Энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение
Турбомашины и комбинированные турбоустановки
Рыженков В.А., доктор технических наук, профессор Сидоров С.В., аспирант Тхабисимов А.Б., аспирант Качалин Г.В., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Медников А.Ф., кандидат технических наук, ведущий инженер (Национальный исследовательский университет «МЭИ»)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ВЫСОКОМОЩНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ МАГНЕТРОННЫМ РАЗРЯДОМ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В работе описываются физические особенности и перспективы применения высокомощного импульсного магнетронного разряда для синтеза функциональных износостойких покрытий. Приводится описание установки для формирования покрытий с применением разряда данного вида.
Ключевые слова: магнетронный разряд, износостойкие покрытия, теплоэнергетическое оборудование.
THE TECHNOLOGICAL FACILITY WITH HIGH-POWER IMPULSE MAGNETRON DISCHARGE TO FORM WEAR-RESISTANT COATING ON THE SURFACE OF THE ELEMENTS OF HEAT-POWER EQUIPMENT
The article describes the physical features and prospects of high power pulsed magnetron discharge for the synthesis of functional wear-resistant coatings. The description of the facility to form a coating with the use of this type of discharge was given.
Keywords: magnetron discharge, wear-resistance coatings, heat-power equipment.
Введение
В процессе развития техники и технологий всё большее применение находят износостойкие покрытия различного назначения. Наиболее перспективным способом формирования покрытий на поверхностях элементов оборудования, эксплуатируемого в условиях одновременного воздействия нескольких повреждающих факторов, являются ионно-плазменные технологии [1], основанные на магнетронном и дуговом способах распыления материала.
К основным преимуществам магнетронных распылительных систем (МРС) можно отнести:
• полное отсутствие микрокапель в генерируемой плазме;
• возможность синтеза нанокомпозитных структур при относительно низких температурах;
• высокая управляемость параметрами разряда.
Несмотря на все плюсы МРС, степень ионизации распылённого материала в плазме стационарного магнетронного разряда не столь высока, как при дуговом распылении.
Вместе с тем, с развитием науки и техники магнетронные распылительные системы становятся всё более совершенными. Появляются новые магнетронные системы с повышенной
степенью ионизации распылённого материала. Одной из таких систем является магнетронная распылительная система с высокомощным импульсным магнетронным разрядом (ВИМР) или, как его называют в зарубежных публикациях - HiPIMS (High - Power Impulse Magnetron Sputtering - высокомощное импульсное магнетронное распыление).
Физические основы и перспективы применения системы ВИМР.
Основным элементом установки с системой высокомощного импульсного магнетронного разряда (рисунок 1, а), конструктивно отличающим её от установок с традиционным магнетронным разрядом, является LC - контур с ключом, который служит для формирования импульсов высокой мощности с заданной частотой и скважностью. На осциллограмме одиночного импульса ВИМР (рисунок 1, б) видно, что время существования фазы разряда [3], одновременно имеющего высокое напряжение и высокий ток, не более нескольких десятков микросекунд. Но оказывается, что этого вполне достаточно, чтобы развить большую плотность мощности на поверхности мишени (до 3 кВт/см2) [3]. При традиционном магнетроном разряде этот показатель достигает нескольких сотен Вт/см2.
а)
вакуумная камера
б)
U.B®
4PW I д
3000
ittic
10»
■2СОД
-Ж 5 Ю !1» 151 »
1 МКС
Рис.1. - Схема установки с высокомощным импульсным магнетронным разрядом (а); осциллограмма одиночного импульса (б) Поддержание высокой плотности мощности в разряде приводит к практически полной ионизации распылённого материала мишени [4], при этом в плазме разряда отмечается присутствие не только однозарядных ионов, но и двухзарядных [3], что обеспечивает качественно другие условия взаимодействия распылённых материалов с поверхностью изделий. В работах [5,6] отмечено, что ухудшение качества поверхности изделий после ионной чистки практически не происходит, а благодаря высоким энергиям ионов возможна ионная имплантация распылённого материала в поверхность подложки, что обеспечивает уникальные адге-
зионные и прочностные свойства покрытий. Так, например, в работе [6] проводили исследования прочности покрытия СгЖЫЪК нанесённого разными способами. Как видно из рисунка 2 при использовании ВИМР покрытие оказалось гораздо более прочным.
Рис. 2. - Результаты склерометрических испытаний покрытий CrN/NbN при различных способах формирования (Ar - традиционный магнетронный разряд, Arc - дуговой метод) [6]
В работе [7] приводятся результаты сравнения качества покрытия CrN при нанесении его на промышленной установке различными методами (рисунок 3).
Рис. 3. - Износостойкость покрытия СгЫ при различных способах формирования (иВЫ- традиционный магнетронный разряд) [7] Приведённые выше результаты сравнительных испытаний покрытий позволяют предположить благоприятную перспективу применения системы ВИМР для синтеза износостойких покрытий на поверхностях элементов теплоэнергетического оборудования.
Для более детального изучения характеристик высокомощного импульсного магнетрон-ного разряда и синтеза износостойких покрытий различного назначения в НИУ «МЭИ» создан уникальный комплекс оборудования.
Установка «Гефест - ВИМР» НИУ «МЭИ»
Основой комплекса оборудования для синтеза износостойких покрытий и изучения характеристик высокомощного импульсного магнетронного разряда является ионно-вакуумная установка «Гефест - ВИМР», которой присущи все конструктивные особенности установок серии «Гефест», ранее разработанных в НИУ «МЭИ» (рисунок 4).
¿"Ш Ц-
Рис. 4. - Установка «Гефест - ВИМР» НИУ МЭИ
В состав комплекса входят: вакуумная камера; вакуумный пост, источники распыления, блоки питания источников распыления, газовая рампа, система водоснабжения, система управления и подачи технологических газов и паров жидкости, измерительная система.
Комплекс предназначен как для проведения опытно-технологических работ по созданию износостойких покрытий различного назначения, так и для мелкосерийного производства.
Откачка вакуумной камеры производится двумя форвакуумными насосами (A2DS -160 и A301 - 85 - 905) и высокопроизводительным диффузионным насосом НД - 500 Э, что позволяет быстро достичь требуемого уровня вакуума.
Комплекс оснащен планетарным механизмом крепления изделий, имеющим 16 позиций, расположенных равномерно по окружности. Планетарный механизм позволяет осуществить три вида движения изделий: осевое вращение, планетарное вращение и осевое вращение с поворотом на 180° при каждом обороте. Вакуумный ввод планетарного механизма находится на верхней плоскости вакуумной камеры.
В состав привода вращения входят редуктор, привод и система управления приводом. Привод обеспечивает плавное ускорение и остановку вращения изделий, предусмотрено несколько скоростей вращения.
Планетарный механизм рассчитан на подведение к нему напряжения 1200 В и надёжно электрически изолирован от стенок камеры.
Комплекс оснащен тремя разбалансированными магнетронами и магнетроном ВИМР. Магнетрон ВИМР имеет специальную систему регулирования магнитного поля, позволяющую в течение технологического процесса менять конфигурацию магнитного поля. Регулирование магнитного поля осуществляется посредством изменения расстояния между поверхностью мишени и магнитомягким сердечником.
Система питания магнетронов предназначена для подачи стабилизированного напряжения или тока на магнетроны в традиционном, дуальном и импульсном режимах.
Основные технические характеристики комплекса приведены в таблице 1.
Таблица 1
Основные технические характеристики
№ п/п Наименование параметра Значение параметра
1. Габаритные размеры вакуумной камеры диаметр х высота, мм 900x800
2. Питающее напряжение, В 380
3. Средняя мощность установки при проведении технологического цикла, кВт 40
4. Число магнетронных источников, шт. 4
5. Система питания магнетронных источников 3x15 кВт, 1x18 кВт, БС, АС, ВИМР, дуальный режим
6. Число позиций планетарного механизма, шт. 16
7. Возможности перемещения изделий в вакуумной камере вращение изделий по окружности вокруг оси вакуумной камеры; планетарное вращение изделий; вращение изделий с поворотом на 180° при каждом обороте; одновременное осуществление нескольких видов перемещения изделий
8. Материалы распыляемых мишеней любые металлы: Т1, А1, 2г, № и др., а также различные сплавы
9. Технологические газы аргон, азот, кислород, углеводороды
10. Система вакуумной откачки форвакуумный насос А2Б8 - 160; двухроторный насос А301 - 85 - 905 диффузионный насос НД - 500 Э
11. Средний расход охлаждающей воды, м3/час 1,5
Комплекс оснащен 2-мя линиями подачи технологических газов и одной линией подачи паров жидкости в вакуумную камеру. Каждая линия имеет баллон с газом, понижающий редуктор, манометр и вибронатекатель. Разводка газов и паров жидкости осуществляется пластиковыми трубками. В камеру газы могут подаваться как через специальные газораспределительные трубки, так и через систему газоподачи газов самих магнетронов. Пары жидкости подаются только через газораспределительные трубки.
В вакуумной камере «Гефест - ВИМР» установлены резистивные нагреватели, предназначенные для прогрева камеры и изделий перед процессом формирования покрытия. Нагре-
ватель состоит из трёх независимых секций мощностью по 6 кВт каждая. Блок контроля нагрева изделия обеспечивает контроль заданного и фактического значения температуры в диапазоне от 20 до 600 °С с точностью до ± 5%, плавную подачу напряжения на нагреватель и отключение системы нагрева изделий при отсутствии вакуума или охлаждающей воды.
В настоящее время с применением комплекса проводится большой объём экспериментальных исследований влияния параметров высокомощного импульсного магнетронного разряда на физико-химические свойства конструкционных материа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.