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.
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.
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 электроискрового легирования. Электроискровое легирование поверхности производится с помощью универсальных и специализированных установок (искровых генераторов), которые относятся к классу электромеханических устройств. Составными частями этих установок являются генератор импульсов тока и электродная коммутирующая система. В качестве материала для легирования используют электроды или порошки. Обобщенная структурная схема установки для ЭИЛ представлена на рис.
По качеству поверхности оборудование для электроискрового легирования подразделяется на установки для чистового (Яг < 80 мкм) и грубого (Яг > 80 мкм) легирования, по уровню механизации — на ручные, механизированные и автоматизированные.
Техническая характеристика установок для ручного электроискрового легирования электродами представлена в табл.
Механизированные и автоматизированные установки электроискрового легирования в основном являются специализированным оборудованием для упрочнения конкретных видов изделий. Техническая характеристика механизированных и автоматизированных установок электроискрового легирования из электродов приведена в табл. Для электроискрового легирования из порошков используют установки “Разряд” и “Раз-ряд-М”. Потребляемая мощность составляет не более 6 кВ • А, производительность 2…10 см2/мин, дисперсность используемого порошка 50…200 мкм.
Оборудование для лазерного легирования и модифицирования поверхностей. Для этих целей могут использоваться твердотельные лазеры импульсного действия (обработка малогабаритных прецизионных деталей, например деталей приборов) с энергией в импульсе излучения 3 Дж и выше, а также С02-лазеры непрерывного и им-пульсно-периодического действия (обработка средних и крупных по величине деталей, применяемых в машиностроении, транспорте и др.) мощностью 100 Вт и более.
При лазерном легировании в состав технологической оснастки помимо механизмов перемещения детали или луча, сканаторсв луча входит дозатор порошка или механизм подачи проволоки (в случае легирования металлическими присадками), либо система подачи легирующего газа (в случае легирования газами, например, азотом, кислородом и др.). В случае легирования смесями газов необходим смеситель с контрольной аппаратурой. Дозаторы порошка и механизмы подачи проволоки аналогичны применяемым для лазерной наплавки, но должны обеспечивать на порядок меньший расход порошка или проволоки.
