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
Установки подразделяются на два типа — для напыления легкоплавких материалов (с температурой плавления не выше 800 °С) — цинка, пластмассы и др. и тугоплавких (с температурой плавления ниже 2000 °С). В первом случае используется газовоздушное пламя, во втором — газокислородное. Техническая характеристика установок газопламенного напыления представлена в табл. Установки УГПЛ- применяются для ручного газопламенного напыления, УГПУ — как для ручного, так и для механизированного, УГМ-1 — для механизированного.
Из установок газопламенного напыления зарубежных фирм следует выделить оборудование, выпускаемое фирмами Кастолин и Эутек-тик (Швейцария), Метко (США), СНМИ (Франция). Установка “Сибер-Джет” фирмы СНМИ снабжена системой автоматического пуска и выключения установки, программируемого установления режима напыления в зависимости от материала проволоки (или гибкого шнура) и ее диаметра.
К новому поколению оборудования для газопламенного напыления относятся установки сверхзвукового напыления процессом “Джет Коут”. Скорость истечения струи достигает 1500…2000 м/с. Схемы газопламенных горелок со сверхзвуковым истечением струи представлены на рис. Существует две основных разновидности таких горелок — с камерой предварительного сжигания и без нее . В первом случае процесс горения начинается в камере сгорания, размещенной в корпусе горелки, с окончательным дожиганием топлива газовой смеси после истечения струи в атмосферу. В бескамерных горелках происходит только смешение компонентов газовой смеси. Варианты, показанные на рис., в, отличаются расположением точки зажигания топливокислород-ной смеси.
К горелкам сверхзвукового напыления камерного типа относятся “Джет Коут” фирмы Стеллайт (Германия) и ДжК23 фирмы МТС (Австрия). Установки сверхзвукового газопламенного напыления с горелками бескамерного типа выпускают фирмы Плазма-Техник АГ (Швейцария), Метко, ОСУ (Германия). Данное оборудование отличается высокими расходами рабочих газов. Так, установка “Джет Коут
П” имеет расход кислорода 28…40 м3/ч, водорода 0,14 м3/ч и горючего газа 7… 10 м3/ч.
При электродуговой металлизации в распылительной головке через два токо-подвода непрерывно подают два находящихся под напряжением электрода. Свойства метал-лизационных покрытий во многом определяются конструктивными особенностями распылительных головок. В настоящее время наиболее широко применяют два типа головок: закрытую и открытую. Закрытая сопловая система обеспечивает более мелкое распыление напыляемого материала (при напылении алюминия средний размер частиц 40…80 мкм) и высокую плотность получаемых покрытий. Такая система используется преимущественно для нанесения анти- коррозионных и других типов покрытий, для успешной эксплуатации которых необходима высокая плотность.
Открытая сопловая система позволяет получать компактную металловоз-душную струю и покрытия с более высокой прочностью сцепления. Однако размер частиц в этом случае несколько больше (в случае напыления алюминия 50… 100 мкм) и покрытия, как правило, имеют меньшую плотность. Открытые системы успешно применяются, например, при нанесении износостойких покрытий. Серийно выпускаемые электродуговые металлизаторы ЭМ-17 могут комплектоваться как открытой, так и закрытой распылительными головками.
Производительность процесса практически линейно зависит от тока и в первую очередь определяется мощностью источника питания. В настоящее время наиболее мощные установки (на силу тока менее 1200 А) созданы фирмой ОСУ (Германия) для нанесения анти- коррозионных покрытий из цинка и алюминия в условиях автоматизированных и механизированных производств.
Для нанесения покрытий других типов, как правило, применяют установки на силу тока 200…500 А, так как именно в этом диапазоне производительности можно получить покрытия с наиболее высокими эксплуатационными показателями. На силу тока менее 400 А серийно выпускались ручные электродуговые металлизаторы ЭМ-14М, стационарные ЭМ-17 и комплект для электродуговой металлизации КДМ-3. Данные фирмы Металлистшен лимитед (Великобритания) по удельной производительности и расходу напыляемого материала при нанесении покрытия толщиной 100 мкм на поверхность площадью 1 м2 приведены в табл.
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.
Оборудование для электронно-лучевого нанесения покрытий. Основными его элементами являются тигель с испаряемым материалом и генератор электронного луча — электронно-лучевая пушка.
В настоящее время получили распространение два типа электронно-лучевых пушек для испарения материалов: аксиальные, формирующие осесимметричный пучок электронов; плосколучевые, преобразующие первоначальный плоский пучок электронов в цилиндрический. Аксиальные пушки обычно имеют две независимые электромагнитные линзы для фокусировки луча и управления им. Катод в аксиальных пушках выполнен в виде массивной шайбы из вольфрама или тантала и имеет косвенный нагрев. В плосколучевых пушках прямолинейный катод из вольфрамовой проволоки нагревают прямым пропусканием тока. Электромагнитная система преобразования плоского луча в цилиндрический и управления лучом выполнена в виде одного блока. Мощность пушек, применяемых для осаждения жаростойких покрытий, изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от типа покрытий и размеров изделий (25… 150 кВт), ускоряющее напряжение 20 кВ.
Типичные аксиальные пушки разработаны институтом М. фон Арденне и фирмой Лей-больд-Гереус (Германия). Плосколучевые пушки используются в установках для испарения материалов, созданных фирмой Аирко Темескал (США) и ИЭС им. Е. О. Патона.
Современные электронно-лучевые установки для нанесения покрытий рассчитаны на непрерывную работу в течение 10… 15 ч и один или несколько испарителей. Разработан ряд промышленных установок для нанесения защитных покрытий на партии турбинных лопаток. Основными требованиями, предъявляемыми к таким установкам, являются: получение равномерно осажденного по перу лопаток защитного слоя, воспроизводимость химического состава и толщины покрытия, возможность непрерывного ведения процесса испарения в течение длительного времени, обеспечение высокой производительности.
На рис. приведена схема специализированной электронно-лучевой установки периодического действия для нанесения защитных покрытий испарением в вакууме из одного источника. Рабочая камера установки разделена на камеру испарения и полость электронно-лучевой пушки . Пушка является составной частью испарителя, который установлен в нижней части рабочей камеры. Специальными полюсными наконечниками электронный луч изгибается на 270° и фокусируется на торце слитка . Расплавленный металл разогревается до температуры, при которой скорость осаждения парового потока на подложке достигает 15 мкм/мин. Процесс испарения ведется при разрежении не ниже 10~3 Па. В установке предусмотрено раздельное вакуу-мирование камеры испарения и полости электронно-лучевой пушки механическими и диффузионными насосами.
Рабочая камера объединена с двумя вспомогательными камерами б, в которых осуществляется предварительный подогрев деталей, собранных в приспособлении. В установке применен предварительный нагрев элементами сопротивления и непосредственный подогрев изделий в процессе осаждения парового потока. Загрузка изделий производится через специальные шлюзовые камеры. Детали, собранные в приспособлении, подающими штоками 5 вводятся во вспомогательную камеру, где они прогреваются перед осаждением покрытия. Одновременно защитный слой наносится на детали, подаваемые в паровой поток из другой вспомогательной камеры.
Рабочая камера оснащена устройством 3 для дозированного впуска инертного газа (аргона). При введении газа в небольшом количестве происходит рассеяние парового потока, в результате чего толщина осажденного слоя получается примерно равной как на открытых, так и на затененных участках лопаток. Одновременно осуществляется частичная ионизация инертного газа и парового потока испаряемого металла путем подачи на покрываемые детали источником 15 отрицательного потенциала (1…2 кВ) по отношению к испарителю. Ионизация способствует получению покрытий с благоприятной дисперсной структурой, лишенной кристаллографических дефектов, которые возникают в конденсированном слое при подаче газа. Мощность электроннолучевого испарителя с плосколучевой пушкой в данной установке доставляет 200 кВт.
Производительность установок определ I-ется непрерывностью ведения процесса испарения и согласованием времени выполнения ряда технологических операций (загрузки деталей, нагрев, осаждение покрытия) с операциями охлаждения деталей, извлечения из вспомогательной камеры, загрузки новой партии лопаток. Для решения этих задач в установке ESC-30/300SC фирмы Лей-бол ьд-Гереус предусмотрены четыре шлюзовые устройства (по два с каждой стороны камеры испарения). После подогрева лопаток в промежуточной камере детали вводятся в рабочую камеру, оснащенную прямоугольным испарителем, где на них наносится покрытие. Электронно-лучевой испаритель состоит из водоохлаждаемого медного тигля 3 (120 х 480 мм), через днище которого снизу вверх одновременно подаются пять слитков, и двух аксиальных электронно-лучевых пушек 12 мощностью 150 кВт каждая. Для подогрева изделий в процессе осаждения покрытия применяются дополнительные электронные пушки, которые снабжены отклоняющей системой, разворачивающей лучи на угол более 90°.
В установке ESC-30/300SC лопатки располагают в шахматном порядке точно над испарителем и закрепляют посредством держателей в шпиндельных головках, установленных в параллельных консолях манипулятора. Движение на лопатки передается от привода, расположенного вне вакуумных камер. Боковые консоли манипулятора имеют возможность качания. При трехсменной работе установка выпускает 800 — 1500 лопаток с покрытиями в сутки в зависимости от их типоразмеров. Многотигельные испарители с линейным расположением источников применяют в электронно-лучевых установках УЭ-137, разработанных в Институте электросварки им. Е. О. Патона
На рис. 1.10 показана электронно-лучевая установка УЭ-175М периодического действия, предназначенная для нанесения защитных покрытий на лопатки газовых турбин. Мощность установки 350 кВт. Особенностью установки является возможность одновременного испарения нескольких материалов с помощью четырех- или пятитигельного электронно-лучевого испарителя и получения не только покрытий типа Ме—Сг—А1—У, но и композиционных покрытий с равномерным или градиентным распределением дисперсных фаз, двухслойных и многослойных покрытий металл—керамика.
Установка состоит из нескольких вакуумных камер, конструктивно соединенных между собой: основной технологической , двух шлюзовых и трех камер,” в которых расположены пушки для нагрева лопаток. Основная камера разделена вертикальной стенкой на две секции. В задней секции расположены пять электронно-лучевых пушек 6, предназначенных для испарения материалов, в передней — испаритель . Основная камера отделе- на от шлюзовых вакуумным затвором . Лопатки закрепляются на подающих штоках с помощью устройства . Автоматическая система управления на базе микроЭВМ “Электро-ника-60″ обеспечивает измерение и контроль толщины покрытий, стабилизацию температуры нагрева деталей, уровня жидкометалличе-ской ванны в цилиндрических испарителях, разрежения в основной рабочей и шлюзовой камерах, программирует электрические параметры электронных пучков, определяет последовательность выполняемых операций. Время нанесения покрытия и важнейшие технологические параметры процесса — давление остаточных газов в камере, расход испаряемых материалов, температура нагрева, показания датчика контроля массы — фиксируются и печатаются в специальном паспорте.
