УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2016 года по МПК C23C14/56 C23C14/35 H01J37/34 H01J37/317 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к вакуумной технике, в частности к вакуумным установкам для нанесения износостойких, жаропрочных, антифрикционных покрытий на дорогостоящие детали, такие как лопатки турбин, штоки, валы и инструменты для металлообработки.

Известно устройство для нанесения многослойных токопроводящих покрытий на изделия из диэлектрических материалов и источник ионов для него (патент РФ на изобретение №2261289, МПК С23С 14/35, опубл. 27.09.2005), содержащее рабочую камеру с магнетронной распылительной системой (MPC), включающей источники распыляемого материала и ионные источники, систему питания MPC, вакуумную систему, систему напуска рабочего газа, кассету для обрабатываемых изделий и механизм ее перемещения, в котором источники распыляемого материала и ионные источники снабжены подвижными защитными экранами для защиты от осаждения на их поверхность нежелательных пленок от работы других источников распыляемого материала, которые при включении могут дать продукты загрязнения поверхности обрабатываемых изделий.

Недостатком настоящего устройства является низкое качество покрытий за счет того, что защитные экраны расположены слишком близко к источникам распыляемого материала, служат помехой их работе в закрытом состоянии и не могут быть использованы для предотвращения загрязнения поверхности изделий в начальный момент включения источников распыляемого материала за счет адсорбированных газов и окисных пленок на катодах и в тиглях этих источников.

Известно другое шлюзовое устройство для загрузки и выгрузки изделий из вакуума (авторское свидетельство СССР №1688609, МПК С23С 14/56, опубл. 01.07.1991), содержащее камеру с затвором, кассету для изделий, размещенную на столе с приводом перемещения, натекатель плавного напуска газа в камеру и откачной патрубок в виде обводной магистрали с клапаном плавной откачки камеры, а также экран в виде стакана, размещенного на столе без зазора и охватывающего внешнюю поверхность кассеты, предназначенный для повышения качества покрытий за счет сохранения чистоты поверхности изделий при откачке камеры и напуске в нее газов. Экран может быть выполнен из перфорированных листов, причем отверстия в листах расположены оптически непрозрачно, или экран может быть выполнен из спеченных гранул, причем и экран и стол выполнены со сквозными порами.

Недостатком настоящего устройства является низкое качество покрытий за счет того, что экран расположен в отдельной шлюзовой камере, а не в зоне напыления и может служить только для защиты поверхности изделий при откачке камеры до рабочего вакуума и напуске газов. Устройство не защищает поверхность изделий от привносимой дефектности, связанной с выделением адсорбированных газов при прогреве в начале работы источников распыляемого материала, а также дефектности, связанной с примесями, попадающими в начальный момент времени на напыляемые детали при распылении или испарении загрязненного поверхностного слоя источника распыляемого материала, так как находится в шлюзовой камере.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали (патент РФ на полезную модель №100519, МПК С23С 14/56, опубл. 20.12.2010), содержащая установленный в вакуумной камере, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, ионный источник, карусель, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель детали.

Недостатком настоящей установки является сниженное качество покрытий за счет осаждения пылевых взвесей, возникающих при откачке вакуумной камеры, на напыляемые поверхности деталей, от привносимой в состав покрытия дефектности, связанной с выделением адсорбированных газов при прогреве в начале работы источника распыляемого материала, а также дефектности, связанной с примесями, попадающими в начальный момент времени на напыляемые поверхности деталей при очистке поверхности мишеней источников распыляемого материала.

Технический результат заключается в повышении качества покрытий за счет защиты поверхности деталей от привносимых дефектов в виде пыли, отрываемой с поверхностей оборудования и оснастки вакуумной камеры в момент откачки вакуумной камеры, а также от осаждения нежелательных пленок при проведении процессов настройки режимов работы источников распыляемого материала, ионной очистки их мишеней и реактивного режима напыления.

Указанный технический результат достигается тем, что установка для нанесения покрытий на поверхности деталей, содержащая вакуумную камеру, внутри корпуса которой, содержащего систему газонапуска, установлен, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, выполненный в виде N магнетронов, где N - целое число и N≥1, ионный источник, карусель, установленная на валу с возможностью вращения, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель детали, выполненный с возможностью вращения детали вокруг собственной оси держателя, параллельной оси вращения карусели, проходящей в центре вакуумной камеры, высоковольтный источник напряжения смещения, низковольтный источник напряжения смещения, снабжена расположенной внутри корпуса вакуумной камеры защитной капсулой, выполненной из металла в виде перекрытых с образованием технологического зазора верхней и нижней частей с боковыми стенками в форме поверхностей вращения, штангой, закрепленной на карусели, многопозиционным электрическим переключателем, расположенным с внешней стороны корпуса вакуумной камеры, вместе с тем верхняя часть защитной капсулы выполнена с верхним глухим торцом, с расположенным на нем электрически изолированным узлом, и валом, выполненным полым, нижняя часть защитной капсулы выполнена с нижним глухим торцом, с расположенным на нем электрически изолированным стыковочным узлом для зацепления со штангой, и валом, при этом карусель и держатель расположены внутри верхней части защитной капсулы, детали расположены внутри нижней части защитной капсулы, магнетроны и ионный источник установлены по периметру защитной капсулы, при этом вал верхней части защитной капсулы установлен в верхней части корпуса вакуумной камеры и жестко соединен с валом карусели в электрически изолированном узле, а вал нижней части защитной капсулы установлен в нижней части корпуса вакуумной камеры и соединен с приводом возвратно-поступательного движения, вместе с тем оси вращения верхней и нижней частей защитной капсулы, валов верхней и нижней частей защитной капсулы, штанги, электрически изолированного узла, электрически изолированного стыковочного узла совпадают с осью вращения карусели, в то же время многопозиционный электрический переключатель выполнен с возможностью переключения высоковольтного и низковольтного источников напряжения смещения с вала карусели на вал верхней части защитной капсулы и вал нижней части защитной капсулы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема установки для нанесения покрытий на поверхности деталей.

Установка для нанесения покрытий на поверхности деталей 1 содержит вакуумную камеру 2, внутри корпуса которой установлен, по меньшей мере, один источник распыляемого материала 3, выполненный в виде N магнетронов, где N - целое число и N≥1, ионный источник 4, карусель 5, установленная на валу 6 с возможностью вращения, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель 7 детали 1, выполненный с возможностью вращения детали 1 вокруг собственной оси держателя 7, параллельной оси вращения О карусели 5, проходящей в центре вакуумной камеры 2, высоковольтный источник напряжения смещения 8, низковольтный источник напряжения смещения 9. Внутри корпуса вакуумной камеры 2 расположена защитная капсула 10, выполненная из металла в виде перекрытых с образованием технологического зазора верхней 11 и нижней 12 частей с боковыми стенками, например, в форме цилиндра или усеченного конуса. При этом карусель 5 и держатель 7 расположены внутри верхней части 11 защитной капсулы 10, детали 1 расположены внутри нижней части 12 защитной капсулы 10, магнетроны 3 и ионный источник 4 установлены по периметру защитной капсулы 10. Верхняя часть 11 защитной капсулы 10 выполнена с верхним глухим торцом и закреплена на валу 13, выполненном полым, который установлен в верхней части корпуса вакуумной камеры 2 электрически изолированными вакуумными вводами 14 и жестко соединен с валом 6 карусели 5 в электрически изолированном узле 15 верхней части 11 защитной капсулы 10. Нижняя часть 12 защитной капсулы 10 выполнена с нижним глухим торцом и закреплена на валу 16, который установлен в нижней части корпуса вакуумной камеры 2 электрически изолированными вакуумными вводами 14 и соединен муфтой 17 с приводом возвратно-поступательного движения 18. На карусели 5 закреплена штанга 19, расположенная внутри защитной капсулы 10, которая зацеплена, например, шлицевым соединением или кулачковой муфтой с нижней частью 12 защитной капсулы 10 в электрически изолированном стыковочном узле 20. Оси вращения верхней 11 и нижней 12 частей защитной капсулы 10, вала 13 верхней части 11 защитной капсулы 10, вала 16 нижней части 12 защитной капсулы 10, штанги 19, электрически изолированного узла 15, электрически изолированного стыковочного узла 20 совпадают с осью вращения О карусели 5. С внешней стороны корпуса вакуумной камеры 2, содержащего систему газонапуска 21, расположен многопозиционный электрический переключатель 22, выполненный с возможностью переключения высоковольтного 8 и низковольтного 9 источников напряжения смещения с вала 6 карусели 5 на вал 13 верхней части 11 защитной капсулы 10 и вал 16 нижней части 12 защитной капсулы 10.

Установка для нанесения покрытий на поверхности деталей работает следующим образом.

При откачке вакуумной камеры 2 верхняя 11 и нижняя 12 части защитной капсулы 10 перекрыты и неподвижны. Карусель 5, держатель 7 и детали 1 находятся внутри защитной капсулы 10. За счет ограниченной проводимости технологического зазора между верхней 11 и нижней 12 частями защитной капсулы 10 создается перепад давлений между объемом вакуумной камеры 2 и объемом, создаваемым внутри защитной капсулы 10. Это исключает попадание на поверхности деталей 1 частиц, отрываемых от поверхности всех устройств, расположенных внутри объема вакуумной камеры 2.

Затем вал 6 карусели 5 начинает вращение, которое передается валу 13 верхней части 11 защитной капсулы 10. Зацепление штанги 19 с нижней частью 12 защитной капсулы 10 в электрически изолированном стыковочном узле 20 передает ей момент вращения карусели 5. Таким образом, верхняя 11 и нижняя 12 части защитной капсулы 10 вращаются совместно с каруселью 5. Высоковольтный источник напряжения смещения 8 многопозиционным электрическим переключателем 22 подключается к валам 13 и 16 верхней 11 и нижней 12 частей защитной капсулы 10 соответственно. Электрически изолированный узел 15 сохраняет карусель 5 электрически изолированной. В вакуумную камеру 2 через систему газонапуска 21 подается рабочий газ аргон до давления 3·10^-1 Па, и при напряжении смещения 900÷1200 В зажигается тлеющий разряд между защитной капсулой 10 и корпусом вакуумной камеры 2. Защитная капсула 10 нагревается бомбардировкой ионами аргона и передает излучением тепловую энергию поверхностям деталей 1, вследствие чего осуществляется их радиационный нагрев. При необходимости интенсификации нагрева поверхностей деталей 1 в качестве источников дополнительной плазмы также можно включить магнетроны 3 (магнетронное распыление при малых разрядных токах).

Далее нижняя часть 12 защитной капсулы 10 с помощью привода возвратно-поступательного движения 18 вала 16 перемещается вниз, открывая детали 1, и остается электрически изолированной. Высоковольтный источник напряжения смещения 8 переключается на вращающийся вал 6 карусели 5. Тогда же в вакуумную камеру 2 через систему газонапуска 21 подается рабочий газ аргон до давления 3·10^-1 Па, и при напряжении смещения 900÷1200 В зажигается тлеющий разряд между деталями 1 и корпусом вакуумной камеры 2, включается ионный источник 4. Вращающиеся вокруг собственной оси детали 1 очищаются бомбардировкой ионами аргона. При этом карусель 5 защищена от воздействия разряда плавающим потенциалом верхней части 11 защитной капсулы 10. При необходимости интенсифицировать очистку поверхности деталей 1 в качестве источников дополнительной плазмы также можно включить магнетроны 3.

Затем прекращается вращение вала 6 карусели 5 и деталей 1. Высоковольтный источник напряжения смещения 8 отключается от вала 6 карусели 5. Нижняя часть 12 защитной капсулы 10 перемещается вверх и перекрывается с верхней частью 11 защитной капсулы 10. Приложением напряжения на магнетроны 3 и бомбардировкой поверхности их мишеней ионами аргона осуществляется очистка поверхности мишеней магнетронов 3 ее распылением. При этом исключается попадание на поверхности деталей 1 частиц, отрываемых от поверхности мишеней магнетронов 3.

По истечении 5-10 минут после очистки поверхности мишеней магнетронов 3 и наступлении стабилизации процесса их распыления, нижняя часть 12 защитной капсулы 10 перемещается вниз, открывая детали 1. Вал 6 карусели 5 начинает вращение, к нему подключается низковольтный источник напряжения смещения 9 и производится нанесение покрытий на поверхности деталей 1.

При необходимости получения соединений из окислов, нитридов, карбидов и карбонитридов используется смесь аргона с добавлением реакционных газов (азот, углерод, кислород и т.п.). По истечении 5-10 минут после очистки поверхности мишеней магнетронов 3 с использованием плазменного эмиссионного контроля производится настройка реактивного режима напыления. Вал 6 карусели 5, перекрытые верхняя 11 и нижняя 12 части защитной капсулы 10 остаются неподвижными. Низковольтный источник напряжения смещения 9 подключается к валам 13 и 16 верхней 11 и нижней 12 частей защитной капсулы 10, карусель 5 электрически изолирована. В вакуумную камеру 2 через систему газонапуска 21 подается рабочий газ аргон до давления 2·10^-1 Па, и при напряжении смещения 50÷150 В включаются и выводятся на рабочий режим магнетроны 3. Производится нормировка оптического сигнала излучения основного металла мишеней магнетронов 3, и поддерживается необходимый уровень снижения этого сигнала в результате напуска реакционного газа, поступающего через систему газонапуска 21 и вступающего в реакцию с распыленным материалом мишеней магнетронов 3. После наступления стабилизации процесса распыления мишеней магнетронов 3, низковольтный источник напряжения смещения 9 отключается от валов 13 и 16 верхней 11 и нижней 12 частей защитной капсулы 10, нижняя часть 12 защитной капсулы 10 перемещается вниз, открывая детали 1. Вал 6 карусели 5 начинает вращение, к нему подключается низковольтный источник напряжения смещения 9, и производится нанесение покрытий на поверхности деталей 1.

Использование изобретения позволяет повысить качество покрытий за счет защиты поверхностей деталей от привносимых дефектов в момент откачки вакуумной камеры, а также от осаждения нежелательных пленок при проведении процессов настройки режимов работы источников распыляемого материала, ионной очистки их мишеней и реактивного режима напыления.

Изобретение относится к установке для нанесения покрытий на поверхности деталей. Внутри корпуса вакуумной камеры установлен, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, выполненный в виде N магнетронов, где N - целое число и N>1, и ионный источник. Внутри корпуса камеры расположена защитная капсула, а в центре камеры установлен высоковольтный источник напряжения смещения и низковольтный источник напряжения смещения. Карусель и держатель детали расположены внутри верхней части защитной капсулы. Детали расположены внутри нижней части защитной капсулы. Магнетроны и ионный источник установлены по периметру защитной капсулы. Верхняя часть защитной капсулы выполнена с верхним глухим торцом и закреплена на валу, выполненном полым, который установлен в верхней части корпуса камеры и жестко соединен с валом карусели в электрически изолированном узле верхней части защитной капсулы. Нижняя часть защитной капсулы выполнена с нижним глухим торцом и закреплена на валу, который установлен в нижней части корпуса вакуумной камеры и соединен муфтой с приводом возвратно-поступательного движения. Оси вращения верхней и нижней частей защитной капсулы, вала верхней части защитной капсулы, вала нижней части защитной капсулы, штанги, электрически изолированного узла, электрически изолированного стыковочного узла совпадают с осью вращения карусели. С внешней стороны корпуса вакуумной камеры, содержащего систему напуска газа, расположен многопозиционный электрический переключатель, выполненный с возможностью переключения высоковольтного и низковольтного источников напряжения смещения с вала карусели на вал верхней части защитной капсулы и вал нижней части защитной капсулы. Изобретение позволяет повысить качество покрытий за счет защиты поверхности деталей от привносимых дефектов. 1 ил.

Установка для нанесения покрытий на поверхности деталей, содержащая вакуумную камеру, внутри корпуса которой установлен, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, выполненный в виде N магнетронов, где N - целое число и N≥1, ионный источник, карусель, установленная на валу с возможностью вращения, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель детали, выполненный с возможностью вращения детали вокруг собственной оси держателя, параллельной оси вращения карусели, проходящей в центре вакуумной камеры, высоковольтный источник напряжения смещения, низковольтный источник напряжения смещения и система напуска газа, отличающаяся тем, что она снабжена расположенной внутри корпуса вакуумной камеры защитной капсулой, выполненной из металла в виде перекрытых с образованием технологического зазора верхней и нижней частей с боковыми стенками в форме поверхностей вращения, штангой, закрепленной на карусели, многопозиционным электрическим переключателем, расположенным с внешней стороны корпуса вакуумной камеры, при этом верхняя часть защитной капсулы выполнена с верхним глухим торцом и с расположенным на нем электрически изолированным узлом, и валом, выполненным полым, а нижняя часть защитной капсулы выполнена с нижним глухим торцом и с расположенным на нем электрически изолированным стыковочным узлом для зацепления со штангой и валом, при этом карусель и держатель расположены внутри верхней части защитной капсулы, а нижняя часть защитной капсулы предназначена для расположения в ней деталей, при этом магнетроны и ионный источник установлены по периметру защитной капсулы, причем вал верхней части защитной капсулы установлен в верхней части корпуса вакуумной камеры и жестко соединен с валом карусели, расположенным в электрически изолированном узле, а вал нижней части защитной капсулы установлен в нижней части корпуса вакуумной камеры и соединен с приводом возвратно-поступательного движения, при этом оси вращения верхней и нижней частей защитной капсулы, валов верхней и нижней частей защитной капсулы, штанги, электрически изолированного узла, электрически изолированного стыковочного узла совпадают с осью вращения карусели, а многопозиционный электрический переключатель выполнен с возможностью переключения высоковольтного и низковольтного источников напряжения смещения с вала карусели на вал верхней части защитной капсулы и вал нижней части защитной капсулы.