RU84019U1 - INSTALLATION FOR COMPREHENSIVE VACUUM ION-PLASMA TREATMENT - Google Patents
INSTALLATION FOR COMPREHENSIVE VACUUM ION-PLASMA TREATMENT Download PDFInfo
- Publication number
- RU84019U1 RU84019U1 RU2008117927/22U RU2008117927U RU84019U1 RU 84019 U1 RU84019 U1 RU 84019U1 RU 2008117927/22 U RU2008117927/22 U RU 2008117927/22U RU 2008117927 U RU2008117927 U RU 2008117927U RU 84019 U1 RU84019 U1 RU 84019U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- installation
- planar electrodes
- vacuum
- vacuum chamber
- plasma treatment
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
1. Установка для комплексной вакуумной ионно-плазменной обработки, содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней протяженными электродами-планарами 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, по крайней мере, одно устройство для ионной имплантации, выполненное в виде источника питания потенциала смещения, дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, причем между катодами электродуговых испарителей и держателем изделий расположены оптически непрозрачные поворотные экраны по числу электродуговых испарителей, а дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра вращения и расположен в центре вакуумной камеры, отличающаяся тем, что протяженные электроды-планары электродуговых испарителей выполнены с возможностью индивидуального переключения полярности с анода на катод и обратно, обеспечивающего превышение общей площади анодов над общей площадью катодов не менее чем в два раза, причем суммарная площадь рабочей поверхности электродов-планаров составляет 20%-90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры. ! 2. Установка для комплексной вакуумной ионно-плазменной обработки по п.1, отличающаяся тем, что электроды-планары выполнены с одинаковыми размерами и формой, причем высота, ширина и толщина используемых электродов-планаров выбирается соответственно в диап�1. Installation for integrated vacuum ion-plasma treatment, containing a vacuum chamber with extended electrodes-planar electrodes of arc-arc evaporators located therein, vacuum-arc discharge power sources, two-stage vacuum-arc discharge power source, product holder and optically opaque rotary screen located between the cathode of the electric arc evaporator and the product holder, at least one device for ion implantation, made in the form of a power source of potential an additional electrode made with the possibility of connecting a two-stage vacuum-arc discharge power source to the positive pole, and optically opaque rotary screens by the number of electric arc evaporators are located between the cathodes of the electric arc evaporators and the product holder, and the additional electrode is made in the form of a rotation cylinder and is located in the center vacuum chamber, characterized in that the extended planar electrodes of the electric arc evaporators are made individually switching polarity from anode to cathode and vice versa, ensuring that the total area of the anodes exceeds the total area of the cathodes by at least two times, and the total working surface area of planar electrodes is 20% -90% of the entire inner surface of the vacuum chamber. ! 2. Installation for integrated vacuum ion-plasma treatment according to claim 1, characterized in that the planar electrodes are made with the same size and shape, and the height, width and thickness of the planar electrodes used are selected in the range
Description
Полезная модель относится к вакуумной ионно-плазменной технологии и может быть применено для повышения эксплуатационных свойств изделий, в частности длинномерных изделий, например лопаток паровых турбин.The utility model relates to vacuum ion-plasma technology and can be used to improve the operational properties of products, in particular long products, such as steam turbine blades.
Для повышения эксплуатационных свойств изделий (твердости, износостойкости, эрозионной стойкости и пр.) используют устройства для химико-термической обработки, в частности установки для ионного азотирования [Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, С.177-181]. Установка для ионного азотирования содержит вакуумную камеру с расположенными в ней катодами, источники питания, держатель изделий. Обработку изделий в таких установках осуществляют путем выдержки их в среде ионизированного рабочего газа при высокой температуре.To improve the operational properties of products (hardness, wear resistance, erosion resistance, etc.), devices for chemical-thermal treatment, in particular, installations for ion nitriding [Lakhtin Yu.M., Arzamasov B.N. Chemical-thermal treatment of metals. - M .: Metallurgy, 1985, S.177-181]. Installation for ion nitriding contains a vacuum chamber with cathodes located in it, power sources, product holder. The processing of products in such installations is carried out by holding them in an ionized working gas at high temperature.
Недостатком этих устройств 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 длительное выдерживание 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.The disadvantage of these devices 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, in order 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.
Для повышения эксплуатационных свойств изделий также используют установки для 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.Installations for ion implantation are also used to improve the operational properties of products [Ensuring the operational properties of compressor blades made of titanium alloys by ion surface modification at 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.
Установки для модификации поверхности путем ионной имплантации позволяют улучшать прочностные характеристики изделий без снижения пластичности, благодаря чему повышают сопротивление усталости изделий.Installations for surface modification by ion implantation can improve the strength characteristics of products without reducing ductility, thereby increasing the fatigue resistance of products.
Недостатком таких установок является ограниченность технологических возможностей, вследствие чего не удается получить высокие эксплуатационные свойства обрабатываемых деталей.The disadvantage of such installations is the limited technological capabilities, as a result of which it is not possible to obtain high operational properties of the machined parts.
Для повышения эксплуатационных свойств изделий также используют установки для нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий [Установка «Булат-6». Паспорт Ф.-10000-02-ПС, 1984], содержащие вакуумную камеру с расположенными в ней катодами электродуговых испарителей (ЭДИ), источники питания вакуумно-дугового разряда (ВДР), держатель изделий. Эти установки позволяют наносить на изделия покрытия из металлов и их соединений с целью защиты поверхности от коррозии, эрозии, износа и т.п. Процесс нанесения покрытия в таких установках осуществляют следующим образом. Обрабатываемые изделия размещают в вакуумной камере установки, затем в ней создают To improve the operational properties of the products also use installations for applying vacuum ion-plasma coatings [Installation "Bulat-6". Passport F.-10000-02-PS, 1984], containing a vacuum chamber with cathodes of electric arc evaporators (EDI) located in it, vacuum-arc discharge (VDR) power sources, product holder. These installations allow coating metal products and their compounds to protect products from corrosion, erosion, wear, etc. The coating process in such installations is as follows. The processed products are placed in the vacuum chamber of the installation, then create
вакуум и напускают в нее рабочий газ. Зажигают ВДР между катодом и анодом ЭДИ. При протекании ВДР в вакуумной камере образуется металло-газовая плазма, содержащая ионы рабочего газа, ионы металла катода ЭДИ, электроны и нейтральные частицы. Нанесение покрытия производят путем осаждения на изделия ионов металла и ионов рабочего газа.vacuum and let working gas into it. A VDR is ignited between the cathode and the EDI anode. During the course of the VDR in the vacuum chamber, a metal-gas plasma is formed containing ions of the working gas, metal ions of the EDI cathode, electrons and neutral particles. The coating is produced by deposition on the product of metal ions and ions of the working gas.
Недостатком таких установок является ограниченность технологических возможностей, вследствие чего не удается получить высокие эксплуатационные свойства обрабатываемых деталей.The disadvantage of such 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 близкой по технической сущности к предлагаемой установке является установка для нанесения покрытий [Патент РФ №2022056, МКИ С23С 14/32, 30.10.94], содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней катодами электродуговых испарителей, источники питания ВДР, источник питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР), держатель изделий и оптически непрозрачный поворотный экран, расположенный между держателем изделий и одним из катодов.The closest in technical essence to the proposed installation is the installation for coating [RF Patent No. 2022056, MKI S23C 14/32, 10/30/94], containing a vacuum chamber with cathodes of electric arc evaporators located in it, VDR power sources, a two-stage vacuum power source arc discharge (DVDR), product holder and optically opaque rotary screen located between the product holder and one of the cathodes.
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 выдержки их в газовой плазме при рабочей температуре. Для нагрева изделий до рабочей температуры к ним прикладывают положительный потенциал от источника питания. При этом 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 holding 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. Wherein
изделия служат анодом ДВДР и происходит их нагрев электронами металло-газовой плазмы.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 производят путем осаждения на изделия ионов металла и ионов рабочего газа.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. The coating is produced by deposition on the product of metal ions and ions of the working gas.
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 порядка 1200×200 мм). Кроме того, установка-прототип имеет низкую производительность и высокий расход энергии и материалов. Это объясняется следующими причинами: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);
- низкая производительность 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.
Однако основным недостатком, как установки-прототипа, так и других известных установок, является чрезвычайно высокий расход распыляемого материала, образующего покрытие. Это объясняется, в However, the main disadvantage of both the prototype installation and other known installations is the extremely high consumption of the sprayed material forming the coating. This is explained in
частности тем, что значительная доля испаряемого материала осаждается на внутреннюю поверхность вакуумной камеры установки загрязняя ее и требуя дополнительных работ по удалению продуктов распыления. Последнее обстоятельство также способствует ухудшению процесса обработки из-за нежелательных загрязнений вакуумной камеры.in particular, a significant proportion of the vaporized material is deposited on the inner surface of the vacuum chamber of the installation, polluting it and requiring additional work to remove the spray products. The latter circumstance also contributes to the deterioration of the processing process due to unwanted contamination of the vacuum chamber.
Техническим результатом полезной модели является повышение экономичности процесса обработки за счет снижения расхода распыляемого материала и снижения трудоемкости подготовки установки к работе после предыдущей обработки.The technical result of the utility model is to increase the efficiency of the processing process by reducing the consumption of sprayed material and reducing the complexity of preparing the installation for operation after the previous processing.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая установка для комплексной вакуумной ионно-плазменной обработки, содержащая вакуумную камеру с расположенными в ней протяженными электродами-планарами 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, по крайней мере одно, устройство для ионной имплантации, выполненное в виде источника питания потенциала смещения, дополнительный электрод, выполненный с возможностью подключения к положительному полюсу источника питания двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, причем между катодами электродуговых испарителей и держателем изделий расположены оптически непрозрачные поворотные экраны по числу электродуговых испарителей, а дополнительный электрод выполнен в виде цилиндра вращения и расположен в центре вакуумной камеры, в отличие от прототипа, протяженные электроды-планары электродуговых испарителей, выполнены с возможностью индивидуального переключения полярности с анода на катод и обратно, обеспечивающего превышение общей площади анодов над общей площадью катодов не менее The technical result is achieved by the fact that the proposed installation for integrated vacuum ion-plasma treatment, containing a vacuum chamber with extended electrodes-planar electrodes of arc-arc evaporators located therein, vacuum-arc discharge power sources, two-stage vacuum-arc discharge power source, product holder and optically opaque a rotary screen located between the cathode of the electric arc evaporator and the product holder, at least one device for ion implantation made in the form of a bias potential power supply, an additional electrode made with the possibility of connecting a two-stage vacuum-arc discharge to the positive pole of the power supply, moreover, optically opaque rotary screens according to the number of electric arc evaporators are located between the cathodes of electric arc evaporators and the product holder, and the additional electrode is made in the form of a rotation cylinder and located in the center of the vacuum chamber, unlike the prototype, extended electrodes-planars of an electric arc new evaporators, made with the ability to individually switch the polarity from the anode to the cathode and vice versa, ensuring that the total area of the anodes exceeds the total area of the cathodes not less
чем в два раза, причем суммарная площадь рабочей поверхности электродов-планаров составляет 20%...90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры.than twice, and the total area of the working surface of the planar electrodes is 20% ... 90% of the entire inner surface of the vacuum chamber.
Технический результат достигается также тем, что электроды-планары выполнены с одинаковыми размерами и формой, причем высота, ширина и толщина используемых электродов-планаров выбирается, соответственно в диапазонах: длина - от 80 мм до 3000 мм, ширина - от 30 до 500 мм, толщина - от 5 до 100 мм.The technical result is also achieved by the fact that the planar electrodes are made with the same size and shape, and the height, width and thickness of the planar electrodes used are selected, respectively, in the ranges: length - from 80 mm to 3000 mm, width - from 30 to 500 mm, thickness - from 5 to 100 mm.
Технический результат достигается также тем, что электроды-планары, подключенные как катоды, имеют, по обе стороны от них, по две соседние пластины-планары, подключенные как аноды, причем все электроды-планары выполнены с возможностью индивидуального переключения полярности с анода на катод и обратно, с обеспечением подключения на каждый электрод-планар с полярностью катода по два соседних электрод-планара с полярностью анода.The technical result is also achieved by the fact that the planar electrodes connected as cathodes have, on both sides of them, two adjacent planar plates connected as anodes, all planar electrodes being configured to individually switch polarity from the anode to the cathode and vice versa, with the provision of connecting to each planar electrode with cathode polarity two adjacent planar electrodes with anode polarity.
Технический результат достигается также тем, что электроды-планары выполнены из следующих металлов: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Mo, W, Al, La, Eu и/или сплавов на основе указанных металлов.The technical result is also achieved by the fact that the planar electrodes are made of the following metals: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, La, Eu and / or alloys based on these metals.
Технический результат достигается также тем, что электроды-планары выполнены из следующих металлов: Ni, Co, Cr, Al, Y и/или сплавов на основе указанных металлов.The technical result is also achieved by the fact that the planar electrodes are made of the following metals: Ni, Co, Cr, Al, Y and / or alloys based on these metals.
Технический результат достигается также тем, что вакуумная камера выполнена в виде полого цилиндра вращения высотой 1500...3500 мм и диаметром 800...2500 мм.The technical result is also achieved by the fact that the vacuum chamber is made in the form of a hollow cylinder of revolution with a height of 1500 ... 3500 mm and a diameter of 800 ... 2500 mm.
Технический результат достигается также тем, что вакуумная камера выполнена с возможностью присоединения дополнительных секций вакуумной камеры.The technical result is also achieved by the fact that the vacuum chamber is configured to attach additional sections of the vacuum chamber.
Технический результат достигается также тем, что держатель изделий состоит из отдельных электроизолированных секций держателя изделий по The technical result is also achieved by the fact that the product holder consists of separate electrically insulated sections of the product holder according to
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.the number of electric arc evaporators configured to connect both the independent negative terminals of the bias power supply and the positive pole of the two-stage vacuum-arc discharge power source independently of each other.
Технический результат достигается также тем, что могут использоваться следующие варианты исполнения установки: держатель изделий выполнен с возможностью установки в него наборов изделий; электроды-планары расположены: либо по периферии вакуумной камеры установки, либо в центральной части вакуумной камеры установки, либо в центральной части и по периферии вакуумной камеры установки.The technical result is also achieved by the fact that the following installation options can be used: the product holder is configured to install sets of products in it; Planar electrodes are located: either on the periphery of the vacuum chamber of the installation, or in the central part of the vacuum chamber of the installation, or in the central part and on the periphery of the vacuum chamber of the installation.
Перечисленные существенные признаки предлагаемой полезной модели позволяют достичь поставленного технического результата - повысить экономичность процесса обработки за счет снижения расхода распыляемого материала и снизить трудоемкость подготовки установки к работе после предыдущей обработки.The listed essential features of the proposed utility model allow achieving the set technical result - to increase the efficiency of the processing process by reducing the consumption of sprayed material and reduce the complexity of preparing the installation for operation after the previous processing.
Достижение технического результата объясняется следующим.The achievement of the technical result is explained by the following.
Повышение коэффициента использования испаряемого материала катодов происходит за счет повторного испарения (реиспарения) наносимого материала. При значительной площади электродов-планаров (до 90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры установки), поочередное их использование, то в качестве анодов, то - в качестве катодов, позволяет улавливать часть испаряемого материала путем его осаждения на рабочие поверхности электродов-планаров, подключенных как аноды. Затем, осажденный на поверхность электродов-планаров, имеющих полярность анодов материал, реиспаряется при переключении их на режим работы катодов. Поскольку большая часть испаренного с катодов материала осаждается либо на поверхность деталей, либо на поверхность электродов-планаров, имеющих полярность анодов, то достигается два The increase in the utilization rate of the evaporated cathode material occurs due to re-evaporation (reevaporation) of the applied material. With a significant area of planar electrodes (up to 90% of the entire inner surface of the installation’s vacuum chamber), their alternate use, either as anodes or sometimes as cathodes, makes it possible to capture part of the vaporized material by depositing it on the working surfaces of planar electrodes connected like anodes. Then, the material deposited on the surface of the planar electrodes having the polarity of the anodes is reevaporated when they switch to the cathode operation mode. Since most of the material vaporized from the cathodes is deposited either on the surface of the parts or on the surface of planar electrodes having the polarity of the anodes, two
основных эффекта: во-первых, повышается коэффициент использования материала и, во-вторых, происходит меньшее загрязнение внутренней поверхности вакуумной камеры установки. Меньшее загрязнение внутренней поверхности вакуумной камеры позволяет повысить качество обработки изделий за счет обеспечения более стабильных условий обработки деталей.main effects: firstly, the utilization of the material increases and, secondly, there is less pollution of the inner surface of the vacuum chamber of the installation. Less pollution of the inner surface of the vacuum chamber allows to improve the quality of processing products by providing more stable conditions for processing parts.
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.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 используют один из катодов ЭДИ, при этом только один из ЭДИ снабжен оптически непрозрачным поворотным экраном. Это приводит к низкой In the prototype installation, one of the EDI cathodes is used as the anode of the DVDR, while only one of the EDIs is equipped with an optically opaque rotary screen. This leads to low
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 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 productivity of the process of generating gas plasma and the unevenness of its 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 makes it possible to significantly increase the productivity of the gas plasma generation process due to the simultaneous combustion of several DVDRs 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 обеспечения большой зоны обработки катоды ЭДИ могут быть выполнены в виде пластин длиной L=80...3000 мм, шириной В=30...500 мм, толщиной Т=5...100 мм. При этом для качественной обработки длинномерных изделий, в частности лопаток паровых турбин, оптимальными размерами катодов ЭДИ являются: длина L=1000...1800 мм, ширина В=100...200 мм. Оптимальная толщина катодов 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 ensure a large processing zone, EDI cathodes can be made in the form of plates with a length of L = 80 ... 3000 mm, a width of B = 30 ... 500 mm, and a thickness of T = 5 ... 100 mm. At the same time, for the high-quality processing of long products, in particular steam turbine blades, the optimal dimensions of EDI cathodes are: length L = 1000 ... 1800 mm, width B = 100 ... 200 mm. Optimal cathode thickness
ЭДИ определяется из условий горения разряда на поверхности катода и условий его охлаждения и составляет Т=20...40 мм.EDI is determined from the conditions of the discharge burning on the cathode surface and the conditions of its cooling and is T = 20 ... 40 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 паровых турбин, оптимальные размеры вакуумной камеры: высота Н=1500...3500 мм, внутренний диаметр D=800...2500 мм.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 of steam turbines, the optimal dimensions of the vacuum chamber are: height H = 1500 ... 3500 mm, inner diameter D = 800 ... 2500 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 consumption of materials is reduced.
В установке-прототипе обработку изделий осуществляют электронами плазмы (нагрев) и ионами (химико-термическая обработка) последовательно. При обработке изделий электронами держатель изделий 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
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.connect to the positive pole of the power supply of the DVDR, while the products act as the anode 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 вместо одного длинномерного изделия нескольких изделий малого размера. Это обеспечивает высокую производительность установки при обработке изделий малого размера.The product holder of the proposed installation can be configured to install sets of products. Thus, in one cycle, it is possible to process, instead of one lengthy product, several products of small size. This provides high installation performance when processing small products.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фигуре показана схема предлагаемой установки.The essence of the utility model is illustrated in the drawing. The figure shows a diagram of the proposed installation.
Установка для комплексной вакуумной ионно-плазменной обработки содержит вакуумную камеру 1, выполненную в виде полого цилиндра вращения, имеющую дверь 2 и откачную трубу 3. На стенках вакуумной камеры 1 установлены электроды-планары 4-12, выполненные с возможностью функционирования, либо как катоды 6, 9, 12, либо, как аноды 4, 5, 7, 8, 10, 11. При этом, электроды-планары 4-12, в процессе работы установки могут изменять полярность, переключаясь с режимов катодов на аноды и обратно. Электроды-планары 4-12 выполненны в виде пластин длиной L и шириной В. В центре вакуумной камеры 1 установлен дополнительный электрод 13 в виде цилиндра вращения. Секции держателя изделий 14, 15, 16 имеют возможность вращательного движения как вокруг центра камеры 1, так и вокруг собственной оси.Installation for a complex vacuum ion-plasma treatment contains a vacuum chamber 1, made in the form of a hollow cylinder of revolution, having a door 2 and a pump pipe 3. On the walls of the vacuum chamber 1 are installed electrodes planars 4-12, made with the possibility of functioning, or as cathodes 6 , 9, 12, or, as the anodes 4, 5, 7, 8, 10, 11. Moreover, the planar electrodes 4-12, during the operation of the installation, can change the polarity, switching from cathode modes to anodes and vice versa. The planar electrodes 4-12 are made in the form of plates of length L and width B. In the center of the vacuum chamber 1, an additional electrode 13 is installed in the form of a cylinder of revolution. The sections of the product holder 14, 15, 16 have the possibility of rotational movement both around the center of the chamber 1 and around its own axis.
Дополнительный электрод 13 имеет возможность подключения к положительному полюсу источника питания ДВДР. Секции держателя изделий 14, 15, 16 имеют возможность независимого друг от друга подключения как к независимым отрицательным выводам источника питания потенциала смещения, так и к положительному полюсу источника питания ДВДР. Вакуумная камера 1 может иметь возможность присоединения дополнительных секций вакуумной камеры.The additional electrode 13 has the ability to connect to the positive pole of the power source of the DVDR. The sections of the product holder 14, 15, 16 have the ability to connect independently from each other to both the independent negative terminals of the bias potential power supply and the positive pole of the DVDR power supply. The vacuum chamber 1 may be able to attach additional sections of the vacuum chamber.
Установка для комплексной вакуумной ионно-плазменной обработки работает следующим образом. Обрабатываемые изделия 17, 18, 19 устанавливают в секции держателя изделий 14, 15, 16 затем закрывают Installation for integrated vacuum ion-plasma treatment works as follows. The processed products 17, 18, 19 are installed in the section of the product holder 14, 15, 16 and then closed
дверь 2 вакуумной камеры 1, создают в вакуумной камере 1 вакуум, включают привод держателя изделий.the door 2 of the vacuum chamber 1, create a vacuum in the vacuum chamber 1, include the drive of the product holder.
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. электроды-планары 4-12 закрывают поворотными оптически непрозрачными экранами. Зажигают ВДР между электродами-планарами 6, 9, 12, имеющими полярность катодов ЭДИ и вакуумной камерой 1 или электродами-планарами 4, 5, 7, 8, 10, 11, имеющими полярность анодов ВДР. Затем подключают изделия к положительному полюсу источника питания ДВДР и зажигают ДВДР между электродами-планарами 6, 9, 12, имеющими полярность катодов и изделиями 17, 18, 19. При этом изделия, которые служат анодом ДВДР интенсивно нагреваются электронами плазмы ДВДР.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. 4-12 planar electrodes are closed with rotary optically opaque screens. A VDR is ignited between the planar electrodes 6, 9, 12 having the polarity of the EDI cathodes and the vacuum chamber 1 or the planar electrodes 4, 5, 7, 8, 10, 11 having the polarity of the VDR anodes. Then, the products are connected to the positive pole of the DVDR power supply and the DVDR is lit between planar electrodes 6, 9, 12, having cathode polarity and products 17, 18, 19. At the same time, the products that serve as the DVDR anode 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 подключая дополнительный электрод 13 к положительному полюсу источника питания ДВДР, зажигают ДВДР между катодами ЭДИ (электродами-планарами имеющими полярность катодов) 6, 9, 12, и дополнительным электродом 13, 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. The products are heated as described above, then by connecting an additional electrode 13 to the positive pole of the DVDR power supply, ignite the DVDR between the EDI cathodes (planar electrodes having the cathode polarity) 6, 9, 12, and the additional electrode 13, which is the DVDR anode. 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 6, 9, 12, закрывают оптически непрозрачными поворотными экранами. Зажигают ВДР между катодами ЭДИ 6, 9, 12 и вакуумной камерой 1, являющейся анодом ВДР или электродами-планарами 4, 5, 7, 8, 10, 11, имеющими полярность анодов ВДР. Подключая дополнительный электрод 13 к положительному полюсу источника питания ДВДР, зажигают ДВДР между катодами ЭДИ и дополнительным электродом 13, 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. При этом ионы плазмы рабочего газа ускоряются в электрическом поле изделий и внедряются в их поверхность.Ion implantation in the proposed installation is as follows. Working gas is introduced into the vacuum chamber 1. EDI cathodes 6, 9, 12 are covered with optically opaque rotary screens. A VDR is ignited between the EDI cathodes 6, 9, 12 and the vacuum chamber 1, which is the VDR anode or planar electrodes 4, 5, 7, 8, 10, 11, having the polarity of the VDR anodes. Connecting an additional electrode 13 to the positive pole of the DVDR power supply, ignite the DVDR between the EDI cathodes and the additional electrode 13, which is the DVDR anode. 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 negative potential sufficient for ion implantation from the power source of the bias potential is supplied to the products subjected to ion implantation. 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. Электроды-планары 6, 9, 12, имеющие полярность катодов ЭДИ открывают, отводя в сторону оптически непрозрачные поворотные экраны. Зажигают ВДР между электродами-планарами 6, 9, 12 (катодами) и электродами-планарами 4, 5, 7, 8, 10, 11, имеющими полярность анодов 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 17, 18, 19 подают отрицательный потенциал от источника питания потенциала смещения. 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 planar electrodes 6, 9, 12, having the polarity of the EDI cathodes open, turning aside optically opaque rotary screens. A VDR is ignited between the planar electrodes 6, 9, 12 (cathodes) and the planar electrodes 4, 5, 7, 8, 10, 11 having the polarity of the VDR anodes. 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 from the bias potential power source is supplied to the products 17, 18, 19. In this case, metal ions are accelerated in the electric field of 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 is formed of metal and non-metal compounds.
Для нанесения покрытия используют электроды-планары (катоды), работающие в режиме возвратно-поступательного движения области катодного пятна (зоны испарения) под воздействием электромагнитного поля, возникающего в результате протекания тока по катоду. Возвратно-поступательное движение области катодного пятна обеспечивается переключением контактов на концах электрода-планара (катода). Испарение материала катода происходит за счет дуги, возбужденной между расположенными по периферии чередующимися электродами-планарами, часть из которых работает в определенный момент как катоды, а часть - как аноды. Электроды-планары образуют достаточно развитую поверхность внутри камеры (до 90% внутренней площади камеры). Причем, при нанесении покрытия одни электроды-планары выполняют функцию катодов, другие - анодов, при этом площадь электродов-планаров образующих аноды, по крайней мере в два раза превышает площадь электродов-планаров, образующих катоды. Далее, в процессе нанесения покрытия, часть электродов-планаров, выполнявших функцию катодов переключаются и становятся анодами, а часть электродов-планаров, выполнявших функцию анодов переключаются и становятся катодами. В результате этого, материал нанесенный на электроды-планары, служившими анодами при переключении их на режим катодов, начинает реиспаряться. Такое многократное реиспарение наносимого материала позволяет в значительной степени повысить коэффициент использования материала при формировании покрытий.For coating, planar electrodes (cathodes) are used, operating in the mode of reciprocating motion of the cathode spot region (evaporation zone) under the influence of an electromagnetic field resulting from the flow of current through the cathode. The reciprocating motion of the cathode spot region is provided by switching contacts at the ends of the planar electrode (cathode). The evaporation of the cathode material occurs due to the arc excited between alternating planar electrodes located at the periphery, some of which work at a certain moment as cathodes, and some as anodes. Planar electrodes form a fairly developed surface inside the chamber (up to 90% of the inner area of the chamber). Moreover, when coating, some planar electrodes perform the function of cathodes, others serve as anodes, while the area of planar electrodes forming the anodes is at least twice the area of planar electrodes forming the cathodes. Further, during the coating process, part of the planar electrodes that perform the function of cathodes switch and become anodes, and some of the planar electrodes that perform the function of anodes switch and become cathodes. As a result of this, the material deposited on the planar electrodes, which served as the anodes when switching them to the cathode mode, begins to re-evaporate. Such multiple reevaporation of the applied material allows to significantly increase the utilization of the material in the formation of coatings.
Наиболее просто и целесообразно выполнять одинаковые электроды-планары, размещая их таким образом, чтобы около одного электрода-планара работающего в режиме катода, находились два электрода-планара работающих в режиме анода, причем они приходились на этот катод. Другими словами, схема подключения катодов (Кi) и анодов (Ai) (по замкнутому контуру) может быть следующей: «...-A1-K1-A1-А2-К2-It is most simple and expedient to carry out the same planar electrodes, placing them so that about one planar electrode operating in the cathode mode, there are two planar electrodes operating in the anode mode, and they fall on this cathode. In other words, the connection diagram of the cathodes (K i ) and anodes (A i ) (in a closed circuit) can be as follows: "...- A 1 -K 1 -A 1 -A 2 -K 2 -
А2-A3-К3-А3-...-An-Кn-An-...-A1-K1-A1-...» (сх.1), где n - количество работающих катодов. Далее, согласно приведенной схемы подключения катодов, выделенные курсивом аноды (Аi) при переключении становятся катодами, а катоды, обозначенные (Кi) - станут анодами. При этом анод последующей группы, например анод А2, перейдет в анод A1.1 предшествующей группы. Преобразовав предыдущую схему (сх.1) для нового состояния, записав в скобках предыдущее состояние подключения электродов-планаров, получим следующую схему: «...-An(А1)-A1(K1)-К1(A1)-A1(А2)-А2(К2)-К2(A2)-A2(А3)-А3(К3)-К3(А3)-...-An-1(An)-An(Кn)-Кn(An)-...-An(А1)-А1(К1)-К1(A1)...» (сх.2).A 2 -A 3 -K 3 -A 3 -...- A n -K n -A n -...- A 1 -K 1 -A 1 -... ”(cx.1), where n - the number of working cathodes. Further, according to the cathode connection diagram, the anodes (A i ) in italics become cathodes when switching, and the cathodes indicated by (K i ) become anodes. In this case, the anode of the subsequent group, for example, anode A 2 , will go over to the anode A 1.1 of the previous group. Having transformed the previous circuit (cx. 1) for a new state, writing in parentheses the previous state of connecting planar electrodes, we obtain the following circuit: “...- A n (A 1 ) -A 1 (K 1 ) -K 1 (A 1 ) -A 1 (A 2 ) -A 2 (K 2 ) -K 2 (A 2 ) -A 2 (A 3 ) -A 3 (K 3 ) -K 3 (A 3 ) -...- A n -1 (A n ) -A n (K n ) -K n (A n ) -...- A n (A 1 ) -A 1 (K 1 ) -K 1 (A 1 ) ... "( cx. 2).
Для обеспечения приведенной схемы переключения электродов-планаров необходимо использовать для каждого катода индивидуальные источники электрического питания. Использование при формировании покрытия таких газов как азот и ацетилен позволяют получать на наносимых деталях (но не на электродах-планарах, поскольку они находятся вне зоны химической ионно-плазменной реакции) многослойные нитридные и карбонитридные покрытия.To ensure the above scheme of switching planar electrodes, it is necessary to use individual sources of electrical power for each cathode. The use of such gases as nitrogen and acetylene in the formation of the coating makes it possible to obtain multilayer nitride and carbonitride coatings on the applied parts (but not on planar electrodes, since they are outside the zone of the chemical ion-plasma reaction).
Пример.Example.
Для оценки увеличения коэффициента использования материала при нанесении покрытия в предлагаемой установки по сравнению с установкой-прототипом, были проведены следующие исследования. Покрытия были нанесены по трем вариантам. Первый вариант выполнялся согласно предложенного технического решения. Второй и третий варианты - представляли собой реализации условий характерных для установок-прототипов (т.е. без переключения электродов на функции катодов или анодов).To assess the increase in the utilization of the material when coating in the proposed installation compared with the installation of the prototype, the following studies were carried out. The coatings were applied in three varieties. The first option was carried out according to the proposed technical solution. The second and third options - represented the implementation of the conditions characteristic of the prototype plants (i.e., without switching the electrodes to the functions of the cathodes or anodes).
Предложенное техническое решение было реализовано в вакуумной камере ионно-плазменной установки с девятью одинаковыми электродами-планарами размерами 18×180×800 мм, изготовленных из титанового сплава The proposed technical solution was implemented in a vacuum chamber of an ion-plasma installation with nine identical planar electrodes measuring 18 × 180 × 800 mm made of a titanium alloy
ВТ1-0. Электроды-планары поочередно подключались к трем источниками электрического питания, по схеме: «...-A1-K1-A1-А2-К2-А2-А3-К3-А3-A1-...», позволяющей электродам-планарам поочередно выполнять функции анодов и катодов. Переключение электродов-планаров осуществлялось через каждые 5 минут, при общем времени напыления 1,5 часа. Коэффициент использования материала катодов определялся по изменению общей массы электродов-планаров.VT1-0. The planar electrodes were alternately connected to three sources of electrical power, according to the scheme: “...- A 1 -K 1 -A 1 -A 2 -K 2 -A 2 -A 3 -K 3 -A 3 -A 1 -. .. ”, which allows planar electrodes to alternately perform the functions of anodes and cathodes. The switching of the planar electrodes was carried out every 5 minutes, with a total spraying time of 1.5 hours. The utilization of the cathode material was determined by changing the total mass of the planar electrodes.
Второй вариант, выполненный по способу-прототипу был осуществлен в тех же условиях, что и предлагаемый способ, за исключением операции переключения электродов-планаров. В третьем варианте, также выполненном по условиям способа-прототипа, в установке были оставлены только три электрода-планара, служившими катодами. В последнем варианте, анодом служил корпус вакуумной камеры установки. Время нанесения покрытия и режимы напыления во всех трех случаях были одинаковыми. Покрытия наносили на пластины в вакуумной камере экспериментальной установки с периферийным расположением катода при токе дуги 120 А. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Результаты оценки коэффициентов использования материала приведены в таблице.The second option, made by the prototype method, was carried out under the same conditions as the proposed method, with the exception of the operation of switching planar electrodes. In the third embodiment, also performed according to the conditions of the prototype method, only three planar electrodes that served as cathodes were left in the installation. In the latter case, the casing of the vacuum chamber of the installation served as the anode. The coating time and spraying modes were the same in all three cases. Coatings were applied to the plates in the vacuum chamber of the experimental setup with a peripheral cathode at an arc current of 120 A. The coatings were applied after preliminary ion cleaning. The results of the assessment of material utilization factors are given in the table.
Как видно из приведенной таблицы, расход материала катода в предлагаемой установке в 2,4 раза ниже чем в установке-пототипе.As can be seen from the table, the cathode material consumption in the proposed installation is 2.4 times lower than in the prototype installation.
Кроме того, 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 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.In addition, the proposed installation allows, in contrast to the prototype, to carry out not only heat treatment, chemical-heat 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, the endurance limit of the 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 установки для вакуумной ионно-плазменной обработки, 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 80...3000 мм и шириной 30...500 мм, что обеспечивает зону обработки установки достаточного для качественной обработки длинномерных изделий размера.Known installations for vacuum ion-plasma treatment, as a rule, are designed for processing small 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 80 ... 3000 mm long and 30 ... 500 mm wide, which provides a processing zone of the installation sufficient for high-quality processing of long products.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет достичь поставленного технического результата - повысить экономичность процесса обработки за счет снижения расхода распыляемого материала и снизить трудоемкость подготовки установки к работе после предыдущей обработки.Thus, the proposed utility model allows to achieve the set technical result - to increase the efficiency of the processing process by reducing the consumption of sprayed material and reduce the complexity of preparing the installation for operation after the previous processing.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117927/22U RU84019U1 (en) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | INSTALLATION FOR COMPREHENSIVE VACUUM ION-PLASMA TREATMENT |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008117927/22U RU84019U1 (en) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | INSTALLATION FOR COMPREHENSIVE VACUUM ION-PLASMA TREATMENT |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU84019U1 true RU84019U1 (en) | 2009-06-27 |
Family
ID=41027544
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008117927/22U RU84019U1 (en) | 2008-05-04 | 2008-05-04 | INSTALLATION FOR COMPREHENSIVE VACUUM ION-PLASMA TREATMENT |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU84019U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2450083C2 (en) * | 2010-06-15 | 2012-05-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Plant for vacuum ion-plasma treatment of long components |
| RU2453629C2 (en) * | 2010-06-15 | 2012-06-20 | Российская Федерация, в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации | Complex ion-plasma processing unit |
-
2008
- 2008-05-04 RU RU2008117927/22U patent/RU84019U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2450083C2 (en) * | 2010-06-15 | 2012-05-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Plant for vacuum ion-plasma treatment of long components |
| RU2453629C2 (en) * | 2010-06-15 | 2012-06-20 | Российская Федерация, в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации | Complex ion-plasma processing unit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100800223B1 (en) | Arc ion plating apparatus | |
| ES2374832T3 (en) | LAYER OF HARD MATERIAL. | |
| US7790003B2 (en) | Method for magnetron sputter deposition | |
| CN1305023A (en) | Plasma surface-alloying process for titanium alloy | |
| CN101175867A (en) | Hard material layer | |
| CN103590008B (en) | One is coated with interlayer in TiAl alloy and MCrAlY and prepares Al 2o 3the method of diffusion barrier | |
| RU2625698C1 (en) | Method of application of protective coatings and device for its implementation | |
| RU2375493C1 (en) | Method of application of ion-plasma coating | |
| JP2014231644A (en) | Coating apparatus for covering substrate, and method for coating substrate | |
| JP2007217795A (en) | Component, apparatus and method for manufacture of layer system | |
| CN105200377A (en) | Ion plating machine, gas ion etching and cleaning method and auxiliary deposition method | |
| CN209401743U (en) | A kind of metal double polar plates and fuel cell | |
| CN111945111A (en) | Composite coating deposited on surface of cubic boron nitride cutter and deposition method | |
| CN112210747A (en) | Arc discharge ion nitriding technology and nitriding furnace | |
| RU84019U1 (en) | INSTALLATION FOR COMPREHENSIVE VACUUM ION-PLASMA TREATMENT | |
| CN101294284A (en) | Ablation-resistant fatigue-resistant plasma surface recombination reinforcing method | |
| CN105624617B (en) | The method that arc ion plating prepares densification MCrAlRe type coatings | |
| RU76918U1 (en) | VACUUM ION-PLASMA INSTALLATION | |
| CN1202277C (en) | Equipment and process for osmosizing and plating metal carboritride by dual-glow discharge | |
| RU2379378C2 (en) | Method of ion-plasma spraying coating of multicomponent film coatings and installation for its implementation | |
| JP6896691B2 (en) | Low temperature arc discharge ion plating coating | |
| US20210050192A1 (en) | Magnetron sputtering device | |
| CN114411098A (en) | Coating method of TiNb coating | |
| CN110923636B (en) | Electron beam composite plasma alloying treatment method for surface of gamma-TiAl alloy | |
| RU2554252C2 (en) | Application of coating and arc evaporator to this end |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20140505 |