. Исходя из обеспечения возможности обработки длинномерных изделий, в частности лопаток The height and inner diameter of the vacuum chamber should be sufficient for the free placement of EDI, optically opaque rotary screens, the holder of products with products, an additional electrode and other installation elements and devices. Based on the possibility of processing long products, in particular blades

турбомашин, оптимальные размеры вакуумной камеры составляют: высота - от 800 до 2500 мм, внутренний диаметр - от 500 до 1200 мм.turbomachines, the optimal dimensions of the vacuum chamber are: height - from 800 to 2500 mm, inner diameter - from 500 to 1200 mm.

Вакуумная камера предлагаемой установки может быть выполнена с возможностью присоединения дополнительных секций вакуумной камеры. Это обеспечивает возможность изменения размеров камеры для их оптимизации в зависимости от размеров обрабатываемых изделий. Для обработки изделий большого размера вакуумную камеру увеличивают путем присоединения дополнительных секций вакуумной камеры. При обработке изделий меньшего размера вакуумную камеру уменьшают. При этом за счет уменьшения внутреннего объема вакуумной камеры сокращается время откачки и снижается расход материалов.The vacuum chamber of the proposed installation can be configured to attach additional sections of the vacuum chamber. This provides the ability to resize the camera to optimize them depending on the size of the processed products. For processing large-sized products, the vacuum chamber is increased by attaching additional sections of the vacuum chamber. When processing smaller products, the vacuum chamber is reduced. At the same time, due to a decrease in the internal volume of the vacuum chamber, the pumping time is reduced and the material consumption is reduced.

В установке-прототипе обработку изделий осуществляют электронами плазмы (нагрев) и ионами (химико-термическая обработка) последовательно. При обработке изделий электронами держатель изделий подключают к положительному полюсу источника питания ДВДР, при этом изделия выполняют роль анода ДВДР. При обработке изделий ионами в качестве анода ДВДР используют катод ЭДИ. Недостаток этой схемы в неэффективном использовании плазмы, в результате чего снижается производительность, повышается расход энергии и материалов: при обработке электронами используют только электронную компоненту плазмы, а ионная не используется; при обработке ионами используют только ионную компоненту плазмы, а электронная не используется.In the prototype installation, the processing of products is carried out by plasma electrons (heating) and ions (chemical-thermal treatment) sequentially. When processing products with electrons, the product holder is connected to the positive pole of the DVDR power source, while the products act as the anvil of the DVDR. When processing products with ions, the EDR cathode is used as the anode of the DDR. The disadvantage of this scheme is the inefficient use of plasma, which results in reduced productivity, increased energy and material consumption: when processing with electrons, only the electronic component of the plasma is used, and the ionic component is not used; when processing ions use only the ionic component of the plasma, and the electronic is not used.

С целью повышения эффективности использования плазмы и повышения производительности установки держатель изделий предлагаемой установки состоит из отдельных электроизолированных секций держателя изделий по числу ЭДИ, выполненных с возможностью подключения с помощью переключателей как к независимым отрицательным выводам источника питания потенциала смещения, так и к положительному полюсу источника питания ДВДР независимо друг от друга.In order to increase the efficiency of the use of plasma and increase the productivity of the installation, the product holder of the proposed installation consists of separate electrically insulated sections of the product holder according to the number of EDI, made with the possibility of connecting, with the help of switches, both the independent negative terminals of the bias power supply and the positive pole of the DVR power supply independently of each other.

Это дает возможность одновременной обработки электронами плазмы одной группы изделий (или одного изделия) и обработки ионами плазмы другой группы изделий. При этом одновременно используется как электронная, так и ионная компоненты плазмы, что снижает расход энергии и материалов. Изделия, установленные в секции держателя изделий, подключенные к положительному полюсу источника питания ДВДР служат анодом ДВДР и подвергаются эффективному нагреву электронами. Изделия, установленные в секции держателя изделий, подключенные к отрицательным выводам источника питания потенциала смещения подвергаются ионной имплантации. Изделия, установленные в секции держателя изделий, не подключенные ни к одному из источников, подвергаются химико-термической обработке.This makes it possible to simultaneously process plasma electrons of one group of products (or one product) and plasma ions to process another group of products. In this case, both the electronic and ionic components of the plasma are simultaneously used, which reduces the consumption of energy and materials. Products installed in the section of the product holder connected to the positive pole of the DVDR power supply serve as the anode of the DVDR and are subjected to efficient heating by electrons. Products installed in the product holder section, connected to the negative terminals of the bias potential power supply, are subjected to ion implantation. Products installed in the section of the product holder, not connected to any of the sources, are subjected to chemical-thermal treatment.

Держатель изделий предлагаемой установки может быть выполнен с возможностью установки в него наборов изделий. Таким образом, за один цикл возможна обработка либо одного длинномерного изделия, либо -нескольких изделий малого размера. Это обеспечивает высокую производительность установки.The product holder of the proposed installation can be configured to install sets of products. Thus, in one cycle, it is possible to process either one long product or several small products. This ensures high installation performance.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 и 2 показаны конструктивная схема предлагаемой установки (фиг.1 - продольный разрез установки, фиг.2 - вид сверху - поперечный разрез). На фиг.3 - электрическая схема установки.The essence of the utility model is illustrated by drawings. Figure 1 and 2 shows a structural diagram of the proposed installation (figure 1 is a longitudinal section of the installation, figure 2 is a top view of a transverse section). Figure 3 is an electrical diagram of the installation.

Вакуумная ионно-плазменная установка содержит вакуумную камеру 1, выполненную в виде полого цилиндра вращения с высотой Н и внутренним диаметром D, имеющую дверь 2 и откачную трубу 3. На стенках вакуумной камеры 1 установлены ЭДИ с расположенными в вакуумной камере 1 катодами ЭДИ 4, 5, 6, выполненными в виде пластин длиной L и шириной В. В центре вакуумной камеры 1 установлен дополнительный электрод 7 в виде цилиндра вращения. Держатели изделий 8, 9, 10 выполнены с возможностью вращения вокруг собственной оси и относительно центра вакуумной камеры 1. Между каждым из катодов ЭДИ 4, The vacuum ion-plasma installation contains a vacuum chamber 1 made in the form of a hollow cylinder of revolution with a height H and an inner diameter D, having a door 2 and a pump pipe 3. On the walls of the vacuum chamber 1 there are installed EDI with EDI cathodes 4, 5 located in the vacuum chamber 1 , 6, made in the form of plates of length L and width B. In the center of the vacuum chamber 1, an additional electrode 7 is installed in the form of a cylinder of revolution. The product holders 8, 9, 10 are made to rotate around its own axis and relative to the center of the vacuum chamber 1. Between each of the cathodes EDI 4,

5, 6 и соответствующей держателем изделий установлены поворотные оптически непрозрачные экраны 11, 12, 13. Обрабатываемые изделия 14, 15, 16 закрепляются в держателях изделий 8, 9, 10. Привод 17 держателей изделий 8, 9, 10 обеспечивает их вращение, а привод 18 экранов 11, 12, 13 - их поворот.5, 6 and rotary optically opaque screens 11, 12, 13 are installed with the respective product holder. The processed products 14, 15, 16 are fixed in the product holders 8, 9, 10. The drive 17 of the product holders 8, 9, 10 ensures their rotation, and the drive 18 screens 11, 12, 13 - their rotation.

Катоды ЭДИ 4, 5, 6 подключены к отрицательным полюсам источников питания ВДР 15, 16, 17, положительные полюсы которых подключены к заземленной вакуумной камере 1. Дополнительный электрод 7 имеет возможность подключения к положительному полюсу источника питания ДВДР 18 с помощью ключа 19. Секции держателя изделий 8, 9, 10 с помощью переключателей 20, 21, 22 имеют возможность независимого друг от друга подключения как к независимым отрицательным выводам источника питания потенциала смещения 23, так и к положительному полюсу источника питания ДВДР 18. Вакуумная камера 1, отрицательный полюс источника питания ДВДР 18 и положительный полюс источника питания потенциала смещения 23 заземлены.EDI cathodes 4, 5, 6 are connected to the negative poles of the VDR 15, 16, 17 power supplies, the positive poles of which are connected to the grounded vacuum chamber 1. The additional electrode 7 has the ability to connect to the positive pole of the power supply unit DDR 18 using the key 19. Section of the holder products 8, 9, 10 with the help of switches 20, 21, 22 have the ability to connect independently from each other both to the independent negative terminals of the bias potential power supply 23, and to the positive pole of the power supply unit of the DVDR 18. Vakuu Nye camera 1, the negative pole of the power source DVDR 18 and the positive pole of the power source of the bias potential 23 is grounded.

Вакуумная камера 1 может иметь возможность присоединения дополнительных секций вакуумной камеры. Держатели изделий 8, 9, 10 могут быть выполнены с возможностью установки в него наборов изделий.The vacuum chamber 1 may be able to attach additional sections of the vacuum chamber. Product holders 8, 9, 10 can be made with the possibility of installing sets of products in it.

Вакуумная ионно-плазменная установка работает следующим образом. Обрабатываемые изделия 14, 15, 16 устанавливают в секции держателя изделий 8, 9, 10, затем закрывают дверь 2 вакуумной камеры 1, создают в вакуумной камере 1 вакуум, включают привод держателя изделий 17.Vacuum ion-plasma installation works as follows. The processed products 14, 15, 16 are installed in sections of the product holder 8, 9, 10, then the door 2 of the vacuum chamber 1 is closed, a vacuum is created in the vacuum chamber 1, the drive of the product holder 17 is turned on.

Затем производят обработку изделий одним из следующих способов: нагрев, химико-термическая обработка, ионная имплантация, нанесение покрытия, или их сочетанием.Then the products are processed in one of the following ways: heating, chemical-thermal treatment, ion implantation, coating, or a combination thereof.

Нагрев изделий осуществляют с целью их термической обработки или для подготовки их к последующей обработке, например нанесению покрытия. Нагрев изделий в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. В вакуумную камеру 1 напускают рабочий газ. Катоды The products are heated to heat treat them or to prepare them for further processing, for example, coating. Heating products in the proposed installation is as follows. Working gas is introduced into the vacuum chamber 1. Cathodes

ЭДИ 4, 5, 6 закрывают поворотными оптически непрозрачными экранами 11, 12, 13. Зажигают ВДР между катодами ЭДИ и вакуумной камерой, являющейся анодом ВДР. Затем с помощью переключателей 20, 21, 22 подключают изделия к положительному полюсу источника питания ДВДР 18 и зажигают ДВДР между катодами ЭДИ 4, 5, 6 и изделиями 8, 9, 10. При этом изделия, которые служат анодом ДВДР интенсивно нагреваются электронами плазмы ДВДР.EDI 4, 5, 6 are closed by rotary optically opaque screens 11, 12, 13. The VDR is ignited between the cathodes of the EDI and the vacuum chamber, which is the anode of the VDR. Then, using the switches 20, 21, 22, the products are connected to the positive pole of the power supply of the DVDR 18 and ignite the DVDR between the EDI cathodes 4, 5, 6 and the products 8, 9, 10. In this case, the products that serve as the anode of the DVDR are intensely heated by the plasma electrons of the DVDR .

Химико-термическую обработку в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. Осуществляют нагрев изделий вышеописанным способом. Затем переводят переключатели 20, 21, 22 в нейтральное положение и подключая дополнительный электрод 7 к положительному полюсу источника питания ДВДР 18 с помощью ключа 19, зажигают ДВДР между катодами ЭДИ 4, 5, 6 и дополнительным электродом 7, являющимся анодом ДВДР. В результате горения ДВДР в камере образуется газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, электроны и нейтральные частицы. Изделия выдерживают в газовой плазме, при этом происходит диффузионное внедрение ионов и атомов рабочего газа в поверхность изделий.Chemical-thermal treatment in the proposed installation is as follows. Carry out the heating of the products as described above. Then, the switches 20, 21, 22 are turned into the neutral position and connecting the additional electrode 7 to the positive pole of the power supply of the DVDR 18 using the key 19, the DVDR is lit between the cathodes EDI 4, 5, 6 and the additional electrode 7, which is the anode of the DVDR. As a result of the combustion of the DDR in the chamber, a gas plasma is formed containing ions of the working gas, electrons and neutral particles. The products are kept in a gas plasma, while there is a diffusion introduction of ions and atoms of the working gas into the surface of the products.

Ионную имплантацию в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. В вакуумную камеру 1 напускают рабочий газ. Катоды ЭДИ 4, 5, 6 закрывают оптически непрозрачными поворотными экранами 11, 12, 13. Зажигают ВДР (вакуумно-дуговой разряд) между катодами ЭДИ и вакуумной камерой, являющейся анодом ВДР. Подключая дополнительный электрод 7 к положительному полюсу источника питания ДВДР 18 с помощью ключа 19, зажигают ДВДР между катодами ЭДИ и дополнительным электродом 7, являющимся анодом ДВДР. В результате горения ДВДР в камере образуется газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, электроны и нейтральные частицы. На изделия, подвергаемые ионной имплантации, подают отрицательный потенциал достаточной для ионной имплантации величины от источника питания потенциала смещения Ion implantation in the proposed installation is as follows. Working gas is introduced into the vacuum chamber 1. The EDI cathodes 4, 5, 6 are covered with optically opaque rotary screens 11, 12, 13. A VDR (vacuum arc discharge) is ignited between the EDI cathodes and the vacuum chamber, which is the VDR anode. Connecting an additional electrode 7 to the positive pole of the power supply of the DVDR 18 using the key 19, ignite the DVDR between the cathodes of the EDI and the additional electrode 7, which is the anode of the DVDR. As a result of the combustion of the DDR in the chamber, a gas plasma is formed containing ions of the working gas, electrons and neutral particles. A negative potential sufficient for ion implantation of a bias potential power supply for ion implantation is applied to products subjected to ion implantation.

23 с помощью переключателей 20, 21, 22. При этом ионы плазмы рабочего газа ускоряются в электрическом поле изделий и внедряются в их поверхность.23 using the switches 20, 21, 22. In this case, the plasma ions of the working gas are accelerated in the electric field of the products and embedded in their surface.

Нанесение покрытия в предлагаемой установке осуществляют следующим образом. В вакуумную камеру 1 напускают рабочий газ. Катоды ЭДИ 4, 5, 6 открывают, отводя в сторону оптически непрозрачные поворотные экраны 11, 12, 13. Зажигают ВДР между катодами ЭДИ и вакуумной камерой, являющейся анодом ВДР. В результате горения ВДР в камере образуется металло-газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, ионы металла катодов ЭДИ, электроны и нейтральные частицы. На изделия 8, 9, 10 подают отрицательный потенциал от источника питания потенциала смещения 23 с помощью переключателей 20, 21, 22. При этом ионы металла ускоряются в электрическом поле изделий и осаждаются на их поверхности, образуя покрытие. При использовании в качестве рабочего газа активного газа, ионы рабочего газа соединяются с ионами металла, при этом образуется покрытие из соединений металла и неметалла.The coating in the proposed installation is as follows. Working gas is introduced into the vacuum chamber 1. The EDI cathodes 4, 5, 6 are opened by tearing aside the optically opaque rotary screens 11, 12, 13. They light the VDR between the cathodes of the EDI and the vacuum chamber, which is the anode of the VDR. As a result of burning VDR in the chamber, a metal-gas plasma is formed containing ions of the working gas, metal ions of the EDI cathodes, electrons and neutral particles. The negative potential is supplied to the products 8, 9, 10 from the bias potential power supply 23 using the switches 20, 21, 22. In this case, metal ions are accelerated in the electric field of the products and deposited on their surface, forming a coating. When using active gas as the working gas, the working gas ions combine with metal ions, and a coating of metal and non-metal compounds is formed.

Предлагаемая установка позволяет, в отличие от прототипа, проводить не только термическую обработку, химико-термическую обработку, нанесение покрытия, а также и ионную имплантацию изделий. За счет расширения технологических возможностей предлагаемая установка заменяет несколько устройств: печь для термической обработки, установку для химико-термической обработки, установку для ионной имплантации и установку для нанесения покрытий. При совмещении в одном цикле обработки различных операций, например ионной имплантации и нанесения покрытия или ионной имплантации и термической обработки реализуется комплексная вакуумная ионно-плазменная обработка, которая, с одной стороны, позволяет повысить качество обработки изделий, а с другой - снизить стоимость обработки. За счет совмещения в одном цикле обработки операций ионной имплантации и нанесения покрытия значительно повышается качество обработанных изделий: адгезия покрытия, предел The proposed installation allows, in contrast to the prototype, to carry out not only heat treatment, chemical-thermal treatment, coating, as well as ion implantation of products. Due to the expansion of technological capabilities, the proposed installation replaces several devices: a furnace for heat treatment, a plant for chemical-thermal treatment, a plant for ion implantation, and a coating plant. When combining various operations in one processing cycle, for example, ion implantation and coating or ion implantation and heat treatment, a complex vacuum ion-plasma treatment is implemented, which, on the one hand, improves the quality of processing of products and, on the other, reduces the cost of processing. By combining ion implantation and coating operations in one processing cycle, the quality of the processed products is significantly increased: coating adhesion, limit

выносливости обработанных изделий. За счет чередования процессов нагрева, выдержки, ионной имплантации, нанесения покрытия в одном цикле возможно получение новых физических, механических и эксплуатационных свойств поверхности изделий.endurance of processed products. By alternating the processes of heating, exposure, ion implantation, coating in one cycle, it is possible to obtain new physical, mechanical and operational properties of the surface of the products.

Известные вакуумные ионно-плазменные установки, как правило, предназначены для обработки изделий небольшого размера (режущий инструмент, лопатки газотурбинных двигателей и т.п.). Предлагаемая установка предназначена, главным образом, для обработки длинномерных изделий, например лопаток паровых турбин. Вакуумная камера предлагаемой установки имеет размеры, позволяющие размещать в ней длинномерные изделия, а катоды электродуговых испарителей выполнены из пластин длиной от 500 до 2000 мм, шириной от 50 до 300 мм и толщиной от 10 до 70 мм, что обеспечивает зону обработки установки достаточного для качественной обработки длинномерных изделий размера.Known vacuum ion-plasma installations, as a rule, are designed for processing small-sized products (cutting tools, blades of gas turbine engines, etc.). The proposed installation is intended mainly for the processing of long products, such as blades of steam turbines. The vacuum chamber of the proposed installation has dimensions that allow you to place long products in it, and the cathodes of electric arc evaporators are made of plates from 500 to 2000 mm long, 50 to 300 mm wide and 10 to 70 mm thick, which provides a processing zone of the installation sufficient for high-quality processing long products of size.

Claims

1. A vacuum ion-plasma installation comprising a vacuum chamber with cathodes of electric-arc evaporators located therein, vacuum-arc discharge power sources, a two-stage vacuum-arc discharge power source, a product holder and an optically opaque rotary screen located between the cathode of the electric arc evaporator and the product holder , characterized in that it contains at least one device for ion implantation, made in the form of a power source of bias potential, moreover, along the edge it least one of the cathodes electric arc evaporators in form of a plate length of from 500 to 2000 mm, a width of 50 to 300 mm and a thickness of 10 to 70 mm.

2. The vacuum ion-plasma installation according to claim 1, characterized in that an additional electrode is arranged in the vacuum chamber, configured to connect a two-stage vacuum-arc discharge power source to the positive pole.

3. The vacuum ion-plasma installation according to claim 1, characterized in that the vacuum chamber is made in the form of a hollow cylinder of revolution with a height of 800 to 2500 mm and an inner diameter of 500 to 1200 mm.

4. The vacuum ion-plasma installation according to claim 1, characterized in that the vacuum chamber is configured to attach additional sections of the vacuum chamber.

5. The vacuum ion-plasma installation according to claim 2, characterized in that the additional electrode is made in the form of a cylinder of revolution and is located in the center of the vacuum chamber.

6. Vacuum ion-plasma installation according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the product holder consists of separate electrically insulated sections according to the number of electric vapor evaporators, made with the possibility of connecting both the independent negative terminals of the bias power supply and the positive the pole of the power source of a two-stage vacuum-arc discharge independently of each other, and all electric arc evaporators are equipped with optically opaque rotary screens.