Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали (варианты)

Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали относится к области машиностроения, в частности, к установкам для формирования защитных покрытий на плоских деталях, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам, воздействию агрессивной рабочей среды, и позволяет повысить качество нанокомпозитного покрытия и однородность его свойств на всей площади обрабатываемой поверхности плоской детали. Установка содержит деталь 1 вакуумную камеру 2, карусель 3, установленную в ней, при этом ось вращения 4 карусели 3 проходит в центре вакуумной камеры 2. Карусель 3 оснащена, по меньшей мере, одним держателем 5 детали 1, имеющим возможность поворачиваться вокруг собственной оси 6, которая параллельна оси вращения 4. Установленная на держателе 5 деталь 1 ориентирована таким образом, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения 4 и 6, при этом держатель 5 механически зафиксирован на карусели 3. Каждый держатель 5 содержит зубчатое колесо 7, расположенное на оси 6 держателя 5. На расстоянии от источника 8 расположен узел разворота детали 1, представляющий собой неподвижный относительно камеры 2 сектор зубчатого колеса 9. В другом варианте исполнения полезной модели около узла разворота детали установлен ионный источник 10. Для нанесения чередующегося слоя из другого материала источник распыляемого материала 11, имеющий мишень 12 из этого материала, установлен на некотором удалении от узла разворота детали напротив источника распыляемого материала 8. Карусель 3 и держатель 5 имеют возможность вращения относительно собственных осей 4 и 6, при этом оси 4 и 6 карусели 3 и держателя 5 параллельны друг другу. При прохождении перед источником 8 закрепленная на держателе деталь 1 неподвижна относительно оси держателя 6 и ориентирована таким образом, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения 4 и 6 карусели 3 и держателя 5, что приводит к одинаковой скорости роста покрытия детали 1. 2 н.п.ф. 4 з.п.ф., 3 илл.

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к установкам для формирования защитных покрытий на плоских деталях, подверженных механическим нагрузкам, высоким температурам, воздействию агрессивной рабочей среды, может быть использована для защиты элементов запорно-регулирующей арматуры, используемой для добычи и транспортировки нефти и газа, от эрозии и коррозии.

Известны установки для нанесения нанокомпозитных покрытий с периодической структурой методом магнетронного распыления, при использовании которых обрабатываемые детали устанавливаются с помощью держателей на карусель, расположенную в вакуумной камере (см. RU 2308538, МПК 8 С23С 14/35, опубл. 20.10.2007). Карусель и держатели одновременно вращаются относительно своих осей, таким образом, детали совершают планетарное движение, позволяющее осуществить напыление со всех сторон при их прохождении перед источниками распыляемого материала, при этом магнетроны установлены с внешней стороны карусели. Деталями с плоскими поверхностями (плоскими деталями) считаются детали, имеющие две плоские поверхности, параллельные друг другу. Примерами плоской детали могут быть шиберная задвижка, седло шиберной задвижки.

Недостатком установки является различная скорость роста покрытия на центральной части детали и ее краях, неравномерность нагрева центральной части детали и ее краев, поверхность детали периодически экспонируется под острыми углами, что ведет к огрублению покрытия.

Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является публикация JP 2006328518, МПК С23С 14/34, опубл. 17.12.2006 "Устройство для формирования покрытия с помощью распыления", содержащий установленный в вакуумной камере по меньшей мере один источник распыляемого материала, карусель, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель плоской детали, но плоские детали, расположенные на карусели, не вращаются вокруг собственной оси и расположены так, что обеспечивается относительное постоянство расстояний от магнетрона до различных областей детали и устраняется экспозиция детали под острыми углами.

Недостатками установки являются отсутствие обработки детали с другой стороны, менее эффективная обработка плоских поверхностей пучком ионов от ионного источника, необходимость дублирования с внутренней стороны карусели всех магнетронов, установленных с внешней стороны, для обработки детали с другой стороны и нанесения чередующихся слоев из разных материалов.

Технической задачей является повышение качества нанокомпозитного покрытия и однородности его свойств на всей площади обрабатываемой поверхности плоской детали.

Эта техническая задача решается тем, что в известная установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали, содержащая установленные в вакуумной камере, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, карусель, на которой расположен, по меньшей мере, один держатель детали, который выполнен с возможностью разворота детали на 180° вокруг собственной оси держателя, параллельной оси вращения карусели, при этом перед источником распыляемого материала деталь установлена неподвижно относительно оси держателя и закреплена на держателе так, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, а при развороте детали на 180° относительно оси держателя, он удален от источника распыляемого материала на расстояние, при котором осаждение на плоскую поверхность детали частиц распыляемого материала пренебрежительно мало.

Кроме того, в установке для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали источник распыляемого материала может быть выполнен в виде N магнетронов, где N - целое число и N1.

В установке для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали источник распыляемого материала может быть выполнен в виде N электродуговых источников, где N - целое число и N1.

Кроме того, в установке для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали количество источников распыляемого материала может быть выбрано М, где М - целое четное число и М2, причем источники распыляемого материала установлены парами напротив друг друга на расстоянии, обеспечивающим прохождение детали между ними.

В установке для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали мишени источников распыляемого материала могут быть выполнены из разных материалов.

В другом варианте выполнения для достижения технического результата в известная установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали, содержащей установленные в вакуумной камере, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, карусель, на которой расположен, по меньшей мере, один держатель плоской детали, она снабжена ионным источником для воздействия на плоскую поверхность детали, держатель детали выполнен с возможностью разворота детали на 180° вокруг собственной оси держателя, параллельной оси вращения карусели, при этом перед источником распыляемого материала установлена неподвижно относительно оси держателя и закреплена на держателе так, что ее обрабатываемая плоская поверхность детали расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, при развороте детали на 180° относительно оси держателя, он удален от источника распыляемого материала на расстояние, при котором осаждение на плоскую поверхность детали частиц распыляемого материала пренебрежимо мало, а ионный источник установлен с возможностью воздействия ионным пучком на плоскую поверхность детали при ее развороте на 180°.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид установки, на фиг.2 показан узел вращения детали, на фиг.3 показан общий вид другого варианта установки для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали.

Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали 1 содержит вакуумную камеру 2, карусель 3, установленную в ней, при этом ось вращения 4 карусели 3 проходит в центре вакуумной камеры 2. Карусель 3 оснащена, по меньшей мере, одним держателем 5 детали 1, имеющим возможность поворачиваться вокруг собственной оси 6, которая параллельна оси вращения 4. Ось вращения 6 держателя 5 является собственной осью вращения детали 1 и может совпадать с осью симметрии детали 1. Установленная на держателе 5 деталь 1 ориентирована таким образом, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения 4 и 6, при этом держатель 5 механически зафиксирован на карусели 3.

Каждый держатель 5 содержит зубчатое колесо 7, расположенное на оси 6 держателя 5. На расстоянии от источника распыляемого материала 8 установлен узел разворота детали 1, представляющий собой неподвижный относительно вакуумной камеры 2 сектор зубчатого колеса 9. Зубчатое колесо 7 держателя 5 контактирует с сектором зубчатого колеса 9 узла разворота детали 1 и образует вместе с ним зубчатую передачу. Передаточное число этой зубчатой передачи выбирается таким образом, чтобы в ограниченной области контакта осуществить разворот детали на 180°.

В другом варианте исполнения полезной модели около узла разворота детали установлен ионный источник 10. Для нанесения чередующегося слоя из другого материала источник распыляемого материала 11, имеющий мишень 12 из этого материала, установлен на некотором удалении от узла разворота детали напротив источника распыляемого материала 8. Возможна установка нескольких источников распыляемого материала 13-14 с внешней и внутренней стороны карусели и нескольких узлов разворота, при этом дублирования источников распыляемого материала для нанесения чередующихся покрытий на разные стороны детали 1 не требуется. Возможна также одновременная обработка двух плоских поверхностей, для чего устанавливаются по два источника распыляемого материала 8 и 11 (или 13 и 14) напротив друг друга, при этом указанные источники могут иметь мишени 12 из разных материалов.

Устройство для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали работает следующим образом.

Карусель 3 и держатель 5 имеют возможность вращения относительно собственных осей 4 и 6, при этом оси 4 и 6 карусели 3 и держателя 5 параллельны друг другу. С внешней стороны карусели 3 расположен, по крайней мере, один источник распыляемого материала 8. Поскольку ширина детали 1 мала по сравнению с радиусом карусели 3, траектория движения детали 1 при прохождении ее перед источником распыляемого материала 8 близка к прямой линии, а обрабатываемая поверхность располагается параллельно источнику распыляемого материала 8. При прохождении перед источником распыляемого материала 8 закрепленная на держателе деталь 1 неподвижна относительно оси держателя 6 и ориентирована таким образом, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения 4 и 6 карусели 3 и держателя 5, что приводит к одинаковой скорости роста покрытия и одинаковой температуре во всех областях обрабатываемой поверхности плоской детали 1 и обеспечивает однородность свойств покрытия на обрабатываемой поверхности. Разворот детали на 180° относительно оси 6 держателя 5 осуществляется на расстоянии от источника распыляемого материала. Под расстоянием в описании полезной модели подразумевает такое удаление, при котором осаждение на деталь 1 распыляемых источником 8 частиц пренебрежимо мало. При необходимости уменьшения такого расстояния используют защитные экраны.

Источник распыляемого материала 8 может быть выполнен в виде N магнетронов или электродуговых источников, где N - целое число и N 1. Максимальное количество источников распыляемого материала 8 определяется размерами и конструктивными особенностями вакуумной камеры 2.

Установка может содержать четное количество источников распыляемого материала 8 и 11 (13 и 14), установленных друг напротив друга с возможностью прохождения детали между ними, при этом источники распыляемого материала 8, 11, 13, 14 могут иметь мишени 12 из разных материалов, а покрытие в этом случае наносится одновременно на две обрабатываемые поверхности детали 1. Разворот детали на 180° относительно оси держателя осуществляется при помощи зубчатой передачи, состоящей из зубчатого колеса 7, закрепленного на оси 6 держателя 5, и сектора зубчатого колеса 9, установленного неподвижно относительно вакуумной камеры 2. Зубчатая передача создает усилие, достаточное для освобождения держателя 5, при этом после разворота держатель 5 снова фиксируется. При следующем прохождении детали 1 перед источником распыляемого материала 8 она окажется развернутой к нему другой стороной.

Количество источников распыляемого материала может быть равно М, где М - целое четное число и М 2, причем источники распыляемого материала установлены парами напротив друг друга на расстоянии, обеспечивающим прохождение детали между ними. В качестве разных материалов мишени 12 могут применяться Ti, Fe, Ni, Co, Cr, Al, Y, Zr, Hf, V, Та, Mo, W, B, Si, С или любой сплав на основе указанных элементов. Максимальное количество источников распыляемого материала 8 определяется размерами и конструктивными особенностями вакуумной камеры 2.

При наличии ионного источника 10 в установке, он воздействует ионным пучком на обрабатываемую поверхность при развороте детали 1 на 180°. Разворот детали 1 при обработке пучком ионов ее поверхности обеспечивает требуемые острые углы экспозиции, соответствующие оптимальному режиму такой обработки. При организации такого движения деталей становится эффективной их обработка пучком ионов от ионного источника, поскольку наилучшие результаты такой обработки достигаются при острых углах экспозиции.

Использование полезной модели обеспечивает однородность свойств покрытия на плоской поверхности детали; снижает при этом количества используемых источников распыляемого материала при нанесении чередующихся слоев разных материалов; создает при этом оптимальные условия для обработки детали потоком ионов; упрощает установку для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали.

1. Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали, содержащая установленный в вакуумной камере, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, карусель, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель детали, отличающаяся тем, что держатель детали выполнен с возможностью разворота детали на 180° вокруг собственной оси держателя, параллельной оси вращения карусели, при этом перед источником распыляемого материала деталь на держателе установлена неподвижно относительно его оси и закреплена на нем так, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, при этом при развороте детали на 180° относительно оси держателя он удален от источника распыляемого материала на расстояние, при котором осаждение на плоскую поверхность детали частиц распыляемого материала пренебрежимо мало.

2. Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали по п.1, отличающаяся тем, что источник распыляемого материала выполнен в виде N магнетронов, где N - целое число и N1.

3. Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали по п.1, отличающаяся тем, что источник распыляемого материала выполнен в виде N электродуговых источников, где N - целое число и N1.

4. Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали по любому из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что количество источников распыляемого материала выбрано М, где М - целое четное число и М2, причем источники распыляемого материала установлены парами напротив друг друга на расстоянии, обеспечивающем прохождение детали между ними.

5. Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали по п.4, отличающаяся тем, что мишени источников распыляемого материала выполнены из разных материалов.

6. Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий на плоские поверхности детали, содержащая установленный в вакуумной камере, по меньшей мере, один источник распыляемого материала, карусель, на которой размещен, по меньшей мере, один держатель детали, отличающаяся тем, что она снабжена ионным источником для воздействия на плоскую поверхность детали, держатель детали выполнен с возможностью разворота детали на 180° вокруг собственной оси держателя, параллельной оси вращения карусели, при этом перед источником распыляемого материала деталь на держателе установлена неподвижно относительно его оси и закреплена на держателе так, что ее обрабатываемая плоская поверхность расположена перпендикулярно плоскости, проведенной через оси вращения карусели и держателя, при этом при развороте детали на 180° относительно оси держателя, он удален от источника распыляемого материала на расстояние, при котором осаждение на плоскую поверхность детали частиц распыляемого материала пренебрежимо мало, при этом ионный источник установлен с возможностью воздействия ионным пучком на плоскую поверхность детали при ее развороте на 180°.