ИСТОЧНИК МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК C23C14/24 C23C14/35 H01J37/34 

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано в различных отраслях промышленности для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий методом катодного распыления на внутренние поверхности изделий, в частности на внутренние поверхности тел вращения, как открытых, так и закрытых с одной стороны (например, цилиндров, открытых только с одной стороны, внутренние поверхности конических, параболических, сферических тел вращения).

Известен электродуговой испаритель токопроводящих материалов, который содержит установленные в вакуумной камере катод из испаряемого материала, экран, датчики ионного тока и источник питания, соединенный токоподводами с анодом и катодом. Вакуумная камера является анодом, катод вытянут вдоль своей продольной оси и имеет поверхность испарения, вытянутую вдоль его продольной оси. Поверхность испарения катода ограничивается изолированным от катода экраном. Катод имеет на своих концах токоподводы, выведенные через изоляторы, вмонтированные в стенки камеры. Токоподводы подключены к управляемым ключам, электрически связанным через индивидуальные элементы включения с блоком управления и соединенным с отрицательными полюсами соответствующих источников постоянного тока, положительные полюса которых соединены с вакуумной камерой. Блок управления содержит также средство определения и управления положением катодного пятна, электрически связанное с концевыми датчиками (датчиками ионного тока) (РФ №2404284, МПК С23С 14/24, опубл. 2010 г.).

Испаритель снабжен электромагнитным устройством, выполненным с возможностью регулирования скорости перемещения области испарения материала с поверхности катода и размеров области испарения. Экран может быть выполнен в виде тонкостенного, открытого со стороны испарения материала катода кожуха коробчатой формы.

Данный испаритель обеспечивает стабильные условия работы вакуумно-плазменной установки: ионно-плазменную обработку и нанесение покрытий на детали машин и аппаратов, а также на внутренние поверхности деталей - тел вращения с соотношением диаметра к высоте не более 0,5. Однако конструкция данного испарителя не позволяет ему наносить покрытия на внутренние поверхности сложных тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является известный из патента РФ №2280709, МПК С23С 14/35, 14/54, опубл. 2006 г., источник металлической плазмы (ИМП), содержащий установленные в вакуумной камере охлаждаемый катод из испаряемого металла, анод в виде вертикальных пластин, превышающих длину катода и расположенных по окружности вдоль катода, и источник питания, соединенный токоподводами с анодом и катодом.

Катод выполнен в виде пустотелого цилиндра с полусферической вершиной, пластины анода превышают длину катода, повторяя его форму, и соединены в верхней части металлическим кольцом. В полости катода размещена магнитная система управления движением катодного пятна в виде многосекционной катушки, которая установлена на магнитопровод в виде стальной трубы. В секциях катушки размещены соленоиды, перемещение катодных пятен дугового разряда происходит под действием результирующего магнитного поля включенных соленоидов катушки.

В катоде установлен двухслойный водоохлаждаемый корпус, повторяющий форму катода и охватывающий магнитную систему управления. Установка содержит блок управления движением катодного пятна, который состоит из программируемого устройства, блока обратной связи, регулируемого многоканального источника тока, источника тока дуги и источника постоянного тока.

Данное устройство обеспечивает высокое качество наносимого покрытия на внутренние поверхности тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны и позволяет наносить покрытия на внутренние поверхности сложных тел вращения. Однако в конструкции данного источника используется сложная система многосекционных магнитных катушек, которая управляет процессом нанесения покрытия с помощью ПЭВМ, что существенно повышает себестоимость источника и снижает стабильность его работы.

Технический результат - создание более простой конструкции источника металлической плазмы и повышение стабильности его работы при повышении качества наносимого покрытия на внутренние поверхности тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны.

Сущность первого варианта заключается в том, что в источнике металлической плазмы, который содержит установленные в вакуумной камере охлаждаемый катод из испаряемого металла, анод в виде вертикальных пластин, превышающих длину катода и расположенных по окружности вдоль катода, и источник питания, соединенный токоподводами с анодом и катодом, особенность заключается в том, что источник плазмы снабжен дугогасящими экранами и датчиками ионного тока, соединенными с источником питания, катод имеет перевернутую U-образную форму и снабжен дополнительным токоподводом, соединенным с источником питания, а экраны выполнены в виде пластин, расположенных вдоль всей нерабочей поверхности катода: двух параллельных пластин, повторяющих форму катода и соединенных пластиной, расположенной во внутренней полости катода.

Всей совокупностью перечисленных признаков обеспечивается оптимальный режим управления движением катодного пятна. Этого добились за счет следующего: для ограничения зоны перемещения катодных пятен выполнили катод перевернутой U-образной формы и снабдили ИМП дугогасящими экранами и датчиками ионного тока, соединенными с источником питания. Таким образом, применив принцип автоуправления, достигли стабильного перемещения катодных пятен по рабочей поверхности катода и обеспечили создание простой конструкции ИМП, повысив стабильность его работы наряду с повышением качества наносимого покрытия на внутренние поверхности тел вращения как открытых, так и закрытых с одной стороны.

Сущность второго варианта изобретения заключается в том, что в источнике металлической плазмы, который содержит установленные в вакуумной камере охлаждаемый катод из испаряемого металла, анод в виде вертикальных пластин, превышающих длину катода и расположенных по окружности вдоль катода, и источник питания, соединенный токоподводами с анодом и катодом, особенность заключается в том, что источник плазмы снабжен дугогасящими экранами и датчиками ионного тока, соединенными с источником питания, катод имеет перевернутую V-образную форму и снабжен дополнительным токоподводом, соединенным с источником питания, а экраны выполнены в виде пластин, расположенных вдоль всей нерабочей поверхности катода: двух параллельных пластин, повторяющих форму катода и соединенных пластиной, расположенной во внутренней полости катода.

Принцип действия источника металлической плазмы по второму варианту аналогичен работе ИМП по первому варианту. А достигаемый при этом технический результат такой же, как и при осуществлении устройства по первому варианту. Отличие заключается в том, что осуществление способа по второму варианту позволяет наносить более качественное покрытие на изделия переменного диаметра.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлен общий вид источника металлической плазмы по первому варианту.

На фиг. 2 показан источник в разрезе А-А.

На фиг. 3 представлен общий вид источника металлической плазмы по второму варианту.

Источник металлической плазмы по первому варианту содержит охлаждаемый катод 1 из испаряемого металла и анод в виде вертикальных пластин 2, установленные в вакуумной камере 3 (фиг. 1-2). Пластины 2 анода расположены по окружности вдоль катода и превышают длину катода. Катод 1 имеет перевернутую U-образную форму и может быть выполнен составным из нескольких частей в виде параллелепипедов, соединенных в верхней части аркой. Каждая часть катода при этом может быть выполнена из различного металла. Катод имеет канал охлаждения, который выполнен в виде трубки 4, установленной на внутренней поверхности катода и повторяющей его форму.

Источник плазмы содержит дугогасящие экраны 5, датчики ионного тока 6, 7, размещенные на противоположных концах катода 1, и источник питания 8. Дугогасящие экраны 5 выполнены в виде двух параллельных пластин, повторяющих форму катода и соединенных пластиной, расположенной во внутренней полости катода. Пластины экранов 5 расположены вдоль всей нерабочей поверхности катода 1 и крепятся к катоду через изоляторы 9. Датчики ионного тока 6, 7, определяющие положение катодного пятна, соединены с источником питания 8. Источник питания соединен токоподводами с анодом и катодом: одним токоподводом 10 с анодом и двумя токоподводами 11, 12 с каждым основанием катода.

В нижней части катода расположено экранирующее кольцо 13, под которым установлены поджигающие электроды 14, 15, расположенные на противоположных концах катода 1, для инициирования дугового разряда. Экранирующее кольцо 13 исключает существование катодных пятен в нерабочей зоне катода - ниже поджигающих электродов 14, 15.

Вакуумная камера 3 содержит поворотное устройство 16 для установки обрабатываемой детали 17.

Источник металлической плазмы по второму варианту содержит охлаждаемый катод 1 из испаряемого металла и анод в виде вертикальных пластин 2, установленные в вакуумной камере 3 (фиг. 3). Пластины 2 анода расположены по окружности вдоль катода и превышают длину катода. Катод 1 имеет перевернутую V-образную форму и может быть выполнен составным из нескольких частей в виде параллелепипедов. Каждая часть катода при этом может быть выполнена из различного металла. Катод имеет канал охлаждения, который выполнен в виде трубки 4, установленной на внутренней поверхности катода и повторяющей его форму.

Источник плазмы содержит дугогасящие экраны 5, датчики ионного тока 6, 7, размещенные на противоположных концах катода 1, и источником питания 8. Дугогасящие экраны 5 выполнены в виде двух параллельных пластин, повторяющих форму катода и соединенных пластиной, расположенной во внутренней полости катода. Пластины экранов 5 расположены вдоль всей нерабочей поверхности катода 1 и крепятся к катоду через изоляторы 9 (фиг. 2). Датчики ионного тока 6, 7, определяющие положение катодного пятна, соединены с источником питания 8. Источник питания соединен токоподводами с анодом и катодом: одним токоподводом 10 с анодом и двумя токоподводами 11, 12 с каждым основанием катода.

В нижней части катода расположено экранирующее кольцо 13, под которым установлены поджигающие электроды 14, 15, расположенные на противоположных концах катода 1, для инициирования дугового разряда. Экранирующее кольцо 13 исключает существование катодных пятен в нерабочей зоне катода - ниже поджигающих электродов 14, 15.

Вакуумная камера 3 содержит поворотное устройство 16 для установки обрабатываемой детали 17.

Устройство по первому варианту работает следующим образом. Источник плазмы устанавливается в вакуумную камеру 3, на поворотное устройство 16 устанавливается обрабатываемая деталь 17, которая охватывает анод 2. Между катодом 1 (токоподвод 11) и анодом 2 (токоподвод 10) создается электрическое поле от источника питания. Затем поджигающий импульс, который через поджигающий электрод 14 инициирует электродуговой разряд между катодом и анодом. Катодные пятна перемещаются по рабочей поверхности катода, ограниченной дугогасящими экранами, от поджигающего электрода 14 в сторону катодного токоподвода 11. Достигая датчика ионного тока 7, источник питания переключает катодный потенциал с токоподвода 11 на токоподвод 12. Катодное пятно перемещается по поверхности катода в сторону катодного токоподвода 12. Достигая датчика ионного тока 6, источник питания 8 переключает катодный потенциал, и цикл повторяется.

Устройство по второму варианту работает аналогично устройству по первому варианту, отличие заключается в том, что устройство по второму варианту позволяет наносить более качественное покрытие на детали конусной формы.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в машиностроительной промышленности для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий на внутренние поверхности сложных тел вращения;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к источникам металлической плазмы (варианты) и может быть использовано для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий методом катодного распыления на внутренние поверхности изделий, в частности на внутренние поверхности тел вращения, как открытых, так и закрытых с одной стороны. Источник металлической плазмы (ИМП) содержит установленные в вакуумной камере охлаждаемый катод из испаряемого металла, анод в виде вертикальных пластин и источник питания, соединенный токоподводами с анодом и катодом. ИМП имеет экраны и датчики ионного тока, соединенные с источником питания. Катод по одному из вариантов имеет перевернутую U-образную форму. Экраны выполнены в виде пластин, расположенных вдоль всей нерабочей поверхности катода. Две параллельные пластины выполнены повторяющими форму катода и соединены пластиной, расположенной во внутренней полости катода, каждое основание которого соединено с токоподводом. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Источник металлической плазмы, содержащий установленные в вакуумной камере охлаждаемый катод из испаряемого металла, анод , выполненный в виде вертикальных пластин с длиной, превышающей длину катода, и расположенных по окружности вдоль катода, и источник питания, соединенный токоподводами с анодом и катодом, отличающийся тем, что он снабжен экранами и датчиками ионного тока, соединенными с источником питания, катод выполнен перевернутой U-образной формой и снабжен дополнительным токоподводом, соединенным с источником питания, а экраны выполнены в виде пластин, расположенных вдоль всей нерабочей поверхности катода, при этом две пластины, расположенные параллельно, повторяют форму катода и соединены пластиной, расположенной во внутренней полости катода, каждое основание которого соединено с токоподводом источника питания.

2. Источник металлической плазмы, содержащий установленные в вакуумной камере охлаждаемый катод из испаряемого металла, анод, выполненный в виде вертикальных пластин с длиной, превышающей длину катода, и расположенных по окружности вдоль катода, и источник питания, соединенный токоподводами с анодом и катодом, отличающийся тем, что он снабжен экранами и датчиками ионного тока, соединенными с источником питания, при этом катод выполнен перевернутой V-образной формой и снабжен дополнительным токоподводом, соединенным с источником питания, а экраны выполнены в виде пластин, расположенных вдоль нерабочей поверхности катода, причем две пластины расположены параллельно, выполнены формой, повторяющей форму катода, и соединены пластиной, расположенной во внутренней полости катода, каждое основание которого соединено с токоподводом источника питания.