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.
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 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.
