Оборудование для нанесения покрытий и модификации поверхности, в том числе методом ионной имплантации, служит для формирования на поверхности изделий, конструкций и конструкционных материалов слоев с особыми свойствами, отличающимися от основного материала и обеспечивающими защиту от разрушающего воздействия (физического, химического и механического) внешних сред и нагрузок, а также для восстановления геометрических размеров изношенных деталей.
Технологический цикл получения покрытий включает два основных этапа: подготовку поверхности изделий или конструкций перед нанесением покрытий и операцию нанесения покрытий. В соответствии с этим имеются две группы технологического оборудования. Установки для подготовки поверхности служат для обезжиривания поверхностей деталей, очистки их от оксидных пленок и загрязнений, придания необходимой шероховатости, активирования поверхностного слоя материала.
В ряде случаев, главным образом при вакуумных методах нанесения покрытий, операция подготовки полностью или частично осуществляется в основной технологической установке в качестве одной из рабочих операций. Оборудование для нанесения покрытий и модифицирования поверхности обеспечивает формирование защитных слоев заданной толщины на определенных участках или всей поверхности изделия.Классификация оборудования
Оборудование для нанесения покрытий и модифицирования поверхности может быть классифицировано по следующим признакам.По физическим условиям реализации процесса нанесения покрытий (для газотермических, вакуумных способов нанесения покрытий, ионной имплантации). В случае газотермических методов нанесения необходим генератор горячих газовых струй, нагревающих и ускоряющих частицы материала, образующие покрытие. При вакуумных методах обязательным условием является создание достаточно разреженной среды с малым содержанием посторонних включений. Ионная имплантация характеризуется наличием источника ионов с высокой энергией.
— По виду используемой энергии (газоэлектрическое, газопламенное, электроннолучевое, лазерное, электроискровое). При газотермических методах нагрев газовой струи может производиться или за счет электрической энергии (плазменный, электродуговой, газоэлектрические методы) или путем сжигания горючего газа (газоплазменный, детонационный методы). В других случаях энергетическое обеспечение процесса осуществляется благодаря энергии электронного или лазерного луча, электрической искры и др.
— По скорости газовых струй (дозвуковое, сверхзвуковое). Этот тип классификации оборудования относится только к газотермическим методам нанесения покрытий.
— По роду электрического разряда (дуговое, высокочастотное, искровое). Примерами могут служить дуговые и высокочастотные плазмотроны для газотермического напыления, электроискровые установки’для легирования. Дуговой и высокочастотный разряды используют также в установках вакуумного нанесения покрытий.
— По виду используемого исходного материала (порошок, проволока, гибкий шнур). Эта классификация охватывает в основном газотермические методы (в зависимости от вида материала в состав оборудования входят различные устройства для его подачи). При вакуумных методах нанесения покрытий расходуемый материал используют в виде мишени для распыления или слитков для испарения.
— По составу среды, в которой проводится процесс (воздух, вакуум, вода, инертная ат- мосфера). Разнообразие сред относится к газотермическому напылению. Состав оборудования значительно отличается в зависимости от условий его реализации — на воздухе, под водой, в вакуумируемой камере или в камере с контролируемой инертной средой.
— По степени комплектности и уровню механизации (ручной инструмент, станочный инструмент, механизированный комплекс, роботизированный комплекс). Использование ручного инструмента характерно для газоплазменного напыления, электродуговой металлизации и электроискрового легирования и, в меньшей степени, для плазменного напыления. Он применяется для нанесения покрытий на небольшие поверхности при отсутствии серийного производства, а также при работах в полевых условиях, например, при нанесении антикоррозионных покрытий на металлоконструкции мостов и других сооружений.
Станочный инструмент для реализации этих методов применяют при проведении более высокопроизводи-тельного технологического процесса. Он обладает большей массой, чем ручной, и крепится на станках иЛи специальных манипуляторах, обеспечивающих его механизированное перемещение.
Механизированные и автоматизированные комплексы могут быть использованы практически во всех рассматриваемых технологиях нанесения покрытий и модифицирования поверхности. Они обеспечивают подачу обрабатываемого изделия в рабочую зону, заданное относительное переме-
щение рабочего инструмента (горелки, плазмотрона, лазерного луча и др.) и обрабатываемой детали и выдачу готового изделия. Контроль рабочих параметров осуществляется или вручную (при механизированном комплексе), или автоматически с поддержанием заданного уровня. Примером автоматизированного комплекса может служить комплекс плазменного напыления ните-водящих деталей текстильных машин.
Назначение роботизированных комплексов состоит в обеспечении перемещения рабочего инструмента по сложной траектории, а также в проведении процесса нанесения покрытий в замкнутом пространстве, например, в вакуумируемой камере при плазменном напылении в динамическом вакууме. Роботизированные комплексы находят широкое применение при газотермическом напылении компонентов газотурбинных двигателей (лопаток, камер сгорания и др.).
— По технологическому назначению (нанесение покрытий, восстановление изношенных деталей, модификация поверхности).
Разнообразие типов оборудования для нанесения покрытий обеспечивает широкий диапазон его практического применения, например: ручные электродуговые пистолеты и газопламенные горелки для нанесения антикоррозионных и износостойких покрытий на экранные трубы бойлеров; газотермические установки для восстановления коленчатых валов; электронно-лучевые установки для нанесения покрытий на лопатки газотурбинных двигателей; поточные линии для газотермического нанесения антикоррозионных покрытий на лист, трубы, сортовой прокат; лазерные комплексы для упрочнения гильз двигателей внутреннего сгорания. Энергоснабжение
Вакуумные методы нанесения покрытий и модифицирования поверхности (электроннолучевой и ионно-плазменный методы, термоионное и катодное распыление, ионная имплантация и др.), а также электроискровое легирование и лазерная обработка основаны на использовании электрической энергии. Источники питания, как правило, являются специализированными и во многих случаях входят в состав установки для нанесения покрытий или обработки поверхности.
Оборудование для газотермического нанесения покрытий (электродуговой металлизации, газопламенного, плазменного и детонационного напыления) по виду используемой энергии делится на две группы — газопламенное и газоэлектрическое. В первом случае (газопламенное и детонационное напыление) ис- точником энергии является энергия сгорания горючего газа. Характеристики применяемых газов представлены в табл. Для установок газоэлектрических методов газотермического нанесения покрытий (плазменного напыления, электродуговой металлизации) в качестве источников питания используют различные типы выпрямителей, причем при плазменном напылении с крутопадающей вольт-амперной характеристикой, а при электродуговой металлизации с жесткой или поло-гопадающей. Основные типы таких источников питания приведены в табл. Для плазменного напыления источниками питания служат ИПН и другие, для электродуговой металлизации - ПСГ и другие. Перспективно использование для этих целей тиристорных источников питания. К их числу относится специализированный источник питания ТИМЕЗ, имеющий следующую техническую характеристику. При электронно-лучевой технологии предъявляются повышенные требования к параметрам и характеристикам источников питания электронных пушек. Для питания электронно-лучевых пушек мощностью 250 кВ. А
Автоматизированные комплексы (или линии) в основном построены по модульному принципу и включают: механический модуль-автомат струйно-абразивной обработки; механический модуль-автомат напыления; аппаратурный модуль (установку) плазменного напыления; транспортный манипулятор; систему автоматического управления комплексом. Модуль транспортного манипулятора зависит от характера производства и типа напыляемого изделия. Система управления комплекса осуществляет локальное программное управление всеми модулями и управление в целом.
Примером такого оборудования является автоматизированный комплекс оборудования плазменного напыления ОПН Комплекс ОПН-11 предназначен для нанесения покрытий методом плазменного напыления на наружные поверхности деталей широкой номенклатуры, включает установку плазменного напыления марки УН-1, устройство аспира-ционное марки А-9000, блок плазменного напыления марки БП-1. Техническая характеристика комплекса ОПН-11 приведена ниже. Автоматизированные комплексы плазменного напыления разрабатывает и выпускает фирма Плазма-Техник АГ (Швейцария).
Комплексы плазменного напыления в динамическом вакууме отличаются наличием вакуумного модуля, который осуществляет откачку газов из камеры (до 7 Па), подачу инертного газа и поддержание его давления, в требуемых пределах очистку отсасываемых газов от дисперсных частиц перед форвакуум ной станцией. Оборудование для детонационного напыления покрытий. Оборудование включает следующие основные элементы: установку для детонационного напыления; пульт управления исполнительными органами установки; пульт газораспределения. В авто- матический комплекс для детонационных покрытий дополнительно могут входить манипуляторы для перемещения как установки, так и напыляемых изделий с блоком управления: рабочие камеры с системой вентиляции и пылеулавливания.
В качестве рабочих газов используются ацетилен, водород, пропан-бутан, природный газ, кислород, а также азот и сжатый воздух .
Высокий уровень шума при детонационном напылении обусловливает необходимость зов и флегматизирующего газа в ствол, порошковый дозатор; воспламенитель горючей смеси газов; систему локализации сгорания горючей смеси газов в стволе; систему охлаждения ствола и других нагреваемых узлов установки; системы контроля процесса напыления и качества напыляемого покрытия.размещения установки, пульта газораспределения и манипулятора для перемещения напыляемых изделий в звукоизолированном боксе. Управление процессом напыления осуществляют из операторской кабины с помощью пульта.
Установки для детонационных покрытий (детонационного напыления) имеют следующие основные функциональные органы: ствол с камерой зажигания; газораспределительный механизм, служащий для дозирования, смешивания и подачи горючей смеси га-
В линиях для одно- и двухстороннего нанесения покрытий на движущуюся стальную полосу шириной 600 мм со скоростью перемещения до 5 м/с толщина покрытия регулируется в пределах 0,05…5 мкм изменением скорости перемотки ленты.
Для нанесения на сварочные материалы (проволоку, ленту) специальных легирующих, модифицирующих, инокулирующих или активирующих покрытий применяется электронно-лучевая установка УЭ-202, разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона.
В установке применены стандартные плосколучевые электронные пушки с поперечным отклонением луча и прямоканальным катодом. Нагрев проволоки или ленты перед нанесением покрытия осуществляется электронной пушкой через вольфрамовый термоблок. Система отклонения электронных лучей — электромагнитная. Ниже приведена техническая характеристика установки УЭ-202. Электронно-лучевая установка УЭ-193 нового поколения для плавки и испарения материалов в вакууме предназначена для переплава металлов и получения из них слитков (цилиндрических и плоских), получения композиционных материалов испарением с последующей конденсацией металлов и неметаллов, осаждения покрытий различного функционального назначения путем испарения и последующей конденсации парового потока на изделия с плоской и цилиндрической поверхностью.
В отличие от специализированных установок для плавки и испарения материалов установка УЭ-193 обладает рядом конструкционных особенностей, которые позволяют легко перестраивать оборудование для осуществления технологических процессов.
Технологическая вакуумная камера выполнена в виде восьмигранника с люками на каждой грани. На двух боковых гранях установлены камеры 2 с электронными пушками. Технологическая камера и две камеры с электронными пушками имеют индивидуальные системы вакуумной откачки. На передней грани установлена откатная крышка со смотровыми системами. На верхней, нижней и двух боковых гранях технологической камеры в зависимости от функционального назначения устанавливаются механизмы 3 подачи переплавляемого или испаряемого материала, кристаллизаторы и тигли для выплавки слитков и испарения материалов 4, механизмы 5 перемещения заготовок, поверхностей конденсации изделий.
Установка имеет шесть электронных пушек конструкции ИЭС им. Е. О. Патона. Пушки двухэлектродные с линейным прямо-канальным термокатодом, система управления электронным лучом — электромагнитная. Силовой полупроводниковый источник питания электронных пушек мощностью 250 кВт имеет тиристорное управление, ускоряющее напряжение 20…25 кВ.
Система управления установкой включает автоматическую стабилизацию тока электронных пучков и ускоряющего напряжения пушек, стабилизацию уровня ванны кристаллизирующегося слитка и испаряемого материала, датчики контроля температуры поверхности конденсации и др. Техническая характеристика установки УЭ-193 приведена ниже.
Оборудование для электронно-лучевого модифицирования поверхностей. Для реализации технологических процессов электронно-лучевого модифицирования поверхностей металлов используют как специализированное оборудование [26], так и установки для электроннолучевой сварки. Наибольшее распространение для целей модифицирования получили сварочные установки, которые обычно модерни- зируют для расширения технологических возможностей при модифицировании поверхностей. При этом обеспечивается возможность создания и управления тепловложением на площади, превышающей площадь поперечного сечения электронного пучка. Модернизация сварочных установок заключается в следующем: в электронной пушке либо на ее торце устанавливается малоиндуктивная отклоняющая система; система управления отклонением электронного пучка заменяется на специализированную (быстродействующую, с программным управлением); манипулятор изделия или электронной пушки, а также его система управления иногда дорабатывается или заменяется для обеспечения высоких скоростей перемещения (до 40 мм/с).
Техническая характеристика систем управления установок для электронно-лучевого модифицирования поверхности приведена в табл. 1.15.
Многофункциональная система управления “Промин-1″ состоит из микропроцессорного блока, двухканального усилителя сигналов развертки электронного пучка и блока управления приводом. Она обеспечивает в режиме диалога:
программное управление током электронного пучка и фокусирующей линзы электронной пушки, отклонением электронного пучка по двум координатам для одной или двух отклоняющих систем, приводом (шаговым, асинхронным или постоянного тока);
ввод, просмотр, корректировку и хранение в виде библиотек в долговременной памяти программ технологических режимов;
аварийное завершение технологического процесса по специальной подпрограмме;
контроль работоспособности основных узлов системы (дисплея, клавиатуры, таймера, постоянного и оперативного запоминающих устройств, оптоволоконной системы).
В режиме модифицирования поверхности система формирует высокочастотную растровую развертку электронного пучка. В режиме гравировки программно задается текст надписи, которая будет нанесена электронным пучком на поверхности изделия. При этом воспроизводятся цифры, буквы русского и латинского алфавита.
Специализированные пирометрические системы позволяют осуществлять контроль параметров температурного поля при электронно-лучевом модифицировании поверхностей бесконтактно, через иллюминатор вакуумной камеры. Так, с помощью пирометрических сканирующих систем СКАПИР можно контролировать распределение температуры при нагреве поверхности металлов в диапазоне температур 300…3000°С с точностью 1,5%. При этом пространственная дискретность контроля температуры в точках следующая: 3×3 для системы СКАПИР.
Пайка является уникальным процессом, позволяющим осуществлять соединение всех применяемых в технике металлических и многих неметаллических материалов при различных температурах, в различных средах, с применением разнообразных технологических способов, припоев и т. д.
Естественно, что среди множества технологических факторов, позволяющих обеспечить высокое качество соединения, особое место занимает нагревательное оборудование, обеспечивающее необходимый температурно-временной режим пайки. Передача тепловой энергии от носителя к паяемому изделию может осуществляться теплопроводностью, конвекцией, излучением или комбинацией этих способов. Нагрев соединяемых деталей может быть общим или локальным, поверхностным или объемным. Все это обусловливает наличие широкой гаммы методов нагрева паяемого изделия, а следовательно, огромное разнообразие устройств, позволяющих реализовать эти способы на практике.
Наиболее широкое распространение в промышленности нашло универсальное оборудование. Прежде всего, это различные паяльники, устройства для газопламенной и индукционной пайки, печи, обеспечивающие протекание процесса пайки на воздухе и в защитных средах, соляные ванны и др. Промышленное применение находит и более специализированное оборудование, позволяющее вести нагрев соединяемых деталей электронным или световым лучом, лазером, дуговым разрядом и др. Следует отметить, что и универсальность, и специализация оборудования варьируются в широких пределах. Выбор конкретного типа оборудования, степени его универсальности или специализации зависит от применяемых технологических процессов, припоев и программы выпуска изделий.
