RU2277137C1 - Focused vapor deposition - Google Patents
Focused vapor deposition Download PDFInfo
- Publication number
- RU2277137C1 RU2277137C1 RU2005100988/02A RU2005100988A RU2277137C1 RU 2277137 C1 RU2277137 C1 RU 2277137C1 RU 2005100988/02 A RU2005100988/02 A RU 2005100988/02A RU 2005100988 A RU2005100988 A RU 2005100988A RU 2277137 C1 RU2277137 C1 RU 2277137C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- evaporation
- chamber
- deposition
- product
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электронно-лучевому испарению и осаждению (конденсации) материалов, в частности к осаждению в условиях низкого вакуума.The invention relates to electron beam evaporation and deposition (condensation) of materials, in particular to deposition under low vacuum.
Электронно-лучевое испарение и осаждение материалов в вакууме - EB-PVD технология (Electron Beam Physical Vapor Deposition) - на сегодняшний день наиболее широко используемый метод нанесения тонких пленок и покрытий. Этот метод применяется для нанесения жаростойких и теплозащитных покрытий на детали газотурбинных двигателей и установок, для нанесения износостойких покрытий, оптических пленок, а также для создания полупроводниковых устройств. Достоинства метода - высокая скорость осаждения, обеспечиваемая мощными концентрированными источниками энергии, высокая чистота осаждаемых материалов, достигаемая благодаря использованию водоохлаждаемых тиглей, и ряд уникальных свойств, присущих электронно-лучевым (конденсационным) покрытиям. Например, теплозащитные покрытия из диоксида циркония ZrO2, стабилизированного 7-8 масс.% оксида иттрия Y2O3, нанесенные электронно-лучевым способом, имеют характерную для них столбчатую структуру, которая обеспечивает им большую долговечность по сравнению с теплозащитными покрытиями того же химического состава, нанесенными другими способами. Однако способ электронно-лучевого испарения и осаждения материалов в вакууме имеет свои недостатки. Среди них - низкий коэффициент использования материала, т.е доля испаренного материала, которая оседает на изделии, необходимость поддержания высокого вакуума в камере (обычно 10-2-10-4 Па). К недостаткам способа относится и невозможность осаждения покрытий на изделия сложной формы, имеющие "затененные" участки, что является следствием того, что при нанесении покрытий в высоком вакууме пар распространяется от источника испарения по прямым линиям.Electron beam evaporation and deposition of materials in a vacuum - EB-PVD technology (Electron Beam Physical Vapor Deposition) is by far the most widely used method for applying thin films and coatings. This method is used for applying heat-resistant and heat-protective coatings to parts of gas turbine engines and plants, for applying wear-resistant coatings, optical films, and also for creating semiconductor devices. Advantages of the method are the high deposition rate provided by powerful concentrated energy sources, the high purity of the deposited materials, achieved through the use of water-cooled crucibles, and a number of unique properties inherent in electron-beam (condensation) coatings. For example, heat-protective coatings made of zirconia ZrO 2 stabilized with 7-8 wt.% Yttrium oxide Y 2 O 3 deposited by electron-beam method have a characteristic columnar structure that provides them with greater durability compared to heat-resistant coatings of the same chemical composition applied in other ways. However, the method of electron beam evaporation and deposition of materials in vacuum has its drawbacks. Among them - a low utilization rate of the material, i.e. the fraction of vaporized material that settles on the product, the need to maintain a high vacuum in the chamber (usually 10 -2 -10 -4 Pa). The disadvantages of the method include the impossibility of deposition of coatings on products of complex shape having "shaded" sections, which is a consequence of the fact that when coating in high vacuum, the vapor propagates from the source of evaporation in straight lines.
Попыткой устранить некоторые недостатки известных способов испарения и осаждения в вакууме является способ, описанный в патенте США №4,788,082 (Schmitt, С 23 С 16/00, 1988) - "Jet Vapor Deposition" (JVD). В этом способе происходит резистивный нагрев и испарение материала, находящегося внутри потока газа. Затем пар материала транспортируется струей газа и осаждается из газа на подложку. Осаждение происходит в условиях низкого вакуума. Использование несущей струи газа и низкого вакуума дает возможность осаждать покрытия на изделия сложной формы, т.к. молекулы пара распространяются не по прямой, а вместе со струей газа, огибая рельеф поверхности, на которой происходит осаждение.An attempt to eliminate some of the disadvantages of the known methods of evaporation and deposition in vacuum is the method described in US patent No. 4,788,082 (Schmitt, C 23 C 16/00, 1988) - "Jet Vapor Deposition" (JVD). In this method, resistive heating and evaporation of material inside the gas stream occurs. Then the material vapor is transported by a gas jet and is deposited from the gas onto the substrate. Precipitation occurs in low vacuum. The use of a carrier gas stream and low vacuum makes it possible to deposit coatings on products of complex shape, because the vapor molecules do not propagate in a straight line, but together with a gas stream, enveloping the relief of the surface on which the deposition occurs.
Однако по своим возможностям этот способ не может быть сравним с электронно-лучевым испарением, т.к. использует резистивный нагрев, что ведет к низким скоростям испарения и осаждения и ограничивает диапазон испаряемых материалов.However, in its capabilities, this method cannot be compared with electron beam evaporation, because uses resistive heating, which leads to low evaporation and deposition rates and limits the range of evaporated materials.
Шаг вперед в развитии технологии электронно-лучевого испарения и осаждения был сделан с предложением способа, названного "Directed Vapor Deposition" (DVD) - патент США №5,534,314 (Wadley et al., C 23 C 8/00, 1996). В соответствии с этим способом струя газа истекает из сопла в вакуумную камеру и движется над поверхностью материала, испаряемого электронным лучом. Пар материала захватывается струей газа, транспортируется к изделию и осаждается из газа на изделие:A step forward in the development of electron beam evaporation and deposition technology was made with the proposal of a method called "Directed Vapor Deposition" (DVD) - US patent No. 5,534,314 (Wadley et al., C 23
Процесс испарения и осаждения проводится в низком вакууме - от 1,3×10-1 Па до атмосферного давления. В условиях такого низкого вакуума обычно применяемые электронные пушки становятся неработоспособными из-за сильного затухания электронного пучка в атмосфере остаточных газов в камере, а также из-за того, что для работы пушек в камере генератора электронного пучка необходимо поддерживать вакуум не менее 10-2 Па. Поэтому для осуществления способа была спроектирована и изготовлена электронная пушка с дифференциальной откачкой и ускоряющим напряжением 60 кВ. Пушка с дифференциальной откачкой включает в себя цепь расположенных на пути электронного луча камер, последняя из которых имеет небольшое отверстие, выводящее луч в камеру с повышенным давлением. Из промежуточных камер производится откачка дополнительными вакуумными насосами, поэтому, несмотря на то, что газ из рабочей камеры проникает в пушку через выходное отверстие, такая система позволяет поддерживать высокий вакуум в камере генератора электронного луча. Электронные пушки, обычно используемые для испарения, имеют ускоряющее напряжение 10-20 кВ. Более высокое ускоряющее напряжение пушки, разработанной для DVD-метода, позволило увеличить длину пробега электронного пучка в атмосфере остаточных газов в камере и, несмотря на потери энергии пучка, донести до испаряемого материала достаточную мощность.The process of evaporation and deposition is carried out in low vacuum - from 1.3 × 10 -1 Pa to atmospheric pressure. Under conditions of such a low vacuum, the commonly used electron guns become inoperative due to the strong attenuation of the electron beam in the atmosphere of residual gases in the chamber, and also because for the guns to work in the chamber of the electron beam generator, it is necessary to maintain a vacuum of at least 10 -2 Pa . Therefore, to implement the method, an electron gun with differential pumping and an accelerating voltage of 60 kV was designed and manufactured. The differential pumping gun includes a chain of chambers located on the path of the electron beam, the last of which has a small hole leading the beam into the chamber with high pressure. Additional intermediate pumps are pumped out of the intermediate chambers, therefore, despite the fact that gas from the working chamber penetrates the gun through the outlet, such a system allows maintaining a high vacuum in the chamber of the electron beam generator. The electron guns commonly used for evaporation have an accelerating voltage of 10-20 kV. The higher accelerating voltage of the gun, developed for the DVD method, allowed to increase the mean free path of the electron beam in the atmosphere of residual gases in the chamber and, despite the loss of the beam energy, bring sufficient power to the material being evaporated.
Благодаря использованию несущего потока газа, обтекающего изделие, на которое происходит осаждение, DVD-метод расширяет возможности осаждения на изделия сложной формы. Была продемонстрирована возможность одновременного нанесения покрытий на лицевую и обратную, "теневую" сторону волокон, имеющих цилиндрическую форму (см. http://www.ipm.virginia.edu/process/PVD/Pubs/thesis5.htm). Кроме этого отсутствие высокого вакуума в камере позволяет производить быструю перезагрузку изделий без непроизводительных затрат времени на откачку камеры до рабочего давления.Through the use of a carrier gas stream flowing around the deposition product, the DVD method expands the possibilities of deposition on products of complex shape. The possibility of simultaneous coating of the front and back, “shadow” side of fibers having a cylindrical shape was demonstrated (see http://www.ipm.virginia.edu/process/PVD/Pubs/thesis5.htm). In addition, the lack of high vacuum in the chamber allows for quick reloading of products without unproductive time spent pumping the chamber to operating pressure.
Однако DVD-метод не дал заметного повышения коэффициента использования материала.However, the DVD method did not produce a noticeable increase in material utilization.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому способу и оборудованию являются способ и оборудование, описанные в заявке США №476,309 (Hass et al., C 23 C 14/30), которые представляют собой модификацию DVD-метода. В соответствии с этим способом поток пара материала, испаренного с помощью электронного луча, окружен со всех сторон параллельным ему потоком газа, истекающего из кольцевого сопла, которое размещено вокруг тигля. При такой форме и расположении сопла поток газа направляет и фокусирует поток пара. Процесс испарения и осаждения проводится в низком вакууме - от 0,1 Па до 32 Па, поэтому для испарения используется пушка, разработанная в предыдущей модификации способа.The closest in technical essence to the claimed method and equipment are the method and equipment described in US application No. 476,309 (Hass et al., C 23 C 14/30), which are a modification of the DVD method. In accordance with this method, a vapor stream of material vaporized by an electron beam is surrounded on all sides by a parallel stream of gas flowing out of an annular nozzle that is placed around the crucible. With this shape and location of the nozzle, the gas stream directs and focuses the vapor stream. The process of evaporation and deposition is carried out in low vacuum - from 0.1 Pa to 32 Pa, therefore, a gun developed in the previous modification of the method is used for evaporation.
Модификация DVD-метода позволяет существенно повысить коэффициент использования материала - с 5-10%, обычных для EB-PVD процесса, до 25-35%. Повышение коэффициента использования материала происходит из-за того, что струя газа сжимает поток пара, находящийся в ее осевой части, и препятствует расширению пара в стороны. Другое преимущество такого способа - возможность получать однородные по химическому составу конденсаты при испарении из нескольких расположенных рядом источников, содержащих разные материалы и окруженных кольцевым соплом. Это достигается благодаря турбулентному и диффузионному перемешиванию компонентов пара в струе газа. Исследования структуры и свойств конденсатов ZrO2 - 7% Y2O3, полученных DVD-методом, показали, что конденсаты имеют столбчатую структуру, характерную для электронно-лучевых керамических покрытий, и низкий коэффициент теплопроводности (см. http://www.ipm.virginia.edu/research/PVD/Pubs/thesis6/home.html). Этим была подтверждена возможность осаждения керамических теплозащитных покрытий ZrO2 - 7% Y2O3 с требуемыми свойствами в условиях низкого вакуума.Modification of the DVD-method can significantly increase the utilization of the material - from 5-10%, usual for the EB-PVD process, up to 25-35%. The increase in the utilization of the material occurs due to the fact that the gas stream compresses the steam stream located in its axial part and prevents the expansion of the steam to the sides. Another advantage of this method is the ability to obtain condensates that are uniform in chemical composition during evaporation from several adjacent sources containing different materials and surrounded by an annular nozzle. This is achieved due to turbulent and diffusion mixing of the components of the vapor in the gas stream. Studies of the structure and properties of ZrO 2 - 7% Y 2 O 3 condensates obtained by the DVD method showed that the condensates have a columnar structure characteristic of electron beam ceramic coatings and a low coefficient of thermal conductivity (see http: //www.ipm .virginia.edu / research / PVD / Pubs / thesis6 / home.html). This confirmed the possibility of deposition of ceramic thermal protective coatings ZrO 2 - 7% Y 2 O 3 with the required properties in low vacuum.
Однако модификация DVD-метода также имеет ряд недостатков. При проведении процесса испарения в низком вакууме электроны луча испытывают множество столкновений с молекулами остаточных газов в камере и с молекулами в струе несущего газа. Это ведет к сильному рассеянию и затуханию электронного луча. Использование высокого ускоряющего напряжения пушки увеличивает длину пробега электронного луча и позволяет осуществлять процесс испарения, однако это происходит за счет больших потерь мощности луча на пути его распространения в камере. В результате энергетический КПД процесса испарения (та доля мощности источника нагрева, которая идет на испарение материала) снижается с 5-10%, характерных для EB-PVD процесса, до 2-3%, т.е. энергоемкость процесса повышается в 2-3 раза. Другим недостатком является то, что испарение в условиях низкого вакуума требует более сложной и, следовательно, более дорогой электронной пушки. Проблема сложности и стоимости оборудования, в частности, электронной пушки, многократно возрастет при переходе от сегодняшнего, скорее лабораторного оборудования, использующего слитки испаряемого материала малого диаметра, к оборудованию для промышленного производства. Наконец, задача нанесения покрытий на изделия сложной формы решена в DVD-методе только частично - по-прежнему невозможно наносить покрытия на внутреннюю поверхность изделий.However, the modification of the DVD method also has several disadvantages. During the process of evaporation in low vacuum, the beam electrons experience many collisions with the molecules of residual gases in the chamber and with the molecules in the carrier gas stream. This leads to strong scattering and attenuation of the electron beam. The use of a high accelerating voltage of the gun increases the mean free path of the electron beam and allows the evaporation process to be carried out, however, this occurs due to large losses of the beam power on the way of its propagation in the chamber. As a result, the energy efficiency of the evaporation process (the fraction of the power of the heating source that is used to evaporate the material) decreases from 5-10%, typical of the EB-PVD process, to 2-3%, i.e. energy intensity of the process increases by 2-3 times. Another disadvantage is that evaporation under low vacuum requires a more complex and therefore more expensive electron gun. The problem of the complexity and cost of equipment, in particular, an electron gun, will increase many times when moving from today's, rather laboratory equipment, using ingots of evaporated material of small diameter, to equipment for industrial production. Finally, the problem of coating products with complex shapes is only partially solved in the DVD method - it is still impossible to apply coatings on the inner surface of products.
Заявляемые изобретения направлены на решение следующих задач:The claimed invention is aimed at solving the following problems:
- повышение коэффициента использования материала;- increase the utilization of the material;
- получение однородных по химическому составу конденсатов при испарении из нескольких источников, содержащих разные материалы;- obtaining condensates uniform in chemical composition during evaporation from several sources containing different materials;
- осаждение покрытий на изделия сложной формы, имеющие "затененные" участки;- deposition of coatings on products of complex shape having "shaded" areas;
- повышение качества наносимых покрытий путем ионизации испаряемого вещества;- improving the quality of the applied coatings by ionization of the evaporated substance;
- нанесение электронно-лучевых покрытий на внутреннюю поверхность изделий;- application of electron beam coatings on the inner surface of products;
- нанесение электронно-лучевых покрытий в условиях высокого давления в камере осаждения, в том числе, и при атмосферном давлении;- applying electron beam coatings under high pressure in the deposition chamber, including at atmospheric pressure;
- осаждение покрытий на Ni-, Co-, Ti- основе, содержащих W, Mo, Re и другие тугоплавкие металлы, осуществляемое в условиях низкого вакуума.- deposition of coatings on a Ni-, Co-, Ti-base containing W, Mo, Re and other refractory metals, carried out in low vacuum.
- недопущение снижения энергетического КПД процесса и усложнения и удорожания применяемого оборудования.- Prevention of reducing the energy efficiency of the process and the complexity and cost of the equipment used.
Последняя из перечисленных задач является требованием, которому должно удовлетворять решение всех остальных задач. Некоторые из названных задач могут быть решены известным способом (DVD-метод), однако это решение противоречит поставленному требованию о недопущении снижения КПД и усложнения оборудования.The last of these tasks is a requirement that must be satisfied by the solution of all other tasks. Some of these problems can be solved in a known manner (DVD-method), however, this solution contradicts the stated requirement to prevent a decrease in efficiency and complicate the equipment.
Для решения этих, а также других задач в заявляемом изобретении предлагается способ электронно-лучевого испарения и осаждения, характеризующийся тем, что:To solve these, as well as other problems, the claimed invention proposes a method of electron beam evaporation and deposition, characterized in that:
процесс испарения и процесс осаждения проводят в двух различных камерах, в камере испарения размещают источник испарения, находящийся в водоохлаждаемом тигле, позволяющем осуществлять непрерывную подачу испаряемого материала, и средства для создания в камере испарения электронного луча, причем давление в камере поддерживают в диапазоне от 10-4 до 10-1 Па;the evaporation process and the deposition process are carried out in two different chambers, an evaporation source located in a water-cooled crucible, which allows continuous feeding of the vaporized material, and means for creating an electron beam in the evaporation chamber are placed in the evaporation chamber, and the pressure in the chamber is maintained in the range from 10 - 4 to 10 -1 Pa;
в камере осаждения помещают изделие, поддерживают давление в камере в диапазоне от 10-1 Па до атмосферного давления, при этом камера испарения и камера осаждения соединены отверстием и отверстие расположено так, что поток пара материала проходит сквозь отверстие из камеры испарения в камеру осаждения;the product is placed in the deposition chamber, the pressure in the chamber is maintained in the range from 10 -1 Pa to atmospheric pressure, while the evaporation chamber and the deposition chamber are connected by an opening and the opening is arranged so that a vapor stream of material passes through the opening from the evaporation chamber into the deposition chamber;
в камере осаждения вокруг указанного отверстия создают кольцевую сверхзвуковую струю газа, причем параметры струи выбирают такими, что поток газа из камеры осаждения в камеру испарения отсутствует;in the deposition chamber, an annular supersonic gas jet is created around said hole, and the jet parameters are chosen such that there is no gas flow from the deposition chamber to the evaporation chamber;
испаряют материал с помощью электронного луча;vaporize the material using an electron beam;
осаждают материал на поверхности одного или нескольких изделий.deposit material on the surface of one or more products.
При реализации предлагаемого способа достигается следующий технический результат.When implementing the proposed method, the following technical result is achieved.
Коэффициент использования материала повышается благодаря тому, что поток газа, окружающий со всех сторон пар материала в камере осаждения, препятствует боковому расширению пара и фокусирует его.The utilization of the material is increased due to the fact that the gas flow surrounding on all sides of the material vapor in the deposition chamber prevents the lateral expansion of the vapor and focuses it.
Покрытия, полученные при испарении из нескольких источников, содержащих разные материалы, имеют однородный химический состав вдоль поверхности осаждения благодаря турбулентному и диффузионному перемешиванию компонентов пара в струе газа.Coatings obtained by evaporation from several sources containing different materials have a uniform chemical composition along the deposition surface due to turbulent and diffusive mixing of the vapor components in the gas stream.
Из-за того, что пар транспортируется газом, огибая рельеф поверхности осаждения, возможно осаждение на изделия сложной формы.Due to the fact that the vapor is transported by gas, enveloping the relief of the deposition surface, deposition on products of complex shape is possible.
Существенным преимуществом заявляемого способа является то, что при его реализации не происходит снижения энергетического КПД процесса и усложнения и удорожания применяемого оборудования. Достижение указанного результата становится возможным благодаря тому, что процесс испарения и процесс осаждения проводят в двух различных камерах, соединенных между собой отверстием, причем в камерах поддерживается различное давление. Процесс испарения проводят при давлении от 10-4 до 10-1 Па, что позволяет избавиться от затухания электронного луча в камере и связанных с этим потерь энергии. Это также дает возможность использовать обычные, сравнительно недорогие электронные пушки. Процесс осаждения проводят при более высоком давлении - от 10-1 Па до атмосферного, что позволяет решить поставленные задачи повышения коэффициента использования материала и получения однородных по химическому составу покрытий при испарении из нескольких источников, содержащих разные материалы.A significant advantage of the proposed method is that when it is implemented, there is no reduction in the energy efficiency of the process and the complexity and cost of the equipment used. The achievement of this result is made possible due to the fact that the evaporation process and the deposition process are carried out in two different chambers, interconnected by a hole, and different pressure is maintained in the chambers. The evaporation process is carried out at a pressure of from 10 -4 to 10 -1 Pa, which allows you to get rid of the attenuation of the electron beam in the chamber and the associated energy loss. It also makes it possible to use conventional, relatively inexpensive electronic guns. The deposition process is carried out at a higher pressure - from 10 -1 Pa to atmospheric, which allows us to solve the problem of increasing the utilization of the material and obtaining coatings uniform in chemical composition during evaporation from several sources containing different materials.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами. На фиг.1 показана принципиальная схема осуществления способа. На фиг.2 изображен вариант способа, использующий поворот электронного луча от первоначального направления на угол от 20° до 180°. Фиг.3 показывает вариант способа, включающий ионизацию газа и пара в камере осаждения. Фиг.4 показывает вариант способа, включающий ионизацию пара в камере испарения. На фиг.5 изображен вариант способа, использующий газопровод, который позволяет увеличить степень фокусирования потока пара. На фиг.6 изображен вариант способа, предназначенный для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность изделий. На фиг.7 изображен вариант способа, при котором кольцевую сверхзвуковую струю газа создают из продуктов реакции горения, предназначенный для осаждения материала при высоком давлении, например, атмосферном. Фиг.8 показывает вариант изобретения, использующий введение газа-реагента в центральную часть кольцевой струи газа.The invention is illustrated graphic materials. Figure 1 shows a schematic diagram of the implementation of the method. Figure 2 shows a variant of the method using the rotation of the electron beam from the original direction by an angle from 20 ° to 180 °. Figure 3 shows a variant of the method, including the ionization of gas and vapor in the deposition chamber. Figure 4 shows a variant of the method, including the ionization of steam in the evaporation chamber. Figure 5 shows a variant of the method using a gas pipeline, which allows you to increase the degree of focusing of the steam stream. Figure 6 shows a variant of the method for coating on the inner surface of the product. 7 depicts a variant of the method in which an annular supersonic gas stream is created from the products of the combustion reaction, designed to precipitate the material at high pressure, for example, atmospheric. Fig. 8 shows an embodiment of the invention using the introduction of a reactant gas into the central portion of the annular gas stream.
Способ осуществляют следующим образом. Камера испарения 1 и камера осаждения 2 соединены между собой отверстием 3 в общей стенке 4. В камере испарения расположены электронная пушка 5 и водоохлаждаемый тигель 6, в который помещают слиток испаряемого материала 7. Тигель позволяет осуществлять непрерывную подачу испаряемого материала. В камере осаждения расположено изделие 8. Вокруг отверстия между камерами расположены средства для создания кольцевой сверхзвуковой струи газа, включающие кольцевую форкамеру 9, где создается необходимое избыточное давление, и кольцевое сопло 10. В камере осаждения истекающий из кольцевого сопла газ образует кольцевую сверхзвуковую струю 11. Струя имеет "бочкообразную" форму, характерную для недорасширенной сверхзвуковой струи газа, истекающей в затопленное пространство. Поз.12 обозначен висячий скачок уплотнения, отделяющий зону сверхзвукового течения от среды остаточных газов в камере. Во время процесса испарения и осаждения кольцевая сверхзвуковая струя позволяет поддерживать перепад давления между камерами. При проведении процесса поддерживают давление в камере испарения в диапазоне от 10-4 до 10-1 Па, в камере осаждения - в диапазоне от 10-1 Па до атмосферного давления. Система включает вакуумный затвор между камерой испарения и камерой осаждения (на фиг.1 не показан). Вакуумный затвор открывают непосредственно перед началом процесса осаждения и закрывают сразу же после окончания процесса осаждения. Т.о. отверстие между камерами открыто только в течение процесса осаждения и перекрывается во время откачки камер и во время перезагрузки изделий. Это позволяет расходовать несущий газ только во время осаждения, а также производить быструю перезагрузку изделий в камере осаждения. Благодаря низкому вакууму в камере осаждения время, требуемое для откачки камеры до рабочего давления, после перезагрузки изделия может быть уменьшено до нескольких минут. Электронный луч 13 достигает поверхности испаряемого материала без потерь энергии на столкновения с молекулами остаточных газов. Для управления распределением мощности нагрева по поверхности испарения может быть использована развертка электронного луча. В результате нагрева поверхности слитка электронным лучом и испарения материала в камере испарения формируется поток пара материала 14. Большая часть потока пара проходит сквозь отверстие из камеры испарения в камеру осаждения и входит во внутреннюю часть 15 кольцевой сверхзвуковой струи газа. Захват пара происходит за счет вязкостного и диффузионного взаимодействия пара со струей газа. Захваченный струей газа пар транспортируется в осевой части 16 струи. Стрелками 17 показано направление линий тока - траекторий, по которым движутся микрообъемы пара. Во время транспортировки к изделию в камере осаждения пар материала окружен со всех сторон потоком газа. Поток газа препятствует боковому расширению пара и, таким образом, обеспечивает фокусирование потока пара. При дальнейшем движении сверхзвуковая струя газа и пара натекает на препятствие - изделие. При этом, как известно, происходит торможение газа в прямом скачке уплотнения и возле поверхности препятствия - изделия образуется пристенная струя. При обтекании пристенной струей изделия пар осаждается из струи на поверхности изделия. Возможности струи газа для фокусирования и транспортирования заключенного в ней пара, а также для осаждения пара из струи газа на поверхность изделия в условия низкого вакуума были убедительно продемонстрированы JVD- и DVD-методами.The method is as follows. The
Поддержание перепада давлений между камерами, соединенными отверстием, реализуется благодаря тому, что отверстие окружено кольцевой сверхзвуковой струей газа. Отверстие между камерами, окруженное кольцевой сверхзвуковой струей газа, направленной в сторону камеры с более высоким давлением, представляет собой газодинамическое окно. Такое газодинамическое окно позволяет, в частности, транспортировать пар из камеры с низким давлением в камеру с более высоким давлением. Разность давлений между камерами поддерживается за счет кинетической энергии струи газа. Сверхзвуковая струя работает как высоковакуумный пароструйный насос, откачивая остаточный газ из камеры испарения в камеру осаждения. Поэтому, когда в отверстие между камерами входит пар, происходит его захват струей газа. Возможность поддержания перепада давлений и откачивания с помощью кольцевой сверхзвуковой струи газа известна и экспериментально проверена. Например, в работе "Ермолов В.И. Структура и откачивающие свойства внутренней части кольцевой сверхзвуковой струи/УЖТФ. 1985. - 55, вып.1 - С.186-195." исследованы откачивающие свойства кольцевой сверхзвуковой струи газа. На основе полученных результатов в статье сделан вывод о возможности использования внутренней части кольцевой струи для увеличения производительности вакуумных пароструйных насосов. Согласно патенту США №4,931,700 кольцевая сверхзвуковая струя газа используется для вывода электронного луча в атмосферу. Система, описанная в этом патенте, позволяет поддерживать остаточное давление примерно 10 Па при внешнем давлении 105 Па. Давление газа, образующего струю (давление торможения) в данной системе, равно примерно 8×105 Па. Использование газодинамического окна для вывода электронного луча из вакуумной камеры и сварки в атмосфере описано в патенте Великобритании №1049057 и патенте США №4,358,249. Использование газодинамического окна для ввода луча лазера в камеру высокого давления предложено в патенте США №4,036,012.The pressure differential between the chambers connected by the hole is maintained due to the fact that the hole is surrounded by an annular supersonic gas stream. The hole between the chambers, surrounded by an annular supersonic gas stream directed toward the chamber with a higher pressure, is a gas-dynamic window. Such a gas-dynamic window allows, in particular, the transport of steam from the low-pressure chamber to the higher-pressure chamber. The pressure difference between the chambers is maintained by the kinetic energy of the gas stream. The supersonic jet works as a high-vacuum steam jet pump, pumping out residual gas from the evaporation chamber to the deposition chamber. Therefore, when steam enters the hole between the chambers, it is captured by a gas stream. The ability to maintain a differential pressure and pumping using a ring supersonic gas jet is known and experimentally verified. For example, in the work "Ermolov VI The structure and pumping properties of the inner part of the annular supersonic jet / UVTF. 1985. - 55, issue 1 - S.186-195." The pumping properties of an annular supersonic gas jet are investigated. Based on the results obtained, the article concludes that it is possible to use the inner part of the ring jet to increase the productivity of vacuum steam jet pumps. According to US Pat. No. 4,931,700, an annular supersonic gas jet is used to discharge an electron beam into the atmosphere. The system described in this patent allows maintaining a residual pressure of about 10 Pa with an external pressure of 10 5 Pa. The pressure of the gas forming the jet (braking pressure) in this system is approximately 8 × 10 5 Pa. The use of a gasdynamic window to remove an electron beam from a vacuum chamber and welding in the atmosphere is described in UK patent No. 1049057 and US patent No. 4,358,249. The use of a gasdynamic window to introduce a laser beam into a high pressure chamber is proposed in US Pat. No. 4,036,012.
Для успешной работы газодинамического окна необходимо, чтобы струя газа была сверхзвуковой, т.к. только в этом случае отсутствует обратный поток газа, образующего струю, в отверстие. Кроме того, необходимо, чтобы внутренняя часть кольцевой струи была изолирована от камеры осаждения областью сверхзвукового течения. Это нужно, чтобы не было прорыва давления из камеры осаждения в камеру испарения по оси кольцевой струи. Течение в сверхзвуковой струе газа, истекающей в среду с некоторым давлением, определяется геометрическими параметрами сопла, исходными параметрами газа (параметрами торможения) и давлением в среде. Поэтому для успешной работы газодинамического окна необходимо, чтобы геометрия сопла, исходные параметры газа, образующего струю, перепад давлений между форкамерой и камерой осаждения были выбраны таким образом, чтобы обеспечить отсутствие потока остаточных газов из камеры осаждения в камеру испарения.For the gasdynamic window to work successfully, it is necessary that the gas jet be supersonic, because only in this case there is no reverse flow of gas forming the jet into the hole. In addition, it is necessary that the inner part of the annular jet be isolated from the deposition chamber by the supersonic flow region. This is necessary so that there is no breakthrough of pressure from the deposition chamber to the evaporation chamber along the axis of the annular jet. The flow in a supersonic gas stream flowing into the medium with a certain pressure is determined by the geometric parameters of the nozzle, the initial gas parameters (braking parameters), and the pressure in the medium. Therefore, for the gasdynamic window to work successfully, it is necessary that the nozzle geometry, initial parameters of the gas forming the jet, and the pressure drop between the prechamber and the deposition chamber be selected so as to ensure that there is no residual gas flow from the deposition chamber to the evaporation chamber.
Если газодинамическое окно используется для прохождения через него потока пара, как предлагается в заявляемом изобретении, поток пара материала препятствует оттоку молекул газа из отверстия в сторону камеры с более низким давлением и, таким образом, работает как дополнительный пароструйный вакуумный насос. Благодаря этому откачивающие свойства кольцевой сверхзвуковой струи еще более усиливаются.If the gasdynamic window is used to pass through it a vapor stream, as proposed in the claimed invention, the vapor stream of the material prevents the outflow of gas molecules from the hole towards the chamber with lower pressure and, thus, acts as an additional steam-jet vacuum pump. Due to this, the pumping properties of the annular supersonic jet are further enhanced.
Кольцевая сверхзвуковая струя газа в предлагаемом способе выполняет одновременно несколько функций: поддержание перепада давлений между камерами, минимизация обратного потока несущего газа в камеру испарения, захват молекул пара, входящих в отверстие между камерами, перемешивание компонентов пара, фокусирование пара и транспортирование его к изделию. Поэтому с учетом поставленных целей и конкретного варианта воплощения способа необходима оптимизация комплекса параметров, определяющих течение в струе и ее структуру - геометрия сопла, исходные параметры газа, образующего струю, перепад давлений между форкамерой и камерой осаждения, а также перепад давлений между камерой испарения и камерой осаждения. Давление в камере осаждения может регулироваться, например, изменением проходного сечения вакуумного трубопровода между камерой и вакуумным насосом. Для реализации способа необходимы также средства для подачи и регулирования потока несущего газа в форкамеру, датчики давления в камерах испарения, осаждения и форкамере (не показаны).The annular supersonic gas jet in the proposed method simultaneously performs several functions: maintaining the pressure differential between the chambers, minimizing the return flow of carrier gas into the evaporation chamber, trapping the vapor molecules entering the hole between the chambers, mixing the steam components, focusing the vapor and transporting it to the product. Therefore, taking into account the goals and the specific embodiment of the method, it is necessary to optimize the set of parameters that determine the flow in the jet and its structure — nozzle geometry, initial parameters of the gas forming the jet, pressure difference between the prechamber and the deposition chamber, as well as the pressure difference between the evaporation chamber and the camera deposition. The pressure in the deposition chamber can be controlled, for example, by changing the flow area of the vacuum pipe between the chamber and the vacuum pump. To implement the method, means are also necessary for supplying and regulating the flow of carrier gas in the prechamber, pressure sensors in the evaporation, deposition and prechamber chambers (not shown).
Таким образом, как следует из описания способа, заявляемое изобретение дает возможность повысить коэффициент использования материала, позволяет получать однородные по химическому составу конденсаты при испарении из нескольких источников, содержащих различные материалы, а также осаждать покрытия на изделия сложной формы. Решение поставленных задач при реализации способа достигается тем, что осаждение производится из струи газа, позволяющей фокусировать пар, перемешивать компоненты пара и осаждать покрытия на затененные участки. Поставленные задачи решены с выполнением требования недопущения снижения энергетического КПД процесса и усложнения оборудования. Особенностью предлагаемого способа, позволяющей выполнить указанное требование, является то, что процесс испарения и процесс осаждения проводят в двух различных камерах с различным давлением, и камеры соединены между собой газодинамическим окном, которое поддерживает перепад давлений и через которое пар транспортируется из камеры с меньшим давлением в камеру с большим давлением.Thus, as follows from the description of the method, the claimed invention makes it possible to increase the coefficient of use of the material, allows to obtain condensates uniform in chemical composition during evaporation from several sources containing various materials, and also to deposit coatings on products of complex shape. The solution of the tasks during the implementation of the method is achieved by the fact that the deposition is carried out from a gas jet, which allows focusing the steam, mixing the steam components and depositing the coating on the shaded areas. The tasks were solved with the fulfillment of the requirement to prevent a decrease in the energy efficiency of the process and the complication of equipment. A feature of the proposed method, which allows to fulfill the specified requirement, is that the evaporation process and the deposition process are carried out in two different chambers with different pressures, and the chambers are interconnected by a gas-dynamic window, which maintains a pressure differential and through which steam is transported from the chamber with lower pressure pressure chamber.
Возможен вариант способа, использующий несколько источников испарения, которые расположены таким образом, что поток пара от каждого источника входит в газодинамическое окно. При традиционном электронно-лучевом испарении и осаждении из нескольких источников, расположенных рядом и содержащих различные материалы, имеет место сильная неоднородность химического состава конденсата вдоль поверхности осаждения. При реализации предлагаемого варианта способа пар из разных источников, проходя через отверстие между камерами, фокусируется струей газа. При движении пара вместе со сверхзвуковой струей газа, в осевой части потока происходит диффузионное, а также турбулентное перемешивание компонентов пара, что позволяет получить покрытие без градиента химического состава вдоль поверхности осаждения. В этом варианте нагрев различных источников испарения может осуществляться отдельными электронными пушками или одной пушкой с использованием сканирования электронного луча.A possible variant of the method, using several sources of evaporation, which are located in such a way that the steam stream from each source enters the gas-dynamic window. In traditional electron beam evaporation and deposition from several sources located nearby and containing various materials, there is a strong heterogeneity of the chemical composition of the condensate along the deposition surface. When implementing the proposed method variant, steam from different sources, passing through the hole between the chambers, is focused by a gas stream. When steam moves together with a supersonic gas jet, diffusion as well as turbulent mixing of the vapor components occurs in the axial part of the flow, which allows obtaining a coating without a chemical composition gradient along the deposition surface. In this embodiment, the heating of various sources of evaporation can be carried out by separate electron guns or a single gun using scanning electron beam.
Фиг.2 показывает вариант способа, использующий поворот электронного луча от первоначального направления на угол от 20° до 180°. Угол падения электронного луча (угол между лучом и нормалью к поверхности испарения) обычно выбирают не более 40-50°. При больших углах увеличивается доля отраженных от поверхности электронов и обусловленные этим потери мощности электронного луча. Однако конфигурация основного варианта системы накладывает ограничения на угол падения, т.к. над поверхностью испарения находится отверстие между камерами и кольцевое сопло. В предлагаемом варианте способа луч имеет изогнутую траекторию, что позволяет уменьшить расстояние между верхней поверхностью тигля 6 и отверстием между камерами 3. Это дает возможность уменьшить диаметр кольцевого сопла, расход несущего газа, и, соответственно, увеличить экономичность процесса.Figure 2 shows a variant of the method using the rotation of the electron beam from the original direction by an angle from 20 ° to 180 °. The angle of incidence of the electron beam (the angle between the beam and the normal to the evaporation surface) is usually chosen no more than 40-50 °. At large angles, the fraction of electrons reflected from the surface increases and the resulting loss of power of the electron beam. However, the configuration of the main version of the system imposes restrictions on the angle of incidence, because above the evaporation surface there is an opening between the chambers and an annular nozzle. In the proposed variant of the method, the beam has a curved path, which allows to reduce the distance between the upper surface of the
Предлагаемый способ предусматривает также возможность ионизации пара материала и подачи электрического потенциала на изделие. Для ионизации пара материала предлагается использование газового разряда с полым катодом. Такой тип газового разряда по своим характеристикам наиболее предпочтителен в используемом диапазоне давлений и плотностей газа и пара. Конфигурация предлагаемой системы позволяет осуществить ионизацию в двух существенно различных вариантах - ионизацию пара в камере испарения или ионизацию газа и пара в камере осаждения. При ионизации газа и пара в камере осаждения (фиг.3) анод 18 и катод 19 могут быть расположены, например, на противоположных сторонах струи газа и пара. Между анодом и катодом возникает электрическая дуга 20. На изделие подается электрический потенциал, как правило, отрицательный. Величина электрического потенциала может быть, например, от 1 до 10 кВ. Под действием отрицательного потенциала возникающие в плазме электрической дуги положительные ионы испаренного материала 21 ускоряются к изделию, дополнительно увеличивая свою энергию. Осаждение с использованием ионизации дает возможность получать более плотные и бездефектные покрытия, повысить адгезию покрытия к подложке, а также управлять структурой конденсата.The proposed method also provides for the possibility of ionization of the material vapor and the supply of electric potential to the product. For ionization of material vapor, the use of a gas discharge with a hollow cathode is proposed. According to its characteristics, this type of gas discharge is most preferable in the used range of pressures and densities of gas and steam. The configuration of the proposed system allows ionization in two substantially different ways - ionization of vapor in the evaporation chamber or ionization of gas and vapor in the deposition chamber. During ionization of gas and vapor in the deposition chamber (Fig. 3), the
Вариант способа с ионизацией пара в камере испарения (фиг.4) может быть реализован, например, путем помещения между источником испарения и кольцевым соплом кольцевого анода 18. В этом варианте электрическая дуга 20 возникает между кольцевым анодом и поверхностью испаряемого материала. В качестве анода может быть использовано и кольцевое сопло.A variant of the method with steam ionization in the evaporation chamber (Fig. 4) can be implemented, for example, by placing an
Потенциал на изделии может быть модулирован. Пульсирующая модуляция потенциала на изделии препятствует возникновению нежелательной электрической дуги между анодом и изделием. Кроме того, пульсирующая модуляция потенциала на изделии повышает эффективность осаждения в случае осаждения неэлектропроводного материала.The potential on the product can be modulated. Pulsating modulation of the potential on the product prevents the occurrence of an undesirable electric arc between the anode and the product. In addition, pulsating modulation of potential on the product increases the deposition efficiency in the case of deposition of non-conductive material.
Возможны варианты способа, позволяющие увеличить степень фокусирования потока пара, а также дающие возможность управлять его формой. В простейшем из этих вариантов предлагается разместить в камере осаждения вокруг сверхзвуковой струи газа и пара направляющие поверхности, изменяющие направление струи и ее форму. Например, две плоскости, ограничивающие струю газа и пара с двух противоположных сторон, позволяют сформировать струю, имеющую не круглое, а удлиненное поперечное сечение, соответствующее форме изделия.Variants of the method are possible, allowing to increase the degree of focusing of the steam flow, as well as making it possible to control its shape. In the simplest of these options, it is proposed to place guide surfaces around the supersonic gas and vapor jets in the deposition chamber that change the direction of the jet and its shape. For example, two planes restricting a stream of gas and steam from two opposite sides make it possible to form a stream having not a circular but elongated cross section corresponding to the shape of the product.
В другом варианте, показанном на фиг.5, в камере осаждения вокруг сверхзвуковой струи газа и пара помещают газопровод 22. Задачей, на решение которой направлен этот вариант способа, является получение более сфокусированного потока пара. Газопровод, окружающий струю газа и пара со всех сторон, может иметь поперечное сечение, которое сужается в направлении изделия. Движение струи газа внутри сужающегося газопровода существенно отличается от ее движения при истечении из сопла в камере осаждения. Как известно, при уменьшении площади поперечного сечения сверхзвукового потока газа скорость потока уменьшается (Г.Н.Абрамович. Прикладная газовая динамика. - М: Наука, 1991. - 597 с.). Газопровод в данном случае представляет собой сверхзвуковой диффузор, в котором сверхзвуковой поток замедляется до дозвуковой скорости, проходя через систему косых скачков уплотнения. Характер течения газа в газопроводе определяется его формой. Если для данного потока газа мы будем уменьшать выходное сечение газопровода, система скачков уплотнения будет сдвигаться внутри газопровода к его входному отверстию, пока не достигнет внутренней части кольцевой сверхзвуковой струи. Это приведет к размыканию области сверхзвукового течения во внутренней части кольцевой струи и, следовательно, к появлению потока газа внутрь камеры испарения и к потере работоспособности газодинамического окна. Таким образом, для реализации данного варианта способа необходимо выбирать такое сочетание геометрических параметров газопровода и параметров струи, которое обеспечит отсутствие потока газа из газопровода в камеру испарения и нормальную работу газодинамического окна. Преимуществом варианта является повышение коэффициента использования материала, а также уменьшение расхода несущего газа, необходимого для проведения процесса.In another embodiment, shown in FIG. 5, a
Одной из проблем электронно-лучевого испарения и осаждения, не нашедших пока решения, является осаждение пара на внутреннюю поверхность изделий. Для решения этой задачи предназначен вариант способа, характеризующийся тем, что в камере осаждения вокруг сверхзвуковой струи газа и пара помещают газопровод 22, газопровод входит во внутреннюю полость изделия 23, и материал осаждают на внутреннюю поверхность изделия (фиг.6). В этом варианте поток пара и газа входит из газопровода во внутреннюю полость изделия, где пар оседает из газа на поверхность внутренней полости. Обедненный паром газ через выходные отверстия 24 выходит из внутренней полости изделия. Как и все другие модификации способа, этот вариант требует отсутствия потока газа из камеры осаждения в камеру испарения. Отсутствие потока газа из камеры осаждения в камеру испарения обеспечивается выбором параметров струи и геометрических параметров газопровода и изделия. В данном варианте изделие является продолжением газопровода, поэтому в параметры, определяющие работоспособность газодинамического окна и всей системы в целом, входят также геометрические параметры изделия. Реализация данной модификации изобретения может расширить область применения электронно-лучевого испарения и осаждения. Например, такой вариант способа может быть использован для нанесения жаростойких покрытий типа Ni-(Co)-Cr-Al-Y на внутреннюю поверхность лопаток газовых турбин.One of the problems of electron beam evaporation and deposition, which have not yet found a solution, is the vapor deposition on the inner surface of the products. To solve this problem, a variant of the method is intended, characterized in that a
Возможен вариант способа, характеризующийся тем, что осуществляют химическую реакцию горения в камере сгорания и кольцевую сверхзвуковую струю газа создают из продуктов сгорания. В этом варианте, как показано на фиг.7, в кольцевую камеру сгорания 25 подают окислитель и горючее. Продукты сгорания, образовавшиеся в результате реакции горения, истекают через сопло и образуют кольцевую сверхзвуковую струю несущего газа. Компонентами топлива могут быть, например, кислород и керосин или кислород и ацетилен. Таким путем могут быть легко получены большие давления и расходы несущего газа, поэтому данный вариант способа можно использовать при высоких давлениях в камере осаждения, вплоть до атмосферного. При использовании данного варианта способа легко решается проблема нагрева изделия до температуры осаждения. Нагрев может быть полностью или частично осуществлен за счет тепловой энергии продуктов сгорания. Этот вариант делает реальным электронно-лучевое испарение при давлении в камере испарения 10-4-10-1 Па и осаждение при атмосферном давлении. Осаждение при атмосферном давлении может быть применимо, например, для нанесения керамических теплозащитных покрытий на лопатки газовых турбин.A possible variant of the method, characterized in that they carry out a chemical reaction of combustion in the combustion chamber and an annular supersonic gas stream is created from the combustion products. In this embodiment, as shown in FIG. 7, an oxidizing agent and fuel are supplied to the
Возможен вариант способа, в котором сверхзвуковая струя газа имеет форму овала или эллипса в поперечном сечении. Струя, имеющая поперечное сечение в форме эллипса, позволяет увеличить коэффициент использования материала при осаждении на изделия удлиненной формы. Кроме того, такая форма сопла и струи может быть использована при расположении двух или более источников пара в линию.A possible variant of the method in which the supersonic gas jet has the shape of an oval or ellipse in cross section. The jet, having an elliptical cross section, allows to increase the utilization of the material during deposition on elongated products. In addition, this form of nozzle and jet can be used when two or more sources of steam are in line.
Как указывалось выше, для успешной работы газодинамического окна необходимо, чтобы струя газа была сверхзвуковой. Известно, что при истечении газа из сосуда под воздействием перепада давлений сверхзвуковая скорость может быть достигнута и без сверхзвукового сопла. При некотором перепаде давлений, величина которого определяется показателем адиабаты газа, сверхзвуковая скорость потока может быть получена при истечении газа через отверстие в стенке сосуда. Такое отверстие называют звуковым соплом. Однако форма сопла определяет не только скорость истечения, но и распределение скоростей газа в пространстве, которое существенно влияет на величину обратного потока газа и, следовательно, на работоспособность газодинамического окна. Поэтому форма сопла может быть важным инструментом управления фокусированием пара и процессом осаждения. Возможен вариант изобретения, в котором формирование кольцевой сверхзвуковой струи газа происходит с помощью профилированного кольцевого сопла, имеющего сначала сужающуюся, затем расширяющуюся форму. Такое кольцевое сверхзвуковое сопло является разновидностью сопла с центральным телом.As indicated above, for the gasdynamic window to work successfully, it is necessary that the gas jet be supersonic. It is known that when a gas flows out of a vessel under the influence of a pressure drop, a supersonic speed can be achieved without a supersonic nozzle. At a certain pressure drop, the value of which is determined by the adiabatic index of the gas, a supersonic flow rate can be obtained when the gas flows through an opening in the vessel wall. Such a hole is called a sonic nozzle. However, the shape of the nozzle determines not only the flow rate, but also the distribution of gas velocities in space, which significantly affects the magnitude of the gas back flow and, therefore, the operability of the gas-dynamic window. Therefore, the shape of the nozzle can be an important tool for controlling the focusing of the vapor and the deposition process. A variant of the invention is possible in which the formation of an annular supersonic gas jet occurs with the help of a profiled annular nozzle having a first tapering, then expanding shape. Such an annular supersonic nozzle is a type of nozzle with a central body.
Возможен вариант способа, в котором кольцевую сверхзвуковую струю газа формируют из нескольких сверхзвуковых струй газа, расположенных по окружности вокруг отверстия, соединяющего камеру испарения и камеру осаждения. Преимущество этого варианта - возможность создавать с разных сторон отверстия газовый поток разной интенсивности, что позволяет управлять направлением потока пара. В частности, это позволяет отклонять поток пара в ходе процесса, изменяя расход газа через сопла, формирующие отдельные струи.A variant of the method is possible in which an annular supersonic gas jet is formed from several supersonic gas jets arranged in a circle around a hole connecting the evaporation chamber and the deposition chamber. The advantage of this option is the ability to create a gas stream of different intensities from different sides of the hole, which allows you to control the direction of the steam stream. In particular, this allows the steam flow to be deflected during the process, changing the gas flow rate through the nozzles forming separate jets.
Кольцевая, сверхзвуковая струя может состоять из инертного газа, например, аргона или гелия. Использование инертного газа позволяет обеспечить высокую чистоту получаемых конденсатов. Молекулярная масса газа, из которого состоит струя, влияет как на параметры течения в струе, такие как скорость потока, число Маха М, так и на процесс взаимной диффузии молекул пара и газа. Таким образом, применение несущего газа с различной молекулярной массой позволяет воздействовать на процесс течения, фокусирования потока пара, а также на процесс осаждения пара на изделие.An annular, supersonic jet may consist of an inert gas, such as argon or helium. The use of inert gas allows to ensure high purity of the resulting condensates. The molecular mass of the gas that makes up the jet affects both the flow parameters in the jet, such as the flow velocity, Mach number M, and the process of mutual diffusion of vapor and gas molecules. Thus, the use of a carrier gas with different molecular weights allows one to influence the process of flow, focusing of the steam flow, as well as the process of vapor deposition on the product.
Возможен вариант способа, характеризующийся тем, что в состав газа, используемого для создания кольцевой сверхзвуковой струи, вводят газ, который может вступать в химическое взаимодействие с испаряемым материалом, и материал, полученный в результате химического взаимодействия, осаждают на поверхности изделия. В этом варианте происходит реакционное испарение и осаждение. Молекулы газа-реагента и пара вступают между собой в химическую реакцию на поверхности осаждения и во время движения в струе. В качестве реагирующего газа можно использовать кислород, азот, углеводороды и другие газы. Таким способом можно осаждать, например, керамические теплозащитные покрытия из диоксида циркония ZrO2, стабилизированного 7 масс.% оксида иттрия Y2О3, испаряя из отдельных источников цирконий и иттрий, и вводя в несущий газ кислород. Кроме того, реакционное испарение и осаждение позволяет компенсировать влияние частичной диссоциации соединений при их испарении. Например, известно, что при электронно-лучевом испарении диоксида циркония ZrO2 происходит его частичная диссоциация (Технология тонких пленок: справочник /Под ред. Л.Майсселла, Р.Глэнга в 2-х. т., - М: Советское Радио, 1977 - T.1. - 664 с.). Наличие в несущей струе газа кислорода позволяет обеспечить полное окисление циркония и избежать изменения химического состава конденсата при нанесении теплозащитных покрытий ZrO2 - 7% Y2O3.A variant of the method is possible, characterized in that a gas is introduced into the composition of the gas used to create the annular supersonic jet, which can enter into chemical interaction with the vaporized material, and the material obtained as a result of chemical interaction is deposited on the surface of the product. In this embodiment, reactionary evaporation and precipitation occurs. The molecules of the reactant gas and vapor enter into a chemical reaction between themselves on the deposition surface and during movement in the stream. As the reacting gas, oxygen, nitrogen, hydrocarbons and other gases can be used. In this way, for example, ceramic heat-shielding coatings can be deposited from zirconia ZrO 2 stabilized with 7 wt.% Yttrium oxide Y 2 O 3 , evaporating from individual sources of zirconium and yttrium, and introducing oxygen into the carrier gas. In addition, reactive evaporation and precipitation compensate for the effect of partial dissociation of compounds upon evaporation. For example, it is known that during electron-beam evaporation of zirconium dioxide ZrO 2 , its partial dissociation occurs (Technology of thin films: reference book / Edited by L. Meissell, R. Glanga in 2 volumes, - M: Sovetskoe Radio, 1977 - T.1. - 664 p.). The presence of oxygen in the carrier gas stream allows for the complete oxidation of zirconium and to avoid changes in the chemical composition of the condensate when applying heat-protective coatings ZrO 2 - 7% Y 2 O 3 .
Для проведения химической реакции с испаряемым материалом нужно значительно меньшее количество газа, чем для поддержания работы газодинамического окна. Поэтому можно уменьшить расход реагирующего газа, если вводить его не в состав исходного газа, поступающего в форкамеру, а непосредственно в поток газа, в центральную часть струи. Это может быть реализовано, например, так, как показано на фиг.8. Газ-реагент подается в полое кольцо 26, размещенное с внутренней стороны кольцевого сопла 10. Далее через каналы 27, соединяющие полое кольцо с соплом, газ-реагент подается в сопло. В пристенной области сопла и во внутренней области кольцевой сверхзвуковой струи образуется слой 28 смеси несущего газа с газом-реагентом.To carry out a chemical reaction with the vaporized material, a significantly smaller amount of gas is needed than to maintain the gas-dynamic window. Therefore, it is possible to reduce the flow rate of the reacting gas by introducing it not into the composition of the source gas entering the prechamber, but directly into the gas stream, into the central part of the jet. This can be implemented, for example, as shown in FIG. The reagent gas is supplied to the
Один из вариантов предлагаемого способа направлен на решение задачи осаждения покрытий на Ni-, Со-, или Ti- основе, содержащих W, Mo, Re и другие тугоплавкие металлы, осуществляемое в условиях низкого вакуума. Еще одним недостатком способа электронно-лучевого испарения и осаждения (EB-PVD) является невозможность испарения из одного источника сплавов, содержащих элементы, давление паров которых отличается более чем на три порядка. При электронно-лучевом испарении и осаждении из одного источника трудно или невозможно получить в конденсате на основе Ni, Со или Ti тугоплавкие металлы и элементы, обладающие низким давлением пара - W, Mo, углерод и другие. Известный путь решения этой задачи - использование многотигельного испарения - усложняет систему и ведет к неоднородности химического состава покрытий по толщине и вдоль изделий. Для решения поставленной задачи в данной модификации способа в состав газа, используемого для создания кольцевой сверхзвуковой струи, вводят металлоорганическое соединение (МОС), температуру изделия выбирают такой, чтобы обеспечить термическое разложение данного МОС, и металл, входящий в состав указанного МОС, осаждают на поверхности изделия одновременно с испаряемым материалом.One of the options of the proposed method is aimed at solving the problem of deposition of coatings on a Ni-, Co-, or Ti- base containing W, Mo, Re and other refractory metals, carried out in low vacuum. Another disadvantage of the method of electron beam evaporation and deposition (EB-PVD) is the inability to evaporate from one source alloys containing elements whose vapor pressure differs by more than three orders of magnitude. During electron beam evaporation and deposition from a single source, it is difficult or impossible to obtain refractory metals and elements with low vapor pressure — W, Mo, carbon, and others — in Ni, Co, or Ti-based condensates. The well-known way to solve this problem - the use of multi-crucible evaporation - complicates the system and leads to heterogeneity of the chemical composition of the coatings along the thickness and along the products. To solve the problem in this modification of the method, the organometallic compound (MOS) is introduced into the gas composition used to create the annular supersonic jet, the product temperature is chosen so as to ensure thermal decomposition of this MOS, and the metal included in the specified MOS is deposited on the surface products simultaneously with the evaporated material.
Осаждение металлов из металлоорганических соединений известно как CVD-метод (Chemical Vapor Deposition) и является серьезным конкурентом EB-PVD-метода в современной индустрии. [Сыркин В.Г. "CVD-метод. Химическое парофазное осаждение." - М.: Наука, 2000. - 496 с.]. При использовании CVD-метода металлоорганическое соединение нагревается и испаряется в вакууме или в атмосфере несущего газа. Далее пар МОС транспортируется к подложке, нагретой до температуры термической диссоциации данного МОС. В результате термической диссоциации МОС разлагается, его органическая часть удаляется с подложки в виде газа, а атомы металла, содержащиеся в МОС, остаются на подложке и образуют конденсат. В качестве МОС могут быть использованы карбонилы металлов - соединения типа Мх(СО)у. Известны карбонилы W, Mo, Re, V, Со, Ni, Fe, Cr, Ru, Tc, Rh, Pt и других металлов. Основная реакция термического разложения карбонилов: Мх(CO)у→хМ+уСО. Согласно этой реакции на подложке остается металл, а СО улетучивается с подложки и удаляется в вакуумную систему. Кроме этой реакции, на подложке происходит ряд других, в результате чего в составе конденсата, как правило, кроме металла остается и углерод С в количестве, зависящем от температуры подложки.The deposition of metals from organometallic compounds is known as the CVD method (Chemical Vapor Deposition) and is a serious competitor to the EB-PVD method in modern industry. [Syrkin V.G. "CVD method. Chemical vapor deposition." - M .: Nauka, 2000. - 496 p.]. Using the CVD method, the organometallic compound is heated and evaporated in vacuum or in a carrier gas atmosphere. Next, the MOC vapor is transported to a substrate heated to the thermal dissociation temperature of this MOC. As a result of thermal dissociation, the MOC decomposes, its organic part is removed from the substrate in the form of gas, and the metal atoms contained in the MOC remain on the substrate and form a condensate. As MOS, metal carbonyls - compounds of the type M x (CO) y can be used. The carbonyls W, Mo, Re, V, Co, Ni, Fe, Cr, Ru, Tc, Rh, Pt and other metals are known. The main reaction of the thermal decomposition of carbonyls is: M x (CO) y → xM + USO. According to this reaction, a metal remains on the substrate, and CO evaporates from the substrate and is removed into the vacuum system. In addition to this reaction, a number of others occur on the substrate, as a result of which, in addition to the metal, carbon C remains in the amount of the condensate, in an amount depending on the temperature of the substrate.
При использовании данного варианта способа мы осуществляем совместное CVD/PVD осаждение. При этом температура изделия поддерживается такой, чтобы обеспечить конденсацию пара материала, испаренного электронным лучом, и обеспечить термическое разложение МОС. В результате совместного осаждения пара испаренного материала и пара МОС на поверхности изделия формируется однородный многокомпонентный конденсированный материал, имеющий в своем составе компоненты, содержащиеся в испаряемом материале и металл и углерод, содержащиеся в МОС. В данном варианте в качестве МОС могут быть использованы карбонилы тугоплавких металлов, например, W(СО)6, Мо(СО)6, Re2(CO)10. Использование карбонилов удобно, в частности, тем, что они имеют сравнительно невысокую температуру сублимации, и для испарения многих из них, например, карбонилов W и Mo, достаточно нагрева до температуры 50-70°С. Еще одним преимуществом, которое имеет использование карбонилов перед использованием других МОС, например, галогенидов, является отсутствие токсичных и агрессивных продуктов разложения. В качестве МОС, кроме карбонилов, можно использовать и другие соединения, например, бисацетилацетонат платины Pt(С5Н7O2)2, для испарения которого требуется температура 150-200°С. Если использовать данный вариант способа совместно с ионизацией газа и пара в камере осаждения, то возможно производить нетермическую диссоциацию МОС под действием ионизации.When using this variant of the method, we carry out joint CVD / PVD deposition. At the same time, the temperature of the product is maintained such as to ensure condensation of the vapor of the material vaporized by the electron beam and to ensure thermal decomposition of the MOS. As a result of the joint vapor deposition of the evaporated material and the MOC vapor, a homogeneous multicomponent condensed material is formed on the surface of the product, which includes the components contained in the evaporated material and the metal and carbon contained in the MOC. In this embodiment, carbonyls of refractory metals, for example, W (CO) 6 , Mo (CO) 6 , Re 2 (CO) 10, can be used as MOS. The use of carbonyls is convenient, in particular, in that they have a relatively low sublimation temperature, and for evaporation of many of them, for example, carbonyls W and Mo, it is sufficient to heat to a temperature of 50-70 ° С. Another advantage that carbonyls have over other MOCs, such as halides, is the absence of toxic and aggressive decomposition products. In addition to carbonyls, other compounds, for example, platinum bisacetylacetonate Pt (C 5 H 7 O 2 ) 2 , for the evaporation of which a temperature of 150-200 ° C, can be used as MOS. If you use this variant of the method together with the ionization of gas and vapor in the deposition chamber, it is possible to produce non-thermal dissociation of the MOC under the action of ionization.
Предлагаемый вариант способа можно использовать для получения жаропрочного конденсированного материала, т.е, материала на основе Ni-(Co)-Cr-Al-Ti с добавлением 3-16 масс.% тугоплавких металлов - W, Mo, Re и других, а также содержащего 0.05-0.25 масс.% углерода. Температура электронно-лучевого осаждения покрытий на Ni- или Со- основе обычно составляет 750-900°С. Этот температурный диапазон также подходит и для термической диссоциации карбонилов. Так, для осаждения карбонила Mo температура подложки должна быть не менее 200°С, для осаждения карбонилов W и Re - не менее 400°С. Содержание углерода в составе покрытия можно регулировать, изменяя температуру изделия, при этом большая температура осаждения будет соответствовать меньшему содержанию углерода в конденсате. Осаждение покрытий из жаропрочных сплавов (суперсплавов) может быть применимо, например, для получения конструкционных покрытий типа оболочек на лопатках с высокой эффективностью пристенного охлаждения. Такие покрытия описаны, например, в патенте США №5,626,462. Другим применением осаждения жаропрочного материала является ремонт изделий из суперсплавов, например, лопаток газовых турбин. При таком ремонте поврежденные участки изделия очищаются, на изделие наносится маска с окнами над поврежденными участками и на очищенную поверхность осаждается ремонтный материал, испаренный с помощью электронного луча (заявка на патент США №741,133). Используя заявляемый способ, можно ремонтировать изделия из суперсплавов на основе Ni или Со, испаряя сплав основы электронным лучом и вводя W, Mo, Re и С из МОС. Также возможно ремонтировать изделия из других сплавов, например, титановых сплавов Ti - 8% Al - 1% V - 1% Мо или Ti - 6% Al - 2% Sn - 4% Zr - 2% Мо, испаряя титановый сплав основы электронным лучом и вводя в осаждаемый материал Mo из МОС.The proposed method can be used to obtain a heat-resistant condensed material, i.e., a material based on Ni- (Co) -Cr-Al-Ti with the addition of 3-16 wt.% Refractory metals - W, Mo, Re and others, as well as containing 0.05-0.25 wt.% carbon. The temperature of electron-beam deposition of coatings on a Ni- or Co-base is usually 750-900 ° C. This temperature range is also suitable for the thermal dissociation of carbonyls. So, for the deposition of Mo carbonyl, the temperature of the substrate should be at least 200 ° C, and for the deposition of carbonyls W and Re, at least 400 ° C. The carbon content in the coating composition can be controlled by changing the temperature of the product, while a higher deposition temperature will correspond to a lower carbon content in the condensate. The deposition of coatings from heat-resistant alloys (superalloys) can be applicable, for example, to obtain structural coatings such as shells on blades with high wall cooling efficiency. Such coatings are described, for example, in US Pat. No. 5,626,462. Another application for the deposition of heat-resistant material is the repair of products from superalloys, for example, gas turbine blades. With such repairs, damaged areas of the product are cleaned, a mask with windows over the damaged areas is applied to the product, and repair material vaporized with an electron beam is deposited on the cleaned surface (US Patent Application No. 741,133). Using the inventive method, it is possible to repair products from superalloys based on Ni or Co, evaporating the base alloy with an electron beam and introducing W, Mo, Re and C from the MOC. It is also possible to repair products from other alloys, for example, titanium alloys Ti - 8% Al - 1% V - 1% Mo or Ti - 6% Al - 2% Sn - 4% Zr - 2% Mo, evaporating the titanium base alloy with an electron beam and introducing Mo from the MOC into the material to be deposited.
Т.о., преимуществом описанной модификации способа является возможность осаждать многокомпонентный конденсированный материал на основе Ni, Со или Ti с добавлением W, Mo, Re и других тугоплавких металлов, а также углерода. Другим преимуществом этого варианта является постоянство химического состава получаемого материала вдоль поверхности осаждения. Этот технический результат достигается благодаря одновременному CVD/PVD осаждению из струи несущего газа на поверхность изделия.Thus, an advantage of the described modification of the method is the ability to precipitate a multicomponent condensed material based on Ni, Co or Ti with the addition of W, Mo, Re and other refractory metals, as well as carbon. Another advantage of this option is the constancy of the chemical composition of the material obtained along the deposition surface. This technical result is achieved due to the simultaneous CVD / PVD deposition of carrier gas from the jet onto the surface of the product.
В заявляемом изобретении также предлагается оборудование для осуществления способа. Предлагается оборудование, включающее:The claimed invention also provides equipment for implementing the method. Equipment is offered, including:
камеру испарения, имеющую рабочее давление от 10-4 до 10-1 Па;an evaporation chamber having an operating pressure of from 10 −4 to 10 −1 Pa;
камеру осаждения, имеющую рабочее давление от 10-1 Па до атмосферного и соединенную с камерой испарения отверстием, причем отверстие расположено так, что поток пара материала проходит сквозь отверстие из камеры испарения в камеру осаждения;a deposition chamber having an operating pressure of 10 -1 Pa to atmospheric and connected to the evaporation chamber by an opening, the opening being arranged so that a vapor stream of material passes through the opening from the evaporation chamber to the deposition chamber;
средства для создания в камере осаждения вокруг указанного отверстия кольцевой сверхзвуковой струи газа, причем параметры струи обеспечивают отсутствие потока газа из камеры осаждения в камеру испарения;means for creating an annular supersonic gas jet in the deposition chamber around said hole, the jet parameters ensuring that there is no gas flow from the deposition chamber to the evaporation chamber;
средства для создания в камере испарения электронного луча;means for creating an electron beam in the evaporation chamber;
водоохлаждаемый тигель, позволяющий осуществлять непрерывную подачу испаряемого материала, помещенный в камере испарения.water-cooled crucible, allowing continuous supply of evaporated material, placed in the evaporation chamber.
Оборудование включает в себя две камеры, соединенные между собой отверстием. Соединяющее отверстие может быть отверстием в общей стенке между камерами. Отверстие должно быть расположено так, чтобы поток пара материала проходил сквозь него из камеры испарения в камеру осаждения, например, соосно с тиглем. Для поддержания требуемого давления в камере испарения может быть использован вакуумный диффузионный насос. В камере осаждения не требуется высокого вакуума, поэтому для откачки камеры до необходимого давления достаточно пароструйного бустерного или масляного насоса. Оборудование должно обеспечивать функционирование газодинамического окна, т.е поддержание перепада давлений между камерами без утечки газа в камеру испарения. Средства для создания кольцевой сверхзвуковой струи газа могут состоять из кольцевой форкамеры, где создается необходимое избыточное давление, и кольцевого сопла, которое предназначено для ускорения потока газа до сверхзвуковой скорости. Кольцевая форкамера и кольцевое сопло окружают отверстие между камерами испарения и осаждения. Кольцевое сопло может иметь сначала сужающуюся, затем расширяющуюся форму. Избыточное давление в форкамере перед соплом должно быть достаточным, чтобы при выбранных геометрических параметрах сопла отсутствовал поток газа из камеры осаждения в камеру испарения.The equipment includes two chambers interconnected by a hole. The connecting hole may be a hole in the common wall between the chambers. The hole should be positioned so that a stream of material vapor passes through it from the evaporation chamber to the deposition chamber, for example, coaxially with the crucible. To maintain the required pressure in the evaporation chamber, a vacuum diffusion pump can be used. A high vacuum is not required in the deposition chamber; therefore, to pump the chamber to the required pressure, a steam-jet booster or oil pump is sufficient. The equipment must ensure the functioning of the gas-dynamic window, i.e. maintaining the pressure differential between the chambers without leakage of gas into the evaporation chamber. Means for creating an annular supersonic gas jet can consist of an annular prechamber, where the necessary excess pressure is created, and an annular nozzle, which is designed to accelerate the gas flow to a supersonic speed. An annular prechamber and an annular nozzle surround the opening between the evaporation and deposition chambers. The annular nozzle may have a first tapering, then expanding shape. The overpressure in the prechamber in front of the nozzle should be sufficient so that, for the selected geometric parameters of the nozzle, there is no gas flow from the deposition chamber to the evaporation chamber.
Оборудование включает тигель, как правило, медный водоохлаждаемый, в котором находится испаряемый материал, обычно в виде слитка. Поскольку в камере испарения поддерживается сравнительно высокий вакуум - от 10-4 до 10-1 Па, в качестве средства для создания электронного луча может быть использована обычная электронная пушка с относительно невысоким ускоряющим напряжением - 10-20 кВ.The equipment includes a crucible, typically a water-cooled copper, in which the vaporized material is located, usually in the form of an ingot. Since a relatively high vacuum is maintained in the evaporation chamber, from 10 -4 to 10 -1 Pa, a conventional electron gun with a relatively low accelerating voltage of 10-20 kV can be used as a means to create an electron beam.
Возможен вариант оборудования, включающий средства для поворота электронного луча от первоначального направления на угол от 20° до 180°. Для поворота электронного луча может быть использовано, например, поперечное магнитное поле. При использовании такой электронной пушки возможно уменьшить расстояние между поверхностью испарения и отверстием между камерами, что позволяет уменьшить диаметр кольцевого сопла и расход несущего газа.An equipment option is possible, including means for turning the electron beam from the original direction by an angle from 20 ° to 180 °. For rotation of the electron beam, for example, a transverse magnetic field can be used. When using such an electron gun, it is possible to reduce the distance between the evaporation surface and the hole between the chambers, which reduces the diameter of the annular nozzle and the flow rate of the carrier gas.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого оборудования, является осуществление предлагаемого способа осаждения.The technical result achieved by using the proposed equipment is the implementation of the proposed method of deposition.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.
Пример 1.Example 1
Осуществляют электронно-лучевое испарение и осаждение керамического теплозащитного покрытия ZrO2 - 7% Y2О3. Испаряемый материал в виде слитка ⌀ 51 мм помещают в медный водоохлаждаемый тигель. Поддерживают давление в камере испарения от 10-3 до 10-4 Па. При помощи электронной пушки с ускоряющим напряжением 18 кВ слиток нагревают до расплавления и достижения необходимой температуры испарения. Ток луча пушки составляет 1,2-1,5 А. При этом скорость подачи слитка составляет 0,7-1,0 мм/мин. Вокруг отверстия между камерами создают кольцевую сверхзвуковую струю газа. Для этого в форкамере поддерживают давление 100-200 Па. В камере осаждения поддерживают давление 5-10 Па. Непосредственно перед началом процесса осаждения открывают вакуумный затвор между камерами. Производят осаждение материала на изделие. Температуру изделия в процессе осаждения поддерживают равной 1040°С.Electron beam evaporation and deposition of a ceramic heat-protective coating ZrO 2 - 7% Y 2 About 3 . The evaporated material in the form of an ⌀ 51 mm ingot is placed in a water-cooled copper crucible. The pressure in the evaporation chamber is maintained from 10 −3 to 10 −4 Pa. Using an electron gun with an accelerating voltage of 18 kV, the ingot is heated until it melts and the required evaporation temperature is reached. The current of the beam of the gun is 1.2-1.5 A. The feed speed of the ingot is 0.7-1.0 mm / min. Around the hole between the chambers create an annular supersonic jet of gas. For this, a pre-chamber is maintained at a pressure of 100-200 Pa. A pressure of 5-10 Pa is maintained in the deposition chamber. Immediately before the deposition process begins, a vacuum shutter is opened between the chambers. The material is deposited on the product. The temperature of the product during the deposition process is maintained equal to 1040 ° C.
Пример 2.Example 2
Осуществляют осаждение жаропрочного сплава Ni - 12% Со - 13% Cr - 7% Al - 2% Ti - 3% Мо - 10% W - 3% Re - 0,1% C. Для этого используют модификацию способа, реализующую одновременное CVD/PVD осаждение.Carry out the deposition of the heat-resistant alloy Ni - 12% Co - 13% Cr - 7% Al - 2% Ti - 3% Mo - 10% W - 3% Re - 0.1% C. To do this, use a modification of the method that implements simultaneous CVD / PVD deposition.
Сплав Ni - 14% Со - 15% Cr - 8% Al - 2,5% Ti в виде слитка ⌀ 51 мм помещают в медный водоохлаждаемый тигель. Поддерживают давление в камере испарения от 10-3 до 10-4 Па. При помощи электронной пушки с ускоряющим напряжением 18 кВ слиток нагревают до расплавления и достижения необходимой температуры испарения. Ток луча электронной пушки составляет 1,4 А. При этом скорость подачи слитка составляет 1,1 мм/мин. Металлоорганические соединения - карбонилы Мо, W, Re, находящиеся в виде порошка, помещают в отдельные сосуды. Осуществляют нагрев сосудов с карбонилами до температуры, необходимой для их сублимации (испарения из твердого состояния) - 65°С для карбонилов Мо и W, и 125°С для карбонила Re. Пар карбонилов вводят в состав несущего газа. При этом температуру каналов, соединяющих сосуды с карбонилами и форкамеру, поддерживают равной температуре сосудов с карбонилами, чтобы предотвратить осаждение карбонилов на стенках каналов. Расход карбонилов регулируют, изменяя температуру сублимации и/или проходное сечение соединительных каналов. Вокруг отверстия между камерами создают кольцевую сверхзвуковую струю газа, поддерживая давление в форкамере 100-200 Па. В камере осаждения поддерживают давление 8-10 Па. После открывания вакуумного затвора осуществляют совместное CVD/PVD осаждение на поверхность изделия. Температуру изделия в процессе осаждения поддерживают равной 920°С.Alloy Ni - 14% Co - 15% Cr - 8% Al - 2.5% Ti in the form of an ingot ⌀ 51 mm is placed in a copper water-cooled crucible. The pressure in the evaporation chamber is maintained from 10 −3 to 10 −4 Pa. Using an electron gun with an accelerating voltage of 18 kV, the ingot is heated until it melts and the required evaporation temperature is reached. The beam current of the electron gun is 1.4 A. The ingot feed rate is 1.1 mm / min. Organometallic compounds - Mo, W, Re carbonyls, which are in the form of a powder, are placed in separate vessels. Vessels with carbonyls are heated to the temperature necessary for their sublimation (evaporation from a solid state) - 65 ° C for Mo and W carbonyls, and 125 ° C for Re carbonyl. Carbonyl vapor is introduced into the carrier gas. In this case, the temperature of the channels connecting the vessels with the carbonyls and the prechamber is maintained equal to the temperature of the vessels with the carbonyls in order to prevent the carbonyls from precipitating on the walls of the channels. The consumption of carbonyls is controlled by changing the sublimation temperature and / or the bore of the connecting channels. Around the hole between the chambers create an annular supersonic gas stream, maintaining the pressure in the prechamber 100-200 Pa. A pressure of 8-10 Pa is maintained in the deposition chamber. After opening the vacuum shutter, CVD / PVD is co-deposited onto the surface of the product. The temperature of the product during the deposition process is maintained equal to 920 ° C.
Таким образом, как следует из описания, предлагаемые способ осаждения и оборудование для его осуществления имеют существенные преимущества перед известными. Основными из них являются:Thus, as follows from the description, the proposed deposition method and equipment for its implementation have significant advantages over the known. The main ones are:
повышение коэффициента использования материала и получение однородных по химическому составу конденсатов при испарении из нескольких источников;increasing the utilization of the material and obtaining condensates homogeneous in chemical composition during evaporation from several sources;
содержащих различные материалы без снижения энергетического КПД процесса и усложнения оборудования;containing various materials without reducing the energy efficiency of the process and complicating the equipment;
осаждение электронно-лучевых покрытий на внутреннюю поверхность изделий;deposition of electron beam coatings on the inner surface of products;
осаждение покрытий на Ni-, Co-, Ti- основе, содержащих до 20% W, Мо, Re и других тугоплавких металлов, осуществляемое в условиях низкого вакуума.deposition of coatings on a Ni-, Co-, Ti-base containing up to 20% W, Mo, Re and other refractory metals, carried out under low vacuum.
Указанный технический результат достигается тем, что осаждение производится из струи газа, позволяющей перемешивать компоненты пара и фокусировать пар. При этом процесс испарения и процесс осаждения проводят в двух различных камерах с различным давлением, и камеры соединены между собой газодинамическим окном, которое поддерживает перепад давлений и через которое пар транспортируется из одной камеры в другую.The specified technical result is achieved in that the deposition is carried out from a jet of gas, which allows you to mix the components of the vapor and focus the steam. In this case, the evaporation process and the deposition process are carried out in two different chambers with different pressures, and the chambers are interconnected by a gas-dynamic window, which maintains a pressure differential and through which steam is transported from one chamber to another.
Claims (25)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005100988/02A RU2277137C1 (en) | 2005-01-18 | 2005-01-18 | Focused vapor deposition |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005100988/02A RU2277137C1 (en) | 2005-01-18 | 2005-01-18 | Focused vapor deposition |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2277137C1 true RU2277137C1 (en) | 2006-05-27 |
Family
ID=36711363
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005100988/02A RU2277137C1 (en) | 2005-01-18 | 2005-01-18 | Focused vapor deposition |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2277137C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456372C2 (en) * | 2007-03-20 | 2012-07-20 | Арселормитталь Франс | Procedure for application of coating on substrate and device for vacuum deposition of metal alloy |
-
2005
- 2005-01-18 RU RU2005100988/02A patent/RU2277137C1/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456372C2 (en) * | 2007-03-20 | 2012-07-20 | Арселормитталь Франс | Procedure for application of coating on substrate and device for vacuum deposition of metal alloy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10679829B1 (en) | Reactors and methods for making diamond coatings | |
US5174826A (en) | Laser-assisted chemical vapor deposition | |
EP1436441B2 (en) | Method for applying metallic alloy coatings and coated component | |
EP2401232B1 (en) | Directed vapor deposition assisted by a coaxial hollow cathode plasma, and related method thereof | |
US20050287296A1 (en) | Method and apparatus for dispersion strengthened bond coats for thermal barrier coatings | |
US8541069B2 (en) | Method of guided non-line of sight coating | |
US5906757A (en) | Liquid injection plasma deposition method and apparatus | |
EP2202328A1 (en) | Process for obtaining protective coatings for high temperature with high roughness and coating obtained | |
US12252275B2 (en) | Reactors for plasma assisted treatment of powder | |
US20180240656A1 (en) | Hybrid Filtered Arc-Magnetron Deposition Method, Apparatus And Applications Thereof | |
WO2004048632A2 (en) | Bond coat for a thermal barrier coating systemand related method thereof | |
Singh | Laser-beam and photon-assisted processed materials and their microstructures | |
US20060251821A1 (en) | Multi-sectioned pulsed detonation coating apparatus and method of using same | |
RU2277137C1 (en) | Focused vapor deposition | |
Takalapally et al. | A critical review on surface coatings for engineering materials | |
US11866816B2 (en) | Apparatus for use in coating process | |
US8574687B2 (en) | Method and device for depositing a non-metallic coating by means of cold-gas spraying | |
EP2590756B1 (en) | Method and apparatus for applying a coating at a high rate onto non-line-of-sight regions of a substrate | |
EP3587618B1 (en) | Selective vapor deposition process for additive manufacturing | |
JPS5827971A (en) | Melt spraying for metal | |
US20230295793A1 (en) | Apparatus and method for coating substrate | |
JP2003183803A (en) | Method and apparatus for coating silicon carbide fiber | |
US20180073129A1 (en) | EBPVD Columnated Vapor Stream | |
Mishra | Advanced techniques for surface engineering of industrial materials | |
JP4912572B2 (en) | Method for forming Ti-Al-N film |