Способ непрерывного контроля толщины напыляемой на лопатки керамики в электронно-лучевой вакуумной установке Российский патент 2022 года по МПК G01B7/06 G01N5/02 C23C14/56 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к области методов контроля толщины покрытий в установках электронно-лучевого испарения.

Широко применяемым способом нанесения покрытия является метод электронно-лучевого испарения реагента и последующей конденсации его в вакууме. Электронно-лучевое испарение в вакууме сопровождается возникновением различного рода нестабильностей, которые приводят к изменению скорости испарения рабочего реагента и, следовательно, к отклонению толщины покрытия от заданного значения и неравномерности получаемых свойств. Существенная нестабильность процесса нанесения покрытия возникает при измерении температурного поля в камере испарения и вакуумного осаждения. Поэтому необходим постоянный контроль толщины напыляемого покрытия.

Одним из методов контроля толщины напыляемого слоя является измерение толщины покрытия контрольного образца. Для этого необходимо максимально приблизить условия осаждения на контрольном образце к условиям осаждения на покрываемых деталях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ непрерывного контроля толщины покрытий при их напылении на детали, описанный в авторском свидетельстве SU 1415041 (кл. G01B 7/06, 15.09.1986). Известный способ заключается в определении толщины покрытия по контрольному образцу.

Однако известный способ нельзя использовать на установке напыления теплозащитного покрытия методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме, т.к. материал покрытия является неэлектропроводным - это керамика.

Задачей изобретения является повышение качества покрытия лопаток и стабилизация их конструктивных свойств.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного способа, является повышение точности измерения толщины напыляемого слоя керамики на лопатках, а соответственно, повышение качества продукции, снижение количества лопаток с недопыленным или перепыленным слоем керамики, идущих на переподготовку и перенапыление.

Технический результат изобретения достигается тем, что в предложенном способе непрерывного контроля толщины напыляемой на лопатки керамики в электронно-лучевой вакуумной установке определяют толщину напыляемого покрытия по контрольному образцу, размещенному в одной камере с лопатками. Перед началом рабочего напыления экспериментальным путем при заданных скорости напыления и температуре лопаток определяют зависимость толщины напыленного на лопатки слоя от привеса на контрольном образце и строят градуировочный график, в течение всего цикла рабочего напыления непрерывно контролируют скорость напыления, температуру нагрева лопаток, а также привес на контрольном образце, останавливают процесс напыления при достижении привеса на контрольном образце, соответствующего по заранее построенному градуировочному графику требуемой толщине напыленного слоя на лопатках. Перед началом рабочего напыления экспериментальным путем определяют зависимость привеса на контрольном образце от времени напыления покрытия на лопатки, при этом в ходе рабочего напыления контролируют скорость напыления по ранее определенной зависимости привеса на контрольном образце от времени напыления. Привес на контрольном образце определяют при помощи устройства для непрерывного контроля веса покрытия, состоящего из электромагнита, который с помощью пружины и удерживающего устройства постоянно удерживает контрольный образец в положении над крюком тензодатчика, установленного на виброгасящих демпферах.

Сущность изобретения поясняется следующими материалами.

На фиг. 1 - схема установки напыления теплозащитного покрытия методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме.

На фиг. 2 - устройство для непрерывного контроля веса покрытия при напылении на лопатки.

На фиг. 3 - градуировочный график зависимости толщины напыляемой на лопатки керамики от привеса на контрольном образце и зависимости привеса на контрольном образце от времени напыления при заданной температуре и скорости напыления.

Табл. 1 - результаты процесса напыления керамики на лопатки при условиях, описанных в примере реализации.

Установка напыления теплозащитного покрытия (фиг. 1) содержит камеру напыления 1 с устанавливаемой в нее рабочей кассетой напыления лопаток 3, устройство герметичной подачи реагента 5 (является частью камеры напыления 1) и аксиальную электронно-лучевую пушку, установленную в вакуумную нагревательную камеру. Для контроля толщины напыляемого на лопатки слоя покрытия установка дополнительно снабжена устройством для непрерывного контроля веса покрытия при напылении на лопатки (фиг. 2), состоящего из измерительной и аналитической частей.

Аналитическая часть установлена в доступном и удобном для оператора месте с целью контроля показаний и управления устройством для непрерывного контроля веса покрытия, а измерительная часть помещена в вакуумную камеру 2, являющейся частью камеры напыления 1.

Измерительная часть состоит из тензодатчика (тензометрического датчика) 8, установленного на виброгасящих демпферах 14, для исключения влияния вибрации от работы вакуумных насосов на работу тензодатчика, электро-механического устройства снятия нагрузки с тензодатчика и контрольного образца 7, расположенного в камере напыления лопаток 1 и улавливающей частицы испаренной керамики, за счет чего и происходит изменение ее массы. Тензодатчик 8 представляет собой упругую конструкцию U-образного типа с прикрепленным на ней тензорезистором и предназначен для измерения деформации тензорезистивным способом. Электро-механическое устройство содержит электромагнит 10, который с помощью пружины 11 и удерживающего устройства 13, постоянно удерживает контрольный образец 7 в положении над крюком 12 тензодатчика 8. Использование электро-механического устройства позволяет продлить срок службы тензодатчика, а также увеличить количество рабочих напылений с использованием одного контрольного образца.

Канал, соединяющий камеру 2 с камерой 1, закрыт пластиной с отверстием, через которое проходит стержень соединяющий электромагнит 10 с контрольным образцом 7. Установка тензодатчика 8, электромагнита 10 и пружины 11 в камере 2 позволяет исключить попадание испаряемых материалов на измерительную часть, увеличить срок службы тензодатчика и повысить точность измерения.

Аналитическая часть состоит из электронного прибора 9, который обрабатывает полученный с тензодатчика 8 сигнал, визуализирует его, и далее отправляет на регистрирующий прибор, с которого можно распечатать данные в виде зависимости изменения массы напыленной на контрольный образец керамики от времени.

Из-за влияния на процесс напыления множества факторов перед началом рабочего напыления на партию контрольных лопаток производят контрольное напыление для определения скорости конденсации и привеса керамики на контрольной лопатке и контрольном образце. На контрольной лопатке определяют толщину напыленного слоя методом металлографического исследования. После набора статистики строят градуировочные графики зависимости толщины напыляемой на лопатки керамики от привеса на контрольном образце при заданной температуре и скорости напыления (фиг. 3). На горизонтальной оси - значения привеса на контрольном образце, на вертикальной оси - толщина напыленного покрытия, заданная документацией.

Процесс напыления керамических материалов на рабочие лопатки турбины на установке напыления теплозащитного покрытия осуществляется следующим образом.

Электронный луч 6 от электронно-лучевой пушки испаряет реагент штабиков керамики в устройстве подачи реагента 5, а образуемые пары керамики осаждаются на лопатки, установленные во вращающуюся кассету 3, и на контрольный образец 7 весового устройства, прикрепленный к тензодатчику 8. При осаждении керамических материалов на контрольный образец 7 изменяется вес мишени и изменяется сопротивление тензодатчика 8, которое регистрируется микропроцессором 9 и выводится на дисплей.

Толщина напыляемого слоя регламентирована требованиями конструкторской документации с точностью ±15%. Прирост слоя контролируется по динамике изменения массы контрольного образца весового устройства. Контрольный образец 7 выполнен из немагнитного материала, в частности, нержавеющей стали или титана Ti (для облегчения веса самой мишени и увеличения диапазона взвешивания).

Тензодатчик 8 преимущественно находится в ненагруженном состоянии, что способствует продлению его срока службы. При непредвиденном отключении электропитания, устройство автоматически разорвет контакт между электро-механическим устройством и тензодатчиком 8, что сбережет последний от ненужных нагрузок.

В процессе напыления оператор на приборе следит за увеличением массы контрольного образца по показаниям тензодатчика 8, после чего по градуировочному графику (фиг. 3) определяет изменение толщины напыляемой на лопатки керамики в кассете 3.

К устройству для непрерывного контроля веса покрытия прилагается программное обеспечение для связи с персональным компьютером, что дает возможность распечатки данных, их обработки и ведение архива.

После окончания процесса напыления кассета с лопатками выгружается из камеры напыления 1, проверяется вес каждой лопатки. При отклонении веса от нормы в большую или меньшую сторону, лопатки зачищаются, и цикл напыления повторяется заново. Процедура очистки может быть применена к лопаткам однократно, после чего они переходят в брак.

Перед каждым последующим циклом напыления вес контрольного образца на электронном приборе 9 обнуляется. С одним контрольным образцом можно проводить до 30 циклов напыления, что значительно сокращает время напыления всей партии лопаток за счет сокращения времени контроля толщины напыляемой на лопатки керамики в каждом цикле.

Пример реализации.

Требуется сформировать на поверхности лопаток газотурбинных двигателей теплозащитное покрытие на основе ZrO₂ - 6…8 мас. % Y₂O₃ -остальное, толщиной 100…120 мкм.

В рабочую камеру устанавливают штабики керамики из ZrO₂ - 6…8 мас. % Y₂O₃ - остальное. Рабочие кассеты с лопатками загружают в камеру 1. Установку герметизуют и вакуумируют до достижения степени вакуума 5*10^-4 Па. Нагревают лопатки в камере напыления с помощью сканирования электронного луча электронно-лучевой пушки по поверхности лопаток до температуры 900°С.

Для достижения равномерного температурного поля на поверхности лопаток настраивают программатор изменением режима сканирования электронного луча электроннолучевой пушки по поверхности лопаток. Затем наносят покрытие на лопатки со скоростью 1 мкм/мин. Одновременно с напылением теплозащитного покрытия (керамики) на лопатки происходит напыление и на контрольный образец 7.

В таблице 1 отражены результаты данного процесса напыления. По градуировочному графику (фиг. 3) оператор определяет изменение толщины напыляемой на лопатки керамики в кассете и останавливает процесс при достижении требуемой массы привеса на контрольном образце, а следовательно, требуемой толщины керамики, напыляемой на рабочие лопатки.

Применение изобретения позволяет использовать устройство на электронно-лучевых установках для контроля привеса на лопатках, уменьшить отклонения по толщине покрытия, стабилизировать скорость нанесения покрытия, сформировать равномерную, идентичную стабильную структуру в виде слоя с одинаковыми физико-химическими свойствами по всей обрабатываемой поверхности детали.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к области методов контроля толщины покрытий в установках электронно-лучевого испарения. Способ непрерывного контроля толщины напыляемой на лопатки керамики заключается в определении толщины напыляемого покрытия по контрольному образцу, размещенному в одной камере с лопатками. Перед началом рабочего напыления экспериментальным путем при заданных скорости напыления и температуре лопаток определяют зависимость толщины напыленного на лопатки слоя от привеса на контрольном образце и строят градуировочный график. В течение всего цикла рабочего напыления непрерывно контролируют скорость напыления, температуру нагрева лопаток, а также привес на контрольном образце. Останавливают процесс напыления при достижении привеса на контрольном образце, соответствующем по заранее построенному градуировочному графику требуемой толщине напыленного слоя на лопатках. Изобретение позволяет повысить точность измерения толщины напыляемого слоя керамики на лопатках, а соответственно, повысить качество продукции, снизить количество лопаток с недопыленным или перепыленным слоем керамики, идущих на переподготовку и перенапыление. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ непрерывного контроля толщины напыляемой на лопатки керамики в электронно-лучевой вакуумной установке, заключающийся в определении толщины напыляемого покрытия по контрольному образцу, размещенному в одной камере с лопатками, отличающийся тем, что перед началом рабочего напыления экспериментальным путем при заданных скорости напыления и температуре лопаток определяют зависимость толщины напыленного на лопатки слоя от привеса на контрольном образце и строят градуировочный график, в течение всего цикла рабочего напыления непрерывно контролируют скорость напыления, температуру нагрева лопаток, а также привес на контрольном образце, останавливают процесс напыления при достижении привеса на контрольном образце, соответствующего по заранее построенному градуировочному графику требуемой толщине напыленного слоя на лопатках.

2. Способ непрерывного контроля толщины напыляемой на лопатки керамики в электронно-лучевой вакуумной установке по п. 1, отличающийся тем, что перед началом рабочего напыления экспериментальным путем определяют зависимость привеса на контрольном образце от времени напыления покрытия на лопатки, при этом в ходе рабочего напыления контролируют скорость напыления по ранее определенной зависимости привеса на контрольном образце от времени напыления.

3. Способ непрерывного контроля толщины напыляемой на лопатки керамики в электронно-лучевой вакуумной установке по п. 1, отличающийся тем, что привес на контрольном образце определяют при помощи устройства для непрерывного контроля веса покрытия, состоящего из электромагнита, который с помощью пружины и удерживающего устройства постоянно удерживает контрольный образец в положении над крюком тензодатчика, установленного на виброгасящих демпферах.