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
Оборудование для плазменного напыления покрытий. Плазменным напылением наносят износостойкие, жаростойкие, коррозионно-стойкие и другие типы покрытий. Оборудование для плазменного напыления подразделяют следующим образом:
установки для ручного плазменного напыления; установки для механизированного плазменного напыления;
полуавтоматические установки плазменного напыления со средствами механизации перемещения плазмотрона и детали;
автоматические установки плазменного напыления с микропроцессорным управлением, в том числе с использованием роботов;
комплексы плазменного напыления, включающие оборудование для подготовки поверхности деталей и механической обработки намыленного слоя;
лийни плазменного напыления, оснащенные межоперационным транспортом, в том числе снабженные центральной системой управления.
По составу среды, в которой осуществляется плазменное напыление, установки предназначены для напыления: в атмосфере; в вакууме (или в динамическом вакууме); в защитной среде; под водой.
Оборудование для плазменного напыления может быть также классифицировано по типу применяемого рабочего плазмообра-зующего газа: инертные газы (аргон, азот) и их смесь с водородом (или гелием); воздух и его смесь с углеводородными газами; смесь углекислого газа с углеводородами; вода.
Установки для плазменного напыления включают следующие основные элементы: инструмент для плазменного напыления (плазмотрон); источник энергоснабжения; систему газоснабжения; систему водяного охлаждения, систему регулирования параметров рабочего режима; систему подачи напыляемого материала (порошка или проволоки). Кроме того, они могут включать рабочую камеру с системой вентиляции и пылеулавливания, средства механизации перемещения плазмотрона и детали.
Основным типом плазмотронов, используемых для напыления покрытия, являются дуговые, хотя в последнее время получило распространение напыление с помощью высокочастотных плазмотронов. Среди дуговых плазмотронов наибольшее применение получили струйные с самоустанавливающейся длиной дуги и межэлектродными вставками. По скорости истечения струи плазмотроны для напыления покрытий подразделяются на дозвуковые и сверхзвуковые.
К особому типу плазмотронов относятся плазмотроны для напыления покрытий на внутренние полости. Они позволяют наносить покрытие на внутренние поверхности труб диаметром 25 мм и более. Техническая характеристика современных отечественных установок для плазменного напыления приведена в табл. Они предназначены для получения покрытий с использованием порошка или проволоки методом плазменно-дугового напыления и могут использоваться как в составе полуавтоматов, так в составе имеющихся средств механизации, обеспечивающих надежную защиту обслуживающего персонала и окружающей среды от шума, аэрозолей и др. Эти установки служат для повышения износостойкости поверхностей изготовляемых деталей и восстановления изношенных поверхностей деталей в условиях мелкосерийного производства и ремонтного производства.
Полуавтоматы камерного типа состоят из камеры напыления, плазменной установки в сборе, аспирационного устройства. В камере напыления расположены плазмотрон, передняя и задняя бабки для крепления детали, на которую наносится покрытие. Механизмы перемещения плазмотрона и вращения детали вынесены за пределы камеры, что обеспечивает удобство обслуживания и эксплуатации оборудования.
Роботы при плазменном нанесении покрытий применяются в основном при нанесении покрытий на детали сложной формы или при работе в изолированном объеме (например, камеры сгорания газотурбинных двигателей, их лопатки). Используют как специализированные роботы (АР-1, АР-2 фирмы Метко), так и промышленные с необходимыми характеристиками по нагрузке и скоростям перемещения. Примером полуавтомата для плазменного напыления может служить установка 15-ВБ, которая комплектуется плазменной установкой “Киев-7″. Технологические возможности полуавтомата определяются по параметрам комплектующей плазменной установки, приведенным ниже.
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-
Стволы детонационных установок различаются формой и размерами камеры сгорания, местом ввода горючей смеси и порошка, способом и местом инициирования горения горючей смеси, конструктивными особенностями системы охлаждения. Обычно применяют стволы с цилиндрической камерой сгорания диаметром 20…30 мм, длиной 1…2 м. Более перспективны конструкции стволов с переменным по длине сечением камеры сгорания.
Порошковые дозаторы установок для детонационного напыления делятся на две группы: с пневматическим и механическим дозированием. Известны конструкции, в которых для приготовления дозы порошка и даже впрыскивания его в ствол используют импульсы давления, возникающие при сгорании горючей смеси в стволе.
Газораспределительные механизмы обычно построены по системе электромагнитных или механических клапанов, обеспечивающих циклическую подачу газов через смесители в ствол. Используется также непрерывная бесклапанная подача газов. С целью обеспечения стабильной надежной работы детонационных установок и безопасности условий труда необходимо локализовать горение в камере сгорания и стволе при выполнении каждого рабочего цикла напыления. Для этого служат герме- тичные механические клапаны с подачей флегматизирующего газа (азота) в смесительную камеру, огнепреградители (буферные емкости между смесителем газов и стволом, заполняемые перед поджигом горючей смеси флегматизирующим газом).
Пульт управления позволяет осуществлять дистанционное управление исполнительными механизмами детонационной установки, автоматический режим которой может быть обеспечен следующими техническими средствами: механическим или электромеханическим приводом; релейно-контактными устройствами, электронными приборами.
Газораспределительный пульт служит для подачи и контроля расхода компонентов детонационной газовой смеси. Независимо от конструкции пульт включает контрольно-измерительные приборы (ротаметры, манометры) и регулирующие устройства (редукторы, вентили, регуляторы перепада давления). Техническая характеристика газораспределительного пульта АДК “Прометей” приведена ниже. Кроме рассмотренных находит применение следующее оборудование детонационных покрытий.
Детонационный комплекс “Азов”, специализированный для упрочнения и восстановления коренных и шатунных шеек коленчатых валов, использует в качестве рабочих газов пропан-бутан, кислород, сжатый воздух. Техническая характеристика комплекса “Азов”Автоматическая детонационная установка “Обь” обеспечивает высокую степень повторяемости всего процесса благодаря системе стабилизации давления и температуры рабочих газов. Управление циклограммой процесса напыления осуществляется микроЭВМ.
Детонационная установка “Перун-С” — высокопроизводительная стационарная установка, промышленное использование которой особенно эффективно при массовом или крупносерийном производстве изделий с покрытиями. Техническая характеристика установки “Перун-С” приведена ниже. Для размещения установки необходимо наличие звукоизолированного помещения
(бокса) с принудительной вентиляцией площадью 15 м2.
Установка “Перун-Р” — модифицированная установка, промышленная эксплуатация которой не требует специализированного помещения. Наличие звукоизолированных камер позволяет включать ее в любую технологическую линию в условиях цеха машиностроительного производства.
Малогабаритная детонационная установка “Перун-М” имеет повышенную автономность. В ее корпусе вобраны воедино устройство для абразивной оОработки и нанесения покрытий,
Для получения ионных пучков, содержащих определенный элемент, выполняют сепарацию общего потока, осуществляя взаимодействие движущихся ионов с магнитным и электрическим полями, с одновременным воздействием постоянного и переменного электрических полей. По скоростям поток фильтруют с помощью электростатических анализаторов. Разделение пучка осуществляют с помощью секторных магнитных систем, отклоняющих пучок на 60 или 90°. Разделительная способность секторных магнитов не уступает разделительной способности 180°-ных магнитов. Чтобы разделить ионы по массе, используют фильтр Винна — устройство со скрещенными ортогонально магнитным и электрическим полями. В некоторых масс-спектрометрах и сепараторах применяют квадрупольные фильтры масс. Преимуществами квадруполь-ного фильтра масс являются слабая зависимость разрешающей способности от энергетического разброса ионов, возможность анализа при повышенном давлении остаточного газа, крутые фронты пиков. Основной недостаток такого фильтра заключается в наличии возможности прохождения нерезонансных ионов. В некоторых установках применяют монопольные фильтры масс, к недостаткам которых относятся чувствительность к давлению остаточных газов и нестабильность работы.
Однородность имплантации обеспечивает система сканирования. В зависимости от необходимости отклонения пучка в одном или двух направлениях используют либо две параллельные пластины, либо последовательно по ходу движения пучка две пары взаимно перпендикулярных пластин. Имплантация ионов в мишень осуществляется в вакуумной камере. Точное измерение силы тока пучка проводится с помощью калориметра, цилиндра Фа-радея и кулонометра.
Вакуумная система обеспечивает непрерывное поступление газа или паров их ионного источника в приемную камеру с высоким
вакуумом (Ю-5 Па), который способствует лучшей фокусировке пучка, уменьшению дозы нейтральных атомов и загрязнения поверхности образцов. Откачку производят диффузионными насосами, турбомолекулярными насосами с соответствующими форвакуумными насосами, геттерным насосом, создающим форвакуум для сорбционных насосов. Тип насоса выбирают с учетом состава и количества газа, а также необходимости получения безмасляного вакуума.
Тенденции развития оборудования для нанесения покрытий связаны с расширением сфер и масштабов их практического применения. В связи с этим как в области газотермических, так и вакуумных методов нанесения покрытий наблюдается стремление к созданию высокоавтоматизированных и роботизированных комплексов, обеспечивающих, с одной стороны, высокую производительность установок, а с другой, — высокое качество наносимых покрытий за счет строгого контроля параметров режима напыления. При этом используется блочно-модульный принцип создания таких комплексов, который позволяет оперативно создавать их многообразные модификации. Другая тенденция, в частности газотермического нанесения покрытий, состоит в разработке мобильных установок и сборно-разборных комплексов с целью проведения работ по напылению покрытий по месту без демонтажа конструкций и оборудования и создания стационарных участков и цехов.
