Способ нанесения ионно-плазменного покрытия

Способ нанесения ионно-плазменного покрытия

Реферат

Изобретение относится к технике вакуумного нанесения износо-, коррозионно- и эрозионностойких ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, преимущественно для ответственных деталей, например, рабочих и направляющих лопаток турбомашин.

Новый, более высокий уровень функциональных свойств лопаток ГТД и ГТУ определяется, главным образом, характеристиками их рабочих поверхностей. Как показывает практика развития техники и технологий в этой области, наиболее эффективным методом их обеспечения являются покрытия с заданным составом и свойствами, наиболее перспективным и эффективным процессом нанесения покрытий являются ионно-плазменные способы нанесения покрытий в вакууме. Эти способы имеют ряд существенных преимуществ перед другими известными способами нанесения покрытий.

Известен способ вакуумно-плазменного нанесения покрытий, включающий размещение изделий на приспособлении в вакуумной камере, приложение к приспособлению электрического смещения, электродуговое испарение металлического катода, формирование на поверхности изделий слоя покрытия (а.с. 2073743, С23С 14/00, 14/32, 20.05.92. Способ нанесения покрытий в вакууме и устройство для его осуществления).

Известен способ ионно-плазменного нанесения покрытий, включающий размещение изделий в вакуумной камере, подачу на них напряжения смещения, зажигание дугового разряда, очистку и разогрев изделия ионами испаряемого материала катода до температуры конденсации покрытия, подачу в камеру газа-реагента, снижение напряжения (А.С. 2061788, С23С 14/34, 09.03.93. Способ нанесения покрытий в вакууме).

Известен также способ нанесения покрытий на лопатки турбомашин, включающий осаждение в вакууме на поверхности пера лопатки конденсированного покрытия (патент РФ №2165475, С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, 20.04.2001).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ нанесения ионно-плазменного покрытия, включающий размещение деталей на приспособлении в вакуумной камере, приложение к деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов путем возбуждения дуги между катодами с индивидуальными источниками электрического питания и анодами (а.с. №1468017, МПК5 С23С 14/48, БИ №18, 1994 г.).

Недостатком известных способов являются низкий коэффициент использования испаряемого материала катодов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента использования испаряемого материала катодов за счет повторного испарения (реиспарения) наносимого материала.

Технический результат достигается тем, что в способе нанесения ионно-плазменного покрытия, включающем размещение деталей на приспособлении в вакуумной камере, приложение к деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов путем возбуждения дуги между анодами и катодами, подключенными к индивидуальным источникам электрического питания, в отличие от прототипа, в процессе нанесения покрытия в качестве катодов и анодов используют одни и те же длинномерные плоские охлаждаемые пластины-планары из наносимого материала покрытия, периодически изменяют электрическую полярность пластин-планаров на противоположную, переключая аноды на полярность катодов, а катоды на полярность анодов, обеспечивая при этом величину соотношения площадей анодов (Fa) к площадям катодов (Fk) не менее двух (Fa/Fk≥2), при суммарной площади анодов (ΣFa) и катодов (ΣFk), равной 20…90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры (Fv.k.), Fv.k.=(0,2…0,9)( ΣFa+ΣFk). Как варианты воплощений способа, могут использоваться следующие приемы и операции: используют пластины-планары с одинаковыми размерами и формой, причем высота, ширина и толщина используемых пластин-планаров выбирается соответственно в диапазонах: длина - от 80 мм до 3000 мм, ширина - от 30 до 500 мм, толщина - от 5 до 100 мм; в качестве материала пластины-планара используют металл, выбранный из элементов IV, V, VI групп Периодической таблицы, и Аl, а также их сплавов, а также Ti, Zr, Hf, Cr, Al, La, Eu, Ni, Co, Cr, Al, Y и/или сплав на основе указанных металлов; используют периферийное и/или центральное расположение пластин-планаров.

Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменного покрытия, нанесение покрытия производят в среде реакционного газа, а в качестве реакционного газа могут использовать азот при давлении 10^-2-5·10^-4 мм.

Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменного покрытия, перед нанесением покрытия поверхность детали подвергают ионно-имплантационной обработке с постимплантационным отжигом, причем, имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см², а в качестве легирующих элементов используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, а имплантацию и постимплантационный отжиг производят с последующим нанесением покрытия в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения ионно-плазменного покрытия в качестве детали используют лопатку турбомашины, а перед нанесением покрытия электролитно-плазменной обработкой производят полирование поверхности пера лопатки.

Перечисленные существенные признаки предлагаемого изобретения позволяют достичь поставленной технической задачи - повышение коэффициента использования испаряемого материала катодов за счет повторного испарения (реиспарения) наносимого материала, поскольку при значительной площади пластин-планаров, поочередно используемых то в качестве анодов, то в качестве катодов, осажденный на поверхность анодов материал реиспаряется при переключении анода на режим работы катода.

Способ осуществляется следующим образом. Детали размещают на приспособлении в вакуумной камере, прикладывают к деталям потенциал электрического смещения, производят ионную очистку поверхности деталей и производят нанесение на них покрытия электродуговым испарением материала катодов. Для нанесения покрытия используют катоды-планары, 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 катода-планара. Испарение материала катода происходит за счет дуги, возбужденной между расположенными по периферии чередующимися анодами и катодами, образующими 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, служившие 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. 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, работающие в режиме анода, причем они приходились на этот катод. Другими словами, схема подключения катодов (К_i) и анодов (А_i) (по замкнутому контуру) может быть следующей: «…-A₁-K₁-A₁-А₂-К₂-А₂-А₃-К₃-А₃-…-А_n-К_n-А_n-…-A₁-K₁-A₁-…» (cx.1), где n - количество работающих катодов. Далее, согласно приведенной схемы подключения катодов, выделенные курсивом аноды (А_i) при переключении становятся катодами, а катоды, обозначенные (K_i), - станут анодами. При этом анод последующей группы, например анод А₂, перейдет в анод A_1.1 предшествующей группы. Преобразовав предыдущую схему (cx.1) для нового состояния, записав в скобках предыдущее состояние подключения электродов-планаров, получим следующую схему: «…-A_n(A₁)-А₁(K₁)-K₁(A₁)-А₁ (А₂)-А₂(К₂)-К₂(А₂)-А₂(А₃)-А₃(К₃)-К₃(А₃)-…-А_n-1(А_n)-А_n(К_n)-К_n (А_n)-…-A_n(А₁)-A₁(К₁)- К₁(А₁)…» (сх.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 позволяет получать на наносимых деталях (но не на электродах-планарах, поскольку они находятся вне зоны химической ионно-плазменной реакции) многослойные нитридные и карбонитридные покрытия.

Пример

Для оценки увеличения коэффициента использования материала при нанесении покрытия по предлагаемому способу были проведены следующие исследования. Покрытия были нанесены по трем вариантам. Первый вариант был выполнен согласно условиям предложенного технического решения. Второй и третий варианты - представляли собой реализации условий способов-прототипов.

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 ВТ1-0. Электроды-планары поочередно подключались к трем источниками электрического питания, по схеме: «…-A₁-K₁-А₁-А₂-К₂-А₂-A₃-К₃-A₃-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.

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, служившие 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.

№	Варианты нанесения покрытия	Изменение массы электродов-планаров, кг	Снижение расхода материала катода, %
1	Вариант №1 (Предлагаемое техническое решение)	0,311	42
2	Вариант №2 (Способ-прототип)	0,754	102
3	Вариант №3 (Способ-прототип)	0,738	100

Как видно из приведенной таблицы, расход материала катода в предлагаемом способе в 2,4 раза ниже, чем в способе-прототипе.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить коэффициент использования испаряемого материала катодов за счет повторного испарения (реиспарения) наносимого материала.

1. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия, включающий размещение деталей на приспособлении в вакуумной камере, приложение к деталям электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов путем возбуждения дуги между анодами и катодами, подключенными к индивидуальным источникам электрического питания, отличающийся тем, что в процессе нанесения покрытия в качестве катодов и анодов используют одинаковые длинномерные плоские охлаждаемые пластины-планары из наносимого материала покрытия, периодически изменяют электрическую полярность пластин-планаров на противоположную, переключая аноды на полярность катодов, а катоды на полярность анодов, обеспечивая при этом величину соотношения площадей анодов (Fa) к площадям катодов (Fk) не менее двух (Fa/Fk≥2), при суммарной площади анодов (ΣFa) и катодов (ΣFk), равной 20…90% от всей внутренней поверхности вакуумной камеры (Fv.k.).

2. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.1, отличающийся тем, что используют пластины-планары с одинаковыми размерами и формой, причем высоту, ширину и толщину используемых пластин-планаров выбирают соответственно в диапазонах: длина от 80 до 3000 мм, ширина от 30 до 500 мм, толщина от 5 до 100 мм.

3. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала пластины-планара используют металл, выбранный из элементов IV, V, VI групп Периодической таблицы и Аl, и/или их сплавы.

4. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала пластины-планара используют следующие металлы: Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Mo, W, Аl, La, Eu и/или сплав на основе указанных металлов.

5. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала пластины-планара используют металлы: Ni, Со, Cr, Аl, Y и/или сплав на основе указанных металлов.

6. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.1, отличающийся тем, что используют периферийное расположение пластин-планаров.

7. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по по п.1, отличающийся тем, что используют центральное расположение пластин-планаров.

8. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.1, отличающийся тем, что используют центральное и периферийное расположение пластин-планаров.

9. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что нанесение покрытия производят в среде реакционного газа.

10. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.9, отличающийся тем, что в качестве реакционного газа используют азот при давлении 10^-2-5·10^-4 мм.

11. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия поверхность детали подвергают ионно-имплантационной обработке с постимплантационным отжигом, при этом имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см², а в качестве легирующих элементов используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, причем имплантацию и постимплантационный отжиг и последующее нанесение покрытия производят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

12. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.9, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия поверхность детали подвергают ионно-имплантационной обработке с постимплантационным отжигом, при этом имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см², а в качестве легирующих элементов используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, причем имплантацию и постимплантационный отжиг и последующее нанесение покрытия производят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

13. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.10, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия поверхность детали подвергают ионно-имплантационной обработке с постимплантационным отжигом, при этом имплантацию ионов легирующих элементов производят при энергии ионов 0,2-300 кэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см², а в качестве легирующих элементов используют ионы Сr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, причем имплантацию и постимплантационный отжиг и последующее нанесение покрытия производят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

14. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по любому из пп.1-8 и 10, отличающийся тем, что в качестве детали используют лопатку турбомашины.

15. Способ нанесения ионно-плазменного покрытия по п.14, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия электролитно-плазменной обработкой производят полирование поверхности пера лопатки.