Оборудование для газопламенного напыления покрытий и электродуговой метал­лизации. Установки для газопламенного напы­ления покрытий состоят из следующих основ­ных элементов (рис. 1.1): газопламенной го­релки /, с помощью газового пламени которой происходит нагрев частиц порошка или рас­пыление проволоки (прутка, гибкого шнура); устройства 2 для подачи напыляемого мате­риала (порошковый дозатор или механизм по­дачи проволоки, стержня, гибкого шнура); систем подачи окислителя 4, горючего газа 5 и газорегулирования 3 (шланги, штуцера, ма­нометры, редукторы, расходомеры). В качестве привода механизма подачи проволоки (стерж­ня или шнура) используют воздушную турбину или электродвигатель с регуляторами частоты вращения.

Установки подразделяются на два типа — для напыления легкоплавких материалов (с температурой плавления не выше 800 °С) — цинка, пластмассы и др. и тугоплавких (с тем­пературой плавления ниже 2000 °С). В первом случае используется газовоздушное пламя, во втором — газокислородное. Техническая ха­рактеристика установок газопламенной) напы­ления представлена в табл. 1.3 [1, 7, 15, 28]. Установки УГПЛ-П, УГПТ-П, УПТР-86 при­меняются для ручного газопламенного напы­ления, УГПУ — как для ручного, так и для ме­ханизированного, УГМ-1 — для механизиро­ванного.

Из установок газопламенного напыления зарубежных фирм следует выделить оборудова­ние, выпускаемое фирмами Кастолин и Эутек — тик (Швейцария), Метко (США), СНМИ (Франция). Установка "Сибер-Джет" фирмы СНМИ снабжена системой автоматического пуска и выключения установки, программи­руемого установления режима напыления в за­висимости от материала проволоки (или гиб­кого шнура) и ее диаметра.

К новому поколению оборудования для га­зопламенного напыления относятся установ­ки сверхзвукового напыления процессом "Джет Коут". Скорость истечения струи дости­гает 1500…2000 м/с. Схемы газопламенных го­релок со сверхзвуковым истечением струи представлены на рис. 1.2. Существует две ос­новных разновидности таких горелок — с каме­рой предварительного сжигания (рис. 1.2, а) и без нее (рис. 1.2, б, в). В первом случае про­цесс горения начинается в камере сгорания,

*)

размещенной в корпусе горелки, с окончатель­ным дожиганием топлива газовой смеси после истечения струи в атмосферу. В бескамерных горелках происходит только смешение компо­нентов газовой смеси. Варианты, показанные на рис. 1.2, б и 1.2, в, отличаются расположе­нием точки зажигания (*) топливокислород­ной смеси.

К горелкам сверхзвукового напыления ка­мерного типа относятся "Джет Коут" фирмы Стеллайт (Германия) и ДжК23 фирмы МТС (Австрия). Установки сверхзвукового газопла­менного напыления с горелками бескамерно — го типа выпускают фирмы Плазма-Техник АГ (Швейцария), Метко, ОСУ (Германия). Дан­ное оборудование отличается высокими расхо­дами рабочих газов. Так, установка "Джет Коут П" имеет расход кислорода 28…40 м3/ч, водо­рода 0,14 м3/ч и горючего газа 7… 10 м3/ч.

При электродуговой металлизации в рас­пылительной головке (рис. 1.3) через два токо — подвода непрерывно подают два находящихся

под напряжением электрода. Свойства метал — лизационных покрытий во многом опреде­ляются конструктивными особенностями рас­пылительных головок. В настоящее время наи­более широко применяют два типа головок: закрытую (рис. 1.3, а) и открытую (рис. 1.3, б). Закрытая сопловая система обеспечивает более мелкое распыление напыляемого материала (при напылении алюминия средний размер частиц 40…80 мкм) и высокую плотность по­лучаемых покрытий. Такая система использу­ется преимущественно для нанесения анти­

коррозионных и других типов покрытий, для успешной эксплуатации которых необходима высокая плотность.

Открытая сопловая система (рис. 1.3, б) позволяет получать компактную металловоз­душную струю и покрытия с более высокой прочностью сцепления. Однако размер частиц в этом случае несколько больше (в случае на­пыления алюминия 50… 100 мкм) и покрытия, как правило, имеют меньшую плотность. От­крытые системы успешно применяются, на­пример, при нанесении износостойких покры-

а — закрытого типа, б — открытого типа; 1 — на-
правляющие электродов; 2 — проволока-электрод;

3 — электрическая дуга; 4 — сопло; 5 — сжатый газ
(воздух)

тий. Серийно выпускаемые электродуговые металлизаторы ЭМ-17 могут комплектоваться как открытой, так и закрытой распылительны­ми головками.

Производительность процесса практиче­ски линейно зависит от тока и в первую оче­редь определяется мощностью источника пи­тания. В настоящее время наиболее мощные установки (на силу тока менее 1200 А) созданы фирмой ОСУ (Германия) для нанесения анти­
коррозионных покрытий из цинка и алюми­ния в условиях автоматизированных и механи­зированных производств.

Для нанесения покрытий других типов, как правило, применяют установки на силу тока 200…500 А, так как именно в этом диапа­зоне производительности можно получить по­крытия с наиболее высокими эксплуатацион­ными показателями. На силу тока менее 400 А серийно выпускались ручные электродуго — вые металлизаторы ЭМ-14М, стационарные ЭМ-17 и комплект для электродуговой метал­лизации КДМ-3 (табл. 1.4). Данные фирмы Металлистшен лимитед (Великобритания) по удельной производительности и расходу напы­ляемого материала при нанесении покрытия толщиной 100 мкм на поверхность площадью 1 м2 приведены в табл. 1.5.

Техническая характеристика некоторых ус­тановок для электродуговой металлизации приведена в табл. 1.6.

Оборудование для плазменного напыления покрытий. Плазменным напылением наносят износостойкие, жаростойкие, коррозионно — стойкие и другие типы покрытий. Оборудова­ние для плазменного напыления подразде­ляют следующим образом:

установки для ручного плазменного напы­ления;

1.4. Техническая характеристика установок для электродуговой металлизации

Параметры

ЭМ-17

ЭМ-14М

ЭМ-12

ЭМП-2

КДМ-3-1

Рабочая сила тока дуги, А

50…400

50…400

о

о

чГ

О

Ю

50…400

50…400

Рабочее напряжение, В

17…40

17…44

17…35

18…50

17…44

Производительность по наносимому металлу, кг/ч (не более):

сталь (2 мм)

18,8

14,0

алюминий (2…2,5 мм)

12,0

12,0

14,0

12,5

цинк (2,5 мм)

Коэффициент использования материала:

40,0

40,0

45,0

20,0

40,0

по стали

0,65

0,70

по алюминию

0,70

0,75

0,75

0,70

0,75

по цинку

0,60

0,75

0,75

0,70

0,75

Диаметр применяемых проволок, мм:

сталь

1,5…2,0

1,6…2,0

алюминий, цинк

1,5…2,5

1,5…2,5

1,5…2,5

1,6…2,5

1,5…2,5

Скорость подачи проволоки, м/мин

1,4…14

2…12

2…12,0

Расход воздуха, м3/ч

90…150

60…90

60… 150

60… 100

60…90

Давление сжатого воздуха, МПа

0,3…0,6

0,5…0,6

0,5…0,6

0,5…0,6

0,5…0,6

Уровень звука на расстоянии 0,5… 1,0 м от аппарата, по шкале А, дБ, не более

130

85

85

85

85

Масса, кг:

установки, не более

39,5

. 23,4

146

380

в том числе металлизатора

14,5

2,3

8,1

2,3

1.2. Удельные показатели электродуговой металлизации

.Напыляемый материал

Параметры

Алю­

миний

Цинк

Сталь

Алюми­

ниевая

бронза

Медь

Монель

Никель

Удельная производительность, кг/ч (100 А)

2,7

10

4,5

4,5

5

5,7

4,5

Удельный расход, кг/м2 (при толщине покрытия 100 мкм)

0,35

1,22

0,98

0,73

1,1

0,98

0,98

Удельная площадь покрытия, м2/кг (при толщине покрытия 100 мкм)

2,86

0,82

1,02

1,37

0,91

1,02

1,02

1.6. Электродуговые металлизаторы, выпускаемые зарубежными фирмами

Установка

Сила рабочего тока, А

Материал

Производитель­ность, кг/ч

Диаметр прово­локи, мм

СНМИ (Франция)

200…800

Сталь

7,0…30,0

1,6…2,0

Алюминий

3,5…15,0

1,6…2,0

Цинк

16,0…65,0

1,6…2,0

Vi-600 (США)

Менее 500

Сталь

25,4

1,5…3,0

Алюминий

13,6

1,5…3,0

Цинк

70,7

1,5…3,0

ELMET Р-2 (Чехия)

200…400

Алюминий

25,0

2,0…2,5

Цинк

66,0

2,0…2,5

S2 (Германия)

Менее 1400

Сталь

65,8

1,6…7,0

Алюминий

37,1

1,6…7,0

Цинк

140

1,6…7,0

BM-G76 (Германия)

о

L*

о

о

Сталь

26,6

0,5…2,5

Алюминий

8,2

0,5…2,5

Цинк

26,4

0,5…2,5

ВМ-Р80 (Германия)

360

Сталь

13,3

2,0

140

Алюминий

17,6

1,8

170

Цинк

82,0

2,0

РЕ-2 (Польша)

До 300

Сталь

12,0

1,5…2,0

установки для механизированного плаз­менного напыления;

полуавтоматические установки плазменно­го напыления со средствами механизации пе­ремещения плазмотрона и детали;

автоматические установки плазменного на­пыления с микропроцессорным управлением, > в том числе с использованием роботов;

комплексы плазменного напыления, включающие оборудование для подготовки по­верхности деталей и механической обработки нйтгыленного слоя;

лийни плазменного напыления, оснащен­ные межоперационным транспортом, в том числе снабженные центральной системой управления.

По составу среды, в которой осуществляет­ся плазменное напыление, установки предна­значены для напыления: в атмосфере; в вакуу­ме (или в динамическом вакууме); в защит­ной среде; под водой.

Оборудование для плазменного напыле­ния может быть также классифицировано по типу применяемого рабочего плазмообра­зующего газа: инертные газы (аргон, азот) и их смесь с водородом (или гелием); воздух и его смесь с углеводородными газами; смесь угле­кислого газа с углеводородами; вода.

Установки для плазменного напыления включают следующие основные элементы (рис. 1.4): инструмент для плазменного напы­ления (плазмотрон); источник энергоснабже­ния; систему газоснабжения; систему водяного охлаждения, систему регулирования парамет­ров рабочего режима; систему подачи напы­ляемого материала (порошка или проволоки). Кроме того, они могут включать рабочую ка­меру с системой вентиляции и пылеулавлива-

ния, средства механизации перемещения плаз­мотрона и детали.

Основным типом плазмотронов, исполь­зуемых для напыления покрытия, являются дуговые, хотя в последнее время получило рас­пространение напыление с помощью высо­кочастотных плазмотронов. Среди дуговых плазмотронов наибольшее применение по­лучили струйные с самоустанавливающейся длиной дуги и межэлектродными вставками. По скорости истечения струи плазмотроны
для напыления покрытий подразделяются на дозвуковые и сверхзвуковые.

К особому типу плазмотронов относятся плазмотроны для напыления покрытий на внутренние полости. Они позволяют наносить покрытие на внутренние поверхности труб диаметром 25 мм и более. Техническая харак­теристика современных отечественных устано­вок для плазменного напыления приведена в табл. 1.7. Они предназначены для получения покрытий с использованием порошка или

проволоки методом плазменно-дугового напы­ления и могут использоваться как в составе полуавтоматов, так в составе имеющихся средств механизации, обеспечивающих надеж­ную защиту обслуживающего персонала и ок­ружающей среды от шума, аэрозолей и др. Эти установки служат для повышения износостой­кости поверхностей изготовляемых деталей и восстановления изношенных поверхностей де­талей в условиях мелкосерийного производст­ва и ремонтного производства.

Полуавтоматы камерного типа состоят из ка­меры напыления, плазменной установки в сборе, аспирационного устройства. В камере напыления расположены плазмотрон, передняя и задняя бабки для крепления детали, на которую нано­сится покрытие. Механизмы перемещения плаз­мотрона и вращения детали вынесены за преде­лы камеры, что обеспечивает удобство обслужи­вания и эксплуатации оборудования.

Роботы при плазменном нанесении по­крытий применяются в основном при нанесе­нии покрытий на детали сложной формы или при работе в изолированном объеме (на­пример, камеры сгорания газотурбинных дви­гателей, их лопатки). Используют как спе­циализированные роботы (АР-1, АР-2 фир­мы Метко), так и промышленные с необходи­мыми характеристиками по нагрузке и скоро­стям перемещения. Примером полуавтомата для плазменного напыления может служить установка 15-ВБ, которая комплектуется плазменной установкой "Киев-7". Техноло­гические возможности полуавтомата опреде­ляются по параметрам комплектующей плаз­менной установки, приведенным ниже. Скорость перемещения плазмотрона, м/с:

вдоль оси шпинделя………………………. 0,002…0,1

перпендикулярно к оси шпинделя 0,004..0,18 Размеры деталей, мм: цилиндрических:

длина………………………………………… 0,3…1500

диаметр…………………………………….. 20… 320

плоских……………………………. 63 х 1500×40… 160

Масса деталей, кг, не более:

цилиндрических……………………………………. 100

плоских…………………………………………………. 250

Частота вращения шпинделя, мин-1 22,5…500 Габаритные размеры

полуавтомата, мм…………………… 3850x5900x2500

Автоматизированные комплексы (или ли­нии) в основном построены по модульному принципу и включают: механический модуль — автомат струйно-абразивной обработки; меха­нический модуль-автомат напыления; аппара­турный модуль (установку) плазменного напы­ления; транспортный манипулятор; систему автоматического управления комплексом. Мо­дуль транспортного манипулятора зависит от характера производства и типа напыляемого изделия. Система управления комплекса осу­ществляет локальное программное управление всеми модулями и управление в целом.

Примером такого оборудования является автоматизированный комплекс оборудования плазменного напыления ОПН-11.

Производительность при толщине

покрытия 0,3 мм, м2/ч, не менее…………………… 0,8

Производительность по напыляемому материалу, кг/ч, не более:

металлическому……………………………………….. 10

керамическому…………………………………………… 5

Размер гранул порошка напыляемых

материалов, мкм………………………………… 20…100

Наибольшие размеры обрабатываемых деталей, мм: типа тел вращения:

длина…………………………………………………. 600

диаметр………………………………………………. 180

плоских:

длина…………………………………………………. 300

ширина………………………………………………. 180

Масса обрабатываемых деталей, кг,

не более……………………………………………………… 12

Плазмообразующий

газ:

дополнительный………………. Водород, гелий

Автоматизированные комплексы плазмен­ного напыления разрабатывает и выпускает фирма Плазма-Техник АГ (Швейцария).

Комплексы плазменного напыления в ди­намическом вакууме отличаются наличием ва­куумного модуля, который осуществляет от­качку газов из камеры (до 7 Па), подачу инертного газа и поддержание его давления, в требуемых пределах очистку отсасываемых га­зов от дисперсных частиц перед форвакуум ной станцией.

‘Примером комплекса плазменного напы­ления в динамическом вакууме служит УН 130 УХЛ4 "КВАРТ" со следующей техниче­ской характеристикой.

Производительность по напыляемому

Характеристика промышленных установок для плазменного напыления в динамическом вакууме приведена в табл. 1.8.

Оборудование для детонационного напыле­ния покрытий. Оборудование включает сле­дующие основные элементы: установку для де­тонационного напыления; пульт управления исполнительными органами установки; пульт газораспределения (рис. 1.5) [1, 3, 8]. В авто-

1.8. Техническая характеристика промышленных установок для плазменного напыления

в динамическом вакууме

Показатели

Метко (США)

Электро-Плазма (США)

Плазма-Техник АГ (Швейцария)

Внутренние размеры

1400 (длина),

1480 (длина),

2200 (длина),

камеры, мм

1400 (диаметр)

1340 (диаметр)

1500 (диаметр)

Система откачки

С ротационным

С ротационными

С двумя центробеж­

воздуха

Манипулирование:

поршневым насосом с масляным уплотне­нием, теплообмен для охлаждения газа

насосами, сбором масла и пыли, ох­лаждением газа

ными насосами, шес­теренным насосом, фильтром, охлаж­дением газов

обрабатываемой

деталью

Вращающиеся раз­движные рейки, управляемые ком­пьютером

Вращающийся стол, управляемый ком­пьютером, регулиров­ки углового положе­ния и др.

плазмотроном

Управляемые компью­тером вертикально разжимающиеся рейки

Управляемые компью­тером вращающиеся раздвижные рейки

Робот фирмы АСЕА, имеющий пять степе­ней свободы, управ­ляемый компьютером

Максимальная масса обрабатываемой детали, кг

45

200

200

Рекомендуемая мощ­ность плазмотрона, кВт

80

120

55

матический комплекс для детонационных по­крытий дополнительно могут входить манипу­ляторы для перемещения как установки, так и напыляемых изделий с блоком управления: ра­бочие камеры с системой вентиляции и пыле­улавливания.

В качестве рабочих газов используются ацетилен, водород, пропан-бутан, природный газ, кислород, а также азот (ГОСТ 9293—74) и сжатый воздух (ГОСТ 9.010—80).

Высокий уровень шума при детонацион­ном напылении обусловливает необходимость
размещения установки, пульта газораспределе­ния и манипулятора для перемещения напы­ляемых изделий в звукоизолированном боксе. Управление процессом напыления осуществ­ляют из операторской кабины с помощью пульта.

Установки для детонационных покрытий (детонационного напыления) имеют сле­дующие основные функциональные органы: ствол с камерой зажигания; газораспредели­тельный механизм, служащий для дозирова­ния, смешивания и подачи горючей смеси га-

зов и флегматизирующего газа в ствол, порош­ковый дозатор; воспламенитель горючей смеси газов; систему локализации сгорания горючей смеси газов в стволе; систему охлаждения ствола и других нагреваемых узлов установки; системы контроля процесса напыления и качества напыляемого покрытия.

Стволы детонационных установок раз­личаются формой и размерами камеры сгора­ния, местом ввода горючей смеси и порошка, способом и местом инициирования горения горючей смеси, конструктивными особенно­стями системы охлаждения. Обычно приме­няют стволы с цилиндрической камерой сго­рания диаметром 20…30 мм, длиной 1…2 м. Более перспективны конструкции стволов с переменным по длине сечением камеры сгора­ния.

Порошковые дозаторы установок для дето­национного напыления делятся на две группы: с пневматическим и механическим дозирова­нием. Известны конструкции, в которых для приготовления дозы порошка и даже впрыски­вания его в ствол используют импульсы давле­ния, возникающие при сгорании горючей сме­си в стволе.

Газораспределительные механизмы обычно построены по системе электромагнитных или механических клапанов, обеспечивающих цик­лическую подачу газов через смесители в ствол. Используется также непрерывная бес­клапанная подача газов. С целью обеспечения стабильной надежной работы детонационных установок и безопасности условий труда необ­ходимо локализовать горение в камере сгора­ния и стволе при выполнении каждого рабоче­го цикла напыления. Для этого служат герме­
тичные механические клапаны с подачей флегматизирующего газа (азота) в смеситель­ную камеру, огнепреградители (буферные ем­кости между смесителем газов и стволом, за­полняемые перед поджигом горючей смеси флегматизирующим газом).

Пульт управления позволяет осуществлять дистанционное управление исполнительными механизмами детонационной установки, авто­матический режим которой может быть обес­печен следующими техническими средствами: механическим или электромеханическим при­водом; релейно-контактными устройствами, электронными приборами.

Газораспределительный пульт служит для подачи и контроля расхода компонентов дето­национной газовой смеси. Независимо от кон­струкции пульт включает контрольно-измери­тельные приборы (ротаметры, манометры) и регулирующие устройства (редукторы, венти­ли, регуляторы перепада давления). Техниче­ская характеристика газораспределительного пульта АДК "Прометей" приведена ниже.

Рабочие газы………….. Газообразный кислород,

ацетилен, азот, воздух

Техническая характеристика наиболее из­вестных детонационных установок приведена в табл. 1.9.

Кроме рассмотренных находит применение следующее оборудование детонационных по­крытий.

Детонационный комплекс "Азов", специа­лизированный для упрочнения и восстановле­ния коренных и шатунных шеек коленчатых валов, использует в качестве рабочих газов пропан-бутан, кислород, сжатый воздух. Тех­ническая характеристика комплекса "Азов"

рабочих циклов), Гц…………………………… 3,3; 6,6

Площадь покрытия за цикл, мм2…………………. 320

Толщина покрытия за цикл, мкм………….. 3…12

Коэффициент использования порошка, % . 60 Расход рабочего газа, м3/ч:

ацетилена…………………………………….. 1,01… 1,2

пропан-бутана………………………………… 0,9…1,1

водорода………………………………………… 3,2…3,6

кислорода………………………………………. 2,0…2,4

азота………………………………………………. 4,6…5,2

сжатого воздуха……………………………… 4,6…5,2

Потребляемая мощность, кВт………………………… 2

Напряжение питания, В………………………. 220, 380

Частота, Гц…………………………………………………. 50

Пределы перемещения трехкоординатного манипулятора, мм:

вправо—влево………………………………………… 1,6

вперед—назад………………………………………. 0,85

вверх—вниз………………………………………….. 0,20

Для размещения установки необходимо наличие звукоизолированного помещения
звукоизолирующая камера, устройство для пе­ремещения обрабатываемых изделий, газогене­ратор (электролизер), блок управления и кон­троля. Потребляемая мощность 1 кВт.

Установка эффективна для выполнения исследовательских работ или напыления мало­габаритных изделий.

Оборудование для электронно-лучевого на­несения покрытий. Основными его элемента­ми являются тигель с испаряемым материа­лом и генератор электронного луча — элек­тронно-лучевая пушка (рис. 1.6) [13, 17].

В настоящее время получили распростра­нение два типа электронно-лучевых пушек для испарения материалов: аксиальные, форми­рующие осесимметричный пучок электронов; плосколучевые, преобразующие первоначаль­ный плоский пучок электронов в цилиндриче­ский. Аксиальные пушки обычно имеют две независимые электромагнитные линзы для фокусировки луча и управления им. Катод в аксиальных пушках выполнен в виде массив­ной шайбы из вольфрама или тантала и имеет косвенный нагрев. В плосколучевых пушках прямолинейный катод из вольфрамовой про­волоки нагревают прямым пропусканием то­ка. Электромагнитная система преобразова­ния плоского луча в цилиндрический и управ­ления лучом выполнена в виде одного блока [16, 28]. Мощность пушек, применяемых для осаждения жаростойких покрытий, изменяется в достаточно широких пределах в зависимо­сти от типа покрытий и размеров изделий (25… 150 кВт), ускоряющее напряжение 20 кВ.

Типичные аксиальные пушки разработаны институтом М. фон Арденне и фирмой Лей- больд-Гереус (Германия). Плосколучевые пушки используются в установках для испарения мате­риалов, созданных фирмой Аирко Темескал (США) и ИЭС им. Е. О. Патона (рис. 1. 7) [15].

Современные электронно-лучевые уста­новки для нанесения покрытий рассчитаны на непрерывную работу в течение 10… 15 ч и

Рис. 1.6. Схема прямого электронно-лучевого испаре­ния из одного источника:

/ — электронно-лучевая пушка; 2 — поток электро-
нов; 3 — испаряемый материал; 4 — водоохлаждае-
мый тигель; 5 — жидкая ванна; 6 — паровой поток;
7 — заслонка; 8 — подложка

Рис. 1.7. Схема плосколучевой пушки ИЭС им. Е. О. Патона:

1 — токоподводы; 2 — анод; 3 — магнитопровод; 4 —
катушка фокусировки и отклонения; 5 — электрон-
ный луч; 6 — фокальное пятно; 7 —лучевод; 8 — ка-
нал водяного охлаждения; 9 — линейный катод; 10 —
фокусирующий электрод
более. В зависимости от характера (циклично-
сти) работы они делятся на установки перио-
дического и непрерывного действия и имеют

один или несколько испарителей. Разработан ряд промышленных установок для нанесения защитных покрытий на партии турбинных ло­паток. Основными требованиями, предъявляе­мыми к таким установкам, являются: получе­ние равномерно осажденного по перу лопаток защитного слоя, воспроизводимость химиче­ского состава и толщины покрытия, возмож­ность непрерывного ведения процесса испаре­ния в течение длительного времени, обеспече­ние высокой производительности.

На рис. 1.8 приведена схема специализиро­ванной электронно-лучевой установки перио­дического действия для нанесения защитных покрытий испарением в вакууме из одного ис­точника [26]. Рабочая камера установки разде­лена на камеру 1 испарения и полость элек­тронно-лучевой пушки 9. Пушка является со­ставной частью испарителя 11, который уста­новлен в нижней части рабочей камеры. Спе­циальными полюсными наконечниками элек­тронный луч изгибается на 270° и фокусирует­ся на торце слитка 10. Расплавленный металл разогревается до температуры, при которой скорость осаждения парового потока на под­ложке достигает 15 мкм/мин. Процесс испаре­ния ведется при разрежении не ниже 10“3 Па. В установке предусмотрено раздельное вакуу­мирование камеры испарения и полости элек­тронно-лучевой пушки механическими и диф­фузионными насосами.

Рабочая камера объединена с двумя вспо­могательными камерами 6, в которых осущест­вляется предварительный подогрев деталей, собранных в приспособлении. В установке

применен предварительный нагрев элемента­ми сопротивления и непосредственный подог­рев изделий в процессе осаждения парового потока 16. Загрузка изделий производится че­рез специальные шлюзовые камеры. Детали, собранные в приспособлении, подающими штоками 5 вводятся во вспомогательную каме­ру, где они прогреваются перед осаждением покрытия. Одновременно защитный слой на­носится на детали, подаваемые в паровой по­ток из другой вспомогательной камеры.

Рабочая камера оснащена устройством 3 для дозированного впуска инертного газа (ар­гона). При введении газа в небольшом количе­стве происходит рассеяние парового потока, в результате чего толщина осажденного слоя по­лучается примерно равной как на открытых, так и на затененных участках лопаток. Одно­временно осуществляется частичная иониза­ция инертного газа и парового потока испа­ряемого металла путем подачи на покрывае­мые детали источником 15 отрицательного по­тенциала (1…2 кВ) по отношению к испарите­лю. Ионизация способствует получению по­крытий с благоприятной дисперсной структу­рой, лишенной кристаллографических дефек­тов, которые возникают в конденсированном слое при подаче газа. Мощность электронно­лучевого испарителя с плосколучевой пушкой в данной установке составляет 200 кВт.

Производительность установок определ I — ется непрерывностью ведения процесса испа­рения и согласованием времени выполнения ряда технологических операций (загрузки де­талей, нагрев, осаждение покрытия) с опера­циями охлаждения деталей, извлечения из вспомогательной камеры, загрузки новой пар­тии лопаток. Для решения этих задач в уста­новке ESC-30/300SC (рис. 1. 9) фирмы Лей — больд-Гереус предусмотрены четыре шлюзо­вые устройства (по два с каждой стороны ка­меры испарения). После подогрева лопаток в промежуточной камере детали вводятся в ра­бочую камеру, оснащенную прямоугольным испарителем, где на них наносится покрытие. Электронно-лучевой испаритель состоит из водоохлаждаемого медного тигля 3 (120 х 480 мм), через днище которого снизу вверх одно­временно подаются пять слитков, и двух акси­альных электронно-лучевых пушек 12 мощно­стью 150 кВт каждая. Для подогрева изделий в процессе осаждения покрытия применяются дополнительные электронные пушки, кото­рые снабжены отклоняющей системой, разво­рачивающей лучи на угол более 90°.

В установке ESC-30/300SC лопатки распо­лагают в шахматном порядке точно над испа­рителем и закрепляют посредством держателей в шпиндельных головках, установленных в па­раллельных консолях манипулятора. Движение на лопатки передается от привода, располо­женного вне вакуумных камер. Боковые кон­соли манипулятора имеют возможность кача­ния. При трехсменной работе установка вы­пускает 800 — 1500 лопаток с покрытиями в сутки в зависимости от их типоразмеров.

Рис. 1.9. Схема промышленной электронно-лучевой установки ESC-30/300 для нанесения защитных по­крытий одновременно на 11 турбинных лопатках:

1 — камера испарения; 2 — сеточный экран; 3 — во­доохлаждаемый тигель; 4 — слитки испаряемого ме­талла; 5 — привод подачи слитков в испаритель; 6 — подающие штоки; 7 — смотровая система; 8 — меха­низм вращения и качания лопаток; 9 — механизм пе­ремещения штоков; 10 — водоохлаждаемый медный экран; 11 — паровой поток; 12 — электронная пушка;

13 — высоковольтный источник питания

Многотигельные испарители с линейным расположением источников применяют в электронно-лучевых установках УЭ-137, УЭ — 175М, УЭ-187, разработанных в Институте электросварки им. Е. О. Патона (табл. 1.10)

На рис. 1.10 показана электронно-лучевая установка УЭ-175М периодического действия, предназначенная для нанесения защитных по­крытий на лопатки газовых турбин [22]. Мощ­ность установки 350 кВт. Особенностью уста­новки является возможность одновременного испарения нескольких материалов с помощью четырех- или пятитигельного электронно-луче­вого испарителя и получения не только по­крытий типа Me—Сг—А1—Y, но и композици­онных покрытий с равномерным или гради­ентным распределением дисперсных фаз, двухслойных и многослойных покрытий ме­талл-керамика.

Установка состоит из нескольких вакуум­ных камер, конструктивно соединенных между собой: основной технологической 5, двух

шлюзовых 2 и трех камер,* в которых располо­жены пушки 3 для нагрева лопаток. Основная камера разделена вертикальной стенкой на две секции. В задней секции расположены пять электронно-лучевых пушек 6, предна­значенных для испарения материалов, в перед­ней — испаритель 4. Основная камера отделе-

на от шлюзовых вакуумным затвором 7. Ло­патки закрепляются на подающих штоках 1 с помощью устройства 8. Автоматическая систе­ма управления на базе микроЭВМ "Электро­ника-60" обеспечивает измерение и контроль толщины покрытий, стабилизацию температу­

ры нагрева деталей, уровня жидкометалличе­ской ванны в цилиндрических испарителях, разрежения в основной рабочей и шлюзовой камерах, программирует электрические пара­метры электронных пучков, определяет после­довательность выполняемых операций. Время

нанесения покрытия и важнейшие техноло­гические параметры процесса — давление ос­таточных газов в камере, расход испаряемых материалов, температура нагрева, показания датчика контроля массы — фиксируются и печатаются в специальном паспорте.

В линиях для одно — и двухстороннего на­несения покрытий на движущуюся стальную полосу шириной 600 мм со скоростью переме­щения до 5 м/с толщина покрытия регулиру­ется в пределах 0,05…5 мкм изменением ско­рости перемотки ленты [29].

Для нанесения на сварочные материалы (проволоку, ленту) специальных легирующих, модифицирующих, инокулирующих или акти­вирующих покрытий применяется электрон­но-лучевая установка УЭ-202, разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона (рис. 1.11).

В установке применены стандартные плос­колучевые электронные пушки с поперечным отклонением луча и прямоканальным катодом. Нагрев проволоки или ленты перед нанесени­ем покрытия осуществляется электронной пушкой через вольфрамовый термоблок. Сис­

Число слоев в микрослойных покрытиях 2…3

Максимальная производительность установки в смену (при диаметре

стальной проволоки 2 мм), кг………………….. 1000

Наибольшая установленная суммарная мощность шести электронных пушек, кВт 320

Рабочее ускоряющее напряжение, кВ…………. 20

Установленная мощность источника

питания электронных пушек, кВ • А…………… 250

Рабочее давление в камерах, Па: нанесения покрытий, не более…. 6,6 • 10-4

пушек, не более……………………………. 6,6 • 10-4

Габаритные размеры, мм 7200 х 2500 х 2300

Масса установки, т……………………………………… 15

Расход охлаждающей воды, м3/ч…………………. 15

Электронно-лучевая установка УЭ-193 но­вого поколения для плавки и испарения мате­риалов в вакууме предназначена для переплава металлов и получения из них слитков (цилин­дрических и плоских), получения композици­онных материалов испарением с после­дующей конденсацией металлов и неметал­лов, осаждения покрытий различного функ­ционального назначения путем испарения и последующей конденсации парового потока на изделия с плоской и цилиндрической поверх­ностью.

В отличие от специализированных устано­вок для плавки и испарения материалов уста­новка УЭ-193 обладает рядом конструкцион­ных особенностей, которые позволяют легко перестраивать оборудование для осуществле­ния технологических процессов (рис. 1.12).

Технологическая вакуумная камера 1 вы­полнена в виде восьмигранника с люками на каждой грани. На двух боковых гранях уста­новлены камеры 2 с электронными пушками. Технологическая камера и две камеры с элек­тронными пушками имеют индивидуальные системы вакуумной откачки. На передней гра­ни установлена откатная крышка со смотро­выми системами. На верхней, нижней и двух боковых гранях технологической камеры в за­висимости от функционального назначения устанавливаются механизмы 3 подачи пере­плавляемого или испаряемого материала, кри­сталлизаторы и тигли для выплавки слитков и испарения материалов 4, механизмы 5 переме-

щения заготовок, поверхностей конденсации изделий.

Установка имеет шесть электронных пу­шек конструкции ИЭС им. Е. О. Патона. Пушки двухэлектродные с линейным прямо­канальным термокатодом, система управле­ния электронным лучом — электромагнитная. Силовой полупроводниковый источник пита­ния электронных пушек мощностью 250 кВт имеет тиристорное управление, ускоряющее напряжение 20…25 кВ.

Система управления установкой включает автоматическую стабилизацию тока электрон­ных пучков и ускоряющего напряжения пу­шек, стабилизацию уровня ванны кристалли­зирующегося слитка и испаряемого материа­ла, датчики контроля температуры поверхно­сти конденсации и др. Техническая харак­теристика установки УЭ-193 приведена ниже.

Размер выплавляемых слитков, мм:

диаметр………………………………………….. 70…260

длина, не более……………………………………….. 700

Размер сплавляемых заготовок, мм, не более:

диаметр………………………………………………….. 200

длина……………………………………………………. 1000

Число испарителей……………………………………… 4

Размеры испаряемых заготовок (слитков), мм:

Габаритные размеры установки (без источника питания), мм 8000 х 6000 х 4500

Оборудование для ионно-плазменного нане­сения покрытий. Система оборудования для ионно-плазменных покрытий связана с ис­точником плазмы, выбранным для осуществ­ления технологического процесса [2, 6, 10, 18—21] (рис. 1.13). В систему входят: распыли­тельное (испарительное) устройство 1, предна­значенное для создания ионизированного по­тока пара материала покрытия. В случае при­менения тлеющего (или дугового) разряда ис­парение происходит из твердой фазы, при этом распыляется катод (мишень). Для тер­мического испарения из жидкой фазы исполь­зуется дуговой разряд. При этом испаряется анод, который выполнен в виде тигля, запол­ненного материалом покрытия. Однако если этот материал при заданном режиме испаре­ния может сублимировать, то испарение про­исходит из твердой фазы;

рабочая камера 2, предназначенная для монтажа всех систем, поддержания требуемо­го давления в ходе технологического процесса;

система управления 3 натеканием плазмо­образующего газа, предназначенная для созда­ния газоразрядной плазмы определенного хи­мического состава и плотности;

новки приведена ниже.

Число распылителей…………………………………….. 3

Распылитель на постоянном токе (два)

Напряжение, кВ……………………………………………. 5

Плотность ионного тока, А/см2…………………….. 1

Распылитель высокочастотный (один)

Напряжение, В…………………………………………….. 3

Частота, мГц……………………………………………. 1,76

Предельное давление остаточных

газов, Па…………………………………………….. 7* 10-5

Рабочее давление, Па……………………………. 1…100

система охлаждения 4 газоразрядного уст­ройства и термостатирования рабочей каме­ры, предназначенная для охлаждения мишени и анода в распылительном устройстве, дета­лей испарительного устройства при термиче­ском испарении;

источник питания 5 вспомогательного раз­ряда, предназначенный для создания несамо­стоятельного разряда;

дуговое газоразрядное устройство 6, пред­назначенное для создания потока ионизиро­ванного пара;

устройство 7 подпитки тигля, служащее для пополнения тигля материала и обеспечи­вающее требуемую технологическим процес­сом температуру и уровень расплавленного ме­талла в тигле;

устройство 8 перемещения и ориентации покрываемых деталей, предназначенное для повышения равномерности распределения конденсата на детали;

откачной пост 9, предназначенный для создания вакуума в рабочей камере и поддер­жания определенного давления в процессе на­несения покрытия;

система управления 10 технологическим процессом, настраиваемая на определенный технологический цикл нанесения покрытия.

Ниже рассматривается оборудование для особых способов ионно-плазменного нанесе­ния покрытий (рис. 1.14).

Оборудование для катодного распыления представлено типичной установкой УВН-75П-1 (рис. 1.14, а), которая предназначена для на­несения покрытий на гибридные интеграль­ные схемы. Техническая характеристика уста­

Размеры подложек, мм……………………… 60 х 48

Разовая загрузка подложек……………………….. 100

Оборудование для магнетронного нанесения по­крытий подразделяется на установки периодиче­ского и непрерывного действия (рис. 1.14, б). Различные сочетания взаимного расположения мишени, магнитной системы и подложки (на­пыляемой основы) позволяют создавать мно­гообразные типы установок магнетронного на­несения покрытий (магнетронного распылива — ния) [6]. Для изготовления интегральных схем используют установки серии "Оратория", авто­матические линии "Магна". Для нанесения нитридных износостойких покрытий на режу­щий инструмент применяют установки "Мир" с двумя магнетронами производительностью 200 тыс. изделий в год.

Другими примерами оборудования магне­тронного распыливания являются установки непрерывного действия УН-101 для металли­зации заготовок печатных плат и УВ-84 для алюминирования стекла в зеркальном произ­водстве (табл. 1.11).

Зарубежные фирмы Бальцерс (Лихтен­штейн), Лейбольд (Германия), Ульвак (Япо­ния), Алкатель (Франция) выпускают автома­тизированные установки магнетронного рас­пыления со стабилизацией тока и мощности разряда, парциальных давлений рабочего и ре­активного газа.

Оборудование для нанесения покрытий ион­ной бомбардировкой представляет установка "Булат-20", предназначенная для нанесения твердого покрытия на инструмент [11] (рис. 1.14, в). Техническая характеристика ус­тановки "Булат-20" приведена ниже.

Число распылителей……………………………………… 3

Диаметр катода, мм…………………………………….. 80

Сила рабочего тока, А………………………. 80…300

Отрицательный потенциал

смещения, В…………………………………….. 150… 1500

Предельное давление в рабочей

камере, Па……………………………………….. 1,3 • 10_3

Число позиций карусели……………………………… 24

Потребляемая мощность, кВ • А……………….. 50

Длительность рабочего цикла, ч 2…2,5

Размеры деталей, мм……………………… 200 х 250

1.11. Техническая характеристика установок для магнетронного распыления

Параметры

УН-101

УВ-84

Число распылителей

2

3

Размеры мишеней, мм

1100×600

1800×200

Сила разрядного тока, А

100

90

Давление в камере напыления, Па

1,3 • 10“2

Давление аргона в камере, Па

0,4

0,4

Толщина покрытия, мкм

2

0,12

Производительность, м2/ч

6

150

Потребляемая мощность, кВт

150

220

Размеры обрабатываемых изделий, мм

500x500x12

1660×1300

а — катодного распыления; б — магнетронного распыления; в — распыления дугой с холодным катодом; г — термического испарения сжатой дугой низкого давления и ионного распыления в плазме дуги с термокатодом; д — термоионного; 1 — рабочая камера; 2 — откачной пост (высоковакуумный и форвакуумный насосы); 3 — распылительное (испарительное) устройство; 4 — источник питания распылительного (испарительного) уст­ройства; 5 — система управления натеканием плазмообразующего газа; 6 — устройство перемещения покры­ваемых деталей; 7 — устройство нагрева деталей; 8 — система охлаждения; 9 — система управления техноло­гическим процессом; 10 — система ионной очистки деталей; 11 — источник питания вспомогательного разря­да; 12 — пирометр для измерения температуры нагрева покрываемых деталей; 13 — система защиты микродуг;

14 — газоразрядное устройство с накаленным катодом; 15 — система управления натеканием плазмообра-
зующего газа; 16 — система ионизации парового потока; 17 — источник питания системы ионизации; 18 —

система управления ионизацией

Оборудование для термического испарения сжатой дугой низкого давления представлено установкой У-304, предназначенной для ме­таллизации элементов керамических конденса­торов (рис. 1.14, г).

Ниже приведена техническая характери­стика установки У-304.

Сила тока дуги, А………………………………. 50…300

Напряжение на дуге, В……………………….. 20.. 40

Сила ионного тока, мА………………………. 50…500

Давление в рабочей камере, Па…. 0,5* 10-2

Расход газа, л/мин…………………….. (0,2… 1) • 10-1

Размеры изделия, мм……………………….. 150 х 150

Потребляемая мощность, кВ • А……………. 30

Длительность рабочего цикла, ч…………… 0,6

Оборудование для ионного распыления в плаз­ме дуги с термокатодом имеет схему, анало­гичную рассмотренной выше (рис. 1.14, г).

Примером являются установки У-842 и УРМ3.279.035 [21]. Установка У-842 предна­значена для металлизации полосковых плат, а установка УРМ3.279.035 — для металлизации гибридных интегральных микросхем

(табл. 1.12).

Оборудование для термоионного нанесения покрытий представлено автоматической уста­новкой УВН-ЭИП 17/4-001 с групповой обра­боткой подложек, используемой при изготов­лении полупроводниковых схем, СВЧ-транзи — сторов [2] (рис. 1.14, д). В качестве покрытий напыляют алюминий, медь, титан, кремний. Техническая характеристика приведена ниже.

Электронно-лучевой испаритель

Напряжение, кВ………………………………………….. 10

Сила тока, А…………………………………………………. 1

ВЧ— ионизатор

Рабочая частота, мГц………………………………… 27,2

Мощность, кВт………………………………………….. 5,5

Напряжение смещения на подложке, кВ 1…4 Плотность ионного тока на подложке, мА/см2 2

Оборудование для электроискрового легиро­вания. Электроискровое легирование поверх­ности производится с помощью универсаль­ных и специализированных установок (искро­вых генераторов), которые относятся к классу электромеханических устройств [23, 24]. Со­ставными частями этих установок являются генератор импульсов тока и электродная ком­мутирующая система. В качестве материала для легирования используют электроды или порошки. Обобщенная структурная схема ус­тановки для ЭИЛ представлена на рис. 1.15.

По качеству поверхности оборудование для электроискрового легирования подразделяет­ся на установки для чистового (Rz < 80 мкм) и грубого (Rz > 80 мкм) легирования, по уровню механизации — на ручные, механизированные и автоматизированные.

Техническая характеристика установок для ручного электроискрового легирования электродами представлена в табл. 1.13.

Механизированные и автоматизированные установки электроискрового легирования в ос­новном являются специализированным обору­дованием для упрочнения конкретных видов

изделий. Техническая характеристика механи­зированных и автоматизированных установок электроискрового легирования из электродов приведена в табл. 1.14.

Для электроискрового легирования из по­рошков используют установки "Разряд" и "Раз — ряд-М". Потребляемая мощность составляет не более 6 кВ • А, производительность

2.. .10 см2/мин, дисперсность используемого порошка 50…200 мкм.

Оборудование для лазерного легирования и модифицирования поверхностей. Для этих це­лей могут использоваться твердотельные лазе­ры импульсного действия (обработка малога­баритных прецизионных деталей, например деталей приборов) с энергией в импульсе из­лучения 3 Дж и выше ("Квант-9", "Квант-10", "Квант-12", "Квант-16", "Квант-41", "Квант — 50"), а также С02-лазеры непрерывного и им­пульсно-периодического действия (обработка средних и крупных по величине деталей, при­меняемых в машиностроении, транспорте и др.) мощностью 100 Вт и более ("Катунь", "Кардамон", "Латус-31", "Комета", ЛТ-1 и др.) [12].

При лазерном легировании в состав техно­логической оснастки помимо механизмов пе­ремещения детали или луча, сканаторсв луча входит дозатор порошка или механизм подачи проволоки (в случае легирования металличе­скими присадками), либо система подачи ле­гирующего газа (в случае легирования газами, например, азотом, кислородом и др.). В случае легирования смесями газов необходим смеси­тель с контрольной аппаратурой. Дозаторы по­рошка и механизмы подачи проволоки анало­гичны применяемым для лазерной наплавки, но должны обеспечивать на порядок меньший расход порошка или проволоки.

Оборудование для электронно-лучевого мо­дифицирования поверхностей. Для реализации технологических процессов электронно-луче­вого модифицирования поверхностей металлов используют как специализированное оборудо­вание [26], так и установки для электронно­лучевой сварки. Наибольшее распространение для целей модифицирования получили сва­рочные установки, которые обычно модерни­
зируют для расширения технологических воз­можностей при модифицировании поверхно­стей. При этом обеспечивается возможность создания и управления тепловложением на площади, превышающей площадь поперечного сечения электронного пучка. Модернизация сварочных установок заключается в сле­дующем: в электронной пушке либо на ее тор­це устанавливается малоиндуктивная откло­няющая система; система управления отклоне­нием электронного пучка заменяется на спе­циализированную (быстродействующую, с программным управлением); манипулятор из­делия или электронной пушки, а также его система управления иногда дорабатывается или заменяется для обеспечения высоких ско­ростей перемещения (до 40 мм/с).

Техническая характеристика систем управ­ления установок для электронно-лучевого мо­дифицирования поверхности приведена в табл. 1.15.

Многофункциональная система управле­ния "Промин-1" состоит из микропроцессор­ного блока, двухканального усилителя сигна­лов развертки электронного пучка и блока управления приводом. Она обеспечивает в ре­жиме диалога:

программное управление током электрон­ного пучка и фокусирующей линзы электрон­ной пушки, отклонением электронного пучка по двум координатам для одной или двух от­клоняющих систем, приводом (шаговым, асинхронным или постоянного тока);

ввод, просмотр, корректировку и хранение в виде библиотек в долговременной памяти программ технологических режимов;

аварийное завершение технологического процесса по специальной подпрограмме;

контроль работоспособности основных уз­лов системы (дисплея, клавиатуры, таймера,

постоянного и оперативного запоминающих устройств, оптоволоконной системы).

В режиме модифицирования поверхности система формирует высокочастотную растро­вую развертку электронного пучка. В режиме гравировки программно задается текст надпи­си, которая будет нанесена электронным пучком на поверхности изделия. При этом воспроизводятся цифры, буквы русского и ла­тинского алфавита.

Специализированные пирометрические системы позволяют осуществлять контроль па­раметров температурного поля при электрон­но-лучевом модифицировании поверхностей бесконтактно, через иллюминатор вакуумной камеры. Так, с помощью пирометрических сканирующих систем СКАПИР-01 и СКА­ПИ Р-02 можно контролировать распределе­ние температуры при нагреве поверхности ме­таллов в диапазоне температур 300…3000°С с точностью 1,5%. При этом пространственная дискретность контроля температуры в точках следующая: 3×3 для системы СКАП И Р-01, 50 х 200 для системы СКАП И Р-02.

Оборудование для ионной имплантации. Принцип работы любой установки для ионной имплантации состоит в ионизации в ионном источнике газообразных, жидких или твердых веществ и ускорении ионов в электростатиче­ском поле. После разделения ионного пучка по массе сепарированный пучок ионов на­правляется на мишень-образец, находящийся в вакуумной камере. Для обеспечения одно­родности распределения заряда на поверхно­сти проводят сканирование. Дозу импланта­ции определяют интегратором тока. Установки для ионной имплантации различаются спосо­бами ускорения, напряжением, способами фо­кусировки, источниками питания.

Установка для ионной имплантации включает: ионный источник У; системы уско­рения и фокусировки ионов, разделения пучка ионов по массе, сканирования пучка 6 прием­ную камеру 2 и вакуумную систему (рис. 1.16). Имеется несколько типов ионных источни­ков, основанных на различных принципах ио­низации: электронным ударом, фотоиониза­ция, химическая ионизация.

Источники с ионизацией атомов на разо­гретой поверхности твердых тел находят при­менение в исследовательских установках. Основ­ное преимущество источников этого типа — ма­лый разброс ионов по энергиям, основной не­достаток — сравнительно малые токи. Такие источники используются при контролируемом нанесении пленок щелочных и щелочно-зе­мельных металлов, для получения пучков ма­лого диаметра, в установках для получения уз­ловых закономерностей при взаимодействии ионов с твердым телом, при анализе материа­лов.

Источник ионизации электронным ударом типа Нира применяется в масс-спектромет — рических устройствах. Сила выходного тока не превышает нескольких микроампер вслед­ствие низкой ионизации (10-5). Разброс по

Рис. 1.16. Схема установки для ионно-лучевой обра­ботки с сепарацией (I) и без сепарации ионного пучка

(II)’

1 — ионный источник; 2 — приемная камера; 3 —
обрабатываемые детали; 4 — ионный пучок; 5 — се-
паратор; 6 — система сканирования пучка

энергиям составляет 2…3 эВ. В источниках ти­па плазмотрона также используется иониза­ция атомов электронным ударом. Они обес­печивают значительные ионные токи при ма­лом разбросе ионов по энергиям, не превы­шающем 10 эВ. Основной недостаток — необ­ходимость использования блоков электриче­ского питания, находящихся под высоким по­тенциалом относительно земли.

В промышленных установках ИЛУ-4 и, гВезувий-4" применены источники с дуговым разрядом в парах рабочих веществ. Кроме то­го, для стабильного поддержания дугового раз­ряда используется также ионизация электрон­ным ударом. Рабочим веществом может быть газ (например, аргон), водород, гелий или пар (например, фосфор). Главным преимущест­вом дуговых источников является получение ионных пучков с большой силой тока. К не­достаткам относятся сложный состав получае­мого ионного тока, необходимость специаль­ной стабилизации разряда, разброс ионов по энергиям, неравномерность плотности тока по сечению пучка.

В газоразрядных источниках с горячим ка­тодом типа Пеннинга ионизация молекул и атомов осуществляется электронным ударом. Источники такого типа характеризуются значительным (менее 100 эВ) разбросом ионов по энергиям. В составе пучка находятся ионы материалов электродов, подвергнутых ионной бомбардировке и распылению. Такие источники используются в установках для об­работки материалов ионными пучками, нане­сения покрытий.

В высокочастотных разрядных ионных ис­точниках электроны получают необходимую энергию для ионизации атомов, ускоряясь в электрическом высокочастотном поле. Раз­брос ионов по энергиям в таких источниках составлял 50… 100 эВ, а в новых конструкциях он снижен до 1…2 эВ. Основными недостатка­ми высокочастотных разрядных источников являются необходимость тщательного экрани­рования с целью исключения влияния высо­кочастотных наводок на измерительную аппа­ратуру, трудность получения ионов металлов, неспособность работать при повышенных тем­пературах, необходимость контроля парамет­ров и управления ими, недостаточно длитель­ный цикл непрерывной работы (50… 100 ч). Однако высокочастотные источники характе­ризуются простотой конструкции и надежно­стью работы, на изготовление не требуется больших затрат, удобны в эксплуатации, от­личаются экономичностью.

Для получения тяжелых ионов можно ис­пользовать источники с дуговым разрядом в парах материалов электродов. В установках с такими источниками используются ионные пучки и ускоренная плазма. Плазменные уско­рители применяют, например, для высокоско­ростного нанесения пленок, откачки газов. Они экономичны, высокопроизводительны, универсальны. В некоторых случаях находят применение лазерные ионные источники, в которых разброс ионов по энергиям составля­ет 0,2…0,5 эВ, искровые ионные источники, позволяющие «получать многозарядные ионы, но отличающиеся невысокой стабильностью ионного тока; источники с тлеющим разря­дом, в которых обеспечивается высокая плот­ность тока, но затруднено измерение энергии ионов и невелика глубина их проникновения.

Высокие энергии сообщаются ионам с по­мощью систем ускорения двух типов: в оди­ночном зазоре между двумя электродами и в многозазорных ускорительных секциях. Оди­ночные зазоры надежно работают при уско­ряющих напряжениях 40 кВ, но при напряже­нии свыше 100 кВ в подобной системе ускоре­ния появляются пробои. Более надежны мно­гозазорные ускорительные секции, обеспечи­вающие постепенный рост энергии ионов в каждом зазоре на 15…20 кэВ. Для фокусиров­ки ионов применяют электростатические лин­зы (одиночные, иммерсионные, диафрагмы с отверстием).

Для получения ионных пучков, содержа­щих определенный элемент, выполняют сепа­рацию общего потока, осуществляя взаимо­действие движущихся ионов с магнитным и электрическим полями, с одновременным воз­действием постоянного и переменного элек­трических полей. По скоростям поток фильт­руют с помощью электростатических анализа­торов. Разделение пучка осуществляют с помо­щью секторных магнитных систем, откло­няющих пучок на 60 или 90°. Разделительная способность секторных магнитов не уступает разделительной способности 180°-ных магни­тов. Чтобы разделить ионы по массе, исполь­зуют фильтр Винна — устройство со скрещен­ными ортогонально магнитным и электриче­ским полями. В некоторых масс-спектромет­рах и сепараторах применяют квадрупольные фильтры масс. Преимуществами квадруполь — ного фильтра масс являются слабая зависи­мость разрешающей способности от энерге­тического разброса ионов, возможность анали­за при повышенном давлении остаточного га­за, крутые фронты пиков. Основной недоста­ток такого фильтра заключается в наличии возможности прохождения нерезонансных ио­нов. В некоторых установках применяют мо­нопольные фильтры масс, к недостаткам кото­рых относятся чувствительность к давлению остаточных газов и нестабильность работы.

Однородность имплантации обеспечивает система сканирования. В зависимости от не­обходимости отклонения пучка в одном или двух направлениях используют либо две парал­лельные пластины, либо последовательно по ходу движения пучка две пары взаимно пер­пендикулярных пластин. Имплантация ионов в мишень осуществляется в вакуумной каме­ре. Точное измерение силы тока пучка прово­дится с помощью калориметра, цилиндра Фа­радея и кулонометра.

Вакуумная система обеспечивает непре­рывное поступление газа или паров их ионно­го источника в приемную камеру с высоким вакуумом (10-5 Па), который способствует лучшей фокусировке пучка, уменьшению до­зы нейтральных атомов и загрязнения поверх­ности образцов. Откачку производят диффузи­онными насосами, турбомолекулярными насо­сами с соответствующими форвакуумными на­сосами, гетгерным насосом, создающим фор­вакуум для сорбционных насосов. Тип насоса выбирают с учетом состава и количества газа, а также необходимости получения безмасляно­го вакуума.