Спосіб і пристрій для нанесення іонно-плазмових покриттів на внутрішню поверхню труби

1. Спосіб нанесення іонно-плазмових покриттів на вн утрішню поверхню тр уби, який включає розташування оброблюваної труби в вакуумній камері, її вакуумування, очищення від забруднень, активацію і попереднє нагрівання оброблювальної поверхні іонним бомбардуванням в тліючому розряді, який відрізняється тим, що послідовно виконуються наступні операції: - внутрішня порожнина труби, що оброблюється, вакуум ується; - через порожнину труби в напрямку, що співпадає з напрямком вакуумної відкачки, подається аргон під тиском приблизно один паскаль; - в кільцевому зазорі між трубою і центральним електродом створюється радіальне магнітне поле; - між трубою і центральним електродом плазмового пристрою, які утворюють розрядний проміжок, вмикається джерело живлення дугового розряду таким чином, що труба знаходиться під негативним потенціалом відносно центрального електрода; - в розрядному проміжку ініціюються короткоперіодичні дугові розряди, які послідовно повторюються до того моменту, поки стан внутрішньої поверхні труби (катода) набуде властивості, необхідної для нанесення покриття з необхідною якістю; - подача аргону в порожнину тр уби припиняється; - перемикаються полюси джерела живлення дугового розряду в протилежне положення; - перемикається полярність імпульсного джерела підпалюючої напруги; - послідовно повторюються дугові розряди на поверхні центрального катода до моменту формування на внутрішній поверхні оброблюваної труби шару конденсату необхідної товщини. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що для ініціювання дугового розряду в камеру ініціювання з газорозрядного джерела електронів подаються електрони. 2 (19) 1 3 71527 Винахід відноситься до технології іонноплазмової обробки і нанесення покриттів, переважно на внутрішню поверхню довгих тр уб малого діаметру. Аналогом технічного рішення, що заявляється, є відомий спосіб іонно-плазмової обробки внутрішньої поверхні [1]. Спосіб включає наступні послідовні операції, які виконуються в вакуумній камері. Поверхня, що піддається обробці, очищується від забруднень, активується і піддається попередньому нагріву іонним бомбардуванням в тліючому розряді, який запалюється між позитивним електродом і поверхнею що оброблюється. Наступною операцією є випарювання і конденсація матеріалу покриття, яке може бути реалізовано шляхом прямого або непрямого нагріву. В якості прототипів, можуть бути способи нанесення покриттів з використанням генерації потоку частинок матеріалу покриття, шляхом розпилення катода плазмового пристрою тліючим, магнетронним, або вакуумнодуговим розрядом. [2] Розпилені частинки катоду конденсуються на оброблювальній поверхні і формують покриття. В літературі є достатня кількість прикладів практичної реалізації способа-аналога [1]. Прикладом технологічного обладнання, в якому реалізується спосіб-прототип, є описана в [3] вакуумна установка, яка включає систему вакуумної відкачки, вакуумну камеру з розміщеним на її осі плазмовим пристроєм з катодом у вигляді довгої труби з матеріалу покриття, в порожнині якої розташована рухома магнітна система. Біля внутрішньої стінки вакуумної камери розміщується пристосування для монтажу оброблювального виробу (виробів), а в проміжку між ним і поверхнею катоду змонтовано ажурну конструкцію у вигляді спіралі або "більчачого колеса", яка являється анодом для розпилюючого плазмового пристрою і анодом для тліючого розряду попередньої підготовки поверхні. Обладнання такого типу може бути використано для попередньої обробки і нанесення іонно-плазмових покриттів на внутрішню поверхню труб діаметром 0,5-1 метр, при відношенні внутрішнього діаметру до довжини труби яке дорівнює 1-2. Суттєві обмеження діаметру і довжини оброблювальної труби зумовлені наступними факторами: - необхідністю розташування анодної конструкції у проміжку між катодом розпилюючого плазмового пристрою і поверхнею що оброблюється; - необхідністю розташування рухомої магнітної системи в порожнині катоду розпилюючого плазмового пристрою. Найбільш близьким по технічній суті до технічного рішення, що заявляється, є вакуумноплазмова установка з радіальним вакуумнодуговим випарювачем, що описаний в [4]. В цьому пристрої використано властивість вакуумної дуги рухатися від місця де дуговий розряд було ініційовано до точки струмопідводу, що дозволяє відмовитися від рухомої магнітної системи в порожнині трубчато го катоду, для примусового сканування розряду вздовж його поверхні і, таким чином, зме 4 ншити його діаметр. Цю установку може бути визнано прототипом технічного рішення, що заявляється. Їх загальними ознаками є присутність системи вакуумної відкачки і трубчатого катоду розпилюючого плазмового пристрою, який розміщується в вакуумній камері співвісно з оброблювальною поверхнею. Пристрій-прототип не позбавлений основного недоліку, що обмежує зменшення діаметру і збільшення довжини труби, що оброблюється, яким являється існування конструкції аноду в проміжку між трубчатим катодом і оброблювальною поверхнею. В основу винаходу покладено завдання удосконалення відомого способу нанесення іонноплазмових покриттів на внутрішню поверхню труб, шляхом введення нових те хнологічних операцій. Поставлене завдання вирішується тим що, згідно винаходу, для попередньої плазмової обробки і нанесення покриття на внутрішню поверхню довгих труб малого діаметру, послідовно виконуються наступні операції: - внутрішня порожнина труби, що оброблюється, вакуум ується; - через порожнину труби, в напрямку що співпадає з напрямком вакуумної відкачки, подається аргон під тиском приблизно один паскаль; - в кільцевому зазорі між трубою і центральним електродом створюється радіальне магнітне поле; - між трубою і центральним електродом плазмового пристрою, які утворюють розрядний проміжок, вмикається джерело живлення дугового розряду таким чином, що тр уба знаходиться під від'ємним потенціалом відносно центрального електроду; - в розрядному проміжку ініціюється короткоперіодичні дугові розряди які послідовно повторюються до того моменту, коли стан внутрішньої поверхні труби (катода) набуде властивості, необхідної для нанесення покриття з необхідною якістю; - подача аргону в порожнину труби припиняється; - перемикаются полюси джерела живлення дугового розряду в протилежне положення; - премикається полярність імпульсного джерела підпалюючої напруги; - послідовно повторюються дугові розряди на поверхні центрального катода до моменту формування на внутрішній поверхні оброблювальної труби шару конденсату необхідної товщини. Для ініціювання дугового розряду в камеру ініціювання з газорозрядного джерела електронів подаються електрони. Пристрій для нанесення іонно-плазмових покриттів на внутрішню поверхню довги х труб малого діаметру, в якому реалізується спосіб, що заявляється як припущений винахід, складається з наступних елементів: - центрального трубчатого водохолоджуваного електрода, зовнішня поверхня якого уявляє собою трубу із матеріалу покриття, а його осердя викона 5 71527 6 но з феромагнітного матеріалу; В камері ініціювання дугового розряду може - джерела живлення дугового розряду з перебути встановлено плазмове джерело електронів, микачем полярності електродів; відкрите в камеру ініціювання. - один кінець труби, що оброблюється, гермеТехнічне рішення, що заявляється як припутично сполучається з системою вакуум ування; щений винахід способу нанесення іонно- дугогасильний екран монтується в зазорі між плазмових покриттів на внутрішню поверхню труб, електродами з боку сполучення оброблювальної відрізняється від прототипу наступними відокремтруби з системою вакуум ування; лювальними ознаками: - на кінці оброблювальної руби, що протилеж- внутрішня порожнина труби, що оброблюєтьний системі вакуумування, встановлено камеру ся, вакуум ується; газорозрядного ініціювання дугового розряду; - через порожнину труби, в напрямку що спів- камера газорозрядного ініціювання має трубпадає з напрямком вакуумної відкачки, подається ку для вводу газа; аргон під тиском приблизно один паскаль; - в камері ініціювання, співвісно з центральним - в кільцевому зазорі між трубою і центральтрубчатим електродом, на ізоляторах змонтовано ним електродом створюється радіальне магнітне кільцевий підпалюючий електрод; поле; - підпалюючий електрод через імпульсне дже- між трубою і центральним електродом плазрело підпалюючої напруги і перемикач полярності мового пристрою, які утворюють розрядний промісполучається з негативним електродом; жок, вмикається джерело живлення дугового роз- на зовнішній поверхні труби, що оброблюєтьряду таким чином, що тр уба знаходиться під ся, змонтована магнітна система, яка включає февід'ємним потенціалом відносно центрального ромагнітне осердя центрального електрода, зовелектроду; нішні магнітопроводи і магнітні котушки, які - в розрядному проміжку ініціюється короткорівномірно розподілені вздовж зовнішньої труби і періодичні дугові розряди які послідовно повторюутворюють радіальне магнітне поле в міжелектроються до того моменту, коли стан внутрішньої подному проміжку між центральним електродом і верхні труби (катода) набуде властивості, поверхнею оброблювальної труби; необхідної для нанесення покриття з необхідною - центрального трубчатого електрода, який якістю; розташований співвісно з трубою 1, що оброблю- подача аргону в порожнину труби припиняється, ізольовано від неї, причому зовнішня повеється; рхня електрода уявляє собою трубу 8 із матеріалу - перемикаются полюси джерела живлення дупокриття, а його осердя 9 виконано з феромагнітгового розряду в протилежне положення; ного матеріалу і вздовж осі має канал для протоку - премикається полярність імпульсного джереохолоджуючої води; ла підпалюючої напруги; - центральний електрод сполучений з трубою, - послідовно повторюються дугові розряди на що оброблюється, через джерело живлення дугоповерхні центрального катода до моменту формувого розряду 11; вання на внутрішній поверхні оброблювальної - джерело живлення дугового розряду має петруби шару конденсату необхідної товщини. Для ремикач полярності електродів 12; ініціювання дугового розряду в камеру ініціювання - один кінець труби, що оброблюється, гермез газорозрядного джерела електронів подаються тично сполучений з системою вакуумування 2; електрони. - центральний трубчатий електрод охоплюєть- дугові розряди послідовно повторюються до ся кільцевим дугогасильним екраном 13, що знатого моменту, коли стан поверхні катоду набуде ходиться під плаваючим потенціалом і розташовавластивості, необхідної для нанесення покриття з ний на кінці центрального електрода з боку необхідною якістю. системи вакуум ування; Згідно з другим варіантом способу, при газо- на кінці труби, що оброблюється, що протирозрядному ініціюванні дугового розряду, в камеру лежний системі вакуум ування, встановлено камеініціювання з газорозрядного джерела електронів ру газорозрядного ініціювання дугового розряду 3; подаються електрони. - камера газорозрядного ініціювання має газоОперація "в порожнину труби подається аргон підводящу тр убку 4; до тиску приблизно один паскаль", дозволяє запа- в камері ініціювання, співвісно з центральним лити в камері ініціюючий холівський розряд, запотрубчатим електродом, на ізоляторах змонтовано бігти проникнення в зону іонно-плазмової обробки кільцевий підпалюючий електрод 6; вуглецевих забруднювачів з системи вакуумної - підпалюючий електрод 5 знаходиться під повідкачки і тим самим підвищити якість покриття. зитивним потенціалом відносно труби, що обробОперація "між трубою і центральним електролюється, і сполучається з нею через імпульсне дом плазмового пристрою вмикається джерело джерело підпалюючої напруги 7; живлення дугового розряду таким чином, що труба - на зовнішній поверхні труби, що оброблюєтьзнаходиться під від'ємним потенціалом відносно ся, змонтована магнітна система, яка включає фецентрального електроду", дозволяє реалізувати ромагнітне осердя 9 центрального електрода, зовпопередню підготовку поверхні, на яку наноситься нішні магнітопроводи 14 і магнітні котушки 15, які покриття, не іонним травленням (що характеризує рівноміро розподілені вздовж зовнішньої труби, що спосіб-аналог і спосіб-прототип), а обробкою вакуоброблюється, і утворюють поперечне магнітне умно-дуговим розрядом, що характеризується поле в зазорі між центральним електродом і повебільш значним коефіцієнтом ерозії, тобто більшою рхнею тр уби, що оброблюється; продуктивністю обробки. 7 71527 8 Операція "ініціювання дугового розряду, шлянею через імпульсне джерело підпалюючої напрухом запалення імпульсного Холівського розряду", ги", "на зовнішній поверхні труби, що оброблюєтьдозволяє ініціювати дуговий розряд на оброблюся, змонтована магнітна система, яка включає февальній поверхні і на поверхні розпилювального ромагнітне осердя центрального електрода, катоду простою переполюсовкою джерела живзовнішні магнітопроводи і магнітні котушки, які рівлення дугового розряду. номіро розподілені вздовж зовнішньої труби, що Технічне рішення, що заявляється як припуоброблюється, і утворюють поперечне магнітне щений винахід пристрою для нанесення іоннополе в зазорі між центральним електродом і повеплазмових покриттів на внутрішню поверхню труб, рхнею тр уби, що оброблюється", дозволяють реамає наступні відокремлювальні ознаки, які відрізлізувати імпульсне підпаленні дугового розряду няють його від прототипу: для попередньої підготовки оброблювальній пове- центральний трубчатий електрод, який розрхні і розряду, що генерує частинки з яких формуташований співвісно з трубою, що оброблюється, ється шар покриття. ізольовано від неї, причому зовнішня поверхня Робота технологічного устаткування, що проелектрода уявляє собою трубу із матеріалу попонується як припущений винахід, розкрита вище, криття, а його осердя виконано з феромагнітного при описанні способу попередньої іонно-плазмової матеріалу і вздовж осі має канал для протоку охообробки і нанесення покриття на довгу трубу малоджуючої води; лого діаметру. - джерело живлення дугового розряду має пеПорівняльний аналіз відокремлювальних ознак ремикач полярності електродів; технічних рішень способу і прототипу, що заявля- один кінець труби, що оброблюється, гермеються як припущені винаходи, із ознаками прототично сполучений з системою вакуумування; типу показує, що ознаки винаходу відповідають - на кінці труби, що оброблюється, що протикритерію "новітності" і є достатніми для всіх випадлежний системі вакуум ування, встановлено камеків, на які поширюється об'єм правової охорони. ру газорозрядного ініціювання дугового розряду; Робота пристрою для попередньої обробки і - камера газорозрядного ініціювання має газонанесення іонно-плазмових покриттів на внутріпідводящу тр убку; шню поверхню довгих труб малого діаметру, що - в порожнині камері ініціювання, співвісно з пропонується як припущений винахід, розкрита центральним трубчатим електродом, на ізолятовище, при опису способу попередньої іоннорах змонтовано кільцевий підпалюючий електрод; плазмової обробки і нанесення покриття. - підпалюючий електрод знаходиться під позиТаким чином, до основних переваг пропоновативним потенціалом відносно труби, що оброблюного способу і пристрою для попередньої обробки ється, і сполучається з нею через імпульсне джеі нанесення іонно-плазмових покриттів на внутрірело підпалюючої напруги; шню поверхню тр уб можна віднести наступне: - на зовнішній поверхні труби, що оброблюєть- можливість іонно-плазмової обробки довгих ся, змонтована магнітна система, яка включає фетруб малого діаметру; ромагнітне осердя центрального електрода, зов- реалізація більш продуктивного, у порівнянні нішні магнітопроводи і магнітні котушки, які з іонним травленням, технологічного процесу порівномірно розподілені вздовж зовнішньої труби, передньої обробки поверхні перед нанесенням що оброблюється, і утворюють поперечне магнітне покриттів; поле в зазорі між центральним електродом і пове- складення передумов підвищення якості іонрхнею тр уби, що оброблюється. но-плазмового покриття за рахунок підвищення Згідно з другим варіантом технічного рішення тиску аргону в те хнологічній зоні; пристрою, на камері газорозрядного ініціювання - спрощення конструкції технологічного обладдугового розряду встановлене газорозрядне дженання за рахунок вакуумної відкачки безпосередрело електронів, відкрите в камеру ініціювання. ньо з технологічної зони обробки. Ознака винаходу те хнічного рішення пристрою Джерела інформації: - "один кінець труби, що оброблюється, герметич1. Масел, Сленг, Технологія тонких пленок, но сполучений з системою вакуумування" дозвоМ.: Мир, 1975 ляє реалізувати те хнологічне обладнання без тех2. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронне ранологічної вакуумної камери. спылительные системы. М.: Радио и связь. 1982. Ознаки пристрою: "камера газорозрядного іні83с. ціювання має газопідводящу трубку", "в порожнині 3. Саксаганский Г.Л. Электрофизические накамері ініціювання, співвісно з центральним трубсосы. -М.: Энергоатомиздат, 1988. - 297с. чатим електродом, на ізоляторах змонтовано кіль4. Аксёнов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. цевий підпалюючий електрод", "підпалюючий елеФормирование потоков металлической плазмы: ктрод знаходиться під позитивним потенціалом Обор. М.: ЦНИИатоминформ, 1984. відносно оброблювальної труби і з'єдн ується з 9 Комп’ютерна в ерстка В. Мацело 71527 Підписне 10 Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601