Применение технологии ионного травления при создании сухих газовых уплотнений
Захаров К.А., Воронин Н.А. (ИМАШ РАН, г. Москва, РФ)
Using of the plasma etching technology for gas dry seals (GDS) is described and technology of creation of 3D-grooves for GDS by plasma etching is researched.
В настоящее время для уплотнения высокоскоростных валов компрессорных установок находят все большее применение сухие газовые уплотнения (СГУ). Центральным узлом конструкции уплотнения является пара, состоящая из диска, устанавливаемого на вал и имеющего на своей поверхности газодинамические канавки, и неподвижного диска-контртела. При вращении вала газ втягивается в канавки диска, в результате чего в области контакта дисков возникает избыточное давление газа и диск «всплывает» относительно поверхности второго диска.
Работоспособность и надежность СГУ во многом определяется газодинамическими характеристиками канавок на поверхности одного из дисков. Глубина таких канавок составляет порядка 3-10 мкм. Установлено, что геометрия канавок (форма, глубина, шероховатость дна) сильно влияет на газодинамические характеристики уплотнения [1].
В последние годы в уплотнительной технике получили применение так называемые «трехмерные» («наклонные») канавки, дно которых не параллельно поверхности диска, т.е. имеющие переменную глубину.
Применяемые для СГУ материалы (карбид кремния SiC, твердые сплавы ВК-6 и ВК-8, нитрид кремния Si3N4 [2]) относятся к классу высокотвердых материалов и, следовательно, трудно поддаются механической обработке.
Для создания СГУ на дисках из материалов, обладающих высокими механическими свойствами, необходима эффективная технология, обеспечивающая получение газодинамических канавок сложной формы. В частности, эта технология должна обеспечить создание канавок с переменной глубиной и формой дна, отличной от плоскости.
Допуски на величину глубины канавки могут составлять 0,5—1 мкм. Разница в глубине канавок по окружности диска не должна превышать 1мк. Такие допуски приводят к очень жестким требованиям к точности технологии изготовления канавок. В настоящее время существует несколько способов создания микроканавок [3]: механический, химический (электрохимический), лазерный, обработка потоком абразивных частиц. К недостаткам этих методов стоит отнести невысокую точность, трудность получения канавок сложной формы, появление в некоторых случаях остаточных напряжений.
Для получения дисков СГУ перспективно использование метода ионного травления. Данный метод позволяет получить канавки практически на любом материале. При этом достигается высокая точность исполнения и чистота дна канавок. Главным преимуществом метода является возможность создавать канавки практически любой формы и конфигурации.
Метод ионного травления заключается в бомбардировке обрабатываемой поверхности (мишени) газовыми ионами [4]. Ионы, сталкиваясь с атомами или молекулами мишени, сообщают им энергию, достаточную для разрыва межатомных связей бомбардируемого тела, т.е. атом может отделиться от поверхности мишени. При продолжительном воздействии ионов на обрабатываемое тело с его поверхности стравливается слой материала некоторой толщины. Таким образом, если закрыть поверхность тела, не подлежащую обработке плотно прилегающей маской со сквозными отверстиями определенной в плане формы, то травиться будет только незакрытая маской часть поверхности.
В ИМАШ РАН для обработки деталей СГУ применяют вакуумную установку, оснащенную многоаппертурным источником ионов Кауфмана с накаливаемым катодом. Схема установки приведена на рис.1. Обрабатываемая деталь 1 находится в приспособлении 2 в вакуумной камере 3 напротив ионного источника 4. После откачки камеры до давления порядка 10-4 Па в ионный источник подается аргон и зажигается разряд. Ионы из плазмы «вытягиваются» под действием ускоряющего напряжения и направляются в камеру. Пучок ионов 6, сфокусированный ионно-оптической системой источника, практически не расходится в пространстве. Это обеспечивает более высокую и равномерную плотность потока ионов в обрабатываемой области, но ограничивает размер обрабатываемой детали диаметром пучка ионов. Для обработки дисков больших размеров, а также для травления сразу двух деталей оси их вращения смещаются относительно центра источника. Таким образом, пучок ионов обрабатывает только один сектор детали; придав дискам равномерное вращение, травлению будет периодически подвергаться каждый сектор образца.
Рисунок 1 – Принципиальная схема установки ионного травления
1 – обрабатываемые детали, 2 – опорное приспособление, 3 – вакуумная камера, 4 – ионный источник, 5 – привод вращения, 6 – направление движения ионов
Использование приведенной схемы травления позволяет добиться равномерности глубин канавок на дисках большого размера, обеспечить высокую точность и повторяемость технологических операций.
Для проверки возможности создания газодинамической канавки, дно которой не параллельно поверхности диска («наклонная канавка») методом ионного травления нами была разработана и реализована модифицированная схема травления. На рис.2 представлена схема обработки на примере одной газодинамической канавки. На модельный образец 1 накладывается неподвижная маска 2 из нержавеющей стали, имеющая вырез необходимой формы. Наличие неподвижной маски обеспечивает равномерное травление всей площади канавки (т.е. одинаковую глубину) и точные контуры канавки в плане. Поверх неподвижной маски располагается подвижная маска 3, приводимая в качательное движение над образцом, обеспечивающая периодическое открытие и закрытие выреза с определенной частотой. Таким образом, канавка бомбардируется ионами неравномерно, причем один ее край более длительное время находится открытым для травления (соответственно, здесь канавка имеет максимальную глубину), а другой – меньше (соответственно, минимальная глубина канавки). Закон изменения глубины канавки по ее длине задается законом движения и формой подвижной маски.
Рисунок 2 – Схема создания модельной газодинамической канавки. 1 – образец, 2 – неподвижная маска, 3 – подвижная маска, 4 – область травления, 5 – направление движения ионов аргона
Для реализации предложенной схемы было создано приспособление, позволяющее нанести на модельный образец канавку определенного профиля. Подвижная маска приводится в движение вращающимся кулачком, форма которого определяет закон движения маски. В качестве модельного образца был взят диск диаметром 40 мм из нержавеющей стали. Травление проводилось в атмосфере аргона при скорости его натекания в источник 1-2 см3/с, что обеспечивало плотность ионного тока давлении порядка 4 м/ см2.
В результате процесса обработки модельного образца ионным травлением на его поверхности была образована канавка переменной глубины.
Анализ профиля канавки проводился с помощью профилографа-профилометра 170311. Результаты анализа представлены на рис.3.
Рисунок 3 – Модельный образец с нанесенной наклонной канавкой
Канавка имела максимальную глубину 8 мкм; поверхность дна имеет слегка вогнутую форму (изготовлением кулачка правильно подобранной формы можно добиться плоской или выпуклой формы дна). Шероховатость канавки соответствует шероховатости исходной поверхности образца. Форма и точность созданной канавки соответствуют современным требованиям к геометрии газодинамических канавок.
Проведенный эксперимент подтверждает возможность применения метода ионного травления для создания «наклонных» газодинамических канавок; доработка разработанного способа травления позволит наносить наклонные канавки на весь диск СГУ. Получение с помощью метода ионного травления газодинамических канавок различной конфигурации, в том числе довольно сложных форм трехмерных канавок с высокой точностью позволяет считать этот метод весьма перспективным для создания прецизионных поверхностей ответственных деталей.
Литература:
1) Левина Г.А. Интегральные характеристики профилированных опор с газовой смазкой, удовлетворяющих некоторым критериям оптимальности. Автореф. канд. дисс., Челябинский политехнический институт, 1973.
2) Пинегин С.В. Материалы опор с газовой смазкой. М., НИИМАШ, 1972.
3) Подшипники с газовой смазкой. Под ред. Н.С.Грэссэма и Дж.У.Пауэлла. -М.: Мир, 1966.
4) Григоров А.И., Семенов А.П. Обработка газовых подшипников с применением ионного распыления. -М.: Наука, 1976.