Установка для нанесения покрытий в вакууме

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий на изделия различного назначения. Установка содержит корпус (1) вакуумной камеры, магнетроны (2) и (3), включающие мишень и магнитную систему, и поворотный барабан (12) для размещения обрабатываемых изделий. Внутренняя поверхность барабана (12) имеет стойки (13), выполненные с возможностью размещения между ними и закрепления на барабане (12) и/или на стойках (13), по меньшей мере, одного носителя (11), предназначенного для размещения в нем контейнеров с обрабатываемыми изделиями. Контейнеры выполнены с возможностью нанесения покрытий только на выбранные участки поверхности изделий и расположены в носителе (11) один над другим с возможностью их фиксации в последних. Количество контейнеров, размещенных в носителе (11), выбирают таким, чтобы самый верхний контейнер носителя располагался вне зоны напыления. В результате обеспечивается возможность нанесения покрытий на отдельные участки поверхности изделия или получения ступенчатых покрытий, последовательного нанесения покрытия на все изделие путем последовательного нанесения его на различные участки поверхности, возможность одновременной обработки большого числа напыляемых изделий при обеспечении высоких прочностных характеристик покрытия и высокой адгезии покрытия. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий на изделия различного назначения, причем оно успешно реализует возможность нанесения покрытия точно на выбранные участки поверхности изделий.

Известна установка для вакуумного напыления магнетронного типа, которая предназначена для одновременного нанесения покрытий на большое число подложек или изделий, содержащая цилиндрическую вакуумную камеру с центральным цилиндрическим катодом и вспомогательными цилиндрическими катодами, расположенными по окружности на расстоянии от центрального катода (заявка на европейский патент №0119631, МПК С 23 С 15/00, 1984 г.) - аналог.

В известной установке держатель изделий размещен так, что обрабатываемые изделия размещены между центральным и вспомогательными катодами. Держатель содержит опоры для изделий, которые располагаются по окружности вокруг центрального катода и могут одновременно вращаться вокруг оси и совершать орбитальное движение относительно центрального катода.

К недостаткам известной установки можно отнести следующее:

- невозможность нанесения покрытий на изделия сложной формы, такие как шар, конус, различные полые тела и т.д.

- неравномерность покрытия по толщине на всей поверхности изделия, что ведет к увеличению брака за счет загрязнения изделий;

- невозможность нанесения покрытий на отдельные участки изделия.

Известна установка для нанесения покрытий в вакууме, содержащая размещенные в вакуумной камере магнетроны, связанные с корпусом камеры, и поворотный барабан с изделиями, которые крепятся к барабану (патент РФ №2024647, МКИ5 С 23 С 14/35, опубл. 15.12.94 г., БИ №23) - прототип.

Данная установка не позволяет получить равномерное покрытие с высокими прочностными характеристиками и высокой адгезией только на части изделия или ступенчатое покрытие на изделии.

Задачей заявляемого изобретения является возможность нанесения покрытий только на отдельные участки поверхности изделия или получение ступенчатых покрытий, а также возможность последовательного нанесения покрытия на все изделие путем последовательного нанесения его на различные участки поверхности изделия при обеспечении высоких прочностных характеристик покрытия и высокой адгезии покрытия, а кроме того, возможность одновременной обработки большого числа напыляемых изделий.

Технический результат достигается тем, что установка для нанесения покрытий в вакууме содержит корпус вакуумной камеры, магнетроны, включающие мишень и магнитную систему, и поворотный барабан для размещения обрабатываемых изделий, причем внутренняя поверхность барабана снабжена конструктивными элементами, выполненными с возможностью размещения между ними и закрепления на барабане и/или конструктивных элементах, по меньшей мере, одного носителя, предназначенного для размещения в нем контейнеров с обрабатываемыми изделиями, причем контейнеры выполнены с возможностью нанесения покрытий только на выбранные участки поверхности изделий и расположены в носителе один над другим с возможностью их фиксации в последних, а количество контейнеров, размещенных в носителе выбирают таким, чтобы самый верхний контейнер носителя располагался вне зоны напыления.

Для достижения оптимального результата:

- в установке носитель с размещенными в нем контейнерами дополнительно могут закрывать тепловым экраном с прорезями, расположение которых совпадает с прорезями в контейнерах;

- в установке носитель может крепиться на барабане с помощью крепежных элементов, например штырей, выполненных в его верхней и нижней частях;

- в установке контейнеры могут располагаться в выполненных в носителе пазах;

- в установке носитель может быть дополнительно снабжен защитными элементами;

- в установке дополнительные защитные элементы могут быть выполнены в виде пластин;

- в установке элементы носителя и/или контейнеры могут быть выполнены из нержавеющей стали.

На фиг.1-3 представлены чертежи, иллюстрирующие заявляемое решение.

На фиг.1 - схема вакуумной установки для нанесения покрытия, на фиг.2 - носители с размещенными в них обрабатываемыми изделиями, на фиг.3 - конструктивная схема магнитронной распылительной системы.

Установка содержит корпус 1, в котором размещены магнетроны 2 и 3, содержащие водоохлаждаемый катодный блок 4, на котором с обеспечением хорошего теплового и электрического контакта установлена мишень 5 из распыляемого материала. Под катодным блоком находится магнитная система 6, а вблизи мишени 5 - анодный блок 7. Между катодным 4 и анодным 7 блоками подается напряжение от источника питания 8. Обрабатываемые изделия 9 устанавливаются в контейнеры 10, закрепляются на носителе 11, который с свою очередь крепится к барабану 12 непосредственно или к конструктивным элементам, например стойкам 13. В установке носитель 11 может быть дополнительно закрыт тепловым экраном 14 с прорезями, которые совпадают с прорезями, выполненными в контейнерах, и не препятствуют нанесению покрытий на выбранную часть поверхности обрабатываемых изделий, а предназначен для предохранения обрабатываемых изделий от воздействия высокой температуры. Носитель 11 может крепиться к барабану 12 при помощи крепежных элементов, например штырей 15 и 16. Контейнеры 10 в свою очередь устанавливаются в паз или пазы, выполненные в носителе 11, и фиксируются на носителе 11, например, при помощи штырей 17 и 18. В установке носитель 10 может быть дополнительно снабжен защитными элементами, например пластинами 19 и 20, предназначенными для дополнительной защиты тех частей поверхности обрабатываемых деталей на которые в дальнейшем будут наноситься такие же или другие покрытия. Это вызвано тем, что при повторном нанесении покрытия на часть поверхности, на которую случайно уже было частично нанесено покрытие в результате ее недостаточной изоляции, адгезионные свойства таких покрытий резко снижаются, что приводит к резкому снижению качества покрытия и его долговечности. Установка имеет систему нагрева 22, систему напуска рабочего газа 23 с регулятором расхода 24 и систему откачки (на чертежах не показана).

Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени 5 катода 4 при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующимися в плазме аномально тлеющего разряда. Возникающая при этом вторичная эмиссия поддерживает разряд и обуславливает распыление материала мишени 5 катода 4. Магнетронная распылительная система является одной из разновидностей схем диодного распыления. Основные элементы магнетронной распылительной системы: мишень 5, катод 4, анод 7 и магнитная система 6 предназначены для локализации плазмы у поверхности мишени 5 катода 4, который охлаждается проточной водой, поступающей по трубопроводу. На катод подается постоянное напряжение (300-800 В) через клемму от источника питания, под катодом 4 расположена магнитная система 6, состоящая из центрального и периферийных постоянных магнитов, расположенных на основании из магнитомягкого материала (на чертежах не показаны). Все элементы смонтированы в корпусе 1, присоединенном к вакуумной камере 25.

Основными преимуществами магнетронного способа напыления являются, как известно, высокая скорость нанесения пленки и точность состава распыляемого материала в покрытии, а также то, что конструкции магнетронов позволяют осуществить нанесение покрытий на определенные участки поверхности изделий, что ускоряет процесс нанесения покрытий и повышает его технологичность.

Установка для нанесения покрытия в вакууме работает следующим образом.

Обрабатываемые изделия 9 устанавливаются в контейнеры 10, выполненные с прорезью или прорезями в тех местах, на которые должно быть нанесено покрытие, все остальные части поверхности обрабатываемых изделий 9 закрываются или дополнительными пластинами 19 и 20 или стенками самих контейнеров 10. Контейнеры 10 устанавливают в пазы, выполненные в носителе 11 и фиксируются при помощи штырей 17 и 18. Носитель 11 закрепляют на барабане 12 (или на стойках 13) вакуумной камеры 25 при помощи штырей 15 и 16. В случае необходимости носитель 11 дополнительно закрывают тепловым экраном 14 и/или пластинами 19 и 20.

Производится откачка воздуха, а затем нагрев вакуумной камеры 25, в которой установлен барабан 12 с обрабатываемыми изделиями 9 и напуск рабочей среды под определенным давлением при помощи системы напуска 23. После нанесения покрытия установка останавливается и в нее осуществляется напуск атмосферы, после чего контейнеры 10 с изделиями 9 вынимаются и, в случае необходимости нанесения покрытий на другие участки их поверхности, устанавливаются в другие контейнеры с прорезями, после чего операции нанесения покрытия повторяются.

Пример.

Необходимо нанести покрытие из серебра только на пазы замков лопаток компрессора, изготовленных в соответствии с техническими условиями из сплава ЭП-718ИД, при этом исходя из условий работы лопаток компрессора толщина покрытия должна составлять 3-4 мкм, а покрытие должно соответствовать требованиям нормативно-технической документации по качеству.

Лопатки компрессора были установлены в контейнеры, в которых были выполнены прорези в зоне расположения пазов замков лопаток, позволяющие нанести покрытия только на пазы замков лопаток, и закреплены на носителях один над другим. Причем общее число контейнеров выбирали таким образом, чтобы верхний открытый контейнер располагался вне зоны напыления, а количество обрабатываемых изделий в каждом контейнере выбирали исходя из размеров обрабатываемых изделий и габаритов носителя (или носителей) и их количества, а также от размеров барабана. В данном случае число носителей - не более 20, контейнеров - 10, а число обрабатываемых изделий в каждом контейнере - 5. После этого носители устанавливали и закрепляли на барабане, например, по направляющим и помещали в вакуумную камеру. В данном случае с учетом того, что лопатки изготовлены из жаропрочного сплава, а серебро является тугоплавким материалом, дополнительный тепловой экран не использовали, а использовали только пластины, позволяющие закрыть боковые поверхности контейнеров.

На катод магнетрона по отношению к заземленному аноду подавали напряжение 600 В. Распыление материала мишени катода происходило путем ее бомбардировки ионами рабочего газа, в данном случае аргона, а в качестве материала мишени-катода использовали серебро с чистотой 99,99%. Напуск газа в вакуумную камеру осуществляли при помощи регулятора расхода газа, входящего в состав системы напуска.

После загрузки изделий в установку и размещения их в вакуумной камере проводилась откачка камеры до давления 5×10^-2 Па. После чего включался напуск рабочего газа, а именно аргона со скоростью, определяемой давлением в вакуумной камере, а после стабилизации процесса подачи аргона включались магнетронные распылители при значениях тока и рабочего напряжения магнетронов в интервалах от 0,5-2,0 А и 300-550 В соответственно. Процесс нанесения покрытия осуществляли в вакуумной камере без вынимания из нее изделий до окончания процесса обработки. После окончания заданного количества циклов перемещения обрабатываемых изделий в вакуумной камере, которое заняло около 40 минут, что зависит от необходимой толщины покрытия, установка автоматически отключается и в нее производится напуск атмосферы.

После чего изделия доставали из вакуумной установки и подвергали контролю. В результате контроля было установлено, что покрытие было нанесено только на пазы замков лопаток, с небольшим наличием покрытия на внутренней поверхности полки и наличием интерференционного слоя в виде цветов побежалости на всей поверхности хвостовика, что является допустимым, так как указанные поверхности не будут в дальнейшем подвергаться нанесению на них других покрытий без предварительной обработки и наличие следов покрытий в указанных местах не повлияет на работоспособность лопаток.

Результаты контроля также показали, что толщина покрытий составила на изделиях при измерении гравиметрическим методом от 3,2-3,5 мкм, микроскопом металлографическим - от 3 до 4 мкм, а по внешнему виду и прочности сцепления с основным металлом, покрытия соответствуют требованиям действующей нормативно технической документации.

Таким образом, применение заявляемого устройства позволяет нанести покрытие только на отдельные участки поверхности, а также последовательно нанести покрытие на все изделие путем последовательного нанесения его на различные участки поверхности изделия, что обеспечивает высокие прочностные характеристики покрытия и высокую адгезию покрытия, а кроме того, возможность одновременной обработки большого числа обрабатываемых изделий.

1. Установка для нанесения покрытий в вакууме, содержащая корпус вакуумной камеры, магнетроны, включающие мишень и магнитную систему, и поворотный барабан для размещения обрабатываемых изделий, отличающаяся тем, что барабан снабжен стойками, расположенными на его внутренней поверхности и выполненными с возможностью размещения между ними и закрепления на барабане и/или стойках, по меньшей мере, одного носителя, предназначенного для размещения в нем контейнеров с обрабатываемыми изделиями, причем контейнеры выполнены с возможностью нанесения покрытий только на выбранные участки поверхности изделий, расположены и зафиксированы в носителе один над другим, а количество контейнеров, размещенных в носителе, выбрано таким, чтобы верхний контейнер носителя был расположен вне зоны напыления.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что носитель с размещенными в нем контейнерами дополнительно закрыт тепловым экраном с прорезями, расположение которых совпадает с прорезями в контейнерах.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что носители закреплены на барабане с помощью штырей, выполненных в его верхней и нижней частях.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что контейнеры расположены в выполненных в носителе пазах.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что носитель содержит дополнительные защитные элементы.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что дополнительные защитные элементы выполнены в виде пластин.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что все элементы носителя и/или контейнеры выполнены из нержавеющей стали.

8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что все элементы носителя и контейнеры выполнены из дюралюминия.