СПОСОБ И УСТРОЙСТВО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2014 года по МПК H01J3/04 

Изобретение относится к технологии ионно-плазменной обработки поверхности изделий в источнике ионов с широким энергетическим спектром в скрещенных электрическом и магнитном полях, с отбором ионов с границы плазмы и ускорении их электрическим полем.

Предполагаемое изобретение может найти применение в области энергетического машиностроения, в авиационной и в космической промышленности для создания высокоэффективных технологий обработки поверхностей изделий, предпочтительно трубчатых, с формированием в них специальных физико-механических свойств: высокой коррозионностойкости, износостойкости, твердости, антифрикционностью, создание сжимающих напряжений, залечивание микродефектов, специфической топографии поверхности.

Перспективность применения технологии ионно-плазменной обработки поверхности изделий обусловлена тем, что ее воздействие, в отличие от традиционных методов финишной обработки, характеризуется одновременным модифицированием геометрических характеристик рельефа, размеров зерен, дефектной и фазовой структуры поверхностного слоя изделия и, как следствие этого, изменением физико-механических характеристик и прочностных свойств, а также эффективной очисткой поверхности от загрязнений.

Известны способы и устройства, патенты РФ №2039126, №2167466, №2346080, №2039126, обработки поверхности изделий в ионных и плазменных пучках, сформированных в электрическом и магнитном полях в ускорителях с анодным слоем.

В качестве аналога предполагаемого изобретения рассмотрен патент РФ №2167466 в котором излагается плазменный источник ионов и способ его работы. Изобретение относится к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков, и к способам их работы. Плазменный источник ионов содержит катодную камеру с газовводом. Полый анод, образующий анодную камеру, сообщен с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в стенке последней. В состав источника ионов входит электрическая система извлечения ионов с эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры. С помощью магнитной системы в катодной и анодной камерах создается магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления. В катодной камере установлен поджигной электрод, электрически соединенный с полым анодом. В выходном отверстии катодной камеры установлен дополнительный электрод, который электрически изолирован от полого анода и катодной камеры. В дополнительном электроде выполнено осевое отверстие, диаметр d которого не превышает 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода. Указанное выполнение источника ионов и способ его работы позволяют повысить энергетическую эффективность и газовую экономичность устройства и повысить однородность плотности генерируемого ионного тока.

Предлагаемые способ и устройство не имеют прямых аналогов ни в нашей стране, ни за рубежом.

Создают скрещенные осесимметричные радиально направленное электрическое и продольное магнитное поля, соосно с осе симметричным обрабатываемым изделием.

Устанавливают соосно с изделием составной анод, с изменяемой геометрией в зависимости от формы и размеров обрабатываемой поверхности изделия.

Устанавливают по торцам соосно с изделием изолированные электроды, находящиеся под авто регулирующимся электрическим потенциалом и формируют однородное продольное магнитное поле.

Положительный эффект от модифицирования поверхности достигается за счет изменения физико-механических и структурных свойств поверхностного слоя изделия: ионная очистка, травление, полировка, поверхностное легирование, увеличение твердости, снижение коэффициента трения, создание сжимающих напряжений, залечивание микродефектов, повышение коррозионной стойкости поверхностного слоя, формирование специфической топографии поверхности.

Конструкция коаксиального источника ионов для формирования радиально сходящегося пучка ионов Не⁺, Ar⁺ с широким энергетическим спектром состоит из цилиндрического анода 1, цилиндрического катода (осесимметричного образеца) 2, полюса магнита 3, области разряда рабочего газа 4, высоковольтного ввода 5, торцевых отражателей свободных электронов (газового разряда) 6, корпуса 7. Основным элементом предлагаемого изобретения является вакуумная камера (рисунок 1), состоящая из корпуса 7, осесимметричного составного анода 1 с изменяемой геометрией в зависимости от формы и размеров обрабатываемой поверхности изделия, катода 2 - самой обрабатываемой детали, предпочтительно в виде цилиндра (труба, стержень) и полюсных наконечников электромагнита 3. При разности потенциалов между анодом и катодом выше 0,5-5 кВ (энергия ионов соответственно 0,5-5 кэВ) и напряженности магнитного поля около 0,1-1 Тл, в скрещенных полях создается газовый разряд, в котором свободные электроны движутся по круговым орбитам в интервале радиусов 10-50 мм и ионизируют рабочий газ 4 при давлениях 1×10^-2 до 100 Па, формируя симметричный радиально сходящийся к оси (на образец 2) поток ионов. С целью повышения эффективности ионизации рабочего газа установлены по торцам соосно изолированные отражательные электроды 6, находящиеся под отрицательным авто регулирующимся электрическим потенциалом относительно катода 2, в интервале значений 50-500 В, достаточным для запирания свободных электронов в разрядном промежутке анод-катод 4. Обмотки электромагнита находятся при атмосферном давлении, а магнитный поток замыкается через немагнитные стенки камеры.

Предлагаемый способ и устройство модифицирования поверхности изделий успешно апробированы в опытной лабораторной установке в режимах очистки, полировки и поверхностного легирования внешней поверхности циркониевых оболочек твэл: производительность - более 1 м² обрабатываемой поверхности в мин; потребление электроэнергии - 0,5-1 кВт час/м²; обслуживающий персонал - 1 человек; габариты установки - ширина 0,5 метра, высота - 1 метр, длина 1,5 метра.

Изобретение относится к технологии ионно-плазменной обработки поверхности изделий в источнике ионов с широким энергетическим спектром в скрещенных электрическом и магнитном полях, с отбором ионов с границы плазмы и ускорении их электрическим полем. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности. Обрабатываемое осесимметричное изделие в виде заземленного катода помещается в камеру, наполненную рабочим газом, в магнитное поле и с цилиндрическим анодом, находящимся под электрическим потенциалом в газовом разряде, с целью получения режимов очистки и травления, высоких антикоррозионных, трибологических и механических свойств осесимметричное изделие располагают соосно с осесимметричным составным анодом, с изменяемой геометрией в зависимости от формы и размеров обрабатываемой поверхности, в скрещенных осесимметричном радиально направленном электрическом и продольном магнитном полях, создают регулируемый радиально сходящийся ионный поток в интервале энергий от 0,5 до 5 кэВ и давлении рабочего газа от 10^-2 до 100 Па, для этого располагают по торцам соосно изолированные электроды, находящиеся под авторегулирующимся электрическим потенциалом, формируют продольное аксиальносимметричное однородное магнитное поле и продольно перемещают обрабатываемое изделие с осевым поворотом (вращением). Устройство содержит магнитную систему и вакуумную камеру, внутри которой размещены катод и цилиндрический анод, катод расположен осесимметрично внутри анода, по торцам которого установлены соосно изолированные отражательные электроды, в качестве катода используется осесимметричное изделие, поверхность которого подвергается обработке. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ модифицирования поверхности изделий, заключающийся в том, что обрабатываемое осесимметричное изделие в виде заземленного катода помещается в камеру, наполненную рабочим газом, в магнитное поле и с цилиндрическим анодом, находящимся под электрическим потенциалом в газовом разряде, отличающийся тем, что, с целью получения режимов очистки и травления, высоких антикоррозионных, трибологических и механических свойств, осесимметричное изделие располагают соосно с осесимметричным составным анодом с изменяемой геометрией в зависимости от формы и размеров обрабатываемой поверхности, в скрещенных осесимметричном радиально направленном электрическом и продольном магнитном полях, создают регулируемый осесимметричный радиально сходящийся ионный поток в интервале энергий от 0,5 до 5 кэВ и давлении рабочего газа от 1·10^-2 до 100 Па, для этого располагают по торцам соосно изолированные электроды, находящиеся под авторегулирующимся электрическим потенциалом, формируют продольное аксиально-симметричное однородное магнитное поле и продольно перемещают обрабатываемое изделие с осевым поворотом (вращением).

2. Устройство для модифицирования поверхности осесимметричных изделий путем ионно-плазменной обработки, содержащее магнитную систему, создающую направленное магнитное поле, вакуумную камеру, внутри которой размещены катод и цилиндрический анод, отличающееся тем, что катод расположен осесимметрично внутри анода, по торцам которого установлены соосно изолированные отражательные электроды, служащие для запирания свободных электронов внутри анода и находящиеся под отрицательным авторегулирующимся относительно катода потенциалом, а в качестве катода используется осесимметричное изделие, поверхность которого подвергается обработке.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магнитная система состоит из полюсных наконечников электромагнита, расположенных по торцам пространства, образованного цилиндрическими анодом и осесимметричным катодом, за отражательными электродами, и обмотки электромагнита, находящейся за пределами вакуумной камеры, а магнитный поток замыкается через немагнитные стенки камеры.