2.2.4 Торцевые холловские плазменные ускорители
Для увеличения эффективности работы торцевого плазменного ускорителя при сравнительно небольших мощностях в ускорительном канале создается магнитное поле за счет внешних источников (соленоиды, катушки). Такие ускорители, получившие название "торцевые холловские плазменные ускорители" (ТХПУ), широко используются в технологических процессах (в первую очередь, для нанесения покрытий).
Принципиальная схема ТХПУ показана на рис. 2.13. Для работы такого устройства необходимо пространственно неоднородное внешнее магнитное поле, которое создается с помощью катушек магнитного поля.
Наряду с "внешней" подачей рабочего вещества через катод, широкое распространение в установках для плазменной технологии получили торцевые магнитоплазменные ускорители с эрозией охлаждаемых катодов.
Для генерации плазмы наносимого материала между катодом и анодом формируется один из типов вакуумно-дугового разряда, который существует в подаваемом рабочем газе, либо в парах материала электрода, подвергаемого эрозии. Образующаяся в результате плазма ускоряется силой Ампера.
Торцевые холловские плазменные ускорители позволяют получать потоки плазмы со скоростями ~ 104 м/с при мощности 10 кВт. Замечательной особенность торцевых холловских ПУ – способность создавать потоки частиц с энергией, в несколько раз превосходящей приложенную разность потенциалов. Это объясняется увлечением ионов электронным потоком, идущим из катода (электронным ветром).
Рисунок 2.13 – Схема торцевого холловского
плазменного ускорителя:
ДВ - диэлектрическая вставка; КМП -
катушка магнитного поля; РВ - рабочее
вещество
2.2.5 Технологические установки на основе пу
Использование плазменных ускорителей для технологических целей, в первую очередь, для нанесения упрочняющих и защитных покрытий, обладающих высокими адгезионными и электрофизическими свойствами, получило достаточно широкое распространение.
Наиболее известными отечественными устройствами с использованием ПУ являются установки типа "Булат", "Пуск" и ННВ. Серийный выпуск оборудования на базе схемы "Булат" и "Пуск" был налажен в СССР еще в начале 80-х годов 20 века. Эти установки предназначались для получения сверхтвердых упрочняющих покрытий для различных изделий машиностроения: режущего инструмента, штампов, пресс-форм. Американская компания Multiarch, крупнейший современный производитель вакуумного оборудования, как раз начала свою деятельность с того, что сразу же купила лицензию на установку «Булат» и теперь создает на ее базе уже пятое поколение машин. На сегодняшний день широкое распространение на территории России получили установки ННВ для нанесения защитных, износостойких и декоративных покрытий из различных материалов (Ti, Zr, Cr, Mn, Al, Mo, W, их оксидов, нитридов и карбидов и т.д.) на детали и инструмент, в том числе режущий.
В перечисленных установках реализуется метод нанесения покрытий из плазменной фазы с ионной бомбардировкой в вакууме (метод КИБ)
Конструктивно установки "Булат", "Пуск" и ННВ состоят из вакуумно-плазменного агрегата, камеры первичной обработки изделий (мойка и обезжиривание в ультразвуковой ванне), системы питания и управления плазменными ускорителями, поста подачи рабочего газа, блока управления и сепарации плазменного потока, силовой стойки, стойки контроля и управления технологическим процессом нанесения. Отметим, что в отличие от устройств плазмотронного нанесения это оборудование предусматривает обязательное наличие вакуумной рабочей камеры, начальное давление в которой составляет ~ 10-3Па.
Т
Рисунок 2.14 –Схема
вакуумно-плазменного агрегата установки
типа "Булат":
1 -
цилиндрическая стальная вакуумная
камера; 2 -
источники
плазменных потоков; 3
- блок питания
плазменных источников; 4
- блок
управления поворотным устройством
в камере; 5 - система подачи рабочего
газа; 6 - система вакуумной откачки;
7 - гидросистема
Рисунок 2.15 – Общий вид установки типа
«Булат»
Таблица 2.1
Основные характеристики некоторых установок типа «Булат»
Характеристики |
Булат-ЗТ |
Булат-4 |
Булат-5 |
Булат-9 |
Размеры рабочей камеры (диаметр хдлина), мм |
500x500 |
700x600 |
500x500 |
600x600 |
Время откачки камеры до давления 6,5.10-3 Па, мин |
60 |
|
50 |
25 |
Количество плазменных источников |
3 |
3 |
3 |
4 |
Скорость нанесения покрытий, мкм/ч |
доЗ |
до 60 |
до 60 |
до 60 |
Максимальная площадь поверхности напыления, см2 |
1000 |
4000 |
2600 |
3000 |
Производительность установки за смену (упрочнение свёрл Ø5 мм), шт |
6000 |
|
7500 |
12000 |
Наличие сепарирующих устройств |
Нет |
Есть |
Нет |
Есть |
Потребляемая мощность, кВт |
50 |
55 |
50 |
30 |
Масса установки, кг |
2000 |
|
2500 |
3000 |
Поворотное устройство используется для закрепления обрабатываемых изделий, подвода к ним отрицательного потенциала и обеспечения вращения изделий в струе плазмы. При этом обеспечивается равномерное нанесение покрытия и увеличивается количество обрабатываемых в течение одного цикла изделий.
Гидросистема предназначена для охлаждения камеры, катодных узлов плазменных ускорителей и ряда других частей установки.
В установках «Булат» используют плазменные ускорители с дисковым эрозионным катодом и системой стабилизации катодных пятен, с магнитным управлением параметрами плазменного потока, в том числе его фокусировкой.
Установка третьего поколения "Булат-9" отличается высоким уровнем автоматизации технологического процесса, улучшенной конструкцией источников плазмы, а также повышенной надежностью и экономичностью систем питания. Система автоматики обеспечивает проведение всего технологического цикла, в том числе загрузку и выгрузку изделий из вакуумной камеры. Установка снабжена устройством сепарации заряженных и нейтральных частиц плазменного потока, что позволяет получать покрытия на изделиях, обработанных по высокому классу чистоты без ухудшения качества их поверхности. Она также имеет два автоматических натекателя, что позволяет проводить технологический процесс в различных газах и их смесях.
Установки типа "Пуск" также предназначены для нанесения износостойких покрытий на изделия, используемые в основном в автомобильной промышленности. Технологический процесс близок к используемому с установками типа "Булат", но установки "Пуск" (ПУСК-79-1, ПУСК-ЭМ) выполнены на основе торцевых холловских эрозионных плазменных ускорителей с интегрально-холодным катодом (ТХПУ). Отличительной особенностью установки ПУСК-79-1 является наличие двух рабочих камер. В то время как в одной камере наносится покрытие, в другой выполняются вспомогательные операции (выгрузка изделий, загрузка новой партии, получение вакуума), что повышает производительность процесса.
Для сравнения приведем основные технические характеристики ПУСК-79-1.
Таблица 2.2
Основные технические характеристики установки ПУСК-79-1
Рабочее давление в камере |
5.10-4 Па |
Скорость нанесения покрытия |
0,8 – 1,0 мкм/мин |
Площадь поверхности, обрабатываемой в одной камере |
500 см2 |
Цикл нанесения покрытия |
20 – 30 мин |
Потребляемая мощность |
около 30 кВт |