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.
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,
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.
Оборудование для ионно-плазменного нанесения покрытий. Система оборудования для ионно-плазменных покрытий связана с источником плазмы, выбранным для осуществления технологического процесса. В систему входят: распылительное (испарительное) устройство, предназначенное для создания ионизированного потока пара материала покрытия. В случае применения тлеющего (или дугового) разряда испарение происходит из твердой фазы, при этом распыляется катод (мишень). Для термического испарения из жидкой фазы используется дуговой разряд. При этом испаряется анод, который выполнен в виде тигля, заполненного материалом покрытия. Однако если этот материал при заданном режиме испарения может сублимировать, то испарение происходит из твердой фазы;
рабочая камера, предназначенная для монтажа всех систем, поддержания требуемого давления в ходе технологического процесса;
система управления натеканием плазмо-образующего газа, предназначенная для создания газоразрядной плазмы определенного химического состава и плотности;т система охлаждения газоразрядного устройства и термостатирования рабочей камеры, предназначенная для охлаждения мишени и анода в распылительном устройстве, деталей испарительного устройства при термическом испарении;
источник питания вспомогательного разряда, предназначенный для создания несамостоятельного разряда;
дуговое газоразрядное устройство, предназначенное для создания потока ионизированного пара;
устройство подпитки тигля, служащее для пополнения тигля материала и обеспечивающее требуемую технологическим процессом температуру и уровень расплавленного металла в тигле;
устройство перемещения и ориентации покрываемых деталей, предназначенное для повышения равномерности распределения конденсата на детали;
откачной пост, предназначенный для создания вакуума в рабочей камере и поддержания определенного давления в процессе нанесения покрытия;
система управления технологическим процессом, настраиваемая на определенный технологический цикл нанесения покрытия.
Ниже рассматривается оборудование для особых способов ионно-плазменного нанесения покрытий.
Оборудование для катодного распыления представлено типичной установкой УВН-75П-1 , которая предназначена для нанесения покрытий на гибридные интегральные схемы. Техническая характеристика установки приведена ниже. Оборудование для магнетронного нанесения покрытий подразделяется на установки периодического и непрерывного действия . Различные сочетания взаимного расположения мишени, магнитной системы и подложки (напыляемой основы) позволяют создавать многообразные типы установок магнетронного нанесения покрытий (магнетронного распылива-ния) . Для изготовления интегральных схем используют установки серии “Оратория”, автоматические линии “Магна”. Для нанесения нитридных износостойких покрытий на режущий инструмент применяют установки “Мир” с двумя магнетронами производительностью 200 тыс. изделий в год.
Другими примерами оборудования магнетронного распыливания являются установки непрерывного действия УН-101 для металлизации заготовок печатных плат и УВ-84 для алюминирования стекла в зеркальном производстве.
Зарубежные фирмы Бальцерс (Лихтенштейн), Лейбольд (Германия), Ульвак (Япония), Алкатель (Франция) выпускают автоматизированные установки магнетронного распыления со стабилизацией тока и мощности разряда, парциальных давлений рабочего и реактивного газа. Оборудование для термического испарения сжатой дугой низкого давления представлено установкой У-304, предназначенной для металлизации элементов керамических конденсаторов . Оборудование для ионного распыления в плазме дуги с термокатодом имеет схему, аналогичную рассмотренной выше . Примером являются установки У. Установка У предназначена для металлизации полосковых плат, а установка УРМЗ — для металлизации гибридных интегральных микросхем.
Оборудование для термоионного нанесения покрытий представлено автоматической установкой УВН-ЭИП с групповой обработкой подложек, используемой при изготовлении полупроводниковых схем, СВЧ-транзи-сторов . В качестве покрытий напыляют алюминий, медь, титан, кремний. Техническая характеристика 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.
