СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ И ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2015 года по МПК C23C14/34 

Изобретение относится к технике и технологии нанесения защитных ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, например, для защиты рабочих и направляющих лопаток турбомашин.

Широко известны способы и установки для нанесения защитных покрытий путем осаждения из вакуумно-дуговой плазмы материала покрытия с использованием электродуговых испарителей металлов, содержащий катод, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения и источник постоянного тока, соединенный с катодом и анодом [например, Патент США 3793179, МПК С23С 14/32, 1974].

Используемые в таких установках катоды, выполненные из материала покрытия, используются, как правило, для испарения токопроводящих материалов и нанесения упрочняющих покрытий ограниченной толщины на детали машин из плазмы испаряемого материала (патент Великобритании №1322670, патент США №5529674, патент ЕП №0922606).

Недостатком электродуговых испарителей, используемых на установках для нанесения покрытий указанного типа, является ограниченный запас испаряемого материала, а также низкая производительность, что не позволяет наносить защитные покрытия большой толщины (порядка 20-40 мкм) на детали машин в одном цикле напыления.

Известен электродуговой испаритель, содержащий цилиндрический охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда, средствами фиксации положения катодного пятна на поверхности испарения катода (патент США 6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09).

Применение магнитных фиксаторов катодного пятна в последних двух технических решениях (А.С. СССР 1524534, МПК С23С 14/00, «Установка для нанесения защитных покрытий» опубл. 2000.09.27) и (Патент США 6926811, МПК С23С 14/34, «Arc-coating process with rotating cathodes», опубл. 2005.08.09) позволяет управлять положением и параметрами катодного пятна.

Известен электродуговой испаритель металлов, содержащий анод, охлаждаемый катод электродугового разряда, вытянутый вдоль своей продольной оси, выполненный из испаряемого материала и имеющий поверхность испарения, расположенную вдоль продольной оси, и токоподводы с противоположных торцов катода, подключенные к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом [А.С. СССР 461163, МПК С23С 14/32, 1975].

В известном электродуговом испарителе катодное пятно под воздействием электромагнитного поля тока, протекающего по катоду, всегда движется в направлении токоподвода. Когда катодное пятно достигает торца катода, средство определения положения катодного пятна вырабатывает электрический сигнал, который поступает на блок управления. Блок управления обеспечивает включение управляемого ключа, расположенного у торца катода, противоположного тому, где находится катодное пятно, одновременно отключая другой ключ.

Однако известные электродуговые испарители не обеспечивают стабильного и надежного процессов ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий на детали машин и аппаратов, поскольку в процессе работы установки с известными испарителями возникает вероятность возникновения дуги между анодом и нерабочей частью испарителя. Кроме того, известные испарителя не обеспечивают постоянства геометрических параметров области испарения материала катода и скорости ее перемещения, что также отрицательно сказывается на надежности технологических процессов обработки деталей.

Известен охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала, в виде цилиндрических обечаек, последовательно укрепленных по высоте на цилиндрическом стакане, который соединен с полым электроизоляционным штоком, соединенным вне вакуумной камеры с приводом, охлаждаемый катод снабжен расположенным соосно в полости цилиндрического стакана цилиндрическим магнитным фиксатором катодного пятна, кинематически связанным с приводом при помощи полой штанги, размещенной в полом электроизолированном штоке охлаждаемого катода (А.С. СССР 1524534, МПК С23С 14/00, «Установка для нанесения защитных покрытий» опубл. 2000.09.27).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа способа и устройства, являются способ нанесения покрытий, включающий размещение деталей в вакуумной камере, приложение к деталям потенциала электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов, по крайней мере, одного катода, выполненного в виде цилиндрической обечайки и снабженного магнитны фиксатором области катодных пятен (патент РФ №2187576. МПК С23С 14/38. УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ. Опубл. 2002) и электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме, содержащий по крайней мере один охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда, с расположенным внутри катода магнитным фиксатором положения области катодных пятен (патент РФ №2187576. МПК С23С 14/38. УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ. Опубл. 2002).

Известный способ нанесения покрытия и электродуговой испаритель для его реализации используют для испарения материала катода область катодных пятен в виде кольца, вокруг возвратно-поступательно перемещающегося катода, при фиксированном положении фиксатора катодных пятен. В рассматриваемом способе используется, как правило, центральное расположение цилиндрического катода, что является наиболее целесообразным для обеспечения идентичных условий нанесения покрытий на детали, расположенных вокруг катода.

Однако данный способ нанесения покрытия и электродуговой испаритель обладают рядом недостатков, приводящих к снижению производительности нанесения покрытий, снижению их качества за счет повышенного содержания капельной фазы в покрытии. Это связано с тем, что при нанесении покрытий, данный испаритель работает при высокой концентрации энергии в катодном пятне дуги, происходит интенсивный локальный перегрев поверхностного слоя материала катода, приводящее к его чрезмерному расплавлению и разбрызгиванию с образованием капельной фазы. Кроме того, для испарения материала используется только небольшой участок катода, что резко снижает рабочую зону нанесения покрытия на детали и приводит к разнотолщинности покрытия, связанной с различной интенсивностью осаждения материала по высоте детали (распыление материала в радиальном направлении от цилиндрического катода идет в форме струи, и количество осаждаемого материала снижается от центральной ее части к периферии).

Задачей, на выполнение которой направлено данное техническое решение, является возможность создания такого способа и электродугового испарителя для его реализации, который обеспечивал бы повышение производительности процесса нанесения покрытия при одновременном повышении его качества.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение производительности нанесения покрытий за счет увеличения площади распыления материала катода, повышение качества покрытия за счет снижения содержания в нем капельной фазы и обеспечения равнотолщинности покрытия.

Технический результат достигается тем, что в способе нанесения покрытий, включающем размещение деталей в вакуумной камере, приложение к деталям потенциала электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материалов, по крайней мере, одного катода, выполненного в виде цилиндрической обечайки и снабженного магнитным фиксатором области катодных пятен, в отличие от прототипа, упомянутый фиксатор выполнен с возможностью обеспечения области образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода и перемещающейся по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации, а возвратно-поступательное перемещение области катодных пятен упомянутой полосы осуществляют за счет переключения полярности противоположных торцов катода, при этом возможны следующие варианты способа: используют центральное расположение катода в вакуумной камере; используют скорость перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода от 0,2 м/с до 30 м/с; при нанесении покрытий детали вращают вокруг собственной оси и перемещают относительно катода; после ионной очистки проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали, причем ионную очистку проводят ионами Ar и/или N при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 90 мкА/см² до 200 мкА/см² в течение от 0,2 до 0,5 ч, затем проводят ионную имплантацию ионами одного или нескольких элементов N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si. при энергии от 25 до 60 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 5·10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1; в качестве материала покрытия наносят жаростойкий сплав состава Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное, или состава Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное, или состава Si - от 4,0 до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, используя в качестве детали лопатку турбины газотурбинного двигателя или газотурбинной установки из никелевого или кобальтового сплава; при нанесении покрытий детали вращают вокруг собственной оси и перемещают относительно катода;

после ионной очистки проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали, причем ионную очистку проводят ионами Ar и/или N при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 90 мкА/см² до 300 мкА/см² в течение от 0,2 до 0,5 ч, затем проводят ионную имплантацию ионами одного или нескольких элементов N, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si при энергии от 25 до 60 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 5·10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1; в качестве материала покрытия используют нитриды Me-N, карбиды Ме-С и карбо-нитриды Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, N - азот, С - углерод; используя в качестве детали лопатку из титановых сплавов или высоколегированных сталей или сплавов на никелевой основе для компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или паровой турбины; при нанесении покрытия обеспечивают параллельность осей вращения деталей с осью катода; используют катод, выполненный из одного из следующих металлов Ni, Co, Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Y, La, и/или любого сплава на основе указанных металлов; нанесение покрытия производят в среде реакционного газа, в качестве которого используют азот и/или углерод при давлении 10-2^-5·10^-4 мм рт.ст.; в качестве детали используют лопатку турбомашины; используют цилиндрический катод с размерами в диапазонах: высота - от 200 мм до 3000 мм, внешний диаметр - от 200 до 600 мм, толщина стенки катода - от 10 до 80 мм, причем ширину упомянутой полосы области образования катодных пятен выбирают от 5 мм до 40 мм.

Технический результат достигается также тем, что в электродуговом испарителе для нанесения покрытий в вакууме, содержащий по крайней мере один охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда, с расположенным внутри катода магнитным фиксатором положения области катодных пятен, отличающийся тем, что упомянутый фиксатор выполнен с возможностью образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода и с возможностью перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации, а средства электрической связи катода с источником электропитания разряда выполнены в виде токоподводов с противоположных торцов катода, подключенных к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, при этом возможны следующие варианты испарителя: магнитный фиксатор положения области катодных пятен выполнен в виде протяженного стержня, расположенного эксцентрично продольной оси цилиндрической обечайки катода и выполненной с возможностью перемещения по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода; перемещение упомянутого магнитного фиксатора по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода, обеспечивается коленчатым или эксцентриковым валом; магнитный фиксатор положения области катодных пятен выполнен в виде расположенных по периферии катоды магнитных катушек, выполненных с возможностью последовательного включения с выключением предыдущей магнитной катушки, а цилиндрический катод выполнен с размерами, выбранными из диапазона: высота - от 200 до 3000 мм, внешний диаметр - от 200 до 600 мм, толщина стенки катода - от 10 до 80 мм.

Перечисленные существенные признаки предлагаемого изобретения позволяют достичь технического результата предлагаемого изобретения - повысить производительность нанесения покрытий за счет увеличения площади распыления материала катода, повысить качество покрытия за счет снижения содержания в нем капельной фазы и обеспечения равнотолщинности покрытия.

Управляемость положением области катодных пятен определяется величиной магнитного поля, чем больше напряженность магнитного поля, тем выше управляемость. В предлагаемом техническом решении управление областью катодных пятен (или областью испарения материала катода) обеспечивается за счет нескольких приемов. Первый прием заключается в создании области образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода. Поскольку магнитное поле магнитным фиксатором положения области катодных пятен создается в виде полосы, то и область испарения материала катода также формируется подобно ей, в виде той же самой полосы на катоде. При этом полоса на катоде расположена вдоль продольной оси обечайки катода (вдоль образующей цилиндрической поверхности катода). Однако указанная область испарения материала катода в виде полосы, инициируемой магнитным фиксатором не была бы стабильна, если бы не использовался второй прием - обеспечение возвратно-поступательного перемещения области катодных пятен по упомянутой полосе за счет переключения полярности противоположных торцов катода. Второй прием позволяет управлять областью катодных пятен за счет синхронизации переключения полярности торцов катода и скорости перемещения области катодных пятен от одного торца катода до другого. Как только область катодных пятен достигает противоположного торца катода (при передвижении вдоль оси обечайки катода), происходит переключение полярности торцов катода и область катодных пятен начинает перемещаться в обратную сторону. Скорость перемещения области катодых пятен составляет от 8 м/с до 20 м/с. При такой скорости перемещения область испарения практически представляет собой сплошную полосу, тянущуюся от одного торца катода до другого. Однако, формирование области испарения только в виде упомянутой полосы не позволит достичь эффекта предлагаемого изобретения, поэтому используется третий прием управления областью катодных пятен - перемещение упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации. Скорость перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода берется от 0,2 м/с до 30 м/с.

В результате использования всех трех приемов управления областью катодных пятен создается значительная площадь испарения материала, практически одновременно со всей поверхности катода. Это позволяет достичь следующих двух важных эффектов. Первый достигаемый эффект заключается в том, что быстрая смена зоны испарения материала катода предотвращает перегрев локальных участков, что значительно уменьшает количество капельной фазы в испаренном материале катода. Как правило, использование в катодах охлаждения только за счет теплоотвода через стенку катода (например водоохлаждаемый катод), недостаточно для предотвращения интенсивного расплавления металла в области действия катодных пятен (электрической дуги). В то же время охлаждение за счет скоростного подвода в зону испарения материала новой поверхности дает дополнительный эффект, снижающий процесс образования капельной фазы. При этом количество теплоты удаляемого из области воздействия катодных пятен участка катода достаточно для продолжения на какое-то время процесса испарения материала. Кроме того, за счет уноса теплоты испарением происходит дополнительное охлаждение этого участка катода. Второй достигаемый эффект связан со значительным увеличением области испарения материала, что приводит к повышению рабочего объема установки, а следовательно, к увеличению количества одновременно обрабатываемых деталей (повышению производительности процесса обработки).

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан катодный узел с магнитным фиксатором, выполненным в виде протяженного стержня, расположенного эксцентрично продольной оси цилиндрической обечайки катода (а - в продольном сечении, б - в поперечном сечении); на фиг.2 - катодный узел с магнитным фиксатором, выполненным в виде расположенных по периферии катоды магнитных катушек (а - в продольном сечении, б - в поперечном сечении); на фиг.3 - сравнение вариантов площадей испарения катодов: а - по прототипу, б - по предлагаемому способу; на фиг.4 - область образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода и перемещающейся по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода.

Фигуры 1-4 содержат: 1 - катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки; 2 - охлаждаемый катододержатель; 3 - магнитный фиксатор области катодных пятен; 4 - магнитное поле; 5 - зона испарения материала катода; 6 - поток испаренного материала; 7 - область образования катодных пятен в виде полосы; (стрелками обозначено направление перемещения области катодных пятен: сплошной стрелкой - направление вращения области катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода, сплошной и пунктирной окаймленной стрелками - возвратно-поступательное перемещение области катодных пятен полосы за счет переключения полярности противоположных торцов катода; «+» и «-» - полярность торцов катода).

Электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме (фиг.1, фиг.2, фиг.4), содержит охлаждаемый катод 1, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки, снабженный, через катододержатель 2 средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода 1 с источником электропитания разряда. Внутри катода 1 расположен магнитный фиксатор 3 положения области катодных пятен. Фиксатор 3 выполнен с возможностью образования катодных пятен в виде полосы 7 (фиг.4), ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода 1. Фиксатор 3 обеспечивает перемещение полосы 7 по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода 1 с сохранением своей ориентации вдоль оси обечайки катода 1. Средства электрической связи катода 1 с источником электропитания разряда выполнены через катододержатель 2 в виде токоподводов с противоположных торцов катода, подключенных к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом. По сравнению с прототипом (патент РФ №2187576) предлагаемый способ (фиг.3б) обеспечивает испарение материала катода 1, практически со всей его поверхности 5 одновременно, в то время как у прототипа происходит испарение только на локальном участке 5 поверхности катода 1 - в виде кольца (фиг.3а).

Способ осуществляется, а устройство работает следующим образом (фиг.1, фиг.2, фиг.4). С помощью системы поджига (не показана) на поверхности испарения катода 1 возбуждается катодное пятно вакуумной дуги. Катодное пятно движется в сторону перемещения регулируемого магнитного фиксатора 3. При этом магнитный фиксатор 3 создает магнитное поле 4 в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси катода 1. Магнитное поле 4 инициирует образование области катодных пятен в виде полосы 7, а переключение полярности торцов катода 1 обеспечивает перемещение области катодных пятен по указанной полосе 7, на которой и происходит испарение материала катода 1. При этом магнитный фиксатор 3 перемещающейся по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода 1 с сохранением своей ориентации вдоль оси обечайки катода 1, что обеспечивает перемещение 7 по всей цилиндрической поверхности катода 1. Значительная скорость перемещения полосы 7 по поверхности катода 1 (от 0,2 до 30 м/с) позволяет практически одновременно испарять материал со всей поверхности катода 1 (фиг.3б и фиг.4). Скорость движения области катодных пятен за счет перемещения полосы 7 по поверхности катода и возвратно-поступательное передвижение области катодных пятен за счет синхронного переключения полярности торцов катода выбираются из условия наименьшего нагрева поверхности катода 1.

Для повышения равномерности нанесения покрытий на детали, а также для расширения функциональных возможностей могут использоваться следующие варианты расположения катодов: периферийное, центральное, а также комбинированное - сочетание центрального расположения катодов с периферийным. При использовании в вакуумной установке периферийного расположения катодов нанесения покрытия происходит в направлении от периферии к центру и детали, проходя зоны распыления каждого из катодов, образуют слои покрытия, соответствующие химическому составу и конструкции соответствующего составного катода. При использовании центрального расположения катодов нанесения покрытия происходит в направлении от центра к периферии и детали, также проходя зону распыления каждого катода, также образуют слои покрытия, соответствующие химическому составу и конструкции соответствующего составного катода, однако с несколько иным эффектом, который, в частности, определяется более экономичным использованием материала катодов. При использовании комбинированного расположения катодов - центрального и периферийного, кроме перечисленных эффектов, дополнительно значительно усиливается эффект смешения испаряемых материалов катодов, связанный с взаимным осажденим и реиспарением материалов соседних катодов.

Для оценки предлагаемого технического решения по таким характеристикам, как: повышение производительности нанесения покрытий, повышение качества покрытия за счет снижения содержания в нем капельной фазы и обеспечения равнотолщинности покрытия были проведены исследования по сравнению с теми же характеристиками способа-прототипа. При этом характеристики прототипа или близкие к нему характеристики признавались неудовлетворительными (Н.Р.), а характеристики, превышающие характеристики прототипа, - как удовлетворительный результат (У.Р.)

Покрытия наносились на образцы из следующих материалов: из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе 20Х13, 15Х11МФ, ЭИ961, ЭП866, ЭП708; из титановых сплавов ВТ6, ВТ 18-У и ВТ9; из кобальтовых и никелевых сплавов (ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000).

Режимы обработки образцов.

Ионная очистка: ионы Ar и/или N при энергии 6 кэВ - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 8 кэВ - удовлетворительный результат (У.Р.); 10 кэВ (У.Р.); 12 кэВ (Н.Р.); плотность тока: 80 МкА/см² (Н.Р.); 90 МкА/см² (У.Р.); 130 МкА/см² (У.Р.); 200 МкА/см² (У.Р.); 220 МкА/см² (Н.Р.); время ионной очистки: 0,1 часа (Н.Р.); 0,2 часа (У.Р.); 0,5 часа (У.Р.); 0,8 часа (Н.Р.).

Ионная имплантация ионами N, Yb, Y, La, Hf, Cr, Si: энергия - 20 кэВ (Н.Р.); 25 кэВ (У.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 60 кэВ (У.Р.); 70 кэВ (Н.Р.); доза - 1,2·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); 1,6·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 5·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 6·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); скоростью набора дозы - 0,4·10¹⁵ с^-1 (Н.Р.); 0,7·10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 1·10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 3·10¹⁵ с^-1 (Н.Р.).

Создание требуемого вакуума производилось турбомолекулярным насосом; создавали вакуум от 10^-5 до 10^-7 мм рт.ст.

После обработки деталей проводили постимплантационный отжиг в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

Ионную имплантацию проводили как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В качестве образцов использовались также лопатки компрессора газотурбинного двигателя, лопатки газотурбинной установки и лопатки паровой турбины - из вышеуказанных сплавов.

В качестве жаростойких покрытий использовались сплавы составов: Cr - от 18% до 34% (14% - (Н.Р.); 18% (У.Р.); 22% (У.Р.); 26% (У.Р.); 34% (У.Р.); 38% - (Н.Р.)); Al - от 3% до 16% (2% - (Н.Р.); 3% (У.Р.); 6% (У.Р.); 9% (У.Р.); 11% (У.Р.); 12% (У.Р.); 16% (У.Р.); 18% - (Н.Р.)); Y - от 0, 2% до 0,7% (0, 1% - (Н.Р.); 0,2% (У.Р.); 0,4% (У.Р.); 0,5% (У.Р.); 0,7% (У.Р.); 0,8% - (Н.Р.)); Ni - остальное, и составов: Cr - от 18% до 34% (14% - (Н.Р.); 18% (У.Р.); 26% (У.Р.); 34% (У.Р.); 38% - (Н.Р.)); Al - от 3% до 16% (2% - (Н.Р.); 3% (У.Р.); 6% (У.Р.); 12% (У.Р.); 16% (У.Р.); 18% - (Н.Р.)); Y - от 0,2% до 0,7% (0,1% - (Н.Р.); 0,2% (У.Р.); 0,4% (У.Р.); 0,7% (У.Р.); 0,8% - (Н.Р.)); Со - от 16% до 30% (14% - (Н.Р.); 16% (У.Р.); 24% (У.Р.); 30% (У.Р.); 32% - (Н.Р.);); Ni - остальное, и их сочетания; Si - от 4,0% до 12, 0% (3,0% - (Н.Р.); 4,0% (У.Р.); 6,0% (У.Р.); 8,0% (У.Р.); 12,0% (У.Р.); 14,0% - (Н.Р.)); Y - от 1,0 до 2,0% (0,8% - (Н.Р.); 1,0% (У.Р.); 1,2% (У.Р.); 1,6% (У.Р.); 2,0% (У.Р.); 2,2% - (Н.Р.)); Al - остальное.

На образцы были нанесены покрытия из нитридов Me-N, карбидов Ме-С и карбонитридов Me-NC (где Me - металлы, N - азот, С - углерод). В качестве металлов использовались: Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiALZrMo и их сочетания. Все варианты исследуемых покрытий показали удовлетворительные характеристики как по производительности процесса нанесения, так и по минимальному количеству содержания капельной фазы и равнотолщинности покрытий.

Для нанесения покрытий использовали цилиндрические катоды с размерами в диапазонах: высота - от 200 мм до 3000 мм (160 мм - (Н.Р.); 200 мм - (У.Р.); 800 мм - (У.Р.); 2000 мм - (У.Р.); 3000 мм - (У.Р.); 3400 мм - (Н.Р.)), внешний диаметр - от 200 мм до 600 мм (160 мм - (Н.Р.); 200 мм - (У.Р.); 400 мм - (У.Р.); 600 мм - (У.Р.); 700 мм - (Н.Р.)), толщина стенки катода - от 10 мм до 80 мм (8 мм - (Н.Р.); 10 мм - (У.Р.); 20 мм - (У.Р.); 80 мм - (У.Р.); 100 мм - (Н.Р.)), ширина полосы области образования катодных пятен от 5 мм до 40 мм (3 мм - (Н.Р.); 5 мм - (У.Р.); 20 мм - (У.Р.); 40 мм - (У.Р.); 60 мм - (Н.Р.)).

Использовались следующие варианты магнитного фиксатора положения области катодных пятен: в виде протяженного стержня, расположенного эксцентрично продольной оси цилиндрической обечайки катода и выполненной с возможностью перемещения по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода (перемещение магнитного фиксатора по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода, обеспечивалось как коленчатым валом, так и эксцентриковым валом); в виде расположенных по периферии катода магнитных катушек, выполненных с возможностью последовательного включения с выключением предыдущей магнитной катушки.

Испарение материала с катода производилость при следующих условиях образования области катодных пятен на его поверхности. Использовались магнитные фиксаторы указанных выше типов, которые обеспечили ширину полосы области образования катодных пятен от 5 мм до 40 мм. В процессе работы электродугового испарителя зона испарения материала формировалась в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода. При этом осуществлялось перемещение упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации. Кроме того, средства электрической связи катода с источником электропитания разряда, выполненные в виде токоподводов с противоположных торцов катода, подключенных к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления и соединенные с источником постоянного тока, соединенным также с анодом, обеспечивали возвратно-поступательное перемещение области катодных пятен по упомянутой полосе за счет переключения полярности противоположных торцов катода. Скорость перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода, составляла от 0,2 м/с до 30 м/с (0,1 м/с (Н.Р.); 0,2 м/с (У.Р.); 2,5 м/с (У.Р.); 10 м/с (У.Р.); 30 м/с (У.Р.); 35 м/с (Н.Р.)).

Использовалось как центральное расположение одного катода, так и нескольких (три катода на одной оси или один центральный три периферийных катода) в вакуумной камере. Катоды были выполнены из из следующих металлов Ni, Co, Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Y, La, а также сплавов на основе указанных металлов систем (Ni-Со; Ni-Со-Cr; Ni-Со-Cr-Al; Ni-Co-Cr-Al-Y; Ni-Cr-Al-Y; Ni-Со-Cr-Al-Y-Hf; Ni-r-Al-Y-Hf; Co-Cr-Al-Y-Hf-La; Ni-Cr-Al-Y-Hf-La; Ni-Co-Cr-Al-Ti-Zr-Y-Hf-La). Нанесение покрытия производили как в вакууме (10^-6-10^-9 мм рт.ст.), так и в среде реакционного газа, в качестве которого использовали азот и/или углерод при давлении 10^-5-10^-4 мм рт.ст.

Исследование равнотолщинности покрытий показало, что при нанесении покрытия со средним значением толщины в 60 мкм, толщина по способу-прототипу находится в диапазоне от 40 до 70 мкм, в то время как по предлагаемому способу толщина находится в пределах 58-61 мкм.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает создание такого способа и электродугового испарителя для его реализации, который повышает производительность процесса нанесения покрытия при одновременном повышении его качества. Повышение производительности нанесения покрытий обеспечивается увеличением площади распыления материала катода, повышение качества покрытия обеспечивается снижением содержания в нем капельной фазы, а также обеспечением равнотолщинности покрытия, которое повышается за счет практически одновременного испарения материала со всей цилиндрической поверхности катода в виде равномерного потока.

Изобретение относится к технике и технологии нанесения защитных ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, например, для защиты рабочих и направляющих лопаток турбомашин. Способ включает размещение деталей в вакуумной камере, приложение к деталям потенциала электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материала катода. Катод выполнен в виде цилиндрической обечайки с магнитным фиксатором области катодных пятен. Фиксатор выполнен с возможностью обеспечения области образования катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода и перемещающейся по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации. Возвратно-поступательное перемещение области катодных пятен по упомянутой полосе осуществляют за счет переключения полярности противоположных торцов катода. В установке используют центральное расположение катода в вакуумной камере. В результате достигается равномерность покрытия. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил, 1 пр.

1. Способ нанесения покрытий в вакууме, включающий размещение деталей в вакуумной камере, приложение к деталям потенциала электрического смещения, ионную очистку поверхности деталей и нанесение на них покрытия электродуговым испарением материала, по крайней мере, одного катода, расположенного в центре вакуумной камеры и выполненного в виде цилиндрической обечайки с магнитным фиксатором области катодных пятен, отличающийся тем, что упомянутый фиксатор выполнен с возможностью образования сплошной области катодных пятен в виде полосы, соединяющей торцы катода , ориентированной вдоль его продольной оси и перемещающейся по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением своей ориентации вдоль его продольной оси , при этом осуществляют возвратно-поступательное перемещение упомянутой области катодных пятен путем переключения полярности противоположных торцов катода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутую полосу перемещают по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода, со скоростью от 0,2 м/с до 30 м/с путем вращения упомянутой полосы относительно продольной оси цилиндрической обечайки катода.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при нанесении покрытий детали вращают вокруг собственной оси и перемещают относительно катода, а после ионной очистки проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали, причем ионную очистку проводят ионами Ar и/или N при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 90 мкА/см² до 200 мкА/см² в течение от 0,2 до 0,5 ч, затем проводят ионную имплантацию ионами одного или нескольких элементов из N, Nb, Pt, Yb, Y, La, Hf, Cr и Si при энергии от 25 до 60 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 5·10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1, а в качестве материала покрытия наносят жаростойкий сплав состава Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное, или состава Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное, или состава Si - от 4,0 до 12,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al - остальное, причем в качестве детали используют лопатку турбины газотурбинного двигателя или газотурбинной установки из никелевого или кобальтового сплава.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при нанесении покрытий детали вращают вокруг собственной оси и перемещают относительно катода, а после ионной очистки проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали, причем ионную очистку проводят ионами Ar и/или N при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 90 мкА/см до 300 мкА/см в течение от 0,2 до 0,5 ч, затем проводят ионную имплантацию ионами одного или нескольких элементов из N, Yb, Y, La, Hf, Cr и Si при энергии от 25 до 60 кэВ, дозой от 1,6·10¹⁷ см^-2 до 5·10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1·10¹⁵ с^-1, а в качестве материала покрытия используют нитриды Me-N, карбиды Ме-С и карбонитриды Me-NC, где Ме - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, N - азот, С - углерод, причем в качестве детали используют лопатку из титановых сплавов или высоколегированных сталей или сплавов на никелевой основе для компрессора газотурбинного двигателя, или газотурбинной установки, или паровой турбины

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что при нанесении покрытия обеспечивают параллельность осей вращения деталей с осью катода.

6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что используют катод, выполненный из одного из следующих металлов Ni, Со, Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Y, La, и/или любого сплава на основе указанных металлов.

7. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что нанесение покрытия производят в среде реакционного газа, в качестве которого используют азот и/или углерод при давлении 10^-5·10^-4 мм рт. ст.

8. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве детали используют лопатку турбомашины.

9. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что используют цилиндрический катод с высотой от 200 мм до 3000 мм, внешним диаметром от 200 до 600 мм, толщиной стенки катода от 10 до 80 мм, причем упомянутую полосу области образования катодных пятен создают шириной от 5 мм до 40 мм.

10. Способ п. 5, отличающийся тем, что используют цилиндрический катод с высотой от 200 мм до 3000 мм, внешним диаметром от 200 до 600 мм, толщиной стенки катода от 10 до 80 мм, причем упомянутую полосу области образования катодных пятен создают шириной от 5 мм до 40 мм.

11. Способ п. 6, отличающийся тем, что используют цилиндрический катод с высотой от 200 мм до 3000 мм, внешним диаметром от 200 до 600 мм, толщиной стенки катода от 10 до 80 мм, причем упомянутую полосу области образования катодных пятен создают шириной от 5 мм до 40 мм.

12. Способ п. 7, отличающийся тем, что используют цилиндрический катод с высотой от 200 мм до 3000 мм, внешним диаметром от 200 до 600 мм, толщиной стенки катода от 10 до 80 мм, причем упомянутую полосу области образования катодных пятен создают шириной от 5 мм до 40 мм.

13. Способ п. 8, отличающийся тем, что используют цилиндрический катод с высотой от 200 до 3000 мм, внешним диаметром от 200 до 600 мм, толщиной стенки катода от 10 до 80 мм, причем упомянутую полосу области образования катодных пятен создают шириной от 5 до 40 мм.

14. Электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме, содержащий по крайней мере один охлаждаемый катод, выполненный из испаряемого материала в виде цилиндрической обечайки со средствами подвода-отвода охлаждающей среды, средствами электрической связи катода с источником электропитания разряда и с расположенным внутри катода магнитным фиксатором положения области катодных пятен, отличающийся тем, что упомянутый фиксатор выполнен с возможностью образования сплошной области катодных пятен в виде полосы, ориентированной вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода и с возможностью перемещения упомянутой полосы по траектории, коаксиальной окружности цилиндрической обечайки катода с сохранением ориентации вдоль продольной оси цилиндрической обечайки катода, а средства электрической связи катода с источником электропитания разряда выполнены в виде токоподводов на противоположных торцах катода, подключенных к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления, и связанные с источником постоянного тока, соединенным с анодом.

15. Электродуговой испаритель по п. 14, отличающийся тем, что магнитный фиксатор положения области катодных пятен выполнен в виде протяженного стержня, который расположен эксцентрично продольной оси катода с возможностью перемещения по окружности с центром, расположенным на оси катода.

16. Электродуговой испаритель по п. 15, отличающийся тем, что он снабжен коленчатым или эксцентриковым валом для перемещения упомянутого магнитного фиксатора по окружности с центром, расположенным на оси цилиндрической обечайки катода.

17. Электродуговой испаритель по п. 14, отличающийся тем, что магнитный фиксатор положения области катодных пятен выполнен в виде расположенных по периферии катода магнитных катушек, выполненных с возможностью последовательного включения с выключением предыдущей магнитной катушки.

18. Электродуговой испаритель по любому из пп. 14-17, отличающийся тем, что цилиндрический катод выполнен с высотой от 200 до 3000 мм, внешним диаметром от 200 до 600 мм, толщиной стенки катода от 10 до 80 мм.