Дополнительные устройства для улучшения

качества работы вакуумных испарителей

Использование технологии нанесения покрытия, основанной на применении потоков металлической плазмы, получаемых с помощью вакуумно-дуговых устройств, позволяет интенсифицировать процесс нанесения покрытий, обеспечить высокую их чистоту и хорошую адгезию. Однако продукты эрозии, разлетающиеся с рабочей поверхности катода, содержат не только ионизированные пары материала, но и заметное количество макрочастиц твердых осколков и микрокапель, которые снижают качество и равномерность формируемого покрытия по толщине, тем самым сужая область применения.

Вакуумно-дуговое устройство (Пат. РФ № 2039849) позволяет произвести очистку плазменного потока от микро- и макрокапель, а также нейтральных частиц, наличие которых снижает качество формируемого покрытия, тем самым сужая область применения данной технологии. При этом достигается упрощение конструкции сепаратора вакуумно-дугового устройства.

Вакуумно-дуговое устройство (рис. 4.71) состоит из водоохлаждаемых анода 1 и цилиндрического катода 2, поджигающего электрода 3 и экрана 4. С внешней стороны анода 1 расположена магнитная система источника плазмы, включающая стабилизирующую 5 и фокусирующую 6 катушки. В рабочем объеме 7, на оси системы, установлен сепаратор 8, состоящий из конических колец 9 и диска 10, ось которого совпадает с осью системы. За сепаратором 8 расположены подложкодержатель 11 и магнитная система 12.

Рис. 4.71. Вакуумно-дуговое устройство (Пат. РФ № 2039849)

Принцип действия данного устройства заключается в следующем. При подаче постоянного напряжения на электроды системы (анод 1 плюс, катод 2 минус) и при подаче поджигающего импульса не боковой поверхности катода 2 формируется катодное пятно, которое под воздействием магнитного поля источника плазмы (5, 6) выводится на его рабочую поверхность и удерживается на ней. Поток эрозионной плазмы материала катода под действием электрического поля, форма эквипотенциалей которого определяется топографией магнитного поля, направляется в вакуумную камеру 7, где на его пути установлен сепаратор 8.

Конструктивно сепаратор выполнен так, что за счет использования предлагаемого набора конических колец 9, когда больший диаметр кольца не меньше меньшего диаметра следующего большего кольца, и диска 10, диаметр которого перекрывает выходное отверстие меньшего конического кольца, удается создать сплошной непроходимый барьер для микро- и макрокапель, а также нейтральных частиц, находящихся в плазменном потоке и имеющих прямолинейные траектории. В этом случае их осаждение осуществляется на поверхности сепаратора, обращенной в сторону катода, исключая тем самым возможность их попадания на обрабатываемую поверхность подложкодержателя.

Одним из важнейших элементов технологии защитно-упрочняющей обработки являются методы подготовки поверхности деталей под нанесение покрытий. В этой связи авторами были разработаны новые способы и установки, обеспечивающие указанную подготовку поверхностей.

1. Способ включает погружение обрабатываемого металлического изделия в водный раствор электролита и приложение к нему положительного по отношению к электролиту электрического напряжения, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой, при этом на каждом этапе изменяют величину напряжения и время выдержки изделия, обеспечивают в течение первого и второго этапов беспрерывную подачу напряжения, включая момент перехода от первого этапа ко второму, при этом на первом этапе полирования к обрабатываемому изделию прикладывают напряжение 120–170 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 0,3–0,8 мин, а на втором этапе напряжение увеличивают до 210–350 В и выдерживают изделие при этом напряжении в течение 1,5–5 мин. Технический результат: способ позволяет обеспечить шероховатость поверхности детали не ниже 0,080,12 мкм (Пат. РФ № 2373306, МПК C25F3/16. Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов / А. М. Смыслов и др., Бюл. № 32, 2009).

2. Установка предназначена для электролитно-плазменной обработки изделий из нержавеющих сталей и титановых сплавов и может быть использована в турбомашиностроении при полировании лопаток. Установка содержит по крайней мере одну рабочую ванну с электролитом, устройство для крепления обрабатываемых изделий и источник питания для электролитно-плазменной обработки, при этом в рабочей ванне в зоне обработки изделий расположены индукторы, снабженные по крайней мере одним источником питания для индукционного нагрева деталей. Технический результат: обеспечение возможности выбора оптимальных режимов обработки, повышение гибкости процесса и снижение величин рабочих потенциалов (Пат. РФ № 2378420, МПК C25F3/16. Установка электролитно-плазменной обработки / А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев и др., Бюл. № 1, 2010).

Рис. 4.72. Установка электролитно-плазменной обработки:

1– рабочая ванна; 2 – ванна коррекции электролита; 3 – насос для перекачки электролита; 4 – кассета; 5 – зажимы; 6 – обрабатываемые детали; 7 – крышка рабочей ванны с окнами для кассет; 8 – устройство для подачи электролита; 9 – индукторы; 10 – теплообменник; 11 – датчик уровня

Установка электролитно-плазменной обработки (рис. 4.72) содержит рабочую ванну 1, ванну коррекции электролита 2, насос для перекачки электролита 3, кассету 4 с зажимами 5 для обрабатываемых деталей 6. Рабочая ванна имеет крышку 7 с окнами для кассет 4. В рабочей ванне 1 установлено устройство 8 для подачи электролита и индукторы 9 для нагрева поверхности деталей. Ванна коррекции элетролита 2 снабжена теплообменником 10 и датчиком уровня 11. Установка снабжена двумя источниками питания: источником питания для ведения процесса электролитно-плазменной обработки и источником питания для индукционного нагрева, а также блоком управления процессом обработки с панелью управления. В качестве ванн 1 и 2 используют емкости, выполненные из материала, стойкого к воздействию электролита. Установка электролитно-плазменной обработки работает следующим образом. Обрабатываемые детали 6 устанавливают в кассеты 4, закрепляют при помощи зажимов 5 и опускают в рабочую ванну 1. После этого производят обработку деталей по одной из следующих схем:

- обработка по схеме: «предварительный индукционный нагрев детали и формирование парогазовой оболочки (ПГО) – зажигание плазменного разрада в образованной ПГО – выход на режим обработки с постепенным уменьшением доли индукционного нагрева детали – осуществление процесса обработки без индукционного нагрева»;

- обработка по схеме: «предварительный индукционный нагрев детали и формирование ПГО – зажигание плазменного разряда в образованной ПГО – выход на режим обработки с постепенным переходом индукционного нагрева детали в режиме поддержки»;

- обработка по схеме: «одновременный индукционный нагрев детали и подача потенциала на деталь, как при запуске процесса, так и при его проведении»;

- обработка по схеме: «индукционный нагрев детали токами высокой частоты (ТВЧ), образование ТВЧ-плазмы и обработка только ТВЧ (без подачи потенциала на деталь (от источника питания)»;

- обработка по схеме: «индукционный нагрев детали токами высокой частоты (ТВЧ), образование ТВЧ-плазмы и обработка совместно с ТВЧ-плазмой при совмещении с подачей (положительного или отрицательного) потенциала на деталь от источника питания»;

- обработка по схеме: «подача потенциала на деталь – образование ПГО и зажигание в ней разряда» (подобно схеме установки-прототипа).

При использовании приведенных схем обработки в зависимости от целей создаются режимы и условия, позволяющие осуществить либо электролитно-плазменное полирование деталей, либо получение покрытий, либо закалку деталей, либо их химико-термическую обработку.

При обработке на установке по схеме: «предварительный индукционный нагрев детали и формирование парогазовой оболочки (ПГО) – зажигание плазменного разряда в образованной ПГО – выход на режим обработки с постепенным уменьшением доли индукционного нагрева детали – осуществление процесса обработки без индукционного нагрева», производят следующие действия. Обрабатываемую металлическую деталь 6 погружают в ванну 1 с водным раствором электролита, помещают в полость индуктора 6, производят индукционный нагрев детали 6 до формирования вокруг детали парогазовой оболочки, прикладывают к детали 6 положительное напряжение, а к электролиту – отрицательное (анодная обработка) или прикладывают к детали 6 отрицательное напряжение, а к электролиту – положительное (катодная обработка), за счет чего зажигают плазменный разряд между обрабатываемым изделием и электролитом. Затем осуществляют переход на режим обработки с постепенным уменьшением доли индукционного нагрева детали до его полного отключения и ведут электролитно-плазменный процесс обработки только за счет подачи потенциала на деталь. Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки.

При осуществлении электролитно-плазменной обработки с использованием индукционного нагрева происходят следующие процессы. Под действием индукционных токов происходит нагрев поверхности детали и образование вокруг нее парогазовой оболочки. Излишняя теплота, возникающая при индукционном нагреве детали и, частично, электролита, отводится через систему охлаждения, при этом поддерживают заданную температуру процесса. Под действием электрического напряжения (электрического потенциала между деталью и электролитом) в парогазовой оболочке возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью и средой парогазовой оболочки.

При подаче положительного потенциала на деталь в процессе протекания указанных реакций происходит анодирование поверхности детали с одновременным химическим травлением образующегося окисла. Причем при анодной поляризации парогазовый слой состоит из паров электролита, анионов и газообразного кислорода. Поскольку травление происходит, в основном, на микронеровностях, где образуется тонкий слой окисла, а процессы анодирования продолжаются, то в результате совместного действия этих факторов происходит уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности и, как следствие, полирование последней.

При катодной поляризации парогазовая оболочка вокруг детали состоит из паров электролита, катионов и газообразного водорода, поэтому наряду с химическим взаимодействием катионов с материалом поверхностного слоя детали, происходит возникновение в парогазовой оболочке микроискровых разрядов, что приводит к электроэрозионному и кавитационному воздействию на обрабатываемую поверхность.

Процесс электролитно-плазменного полирования на установке осуществляется следующим образом. После установки и закрепления в зажимах 5 кассеты 4 обрабатываемых деталей 6 их опускают в рабочую ванну 1. Кассеты 4 подключаются к положительному полюсу источника питания. Кассеты 4 располагаются так, чтобы детали 6 были помещены в полости индукторов 9 (для защиты от непосредственного контакта деталей 6 от индуктора 9 в полости индуктора размещены направляющие, выполненные в виде усеченного перевернутого конуса без днищ). Отрицательный полюс источника питания подключается к контактам, расположенным непосредственно на внешней стороне стенки рабочей ванны 1.

Подача электролита осуществляется через устройство 8. В процессе работы установки электролит циркулирует в общем объеме ванн 1 и 2. В ванне 2 производится коррекция химического состава раствора за счет ввода составляющих, а также для поддержания заданного диапазона температур раствора. Для поддержания рабочего уровня электролита в ванне 2 предусмотрен датчик 11. Насос для перекачки раствора направляет электролит из ванны коррекции 2 в рабочую ванну 1. Для удобства обработки деталей и повышения производительности могут использоваться две, три или четыре рабочие ванны. Блок управления и панель управления предназначены для установки и поддержания заданных параметров процесса обработки деталей.

3. Способ включает погружение детали в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание плазменного разряда в парогазовой оболочке, отличается тем, что парогазовую оболочку и плазменный разряд формируют токами высокой частоты от 0,1 до 20 МГц. Способ позволяет обрабатывать металлические изделия при повышенных функциональных возможностях за счет создания парогазовой оболочки и плазменного разряда в ней токами высокой частоты при одновременном упрощении используемого оборудования (Пат. РФ № 2355828, МПК C25F1/00. Способ электролитно-плазменной обработки деталей / А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев и др., Бюл. № 14, 2009).

4. Способ включает погружение изделия в электролит, формирование вокруг обрабатываемой поверхности изделия парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемым изделием и электролитом путем подачи на изделие положительного по отношению к электролиту электрического потенциала и полирование, при этом вначале парогазовую оболочку формируют путем индукционного нагрева изделия, затем производят зажигание разряда между обрабатываемым изделием и электролитом, после чего прекращают индукционный нагрев изделия и полируют изделие при поддержании разряда в парогазовой оболочке между изделием и электролитом. Способ позволяет повысить качество полирования металлических изделий (Пат. РФ № 2355829, МПК C25F1/00. Способ электролитно-плазменного полирования металлических изделий, А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев и др., Бюл. № 14, 2009).

Контрольные вопросы

1. Сущность процесса ионной имплантации.

2. Возможности метода ионной имплантации в обеспечении эксплуатационных свойств деталей.

3. На какие основные виды подразделяются методы ионно-импланатционной обработки?

4. Сущность процесса упрочнения методами ионно-импланатционной обработки.

5. Что такое импульсный отжиг имплантационных слоев?

6. Какие бывают формы импульсов ионных потоков?

7. Характеристики процесса упрочнения виброгалтовкой.

8. Особенности метода упрочнения раскатыванием.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К П. 4.4

1. Мойжес Б. Я., Немчинский В. А. Эрозия и катодные струи вакуумной дуги // ЖТФ, 1980. Т. 50. № 1. С. 78–86.

2. Аксенов И. И., Хороших В. М. Потоки частиц и массоперенос в вакуумной дуге. Обзор. М.: ЦНИИ атоминформ, 1984.

3. Касаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги / И. Г. Касаев. М.: Наука, 1968.

2. Немчинский В. А. О движении катодного пятна вакуумной дуги / В. А. Немчинский // ЖТФ, 1979. Т. 49. № 7. С. 1379–1384.

4. Дороднов А. М. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств / А. М. Дороднов, В. А. Петросов // ЖТФ, 1981. Т. 51. № 3. С. 504–524.

8. Карпов Д. А., Потехин С. Л. Способы магнитной локации катодных пятен вакуумной дуги и конструкции электродуговых испарителей с магнитной стабилизацией. Препринт НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, НИИЭФА П-А-0588, 1982.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Формирование заданных эксплуатационных свойств деталей машин технологическими методами невозможно без глубокого понимания взаимосвязи между факторами разрушения, воздействующими на деталь при ее функционировании и факторами созидания – комплексом мер, направленных на противодействие разрушению детали. При этом одним из главных факторов является высокоэффективная технология защитно-упрочняющей обработки.

Обеспечение высоких эксплуатационных свойств изделий всегда сопровождалось значительными затратами интеллектуального и физического труда, а также большими финансовыми вложениями. При этом, как правило, финишные, упрочняющие методы обработки давали наибольший эффект во всей технологической цепочке изготовления детали, поскольку именно они определяли свойства ее поверхности. Эффект влияния финишных операций на эксплуатационные свойства детали объясняется их вкладом в формирование качества поверхности, с которой, как правило, и начинается разрушение в условиях эксплуатации. Аналогичные выводы позволила сделать практика изготовления и эксплуатации машин, которая показала важность качества поверхностного слоя детали для обеспечения ее эксплуатационных свойств.

Значительные достижения науки и техники последних десятилетий, особенно в области ионно-плазменных и ионно-имплантационных методов воздействия на материал деталей, позволили разработать новое поколение защитно-упрочняющих технологий, эффект от которых в десятки раз превышает традиционные методы обработки.

Наиболее востребованными новые технологии оказались в таких областях техники, как аэрокосмическая, энергомашиностроение, двигателестроение, медицина и др. При этом особое направление развития новые ионно-плазменные и ионно-имплантационные технологии получили в защитно-упрочняющей обработки деталей ГТД, таких, как рабочие лопатки турбин и компрессоров. Кроме того, появление наноматериалов и перспективность их применения в этих областях поставили перед технологией упрочняющей обработки достаточно сложные задачи, которые необходимо выполнить в короткие сроки.

Поиск по сайту: