Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы и постановка задачи исследований 8
1.1. Анализ состояния проблемы преждевременного выхода из строя элементов основного оборудования 8
1.2. Анализ способов защиты рабочих поверхностей элементов теплотехнического оборудования ТЭС 28
1.3. Постановка задачи исследований 45
ГЛАВА 2. Теоретические и физические основы формирования покрытий в вакууме 47
2.1. Механизм осаждения ионов переходных металлов IV - VI групп периодической системы Менделеева на металлические поверхности в вакууме 53
2.2. Формирование элементарного и фазового состава одно- и многослойных износостойких покрытий 61
2.3. Основные параметры формирования и физико - химические свойства ионно-плазменных покрытий 66
2.3.1. Температура поверхности при осаждении ионно-плазменных покрытий 67
2.3.2. Толщина и состав покрытий 70
2.3.3. Влияние давления реакционного газа на свойства покрытий 74
2.3.4. Влияние характеристик подложки на свойства ионно - плазменных покрытий 78
2.3.5. Свойства и области применения ионно-плазменных покрытий 80
Выводы по главе 2 85
ГЛАВА 3. Экспериментальное оборудование. Методики проведения исследований 86
3.1. Оборудование для формирования ионно-плазменных покрытий 86
3.2. Измерение температуры в установке для формирования ионно-плазменных покрытий 92
3.3. Ванна ультразвуковая УЗВ I - 5А 96
3.4. Экспериментальный стенд для определения стойкости материалов и покрытий каплеударной эрозии 102
3.4.1 .Методика проведения экспериментальных исследований.. 107
3.5. Экспериментальное оборудование для испытаний на усталость, коррозионную усталость и коррозию под напряжением материалов и защитных покрытий. Методика проведения исследований 112
3.6. Изучение коррозионных свойств материалов и покрытий 116
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования свойств ионно-плазменных покрытий 121
4.1. Результаты исследований по изучению закономерностей распределения температур в вакуумной камере установки для нанесения ионно-плазменных покрытий 121
4.2. Определение диапазона температур формирования покрытий 133
4.3. Изучение влияния толщины покрытий 139
4.4. Изучение влияния ионной очистки на эрозионную стойкость покрытий 143
4.5. Изучение коррозионных свойств стали 20X13 с покрытиями 145
4.6. Изучение эрозионной стойкости двухслойных покрытий. 148
4.7. Изучение усталостных характеристик лопаточной стали с покрытиями и сопротивления коррозии под напряжением . 150
Выводы по главе 4 155
ГЛАВА 5. Технологические основы формирования и перспективы применения ионно-плазменных универсальных покрытий для повышения ресурса теплотехнического оборудования ТЭС 157
5.1. Подготовка рабочих поверхностей элементов энергетического оборудования перед процессом формирования ионно-плазменных покрытий в вакууме. 160
5.2. Процесс формирования универсальных покрытий на поверхностях длинномерных элементов оборудования сложной конфигурации 166
5.2.1. Определение режима предварительного нагрева лопаток турбин 167
5.2.2. Исследования по получению износостойких покрытий на образцах, имитирующих лопатки 178
5.2.3. Нанесение покрытий на опытную партию рабочих лопаток турбины Т—100—130 184
Выводы по главе 5 190
Выводы 191
Литература 193
- Анализ способов защиты рабочих поверхностей элементов теплотехнического оборудования ТЭС
- Формирование элементарного и фазового состава одно- и многослойных износостойких покрытий
- Измерение температуры в установке для формирования ионно-плазменных покрытий
- Изучение усталостных характеристик лопаточной стали с покрытиями и сопротивления коррозии под напряжением
Введение к работе
Надежность и ресурс работы теплотехнического оборудования ТЭС в значительной мере зависит от степени износа рабочих поверхностей элементов конструкций. Производители электрической и тепловой энергии как в нашей стране, так и за рубежом, в своей практической деятельности сталкиваются с интенсивным износом (разрушением поверхностных слоев) конструкционных материалов различного оборудования (турбины, парогенераторы, теплообменники, запорная и регулирующая арматура, насосы и др.). Для отечественной энергетики проблема износостойкости оборудования ТЭС в современных условиях и на ближайшую перспективу приобретает особую значимость, обусловленную в первую очередь плохим состоянием теплотехнического оборудования, часто уже исчерпавшего свой ресурс и по-прежнему находящегося в эксплуатации. Высокая стоимость нового оборудования предопределила поиск путей повышения износостойкости, а значит и ресурса работы оборудования ТЭС.
Одним из основных типов оборудования, определяющего надежную работу ТЭС в целом, являются турбины. В свою очередь безаварийная эксплуатация паровых турбин мощных энергоблоков ТЭС определяется в значительной степени надежностью лопаточного аппарата. Повреждения рабочих лопаток в наибольшей степени влияют на простой турбины при восстановительном ремонте. Существенными являются и материальные затраты на восстановление проточной части после аварий из-за обрыва лопаток.
Опыт эксплуатации теплотехнического оборудования электрических станций, позволяет выделить следующие наиболее характерные виды износа- эрозия при каплеударном воздействии, абразивная эрозия, коррозионное растрескивание под напряжением, эрозионно-коррозионныи износ и кавитация. Все эти виды износа присущи деталям проточной части паровых турбин.
Износ деталей паровых турбин вследствие эрозии и коррозии является наиболее известной, но до сих пор не решенной в достаточной мере проблемой.
На сегодняшний день возможности повышения износостойкости оборудования за счет улучшения применяемых материалов, внедрения более совершенных конструктивных решений, организации оптимальных водно -химических режимов практически исчерпаны. Поэтому, в настоящее время для решения вопроса о продлении ресурса энергетического оборудования, эксплуатирующегося при воздействии эрозии и коррозии (в первую очередь рабочих лопаток паровых турбин) наиболее перспективны защитные покрытия.
Следует отметить, что к покрытиям, предназначенным для рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин, предъявляются особые требования: стойкость к каплеударной эрозии, неизменная сплошность и адгезия при воздействии эксплуатационных нагрузок, отсутствие негативного влияния параметров формирования покрытия на механические свойства материала лопаток, высокие антикоррозионные свойства.
Те же требования, исключая повышенную эрозионную стойкость относятся и к защитным покрытиям для рабочих лопаток, расположенных в зоне фазового перехода от перегретого пара к влажному.
Удовлетворить противоречивым требованиям к поверхностным (высокая износостойкость и твердость, низкое трение и высокая адгезия) и объемным (высокие прочность и ударная вязкость) свойствам можно лишь путем создания композиций с послойным расположением материалов, выполняющих различные функции. Весьма эффективны для создания таких поверхностных слоев вакуумные ионно-плазменные технологии.
Таким образом, для теплотехнического оборудования в целом и для рабочих лопаток паровых турбин в частности актуальной является задача разработки оптимальных многослойных ионно-плазменных покрытий, отвечающих указанным выше требованиям, и выявление степени повышения износостойкости и коррозионной стойкости рабочих лопаток для оценки увеличения ресурса работы оборудования.
Анализ способов защиты рабочих поверхностей элементов теплотехнического оборудования ТЭС
Существующие виды износа элементов основного тепломеханического оборудования ТЭС, вызывающие его преждевременный выход из строя, предопределяют и соответствующие способы защиты рабочих поверхностей. Анализ видов износа, приведенный выше, показал, что оборудование ТЭС подвергается таким видам износа, как каплеударная эрозия, абразивный износ, эрозия-коррозия, коррозия. Для каждого вида износа определенного типа оборудования разработаны соответствующие способы защиты, которые можно разделить на активные и пассивные. К активным способам относятся меры, снижающие негативное воздействие среды, а к пассивным - меры, повышающие износостойкость оборудования.
Рассмотрим способы защиты оборудования ТЭС от каплеударной эрозии. Это относится в первую очередь к рабочим лопаткам ЦНД крупных паровых турбин. Активные способы защиты от данного вида износа - это выбор параметров цикла (введение однократного или двукратного промежуточного перегрева пара, повышение давления в конденсаторе), введение систем влагоулавливания (сепараторы, отсосы и отводы влаги), испарение влаги (применение полых лопаток с нагревом.).
Как было показано выше, интенсивность износа от каплеударной эрозии связана также с химическим составом рабочей среды. Поэтому к активным способам защиты следует отнести меры по соблюдению норм чистоты пара и выбору типа водно-химического режима.
Следует отметить, что уменьшение влажности потока в ЦНД, а следовательно и интенсивности каплеударной эрозии за счет изменения параметров цикла турбоустановки не должно снижать ее экономичности, и в связи с этим, возможности данного способа достаточно ограничены.
При внутриканальном влагоудалении через полые направляющие лопатки давление внутри них ниже, чем снаружи, а значит, ниже и температура стенок профилей, что вызывает дополнительную конденсацию пара на наружных поверхностях лопаток. Этот эффект снижает конечную эффективность внутриканального влагоудаления.
Вместе с тем процесс теплопроводности используется и для борьбы с эрозией. По зарубежным данным [48] наиболее перспективным методом влагоудаления является подогрев полых направляющих лопаток. Расчетные и экспериментальные исследования, проведенные в МЭИ [49], показали высокую эффективность испарительного влагоудаления. ЦКТИ совместно с ХТГЗ разработали для турбины К-300-240 систему подогрева полых направляющих лопаток паром из предшествующих ступеней. При этом способе защиты от каплеударной эрозии часть пара уходит из проточной части на подогрев направляющих лопаток, что снижает в определенной мере экономичность турбины.
Другим активным способом защиты от каплеударной эрозии является экранирование поверхностей и отвод (дренирование) сконденсированной влаги. Так в ЦКТИ и ЛМЗ разработана система экранирования и дренирования разделительного козырька за двухъярусной ступенью Баумана и влагоотвода с входной стороны диафрагмы последней ступени для турбин К-200-130. Для типового ЦНД турбин К-300-240 и К-800-240 разработана система удаления влаги, конденсирующейся в камерах и на входных сторонах диафрагм. В настоящее время предлагаются устройства, улавливающие влагу непосредственно перед направляющими лопатками от среднего радиуса до периферии, включая меридиональный обвод [39].
Для снижения эрозионного износа выходных кромок рабочих лопаток последних ступеней ЦНД в работе [47] предложено установить в корневой зоне паровой эжектор. Эжектор включается на частичных режимах работы паровой турбины, снижая влажность среды в корневом сечении лопаток.
Указанные выше конструктивные меры, снижающие интенсивность каплеударной эрозии рабочих лопаток последних ступеней ЦНД паровых турбин, защищают лишь отдельные области лопатки, не решая проблему в целом, не защищая поверхность лопатки от коррозионного износа.
Поскольку коррозионная активность среды сказывается на интенсивности каплеударной эрозии, в ЦКТИ разработаны режимно-эксплуатационные мероприятия, направленные на улучшение водного режима за счет отвода и обессоливания конденсата, образовавшегося в проточной части до попадания на трубки конденсатора [51]. Тем самым снижается износ трубок конденсатора.
Другое мероприятие, предложенное ЦКТИ [52], направлено на исключение таких режимов эксплуатации, когда на рабочих лопатках возникает конденсационная нестационарность, способствующая солеотложениям. Тем самым возможно снижение коррозионной активности среды на поверхности лопаток и уменьшение их эрозионного износа.
К пассивным способам защиты от каплеударной эрозии относятся разработки наиболее эрозионно-стойких сплавов, защитных покрытий, способы упрочнения рабочих поверхностей. Рабочие лопатки паровых турбин выполняются из сталей с повышенным содержанием хрома 12X13, 20X13. Но эрозионная стойкость этих сталей недостаточна. В связи с этим для последних ступеней ЦНД используются рабочие лопатки из титановых сплавов, в частности сплава Ti-6A1-4V, который по своим прочностным и эрозионным характеристикам лучше, чем хромистые стали. Увеличение эрозионной стойкости хромистых сталей возможно также за счет введения присадок Ni, Mo, V и т.п. Поиски новых материалов для рабочих лопаток, подвергающихся каплеударному износу, затруднены тем, что такие лопатки наряду с эрозионной стойкостью должны обладать высокими прочностными свойствами, в том числе и усталостными, высоким декрементом колебаний, а также простотой изготовления.
В настоящее время для защиты входных кромок рабочих лопаток последних влажно-паровых ступеней турбин от эрозии отечественные и зарубежные фирмы достаточно широко применяют полосы стеллитовых пластин [53]. Стеллиты - сплавы на кобальтовой основе. При характерных для рабочих лопаток скоростях соударения капель 200-400 м/с относительная эрозионная стойкость стеллитов в 4-6 раз превышает стойкость хромистых лопаточных сталей [54-56]. Стеллитовые накладки в качестве защиты применяются на лопатках из хромистых сталей, а на лопатках из титановых сплавов применяется сплав в нетинол. В связи с тем, что стеллит и нетинол имеют существенно разные коэффициенты теплового расширения по сравнению с основным металлом лопатки, защитные накладки выполняются разделенными на несколько участков. В работе [57] выявлено различие средних значений твердости в пределах различных зон одной пластины и между пластинами.
Формирование элементарного и фазового состава одно- и многослойных износостойких покрытий
В первой группе (термическое испарение) не используются плазменные процессы, и конденсация покрытия происходит из нейтральных атомов со средней кинетической энергией, равной тепловой энергии испарения мишени [85 - 87]. Во второй группе (ионное испарение) используется газоразрядная плазма для распыления материала мишени (катода), а конденсация покрытия происходит из атомной фазы металла при непрерывной бомбардировке поверхности детали ионами газа. В третьей группе методов (активированное термическое испарение, ионное и плазменное осаждение) используется ионная фаза металла для конденсации покрытия, а рост самого покрытия происходит в условиях ионной бомбардировки поверхности ионами металла и газа. Это приводит к тому, что в первом и втором случае энергия конденсирующихся атомов неуправляема и невысока, а в третьем случае управляема и может изменяться в широких пределах.
Метод ионного распыления [84, 88 - 90] основан на бомбардировке ионами газоразрядной плазмы мишени из материала, используемого для получения покрытия, и осаждении распыленных частиц на поверхность детали. Конденсация материала мишени на деталь происходит из атомной фазы вещества в присутствии ионной бомбардировки поверхности ионами газа. Энергия атомов металла неуправляема и лежит в пределах от термической (0,01 эВ) до 20 эВ. Основными модификациями этого метода являются катодное (cathode sputtering) и магнетронное распыление (magnetron sputtering, high rate sputtering). При ионном распылении можно получать покрытия из металлов и соединений металлов с адгезией более высокой, чем при термовакуумных методах. Однако в ряде работ, в том числе [80], отмечается, что эти методы позволяют достичь адгезию, достаточную для использования покрытий в узлах трения только при температурах нагрева изделий выше критической для многих конструкционных материалов.
Метод активированного реактивного испарения (АРИ) основан на испарении материала мишени одним из термовакуумных методов (обычно электронно-лучевым) с последующей ионизацией испаренного материала и его конденсацией на детали [80, 90]. В этом методе конденсация покрытия происходит из частично ионизированной атомарной фазы металла (до 20-30%). Известны следующие модификации этого метода: РЭП (реактивное электроннолучевое плазменное напыление) - activated reactive sputtering (разработка Калифорнийского университета); golden асе (разработка японской фирмы Sumitomo Denki Kogyo). В бывшем Советском Союзе для напыления по методу РЭП разработана установка ЭПН-12. Эти методы позволяют получать покрытия из металлов и неметаллов и их соединений. Типичное значение температуры подложки при напылении выше 673 К.
Методы ионного осаждения (ion plating) [80, 90 - 93] основаны на сочетании методов термического испарения, ионного распыления и дополнительной ионизации паров металла. Возникающие в таких процессах ионы металлов с помощью электростатических методов вытягивают на поверхность детали. Этот метод позволяет в широких пределах управлять энергией конденсирующихся атомов металлов и получать при низких температурах покрытия с адгезией, достаточной для деталей машиностроения. Однако в этих методах из-за "неподвижности" плазмы и электростатической вытяжки ионов возникает ограничение скорости роста покрытий. Широкое применение в СССР и за рубежом нашел метод, основанный на получении ионной компоненты металла в плазме вакуумного электродугового разряда [78 - 80, 91, 94, 95, 97 -103]. В этих системах плазменный поток генерируется в результате электродуговой эрозии охлаждаемого катода. Для поддержания горения разряда не нужны дополнительные газы. Основное преимущество этих систем по сравнению с другими - существенно более простое аппаратурное оформление, более высокая степень ионизации парового потока металла и отсутствие ограничений на скорость роста покрытий. В СССР были созданы установки типа "Пуск", "Булат", "Плазменный котел" и т.д., в которых этим методом проводят осаждение покрытий на обрабатывающий инструмент. Вышеуказанные методы получения покрытий получили в СССР названия ПТВЭ (плазменная технология высоких энергий) [78, 91, 94, 97, 99, 100], КИБ (конденсация плазменного потока в условиях ионной бомбардировки) [79, 80, 99], а также ВИПТ (вакуумная ионно-плазменная технология). Фирма Multi-Arc Vacuum Systems Inc (США), купившая в СССР в 1980 году лицензию на установку "Булат", создала оборудование для напыления нитрида титана толщиной l-f-б мкм при температуре подложки 573 К на детали длиной до 1 м, диаметром до 0,9 м и массой до 250 кг. Фирменное название этого метода ION BOND [102].
Метод получения покрытий из нитридов и карбидов переходных металлов с использованием электродугового разряда в настоящее время получает все более широкое применение на Западе. Так, фирма Multi-Arc Vacuum Systems Inc (США) и ее европейские отделения Multi-Arc Ltd. выпускают обрабатывающий инструмент и оснастку с покрытием из нитрида титана. Фирма организует в США во многих штатах центры по напылению и поставке оборудования. Фирма "I.I. Casting Investments" (США) внедрила на своих предприятиях метод ION BOND.
Необходимо отметить, что часто в литературе методы второй и третьей групп объединяют под одним названием - вакуумное ионно-плазменное напыление, хотя, как было уже показано, это не совсем оправдано. На рис. 2.1 приведено сравнение рассматриваемых методов получения покрытий по двум важнейшим технологическим параметрам: плотности потока частиц, падающих на поверхность конденсации (скорость роста покрытия), и средней кинетической энергии, приходящейся на одну падающую частицу [100]. Область энергий и плотностей потока частиц на рис. 2.1 ограничена сверху двумя линиями, соответствующими возможности теплосъема за счет теплового излучения при температурах 1500 К и 700 К. Область I соответствует методам низкотемпературной химии, металлургии и газотермического напыления (ГТН). Так, например, в методах ГТН скорость частиц не превышает 100-=-200 м/с, что соответствует средним кинетическим энергиям, приходящимся на один атом, порядка 0,01 эВ. Область II соответствует методам термического испарения (резистивным, электроннолучевым, лазерным и т.д.), позволяющим наносить покрытия со скоростями до 1 мкм/с. Катодное распыление (область III) характеризуется более высокими энергиями частиц и позволяет наносить покрытия со скоростями до 0,001 мкм/с.
Измерение температуры в установке для формирования ионно-плазменных покрытий
Имеющиеся в настоящее время данные о связи эксплуатационных свойств покрытий с параметрами поверхностного слоя подложки свидетельствуют о том, что отдельно рассматриваемые параметры покрытий и поверхности не могут служить достаточным критерием для выбора технологических режимов формирования покрытий.
Необходимыми критериями при проектировании технологического процесса могут являться только эксплуатационные свойства комплекса «покрытие - подложка» совместно с технико-экономическими показателями процесса, которые зависят от совокупности свойств источников ионов, условий конденсации и физико-химического состояния поверхностного слоя детали.
Так называемая технологическая наследственность [124], связывающая между собой свойства подложки и покрытия, основана на тех фактах, что количество центров конденсации, количество и размер зародышей, а следовательно и размер зерен зависят от состояния поверхности в момент конденсации (количества дислокаций в поверхностном слое, точечных дефектов и т.п.). Предварительная механическая обработка поверхности детали формирует определенный, свойственный каждому методу обработки поверхностный слой (микротвердость, шероховатость, физико-химические свойства, структурно-фазовый состав, остаточные напряжения). Пластическая деформация тонких поверхностных слоев приводит к искажению структуры: дроблению блоков, увеличению на 2-3 порядка плотности дислокаций, снижению энергии активации объемной и поверхностной диффузии.
Установлено, что покрытия вызывают некоторое изменение (на 1 - 5% от исходной) прочности. Ударная вязкость и пластичность остаются практически без изменений независимо от толщины покрытий на основе карбидов и нитридов металлов в пределах толщин 5-15 мкм. Напряжение на подложке, температура основы и микротвердость покрытий также не снижают механических характеристик, если температура основы не превышает температуру отпуска материала.
Проведенные автором работы [115] исследования защитных свойств покрытий на основе карбидов нитридов и карбонитридов металлов Ті, Cr, Zn, Mo на конструкционных сталях 13Х1Ш2В2МФ - Ш, 12Х18Н9Т и сплавах ЖС69, ЭП975ИД показали, что положительный эффект при их применении обуславливается составом, структурой, толщиной, а также материалом подложки и исходной шероховатостью поверхности. Определяющую роль играет метод предварительной механической обработки поверхности. Для всех исследованных покрытий установлено существование оптимальных толщин, обеспечивающих наибольшую защитную способность покрытий.
Принцип суммирования свойств справедлив и для всех свойств комплекса «покрытие-подложка». Максимальная коррозионная стойкость, например, достигается для подложки с наименьшей шероховатостью (после полирования). То же самое наблюдается и при нанесении защитных покрытий. Максимальная коррозионная стойкость установлена для образцов с покрытиями, прошедшими предварительное полирование. С другой стороны, образцы с одной и той же исходной подготовкой, но с различными покрытиями, обладают различной коррозионной стойкостью.
Для покрытий TiN, CrN, CrC, ZrN на стали 38ХА прослеживается зависимость защитных свойств от технологии обработки подложки. Так, через 10 суток после выдерживания в камере тропического климата (40 С) общая площадь пораженных участков составила 15 - 25% для точеных образцов (Ra 3,2 мкм) и 3 - 5% - для шлифованных (Ra 0,63 - 1,25 мкм); на образцах прошедших доводку (Ra 0,02 мкм) или алмазное выглаживание, следов коррозии не обнаружено.
В статье [115] также сформулирован ряд принципов, которые должны являться основой для исследования и разработки комплекса «покрытие-подложка»: свойства комплекса, определяются суммой эксплуатационных свойств подложки и покрытия; технологическая наследственность, заключающаяся в том, что физико-химические свойства покрытий определяются не только режимами напыления, но и свойствами подложки (то есть видом предварительной механической или специальной упрочняющей обработки); оптимальность толщины покрытия, то есть для определенных условий эксплуатации и вида покрытий существует такая толщина, которая обеспечивает наивысшие эксплуатационные характеристики. Технологическая наследственность и суммирование свойств комплекса «покрытие - подложка» позволяют, зная основные закономерности формирования покрытий, выбирать оптимальные технологии обработки поверхности и режимы напыления данного вида покрытия.
Изучение усталостных характеристик лопаточной стали с покрытиями и сопротивления коррозии под напряжением
К несущему кольцу осуществляется крепление дополнительных механизмов для крепления и перемещения деталей. Несущее кольцо приводится в движение электродвигателем, смонтированным снаружи на верхнем основании камеры. Передача движения от электродвигателя к кольцу осуществляется через вакуумный ввод. Число оборотов кольца можно регулировать от 0 до 20 мин"1. Максимальная масса разовой загрузки камеры составляет 50 кг.
Вакуумная камера установлена на опорной раме. Пространство внутри опорной рамы используется для размещения электрических элементов, клапанов для системы напуска газов и подвода трубок охлаждающей воды. Вакуумный пост установки, состоящий из форвакуумного пластинчато-роторного насоса типа AZDS 160, двухроторного насоса типа RPW 1800 и масляного диффузионного насоса типа EDO 500, обеспечивает остаточное давление в вакуумной камере менее 10"4 Па. Рабочее давление при напылении составляет примерно 5-10" Па. Вакуумный пост установки комплектуется набором вакуумных вентилей, паромасляной заслонкой, сепаратором, несколькими компенсирующими элементами и различными элементами трубопроводов. Все вентили включаются электрическим или магнитным путем. Управление вентилями и насосами осуществляется во время процесса вакуумирования посредством ЭВМ, что исключает ошибки при обслуживании установки. Мощность электродугового испарителя установки может изменяться от 4.5 до 12.3 КВт. При этом, величина тока дуги, создаваемой в среде аргона, может варьироваться от 115 до 300 А. Электродуговой испаритель состоит из двух частей - катода и анода, причем катод расположен в середине нижней части двери камеры, а анод на ее днище. Подвод тока, воды и газов осуществляется за пределами камеры или через специальные вводы внутри камеры. При таком конструктивном исполнении испарителя и благодаря использованию материалов, выдерживающих высокие температурные нагрузки, обеспечивается длительный срок службы, малая степень отказов и удобство в обслуживании (быстрая замена изношенных частей). Катод является системой цилиндров с контуром охлаждающей воды, токовводом и цилиндрической вольфрамовой спиралью, так называемой катодной трубкой, с устройством нагрева и зажигания. Во время работы испарителя, наряду с сильным электронным лучом, катод создает плазму с высокими концентрациями подводимых инертного или реакционного газов, заполняющих все вакуумное пространство. Зажигание дугового разряда производится в «активной зоне» передней части катодной трубки от прямого прохождения тока при одновременном радиационном нагреве и подаче плазмообразующего газа-аргона. При этом выходящие из катода электроны направляются при помощи поперечного магнитного поля на тигель с испаряемым материалом, являющийся анодом, причем напряжение создаваемое меду катодом и анодом приводит к ускорению эмитированных электронов. Тигель (анод) с испаряемым материалом изготовлен из меди и охлаждается водой. Наряду с токовводом, тегель снабжен экранирующими и направляющими пластинами для создания поперечного магнитного поля, необходимого для отклонения плазменного луча. Контроль сопротивления изоляции определяющей функционирование узлов испарителя осуществляется автоматически. Сигнал о возникновении замыкания передается на шкаф управления установкой. Шкаф управления включает в себя управляющую ЭВМ - EAW compact S 2000 R с дисплеем и клавиатурой, аварийный выключатель со счетчиком часов работы установки, вакуумметры М 301 для контроля давления в камере и на входе диффузионного насоса. На дисплей управляющей ЭВМ выводится диаграмма вакуумной системы, на которой представлены стадии работы установки и информация для контроля. В шкафу управления содержатся также модули регулирования технологического процесса: сетевые и регулировочные блоки для автоматической подачи газов, индикация неисправности для контроля сопротивления анода, катода и планетарного механизма, сетевые приборы и печатные платы аналоговых разделительных усилителей и дифференциальных усилителей, силовая часть управления установкой с реле и вентиляторы для создания необходимого охлаждающего потока воздуха. Установка оснащена двумя независимыми линиями подачи реакционных газов в вакуумную камеру (например, азот и ацетилен), что позволяет в одном процессе формировать многослойные, различающиеся по химическому составу и толщине покрытия.
Весь процесс формирования покрытия в установке можно разделить на три стадии: нагрев изделия электронным ударом, ионная очистка поверхности и непосредственно нанесение покрытия. Информация о значении тока дуги и уровне вакуума в камере на каждой стадии приведена в таблице 3.1.
При нагреве электронным ударом происходит равномерный прогрев вращающегося планетарного механизма и изделий, максимальный ток дуги на данной стадии может достигать до 250 А, при напряжении между катодом и тиглем (анодом) в 27 В. Стадия ионной очистки поверхности проходит при токе дуги в 115 А и напряжении 39 В, при этом на изделия подается потенциал смещения относительно анода в 250-гЗОО В. На третьей стадии мощность электродугового испарителя увеличивается, при этом происходит расплав и интенсивное испарение исходного металла, одновременно с этим в вакуумную камеру подается реакционный газ или смесь газов, и происходит нанесение покрытия определенного состава. Ток дуги при формировании покрытий варьируется обычно от 200 до 300 А при напряжении дуги в 41 В. Скорость испарения для титана при этом изменяется в пределах от 0.3 до 0.8 г/мин.
