PL199272B1 - Sposób wytwarzania źródła pary - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania zród la do fizycznego osadzania pary. Zród lo pary sk lada si e z w la sciwej tarczy rozpylaj acej zawieraj acej sk ladnik w postaci aluminium oraz jeden lub wiele dodatkowych sk ladników, a tak ze z p lyty tylnej wykonanej z materia lu o lepszym przewodnictwie cieplnym ni z tarcza. Wed lug wynalazku p lyt e tylna z proszkowego materia lu wyj sciowego, prasuje si e razem z pro- szkowymi sk ladnikami tarczy rozpylaj acej, w po- staci frakcji umieszczonych w warstwach, jedna nad drug a, a nast epnie kszta ltuje si e j a. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania źródła pary do fizycznego osadzania pary, które składa się z tarczy, która oprócz jednego lub wielu dodatkowych składników zawiera składnik w postaci aluminium oraz z pł yty tylnej połączonej z tarczą , a wykonanej z materiał u o lepszym przewodnictwie cieplnym niż tarcza, przy czym tarcza wytwarzana jest przez prasowanie na zimno mieszanki złożonej z proszkowych poszczególnych składników i następnie przez kształtowanie przy temperaturach poniżej temperatury topnienia poszczególnych składników przy płynięciu aż do uzyskania gęstości wynoszącej przynajmniej 98% gęstości teoretycznej.

Tarcze rozpylające do fizycznego osadzania pary, stosuje się obecnie w znacznym zakresie do wytwarzania różnych warstw. Zastosowanie sięga od wytwarzania powłok odpornych na ścieranie i korozję dla róż nych materiał ów podł o ż a, aż do wytwarzania warstwowych materiał ów zespolonych, zwłaszcza dla przemysłu półprzewodnikowego i elektronicznego. Ze względu na ten szeroki zakres zastosowania osadzane muszą być najróżniejsze materiały powłokowe.

Problemy powstają wówczas, gdy różne materiały mają zostać napylone jednocześnie, a które przy utworzeniu stopu w sposób konwencjonalny tworzyłyby kruche, międzymetaliczne fazy tak, że tego rodzaju stopy nie dają się już praktycznie dalej przekształcać na zimno lub na gorąco, a skrawać można je tylko z dużą trudnością. Wytwarzanie tarcz rozpylających z tych stopów jest więc bardzo trudne lub w ogóle niemożliwe.

Przykładowo, do tych materiałów stwarzających trudności należą stopy aluminium z tytanem i w korzystny sposób mogą być przetwarzane w tarcze rozpylają ce tylko za pomocą wspomnianego sposobu. Sposób ten jest szczegółowo przedstawiony w opisie AT PS 388 752.

Tarcze rozpylające w urządzeniu rozpylającym mocuje się zwykle mechanicznie na warstwach miedzianych chłodzonych wodą w celu obniżenia temperatury powierzchniowej. Najczęściej tarcza rozpylająca wykonana całkowicie z materiału przeznaczonego do rozpylenia, przylega bezpośrednio do warstwy z miedzi.

Ponieważ za pomocą tarczy rozpylającej powinno być napylone możliwie dużo materiału, więc tarcze rozpylające wytwarza się w możliwie dużej wysokości konstrukcyjnej. Należy jednak przy tym zwrócić uwagę, aby przy zwiększaniu wysokości konstrukcyjnej tarcz rozpylających wzrastający ich opór termiczny nie był zbyt duży tak, aby temperatura powierzchniowa tarcz rozpylających mogła być utrzymywana w dopuszczalnych wielkościach.

Ponieważ większość rozpylanych materiałów posiada stosunkowo dobre przewodnictwo cieplne i/lub ma stosunkowo dużą temperaturę powierzchniową bez powodowania powstawania trudności, więc znane urządzenia rozpylające są dostosowane do stosunkowo dużych wysokości konstrukcyjnych tarcz rozpylających, przy czym w takich urządzeniach tarcze rozpylające o mniejszych wysokościach konstrukcyjnych można stosować licząc się z występowaniem znacznych wad.

Zwłaszcza aluminium przy swym bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym jest bardzo często stosowane do powlekania przy użyciu techniki rozpylania tak, że wiele urządzeń rozpylających, zwłaszcza również pod względem wysokości konstrukcyjnej tarcz rozpylających dostosowanych jest do dobrego przewodnictwa cieplnego aluminium.

W takich urządzeniach powlekających problemy powstają wtedy, gdy razem z aluminium rozpylane mają być materiały wykazujące stosunkowo złe przewodnictwo cieplne a jednocześnie podczas procesu rozpylania nie mogą posiadać zbyt dużych temperatur powierzchniowych, w celu uniknięcia na przykład niepożądanych reakcji pomiędzy wieloma składnikami tarcz rozpylających. Zatem aluminium razem z tytanem i ewentualnie dodatkowymi składnikami stosuje się często do powlekania przede wszystkim dla celów ochrony przed ścieraniem.

W tarczach rozpylają cych z tych materiał ów, już niewielkie iloś ci tytanu pogarszają znacznie dobre przewodnictwo cieplne aluminium. Wskutek tego, przy takich tarczach rozpylających, jeżeli są one wytworzone o wysokości konstrukcyjnej stosowanej zwykle w urządzeniach rozpylających, w przypadku dużych dawek powlekających może dochodzić do powstawania tak wysokich temperatur powierzchniowych, że zachodzi reakcja egzotermiczna prowadząca do zniszczenia tarczy.

Odpylane za pomocą tarcz rozpylających razem z aluminium także inne materiały mogą stwarzać problemy przy przebiegu powlekania. W zastosowaniach elektronicznych mogą być używane na przykład kombinacje materiałów złożone z aluminium z Ta, Nd lub Y, natomiast dla optycznych i magnetycznych nośników danych używane są kombinacje materiałów złożone z aluminium z Ni i Cr.

PL 199 272 B1

Również w zastosowaniach mających na celu ochronę przed ścieraniem, gdzie składnik materiałowy działa jako suchy smar, stosowane są na przykład kombinacje materiałów złożone z aluminium z Sn, Zn, Ag, W, Mo, często w połączeniu z dodatkiem Ti.

Ażeby przy tych wszystkich krytycznych kombinacjach materiałowych można było uniknąć problemów występujących przy powlekaniu, konieczne było dotychczas ograniczenie prędkości naparowywania tak, aby temperatura powierzchniowa nie wzrastała zbyt wysoko.

Możliwość obniżenia temperatury powierzchniowej takich krytycznych tarcz rozpylających nawet przy wysokich dawkach powlekających, bez potrzeby zmniejszania wysokości konstrukcyjnej, istnieje wtedy, gdy część tarcz rozpylających w obszarze strefy kontaktowania się z warstwą miedzianą chłodzoną wodą, wyposaży się w tylną płytę z materiału dobrze przewodzącego ciepło i połączy tę tylną płytę mechanicznie z warstwą miedzianą.

Sposób wytwarzania tego rodzaju źródeł pary, w których płyta tylna połączona jest z tarczą rozpylającą za pomocą lutowania lub dyfuzyjnego połączenia kontaktowego jest opisany na przykład w opisie WO 00/22185 lub w US 5 397 050.

Wadą przy wytwarzaniu takich źródeł pary jest to, że pomiędzy tarczą i płytą tylną może powstać strefa przejściowa złego przewodnictwa cieplnego, która nie zapewnia optymalnego odprowadzania ciepła z powierzchni tarczy rozpylającej do płyty tylnej i dalej do chłodzonej warstwy miedzianej.

Ponieważ temperatura wyższa już o kilka stopni występująca na powierzchni tarczy rozpylającej, powoduje wady we własnościach rozpylania, więc tego rodzaju strefy przejściowe o złym termicznym przewodnictwie cieplnym powinny zostać wyeliminowane.

Z opisu US 5 863 398 znana jest tarcza rozpylająca oraz sposób jej wytwarzania, w którym w jednym wariancie wytwarzania materiał na tarczę rozpryskową i materiał na płytę tylną, np. aluminium, łączy się w jednym etapie roboczym przez prasowanie na gorąco i spiekanie warstwowanych mieszanek proszkowych.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania źródła pary dla celów fizycznego osadzania pary, w którym tarcza rozpylająca zawierająca aluminium, połączona jest z płytą tylną bez tworzenia się strefy przejściowej o złym przewodnictwie cieplnym.

Sposób wytwarzania źródła pary do fizycznego osadzania pary, składającego się z tarczy, która oprócz jednego lub wielu dodatkowych składników zawiera składnik w postaci aluminium oraz z płyty tylnej połączonej z tarczą wykonanej z materiału o lepszym przewodnictwie cieplnym niż tarcza, przy czym tarczę wytwarza się przez prasowanie na zimno mieszanki złożonej z poszczególnych proszkowych składników i następnie kształtuje się ją przy temperaturach poniżej temperatury topnienia poszczególnych składników przy płynięciu, aż do uzyskania gęstości wynoszącej przynajmniej 98% gęstości teoretycznej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że płytę tylną, również z proszkowego materiału wyjściowego, prasuje się razem ze składnikami tarczy, w postaci proszkowych frakcji umieszczonych w warstwach jedna nad drugą, a następnie kształtuje się ją.

Korzystnie, w sposobie wytwarzania według wynalazku wytwarza się tarczę składającą się z co najmniej 15% atom. aluminium.

Wytwarza się tarczę zawierającą jako drugi składnik 85% atom. tytanu.

Korzystnie, jako materiał na płytę tylną stosuje się aluminium.

Płytę tylną kształtuje się poprzez kucie w prasach kuźniczych.

Korzystnie, kształtowanie poprzez kucie w prasach kuźniczych prowadzi się w temperaturze między 400°C a 450°C.

Płytę tylną kształtuje się poprzez wyciskanie.

Kształtowanie poprzez wyciskanie prowadzi się przy temperaturze między 400°C a 450°C.

Dzięki sposobowi według wynalazku uzyskuje się bardzo dobre zespolenie pomiędzy materiałem tarczy i płytą tylną, bez powodowania tworzenia się strefy przejściowej o złym przewodnictwie cieplnym tak, że uzyskuje się tym samym bardzo dobre odprowadzanie temperatury z powierzchni tarczy rozpylającej do płyty tylnej i następnie do chłodzonej wodą warstwy miedzianej. Ponieważ tarcze rozpylające łączy się z warstwą chłodzoną wodą z reguły przez połączenie śrubami lub zaciśnięcie, więc celowe jest, aby odcinek tarczy, który wskutek tego nie może już być rozpylany, wykonać jako płytę tylną tak, że przy tej samej wysokości w porównaniu do tarcz rozpylających bez płyty tylnej istnieje do dyspozycji tyle samo materiału do naparowania.

Aby uzyskać szczególnie dobre połączenie materiału tarczy z płytą tylną, tarcza powinna korzystnie składać się z co najmniej 15% atom. aluminium.

PL 199 272 B1

Tarcze rozpylające, w których wynalazek realizuje się w szczególnie korzystny sposób, stanowią tarcze z 15% atom. aluminium i 85% atom. tytanu.

Jako szczególnie korzystny materiał na płytę tylną źródła pary nadaje się czyste aluminium, które posiada bardzo dobre przewodnictwo cieplne. Ponieważ aluminium jest stosunkowo miękkie, więc za pomocą mechanicznego połączenia z warstwą chłodzoną wodą uzyskuje się dobrą strefę przejściową o małym oporze termicznym. Poza tym, szkoda dla napylanej warstwy jest niezbyt wielka, gdy niechcący rozpylanie przeniknie poprzez materiał tarczy, wskutek czego współnapylona zostanie jako napylana warstwa również pewna część płyty tylnej. Oprócz aluminium na płytę tylną nadają się także inne materiały o dobrym przewodnictwie cieplnym, takie jak na przykład miedź.

Sprawdzoną metodą uzyskania płynięcia materiału przy kształtowaniu wypraski jest zastosowanie kształtowania kuźniczego w prasie kuźniczej.

Jeżeli tarcza wykonywana jest jako aluminiowo-tytanowa, na przykład z 15% atom. aluminium i 85% atom. tytanu, to korzystne jest przeprowadzanie kucia w prasie kuź niczej przy temperaturze między 400°C a 450°C.

Inną korzystną metodą kształtowania wypraski przy płynącym materiale jest wyciskanie.

Zaletą tej odmiany sposobu wytwarzania według wynalazku jest to, że z wyciskanego pasma oddzielane mogą być tarcze rozpylające o różnej wysokości konstrukcyjnej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia fotomikrografię strefy przejściowej pomiędzy materiałem tarczy rozpylającej i materiałem płyty tylnej.

Strefa przejściowa przedstawiona jest w 100-krotnym powiększeniu. Widoczne jest wyraźnie całkowicie jednorodne przejście pomiędzy materiałem tarczy rozpylającej i materiałem płyty tylnej, bez tworzenia się zakłócającej warstwy pośredniej o zmniejszonym przewodnictwie cieplnym.

Wynalazek zostanie wyjaśniony bliżej na podstawie przykładów wykonania.

P r z y k ł a d 1

Źródło pary w kształcie tarczy o średnicy 63 mm i całkowitej wysokości 32 mm, składające się z tarczy rozpylającej o wysokości 20 mm, wykonanej z 50% atom. aluminium i z 50% atom. tytanu oraz z płyty tylnej wykonanej z aluminium i mającej 12 mm wysokości, połączonej trwale z tarczą rozpylającą, wykonane zostało zgodnie ze sposobem według wynalazku.

Proszek z aluminium i proszek z tytanu przeznaczone na tarczę rozpylającą, o przeciętnej wielkości ziarna 30 μm, zostały zmieszane w mieszaczu o skośnej osi obrotów.

W dwuczęściowej matrycy do prasy hydraulicznej, która to matryca pod względem końcowych rozmiarów źródła pary miała wystarczający nadmiar, najpierw dolną część matrycy wypełniono wyłącznie proszkiem aluminiowym o średniej wielkości ziarna wynoszącej 30 μm, a wypełnienie proszkiem zostało gładko wyrównane. Następnie nasadzono górną część matrycy i napełniono ją mieszanką proszku aluminium i tytanu, przy czym mieszankę proszku również gładko wyrównano i wypełnienie matrycy sprasowano na zimno do 94% jej teoretycznej gęstości tworząc półwyrób.

Wypraska została wtórnie zagęszczona w prasie kuźniczej przy półotwartej matrycy, przy temperaturze matrycy wynoszącej około 200°C, przy czym wykonano w sumie pięć operacji przejść, przy płynięciu względnie zgniataniu poszczególnych składników. Przed zagęszczaniem wtórnym oraz pomiędzy poszczególnymi operacjami wypraskę podgrzewano w piecu podgrzewczym do temperatury między 400°C a 450°C. Wskutek krótkich czasów formowania i niskich temperatur formowania nie było potrzeby stosowania ochrony przed utlenianiem tak, że wtórne zagęszczanie mogło następować w stanie nieznanym.

Na zakończenie, źródło pary doprowadzono do rozmiarów końcowych przy zastosowaniu obróbki mechanicznej.

Dla strefy przejściowej pomiędzy materiałem tarczy rozpylającej i materiałem płyty tylnej wykonano fotomikrografię wykazującą brak zakłócającej warstwy pośredniej.

P r z y k ł a d 2

Dla celów porównawczych wytworzono źródło pary w kształcie tarczy, o takich samych rozmiarach jak w przykładzie 1. W odróżnieniu od przykładu 1, źródło pary składa się wyłącznie z tarczy rozpylającej o 50% atom. aluminium i 50% atom. tytanu i nie zawiera żadnej płyty tylnej z aluminium. Wytwarzanie tarczy rozpylającej wykonane zostało przy tych samych parametrach wytwarzania co w przykładzie 1.

P r z y k ł a d 3

Dla celów porównawczych wytworzono źródło pary składające się z tarczy rozpylającej i płyty tylnej o tych samych rozmiarach i tych samych kombinacjach materiałowych co w przykładzie 1. W odróżnieniu od przykładu l, źródło pary nie zostało wytworzone przez jednoczesne przetwarzanie proszkoPL 199 272 B1 wych materiałów wyjściowych. Płyta tylna o tych samych rozmiarach niezależnie od tarczy rozpylającej została wykonana z półwyrobu miedzianego wytworzonego metodą pirometalurgiczną, a następnie, przy zastosowaniu warstwy pośredniej z indu, została połączona z gotową tarczą rozpylającą wytworzoną metodą metalurgii proszkowej i wytworzoną przy tych samych parametrach co w przykładzie 1.

Źródła pary odpowiadające przykładom 1 i 3 zostały wbudowane kolejno do urządzenia wytwarzającego parę typu ARC i przy tych samych stosowanych zwykle warunkach powlekania, przy natężeniu prądu w urządzeniu ARC o wielkości 60A, odpowiadającym strumieniowi ciepła 0,7 MW/m², zostało rozpylone, przy czym określone zostały temperatury powierzchniowe poszczególnych tarcz rozpylających.

Po czasie rozpylania wynoszącym około 2 min stwierdzono następujące temperatury powierzchniowe:

Źródło pary według wynalazku, wytworzone według przykładu 1, posiadało temperaturę powierzchniową 315°C.

Tarcza rozpylająca wytworzona według przykładu 2 bez płyty tylnej miała najwyższą temperaturę powierzchniową 420°C.

Źródło pary wytworzone według przykładu 3, z przyłączoną płytą tylną, wykazało temperaturę powierzchniową 395°C.

W stosunku do przykł adu 1 znacznie wyż sza temperatura powierzchniowa pomimo zastosowania płyty tylnej o takich samych rozmiarach, wskazuje wyraźnie na szkodliwe działanie pośredniej warstwy indu o mniejszym przewodnictwie cieplnym, a koniecznej do uzyskania przyłączenia kontaktowego.

Ponieważ zmniejszenie temperatury powierzchniowej już o kilka stopni stwarza korzystne własności rozpylania dla tarczy rozpylającej, więc potwierdza to ogromną zaletę źródła pary według wynalazku w porównaniu ze źródłami pary znanymi z dotychczasowego stanu techniki.

Claims (8)

1. Sposób wytwarzania źródła pary do fizycznego osadzania pary, składającego się z tarczy, która oprócz jednego lub wielu dodatkowych składników zawiera składnik w postaci aluminium oraz z pł yty tylnej połączonej z tarczą wykonanej z materiał u o lepszym przewodnictwie cieplnym niż tarcza, przy czym tarczę wytwarza się przez prasowanie na zimno mieszanki złożonej z poszczególnych proszkowych składników i następnie kształtuje się ją przy temperaturach poniżej temperatury topnienia poszczególnych składników przy płynięciu, aż do uzyskania gęstości wynoszącej przynajmniej 98% gęstości teoretycznej, znamienny tym, że płytę tylną, również z proszkowego materiału wyjściowego, prasuje się razem ze składnikami tarczy, w postaci proszkowych frakcji umieszczonych w warstwach jedna nad drugą, a następnie kształtuje się ją.

2. Sposób wytwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że wytwarza się tarczę składającą się z co najmniej 15% atom. aluminium.

3. Sposób wytwarzania według zastrz. 2, znamienny tym, że wytwarza się tarczę zawierającą jako drugi składnik 85% atom. tytanu.

4. Sposób wytwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał na płytę tylną stosuje się aluminium.

5. Sposób wytwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że płytę tylną kształtuje się poprzez kucie w prasach kuźniczych.

6. Sposób wytwarzania według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że kształtowanie poprzez kucie w prasach kuźniczych prowadzi się w temperaturze między 400°C a 450°C.

7. Sposób wytwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że płytę tylną kształtuje się poprzez wyciskanie.

8. Sposób wytwarzania według zastrz. 1 albo 7, znamienny tym, że kształtowanie poprzez wyciskanie prowadzi się w temperaturze między 400°C a 450°C.