close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10344

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.02.28
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 23C 14/00
СПОСОБ ПЛАЗМЕННО-ВАКУУМНОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ
(21) Номер заявки: a 20060337
(22) 2006.04.13
(43) 2007.12.30
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Белорусский государственный технологический университет" (BY)
(72) Авторы: Вершина Алексей Константинович; Свидунович Николай Александрович; Агеев Виталий Александрович (BY)
BY 10344 C1 2008.02.28
BY (11) 10344
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Учреждение образования "Белорусский государственный
технологический университет" (BY)
(56) SU 761603, 1980.
BY 313 С1, 1994.
BY 2433 С1, 1998.
RU 2145362 C1, 2000.
RU 2256724 C1, 2005.
SU 908113 A1, 1996.
(57)
1. Способ плазменно-вакуумного нанесения покрытия, включающий генерацию металлического пара и плазмы, их транспортировку с ускорением заряженных частиц электрическим полем в среде реакционноспособного и/или инертного газов пониженного
давления и осаждение продуктов физико-химических реакций на поверхности изделий с
постоянно возобновляемым поверхностным слоем покрытия, отличающийся тем, что
при генерации металлического пара и плазмы стимулируют процесс объемного испарения
путем создания искусственных центров парообразования в объеме расплава, образующегося на поверхности эродируемого материала, а осаждение продуктов физико-химических
реакций осуществляют в условиях саморадиации бомбардировкой низкоэнергетичными
ионами.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что искусственные центры парообразования
создают воздействием ультразвукового поля с интенсивностью выше кавитационной
прочности расплава эродируемого материала.
3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в эродируемом материале возбуждают
продольные ультразвуковые волны и создают режим стоячей волны, пучность которой
совпадает с торцевой рабочей поверхностью эродируемого материала.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что искусственные центры парообразования
создают воздействием электрического поля с градиентом потенциала 50-2000 В/см, которое направляют нормально к оси истечения металлического пара и плазмы и параллельно
торцевой рабочей поверхности эродируемого материала.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что искусственные центры парообразования
создают воздействием потока ионизирующего излучения, например, γ-квантов.
Изобретение относится к технологии нанесения износостойких и защитно-декоративных покрытий плазменно-вакуумными методами, основанными на генерации металлического пара и плазмы, их транспортировке с ускорением ионизированных частиц
электрическим полем в среде реакционноспособного и/или инертного газов пониженного
BY 10344 C1 2008.02.28
давления, и осаждении продуктов физико-химических реакций на поверхности изделий с
постоянно возобновляемым поверхностным слоем покрытия и может быть использовано в
машиностроении и других отраслях промышленности.
Известно, что одной из основных характеристик при формировании плазменно-вакуумных покрытий с применением электродуговых генераторов металлического пара и плазмы
является скорость нанесения покрытия, которая определяется скоростью испарения металла из мигрирующего по поверхности электрода катодного пятна вакуумной дуги [1-4].
Опорное катодное пятно второго типа [5] является поставщиком атомарной и ионной компонент паро-плазменных продуктов электрической эрозии, однако основная часть энергии
электрического разряда расходуется не на испарение и ионизацию, а на разогрев и плавление материала в зоне пятна. Кроме того, смещение катодного пятна на боковую нерабочую поверхность катода, в свою очередь, снижает скорость нанесения покрытия.
Известен способ электродугового испарения металлов в процессах напыления покрытий на металлы и диэлектрики, при котором стабилизацию катодного пятна дуги на рабочей поверхности катода осуществляют наложением пульсирующего магнитного поля,
величина которого минимальна в момент нахождения катодного пятна на рабочей поверхности катода и максимальна в момент нахождения катодного пятна на боковой нерабочей поверхности катода [6]. Недостатком этого способа является образование большого
объема расплава в зоне стабилизации катодного пятна, только с поверхности которого
имеет место испарение, что приводит к недостаточной эффективности использования
энергии разряда для генерации паро-плазменной фазы.
Наиболее близким по технической сущности является способ нанесения плазменновакуумных электродуговых покрытий, при котором скорость испарения материала катода
изменяется путем регулирования среднего тока дуги [7]. Основным недостатком данного
способа является недостаточная эффективность использования энергии дуги, так как
варьирование энергетических характеристик электродугового разряда, в частности тока
дуги, хотя и сопровождается изменением скорости испарения материала катода и соответственно скорости нанесения покрытий, но по-прежнему основная часть энергии электрического разряда расходуется на создание ванны расплава, а не на формирование пароплазменного потока.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования энергии электродугового испарителя для генерации металлического пара и плазмы и,
тем самым, повышения скорости осаждения покрытий.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе нанесения плазменновакуумных покрытий, включающем генерацию металлического пара и плазмы, их транспортировку с ускорением заряженных частиц электрическим полем в среде реакционноспособного и/или инертного газов пониженного давления и осаждение продуктов физикохимических реакций на поверхности изделий с постоянно возобновляемым поверхностным слоем покрытия при генерации металлического пара и плазмы стимулируют процесс
объемного испарения путем создания искусственных центров парообразования в объеме
расплава, образующегося на поверхности эродируемого материала, а осаждение продуктов физико-химических реакций осуществляют в условиях саморадиации бомбардировкой
низкоэнергетичными ионами.
Искусственные центры парообразования могут быть созданы воздействием ультразвукового поля с интенсивностью выше кавитационной прочности расплава материала электрода. Наиболее оптимальным в этом случае является возбуждение в эродирующем
материале продольных ультразвуковых волн с созданием режима стоячей волны, пучность
которой совпадает с торцевой рабочей поверхностью эродируемого материала. Кроме того, искусственные центры парообразования могут быть созданы воздействием электрического поля с градиентом потенциала 50-2000 В/см, которое направляют нормально к оси
истечения потока металлического пара и плазмы параллельно торцевой рабочей поверх2
BY 10344 C1 2008.02.28
ности эродируемого материала, а также воздействием потока ионизирующего излучения,
например, γ-квантов.
Воздействие на электрод теплового источника, коим является электрическая дуга, при
значительных скоростях ввода энергии приводит к образованию перегретого слоя расплава в метастабильном состоянии, устойчивость которого определяется степенью перегрева
расплава, наличием растворенного газа, примесей, дефектов и т.д. [8-12]. Распад метастабильного состояния начинается с нуклеации зародышей пара, которая может происходить
как по гомогенному, так и по гетерогенному механизмам [12]. Так как расплав, особенно
его перегретая часть, является сильно растянутой жидкостью, то распространение ультразвуковых колебаний приводит к образованию внутри расплава разрывов вследствие флуктуации плотности, изменения сил сцепления и т.д. При образовании разрывов внутри
расплава увеличивается площадь испарения и, следовательно, количество эродируемого
вещества в паро-плазменной фазе. Кроме того, характерная особенность процесса испарения
металлов состоит в наличии значительного количества заряженных частиц в перегретом
слое, так как потенциалы ионизации оказываются сравнимыми с их критическими температурами. В этой связи наложение ультразвуковых колебаний интенсифицирует процесс
зародышеобразования на примесях и дефектах в перегретой части расплава, а наложение
электрического поля или облучение ионизирующим излучением способствует ионизации
атомов вещества расплава, т.е. также интенсифицирует процессы объемного зародышеобразования. Это способствует значительной интенсификации процесса объемного испарения,
в результате чего увеличивается количество паро-плазменной фазы в продуктах эрозии
электрода.
Работоспособность предложенного способа иллюстрируется следующими примерами,
в которых об интенсификации генерации паро-плазменной фазы и соответственно об увеличении скорости напыления покрытия, т.е. более эффективном использовании энергии
испарителя для формирования функциональных покрытий, судили по интенсивности
спектральных линий эродируемого материала (в данном случае титана ВТ 1-00). Исследования проводились с использованием торцевого холловского испарителя на установке
УРМ3.279.048 при дуге постоянного тока 125 А и остаточном вакууме 10-5 мм. рт. ст.
Фотографирование спектров продуктов эрозии осуществлялось на пленку РФ-3 с помощью стеклянного спектрографа ИСП-51 в видимом диапазоне спектра через смотровое
окно вакуумной камеры.
Пример 1.
Воздействие ультразвукового поля с интенсивностью выше кавитационной прочности
расплава эродируемого материала (титана) осуществлялось с помощью излучателя ультразвуковых волн как магнитострикционного со стальным волноводом полуволновой длины,
так и пьезоэлектрического, в качестве которого использовалась пластина титаната бария.
Частота ультразвуковых колебаний составляла: 16 кГц при использовании в качестве генератора УЗДН-1, 44 кГц при использовании в качестве генератора УЗГ 3-04 и 200 кГц
при использовании ГЗ-33. Амплитуда колебаний достигала 6 мкм, причем подгонкой длины стального волновода создавали режим стоячей волны, пучность которой совпадала с
торцевой рабочей поверхностью эродируемого материала, что обеспечивало максимальную амплитуду колебаний. В результате проведенных экспериментальных исследований
было установлено значительное (в 5-7 раз) увеличение интенсивностей атомарных и ионных линий титана, что свидетельствует об интенсификации процессов испарения.
Пример 2.
Одновременно с действием электрической дуги накладывалось постоянное электрическое поле с градиентом потенциала 50 В/см, регистрация спектров показала, что имеет
место увеличение интенсивностей атомарных и ионных линий титана в 1,3-1,9 раз. Наложение электрического поля с градиентом 500 В/см привело к увеличению интенсивности
спектральных линий в 1,5-2,5 раз, а при градиенте 2000 В/см - в 2-3 раза.
3
BY 10344 C1 2008.02.28
Пример 3.
В качестве источника ионизирующего излучения использовали Со60 активностью
1 мкюри, который устанавливали на расстоянии 30 см от рабочей поверхности катода.
Воздействие электрической дуги на катод приводило к плавлению вещества в зоне опорных пятен и испарению с поверхности расплава, а γ-кванты, распространяясь внутри расплава, приводят к ионизации вещества. Ионизованные атомы образуют в объеме расплава
искусственные центры парообразования и тем самым интенсифицируют процесс объемного испарения. При этом было отмечено увеличение интенсивностей атомарных и ионных линий титана до 3 раз.
Таким образом, задача повышения эффективности использования энергии электродугового испарителя и тем самым повышения скорости осаждения покрытий решена созданием на рабочей поверхности катода искусственных центров парообразования путем
воздействия ультразвукового поля с частотой колебаний 16-200 кГц, постоянного электрического поля с градиентом потенциала 500-2000 В/см, ионизирующего излучения активностью 1 мкюри. При этом достигнуто увеличение интенсивностей атомарных и ионных
линий на спектрах эродируемого материала катода (титан марки ВТ1-00) в 5-7 раз, 1,5-3 раза
и до 3 раз соответственно, что свидетельствует об интенсификации генерации пароплазменной фазы и соответственно повышении скорости нанесения покрытия.
Источники информации:
1. Минайчев В.Е., Мирошкин С.И. Стационарные сильноточные плазменные испарители металлов и сплавов // Электронная техника. - Сер. 3. (Микроэлектроника). - 1975. В. 5(59). - С. 91-94.
2. Блинов И.Г., Дороднов A.M., Минайчев В.Е. Вакуумные сильноточные плазменные
устройства и их применение в технологическом оборудовании микроэлектроники // Обзоры по электронной технике. - Ч. 1. Физические основы. - 1974. - В. 7(268). - С. 1-84.
3. Дороднов A.M., Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических устройств // Журнал технической физики. - 1981. - Т. 5. - № 3. - С. 504-524.
4. Аксенов И.И., Андреев А.А. Брень В.Г. и др. Покрытия, полученные конденсацией
плазменных потоков в вакууме (способ конденсации с ионной бомбардировкой) // Украинский физический журнал. - 1979. - Т. 24. - С. 515-525.
5. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. М.: Наука, 1970. - 636 с.
6. А.с. СССР 349326, 1978.
7. А.с. СССР 761603, 1980 (прототип).
8. Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация. - М.: Металлургия, 1966.
9. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. - М.: Наука, 1972. - 312 с.
10. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Субботин В.И. Испарение и конденсация металлов. - М.: Атомиздат, 1976. - 216 с.
11. Акуличев В.А., Алексеев В.Н., Буланов В.А. Периодические фазовые превращения
в жидкостях. - М.: Наука, 1986. - 280 с.
12. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии: Справочник. М.: Атомиздат, 1980. - 208 с.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
89 Кб
Теги
патент, by10344
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа