UA73290C2 - Електронно-променевий пристрій для нанесення покриття шляхом конденсації з парової фази (варіанти) - Google Patents

Abstract

Електронно-променевий пристрій (10) для нанесення покриття (наприклад керамічного теплоізоляційного покриття) конденсацією із парової фази (ЕПНПКПФ) на виріб (20). Пристрій (10) ЕПНПКПФ взагалі включає покривну камеру (12), що функціонує в умовах підвищених температур та субатмосферних тисків. Електронно-променева пушка (30) проектує електронний промінь (28) в покривну камеру (12) та на покривний матеріал (26) в ділянці покриття, розплавлюючи та випаровуючи його при цьому. Для спрощення функціонування пристрою ЕПНПКПФ (10) покривну камеру (12) додатково оснащено другою камерою (64) з можливістю закриття апертури (68) для відокремлення цієї апертури (68) від ділянки покриття. Крім того, пристрій ЕПНПКПФ (10) оснащено засобами (66) для підтримування тиску в другій камері (64) не вищим, ніж в ділянці покриття. В результаті в ділянці покриття можна застосовувати робочі тиски, вищі ніж 0,010 Мбар, з мінімальним впливом або без нього на функціонування та надійність електронно-променевої пушки (30).

Description

Опис винаходу

Ця заявка використовує пріоритет попередньої заявки на видачу патенту США за номером 60/147,231, 2 поданої 4 серпня 1999 року.

Ця заявка стосується заявки на видачу патенту США за реєстраційним номером 130М-13041, що розглядається одночасно із даною, зміст якої наданий в цьому описі у вигляді посилання.

Цей винахід взагалі стосується електронно-променевого пристрою для нанесення покриття конденсацією із парової фази. Зокрема, цей винахід спрямовано на створення такого пристрою для нанесення покриття, з 70 можливістю нанесення керамічних покриттів на деталі, наприклад теплоізоляційних покриттів на деталі із жароміцного сплаву газотурбінних двигунів.

Вищі робочі температури для газотурбінних двигунів постійно досліджуються для збільшення їх продуктивності. Однак, по мірі збільшення робочих температур термін дії деталей двигуна, що працюють в умовах високої температури, теж повинен відповідно збільшуватись. В той час, як значні переваги були 12 досягнуті при застосуванні жароміцних сплавів на основі заліза, нікелю та кобальту, окремо жароміцні здібності цих сплавів часто неадекватні для деталей, визначено розташованих в газотурбінному двигуні, наприклад такому двигуні, як камера сгоряння та форсажна камера. Спільним рішенням є виконання теплової ізоляції таких деталей для мінімізації їх робочих температур. З цією метою широке застосування знайшли теплоізоляційні покриття (ТІП), нанесені на зовнішні поверхні деталей, що працюють при високих температурах.

Для ефективності теплоізоляційні покриття (ТІП) повинні мати низьку теплопровідність та легко приставати до поверхні деталей. Різні керамічні матеріали застосовуються як ТІП, зокрема, диоксид цирконія (7гО 5), що стабілізується окисом іттрія (203), магнезією (МодО) або іншими окисами. Такі спеціальні матеріали широко застосовуються в цій галузі техніки, оскільки вони легко осаджуються при нанесенні покриття плазменим напиленням або конденсацією парової фази. Прикладом останньої є електронно- променеве нанесення покриття с конденсацією парової фази (ЕПНПКПФ), при якому виробляється теплоізоляційне покриття, що має стовбурну Ге) зернисту структуру, підоснова якої має можливість розширюватись, не викликаючи при цьому пошкоджуючих стресів, що приводять до скалювання, і цим підвищує допустимий рівень деформації. Прилипання ТІП до деталі часто в подальшому зміцнюється наявністю металевого з'єднувального покриття, такого як дифузійний алюмінід або стійкий до окислення сплав, такий як МегАїЇМ, де М це залізо, кобальт та/або нікель. Способи виробництва о

Тіп шляхом ЕГШПКПФ взагалі включають попереднє нагрівання деталі до прийнятної температури для Ге»! нанесення покриття та потім занурення деталі в нагріту покривальну камеру. В процесі покриття, деталь тримають поблизу із злитком покривного керамічного матеріалу (наприклад, окисом цирконія, стабілізованим сч оксидом ітрію) та електронний промінь, вироблений електронно-променевою пушкою, проектують на злиток (У таким чином, щоб розплавити поверхню злитку та виробити конденсат покривного матеріалу для осадження на деталь. В минулому в покривній камері підтримували тиск приблизно 0,005мбар. Вищих тисків уникали через те, в що управління електронним променем більш важке при тисках вище приблизно О,005мбар, при цьому помічається хаотичний процес нанесення при тиску в покривній камері вище О,01Омбар. Крім того, вважають, що термін дії нитки накалювання електронно-променевої пушки буде знижено або пушку буде забруднено при тиску «ФК вище 0,005мбар. З 50 За патентною заявкою США Реєстраційний Мо 09/108,201, Кідпеу еї аї. ( передана тому ж уповноваженому с агенту, що й даний винахід) при ЕПНІКПФ застосовують робочі тиски більше 0,01Омбар для вироблення ТІП із з» значно покрашеним опором скалюванню та зниженою теплопровідністю . Відповідно було бажаним, щоб в удосконаленому за вище вказаним патентом пристрої для ЕПНІКПФ був знижений ризик забруднення електронно-променевої пушки та скорочений термін дії нитки накалювання пушки при застосуванні в пристрої тиску вище 0,01Омбар. 7 Цей винахід спрямовано на створення електронно-променевого пристрою для нанесення покриття оз (наприклад, керамічного теплоізоляційного покриття) конденсацією парової фази (ЕПНПКПФ) на виріб. Пристрій

ЕПНПКПФ згідно з цим винаходом взагалі включають покривну камеру, що функціонує в умовах підвищених о температурах ( наприклад, принаймні 80022) та субатмосферному тиску взагалі вище 0,01Омбар. (Се) 50 Електронно-променева пушка використовується для проекції електронного променя в покривну камеру та на покривний матеріал, розташований усередині камери. Функція електронно-променевої пушки полягає в с розплавленні та випаровуванні покривного матеріалу. Крім того, в пристрій вмонтовано пристосування для підтримки виробу у середині покривної камери таким чином, щоб пари покривного матеріалу могли осаджуватися на виріб. 99 Згідно з цим винаходом продуктивність функціонування пристрою ЕПНІКПФ при робочих тисках вище

ГФ) 0,01Омбар можна підвищити, розташовуючи в покривній камері другу камеру з можливістю закриття апертури т для відокремлення Її від ділянки покриття. Крім того, пристрій оснащено засобами для підтримання в другій камері тиску, нижчого ніж в ділянці покриття . В результаті, значення робочого тиску більше 0,010мбар можна застосовувати, відповідно до патентної заявки США Реєстраційний Мо 09/108,201, Кідпеу еї а). при мінімальному 60 впливі або його відсутності на функціонування та надійність електронно-променевої пушки.

Інші об'єкти та переваги цього винаходу будуть краще визначені в наступному детальному описі.

На фігурі 1 та 2 зображені відповідно план та вид спереду електронно-променевого пристрою для нанесення покриття конденсацією із парової фази, який використовують для осадження покривного матеріалу згідно із цим винаходом. На фігурі З більш детально показано вид спереду поперечного перерізу внутрішніх деталей бо покривної камери пристрою за фігурами 1 та 2, включаючи другу камеру , вмонтовану у верхню стінку покривної камери згідно із переважним варіантом виконання винаходу.

Пристрій 10 ЕПНПКПФ згідно із цим винаходом зображено в загальному вигляді на фігурах 1 та 2. Пристрій 10 зокрема добре прилаштований для осадження керамічного теплоізоляційного покриття на металеву деталь, призначену для експлуатації в несприйнятному термальному середовищі. Відомі приклади таких деталей включають сопла та лопаті турбін високого та низького тиску, кожухи, деталі камери згоряння, агрегати форсажної камери газотурбінних двигунів. Незалежно від того, що удосконалення, досягнуті цим винаходом, будуть надані описом процесу осадження керамічного покриття на такого роду деталі, цей винахід можна застосовувати також для різних покривних матеріалів та деталей, що покриваються ними. 70 З метою ілюстрації цього винаходу пристрій 10 ЕПНПКПФ, показаний на фігурах 1 та 2, що включає покривну камеру 12, пару камер попереднього нагрівання 14, та дві пари завантажувальних камер 16 та 18, розташованих так, що пристрій 10 має симетричну конфігурацію. Як показано, злитки 26 бажаного покривного матеріалу завантажуються підйомниками 61 в покривну камеру 12 із каналів 104 магазину 102, розташованого під покривною камерою 12. Для фіксації випарювальних злитків по місцю служать рукоятки для захвату 60. Передні /5 завантажувальні камери 16 розташовані на одній лінії із їх відповідними камерами 14 попереднього нагрівання, причому деталі 20, початково завантажені на грабельний механізм 22 в лівій камері 16, пересуваються в ліву камеру 14 попереднього нагрівання та, як показано на фігурі 1, в покривну камеру 12. При симетричній конфігурації пристрою 10, в той час як деталі 20, завантажені через передню ліву завантажувальну камеру 16, покриваються в покривній камері 12, друга партія деталей у передній правій комері 16 можуть попередньо 2о нагріватись у правій камері попереднього нагрівання 14, третя партія деталей може завантажуватись у задню ліву завантажувальну камеру 18, а четверта партія деталей може бути вивантажена із правої задньої завантажувальної камери 18. Отже, чотири стадії процесу можна виконувати одночасно за допомогою пристрою

ЕПНІКПФ згідно з цим винаходом.

Згідно з переважним варіантом виконання цього винаходу завантажувальні камери 16 та 18 монтуються до сч об НИзькопрофільних пересувних платформ 24 таким чином, щоб завантажувальні камери 16 та 18 можна було вибірково вирівняти в одну лінію із їх камерами 14 попереднього нагрівання. Крім того, кожна платформа 24 і) переважно має можливість пересуватись у позицію технічного обслуговування, в якій жодна із завантажувальних камер 16 та 18 не вирівнюватиметься в одну лінію із своєю камерою попереднього нагрівання 14 з метою створення доступу у середину завантажувальних камер 16 та 18 та камери 14 попереднього нагрівання для о

Зр Можливості їх очищення. Платформи 24 переважно підтримуються принаймні частково роликопідшипниками 44, вмонтованими в підлогу, хоча передбачено вживання і безліч інших підшипників. Платформи 24 переважно Ме мають низький профіль узвишшя (виступ над підлогою) не більше приблизно 2,5 см із закругленим краєм, які с разом практично виключають потенціал зчеплення оператора з краєм платформи 24 . Стаціонарні об'єкти, навколо пристрою 10 переважно розташовують на відстані від країв платформ 24 для запобігання притискання ме) зв оператора платформою під час зміни її положення. ї-

Завантажувальні камери 14 та 16 взагалі мають повздовжню форму та обладнані завантажувальними дверми 40, через які завантажують деталі на грабельний механізм 22. Крім того, завантажувальні камери 16 та 18 обладнують прохідними дверми 42 до приводів ( схематично показані на фігурі 1 позицією 46), які управляють функціонуванням грабельного механізму 22. Точніше деталі 20, які підтримуються на грабельному механізмі 22, « переважно обертаються та /або качаються в покривній камері 12 для сприяння бажаному розподіленню покриття (2-3) с по деталях 20. Прохідні двері 42 дозволяють оператору пристрою 10 швидко відрегулювати або перенастроїти приводи 46 без втручання в робочий процес завантаження та вивантаження деталей із завантажувальних камер ;» 16 та 18.

Як видно на фігурі З нанесення покриття виконують в покривній камері 12, розплавлюючи та випаровуючи злитки 26 електронними променями 28, виробленими електронною пушкою (ЕП) 30 та сфокусованими на злитках -І 26. Інтенсивне нагрівання керамічного матеріалу електронними променями 28 викликає плавлення кожного злитку 26, утворюючи розплавлений керамічний матеріал, молекули якого випаровуються конденсуються та о осаджуються на поверхнях деталей 20, виробляючи бажане керамічне покриття, товщина якого залежить від ко тривалості процесу покриття. Не зважаючи на те, що на фігурі З показано два злитки, за межі винаходу не 5р Виходить наявність одного або більше злитків 26 для одночасного випаровування. ік Як видно на фігурі З, гази кисень та аргон вводять в покривну камеру через вхід 54, розташований біля о тиглів 56, що підтримують злитки 26 в покривній камері 12 та утримують в розплавленому стані керамічний матеріал, вироблений за допомогою електронних променів 28. Швидкості потоків кисню та аргону індивідуально регулюють на основі наміченого робочого тиску та визначеного парціального тиску кисню. Для зниження випадків в Коливання тиску в покривній камері час регулювання циклічної реакції цих газів переважно знижується шляхом фізичного розташування розподільчого клапана 58 для газів, який безпосередньо з'єднується із входом 54

Ф) одразу на виході покривної камери 12. Розташування розподільчих клапанів 58 так близько до покривної камери ка забезпечує несподіване значне покращення регулювання тиску, знижуючи коливання тиску в покривній камері 12 та знижуючи дислокації фокуса та позиції електронних променів 28 на злитках 26. во Після відкачування механічним насосом 31 покривної камери 12 на попередній вакуум можна застосувати криогенний та дифузійний насоси 32 та 34 відомого типу в даній галузі для вакуумування покривної камери 12 до процесу випаровування. Для вакуумування камери 14 попереднього покриття, як показано, застосовують окрему пару дифузійних насосів 38. Як показано на фігурі 1 дифузійний насос 34 для покривної камери 12 може бути модифікований дросельним клапаном 36 для регулювання робочого режиму насосу 34 при відносно високому б5 тиску, наприклад, вище 0О,01Омбар, згідно із переважним варіантом цього винаходу, як сказано нижче. Дифузійні насоси 38 для камер 14 попереднього нагрівання подібно оснащені дросельними клапанами для такої самої мети.

Покривні камери ЕПНІПКПФ звичайно мають здатність підтримувати рівень вакууму приблизно 0,001мбар (приблизно 1х10 Тор) або менше. В прототипі до даного винаходу відкачується максимально 0,01Омбар, а більш типово приблизно 0,005мбар, для створення вакууму в покривній камері протягом процесу покриття; таке обмеження спричинено тим, що більш високий тиск, як відомо, викликає хаотичну дію ЕП пушки 30 та робить проблематичним регулювання електронних променів, припускаючи, що в результаті покриття буде другого гатунку. Крім того, можна з впевненістю сказати, що термін дії нитки накалювання пушки буде знижений або пушка буде забруднена при її експлуатації із значеннями тиску в покривній камері вище 0,005мбар. Однак, 70 згідно із патентною заявкою США Мо 09/108,201 Кідпеу еї а!., що розглядається одночасно із даною, та передана тому ж самому уповноваженому агенту, як і цей винахід, покривна камера 12 переважно експлуатується при більш вищих значеннях тиску, при чому несподівано отримується керамічне покриття із покращеними відшаруванням та протиударною стійкістю, а також прискорюється осадження покриття за рахунок більш високої швидкості випаровування злитків, ніж в прототипі.

З метою вирішення вищезазначених проблем стосовно управління електронними променями 28 та захисту

ЕП пушки 30 при більш вищих робочих тисках, що застосовуються згідно із цим винаходом, ЕП пушки ЗО відносно ізолюють від підвищеного робочого тиску в покривній камері 12. На фігурі З показано конденсаційну бленду 52, яка уловлює більшість надлишкового керамічного пару, що не осадився на деталі 20. Бленді 52 надана форма згідно з винаходом для визначення ділянки покриття деталей 20, в межах якої спеціально підтримується підвищений тиск, бажаний для виконання покриття. Для полегшення очищення пристрою між покривальними кампаніями бленда 52 переважно оснащена екранами 76 з можливістю її зняття та очищення за межами покривної камери 12. Переважно екрани 76 утримуються підпружиненими штифтами 78 замість нарізних кріплень для спрощення вилучення екранів 76, якщо вони були вкриті шаром покривного матеріалу на при кінці кампанії. Га

Оскільки бленда 52 оточує деталі 20, як видно на фігурі 3, потрібна апертура 62 для кожного електронного променя 28 крізь бленду 52. Для сприяння здатності утримувати більш високий тиск в межах конденсаційної і9) бленди, ніж в решта ділянках покривної камери 12, включаючи ділянки навколо ЕП пушок ЗО, апертури 62 переважно мають розміри , не більше необхідних для того, щоб пропустити електронні промені 28 крізь бленду 52. З цією метою апертури 62 переважно обрізають електронними променями в процесі настроювання пристрою (3 190.

Згідно із цим винаходом для більш надійної ізоляції ЕП пушок ЗО від підвищеного тиску в ділянці покриття, іа визначеній межами конденсаційної бленди 52, промені 28 проходять із їх відповідних пушок ЗО крізь камери 64, Ге утворені між внутрішніми стінками покривної камери 12 та конденсаційною блендою 52. Як показано на фігурі З, кожна із камер 64 переважно утворена верхньою стінкою покривної камери 12 та боковими стінками , що о примикають до її верхньої стінки. Крім того, на фігурі З показано, що нижній край кожної камери 64 закритий р стінкою паралельно стінці конденсаційної бленди 52, в якій утворена апертура 62, при цьому ця стінка конденсаційної бленди може служити для закриття нижніх торців камер 64. Конденсаційна бленда переважно не примикає до стінок камер 64. В такий спосіб конденсаційна бленда може пересуватись в покривній камері 12, не « вимагаючи при цьому фізичного роз'єднання камер 64 із покривної камерою 12.

Переважно дифузійний насос 34 має вхід поблизу та пневматично з'єднаний із кожною камерою 64. Через ЩО с мінімальний розмір апертур 62 підвищений тиск в межах конденсаційної бленди 52 ( досягнутий введенням ц кисню та аргону Через вхід 54) поступає в камери 64 на значно зниженій швидкості для активізації дифузійного "» насосу 34 підтримувати тиск камер 64 нижче , ніж в межах конденсаційної бленди 52. Під час процесу покриття електронні промені 28 фокусуються на злитках 26, утворюючи цим розплавлений керамічний матеріал та пари, що осаджуються на деталі 20. При можливості використання різних покривних матеріалів, переважними -І керамічними матеріалами для електронно-променевого покриття ( а саме, злитки 26) можуть бути окис цирконія (2705) частково або повністю стабілізований окисом ітрію ( наприклад, З - 2095, переважно 4-895 М2Оз3), хоча о можна застосовувати і ітрій, стабілізований окисами магнію, церію, кальцію, скандію або іншими окисами. Процес ко покриття продовжується до утворення бажаної товщини покриття деталей 20, після чого деталі 20 переміщуються через камеру 14 попереднього нагрівання у завантажувальну камеру 16, після чого іш відкриваються вентиляційні отвори для піддання її природній вентиляції. о Не дивлячись на те, що цей винахід було описано на базі переважних варіантів виконання, очевидно, що спеціаліст в цій галузі може застосовувати інші варіанти. Відповідно обсяг винаходу слід обмежувати тільки наступною формулою винаходу.

Ф) іме) 60 б5 ше ше ши ши ще Ши -ї Ще шшщ шишшшшшще: з І позу ві їй зи клю 22 ор зе 229 он, Що 46 Я се МК ї - 32 А ч Пенн Я плення п ОЇ С ее тер Лев ЇМ ес : 70 ЕЕ 15 І и УпИе. ЩО Гн еннн Дн н! сн пнннннтн сн) ПО Пп У ііноннінні пивний

ЕЕ 25 Пе ін ЕН 5-42, ЖЖ ло дав б 0040 42 6 ЗУ зі з хто в. ло й Со 3 15 ! (З Сг, о т8- я т-ї-

ИН с 11 44 44 і 44 ду виш з-ї 20 Фіг 1.

Ще 30 50 12 2 пара с 42 16- 1 «тр УТ я ще: дл 16 42

А А - - о я в; | пе--І о мі--ББ-ЖШБ-- Дом З І : І 24 44 -44 зр ! ! 44 44 7 Фо й й. 102 іа с

Фіг 2. о і - 70-21 -70 74 - -30 мщі 6б вв 70 « 68. з ен ни | 6в ! шк -2 то 6-- р З | --64 З с 78 їла кій ж ва -78 те ен я и рнстсненася сне ;» ув М 764572 76 / 767 Д., щі 55 ді 27 пен ни -1 х ту в в! у 565 56 Й о І Я 6Оов- ЩІ Ї з 78 54 во Хв во 77|-ві ісе) ТИ Пеня метуюя (иа ДИ ИЙ ИЙ о | 58 | ГГ ю А ше: 4. -ї-

Ф) о Фіг. З

Claims (1)

1. Формула винаходу

   1. Електронно-променевий пристрій (10) для нанесення покриття конденсацією із парової фази, який б Включає: покривну камеру (12), яка виконана з можливістю функціонування в умовах підвищеної температури та субатмосферного тиску; конденсаційну бленду (52), що визначає ділянку покриття в покривній камері (12); електронно-променеву пушку (30) для проектування електронного променя (28) на ділянку покриття; апертуру (68) в стінці покривної камери (12), крізь яку електронний промінь (28) проходить в покривну камеру (12); другу камеру (64), розташовану усередині покривної камери (12) з можливістю закриття апертури (68) для Її відокремлення від ділянки покриття; та засоби (66) для підтримки тиску в другій камері (64) не вищим, ніж в ділянці покриття. 70 2. Електронно-променевий пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що частина стінки другої камери (64) не примикає до конденсаційної бленди (52).

   З. Електронно-променевий пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що частина стінки має другу апертуру (62), крізь яку електронний промінь виходить із другої камери (64) та входить в ділянку покриття.

   4. Електронно- променевий пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що друга камера (64) має частину 7/5 бтінки, що утворена верхньою стінкою покривної камери (12).

   5. Електронно-променевий пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що друга камера (64) має нижній край, закритий стінкою, що паралельна верхній стінці конденсаційної бленди та не примикає до бленди (52).

   6. Електронно-променевий пристрій за п. 5, який відрізняється тим, що частина стінки нижнього краю має другу апертуру (62), крізь яку електронний промінь (28) виходить із другої камери (64) та входить в ділянку 2о покриття.

   7. Електронно- променевий пристрій (10) для нанесення покриття конденсацією із парової фази, який включає: покривну камеру (12); бленду (52), яка визначає ділянку покриття в покривній камері (12), причому ділянка покриття пристосована для обробки в умовах підвищеної температури та субатмосферного тиску; електронно-променеву пушку (30) для сч ов проектування електронного променя (28) на ділянку покриття та на покривний матеріал (26), причому зазначена електронно-променева пушка (30) здатна розплавити покривний матеріал (26) та випарити розплавлений і) покривний матеріал (26); засоби (22) для підтримки виробу (20) в ділянці покриття так, щоб пари покривного матеріалу (26) осаджувалися на виробі (20); о зо апертуру (68) в стінці покривної камери (12), крізь яку електронний промінь (28) проходить в покривну камеру (12); Ме другу камеру (64), розташовану усередині покривної камери (12) з можливістю вміщення апертури (68) дляїї су відокремлення від ділянки покриття; та засоби (66) для підтримки тиску в другій камері (64) нижчим, ніж у ділянці покриття. ме)

   8. Електронно-променевий пристрій за п. 7, який відрізняється тим, що частина стінки другої камери (64) не ї- примикає до конденсаційної бленди (52).

   9. Електронно-променевий пристрій за п. 8, який відрізняється тим, що частина стінки має другу апертуру (62), крізь яку електронний промінь виходить із другої камери (64) та входить в ділянку покриття.

   10. Електронно-променевий пристрій за п. 7, який відрізняється тим, що друга камера (64) має першу « частину стінки, що примикає до стінки покривної камери (12). з с 11. Електронно-променевий пристрій за п. 10, який відрізняється тим, що друга камера (64) має другу частину стінки, яка не примикає до бленди (52). ;» 12. Електронно-променевий пристрій за п. 11, який відрізняється тим, що друга частина стінки нижнього краю має другу апертуру (62), крізь яку електронний промінь (28) виходить із другої камери (64) та входить у Ділянку покриття. -І Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних о мікросхем", 2005, М 7, 15.07.2005. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і ко науки України. о 50 (42) Ф) іме) 60 б5