ВКР / Дипломная работа (Э-8) на тему "Разработка кластера вакуумного дугового испарения для напыления покрытий повышенной равномерности на крупногабаритные изделия"

Что в архиве: Оформление квалификационной работы:

Расчетно-пояснительная записка на __72___ листах формата А4.

Перечень графического (иллюстративного) материала (чертежи, плакаты, слайды и т.п.)
Чертежи A1 – 3 шт.______________________________________________________________
Чертёж А4 – 1 шт._______________________________________________________________
Плакаты А1 – 4 шт.__
РЕФЕРАТ


Расчётно-пояснительная записка 73 стр., 3 табл., 35 рис., 9 источников.
РАЗРАБОТКА КЛАСТЕРА ВАКУУМНОГО ДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ПОВЫШЕННОЙ РАВНОМЕРНОСТИ НА КРУПНОГАБАРИТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ.
Объектом разработки данной выпускной квалификационной работы является кластер вакуумного дугового испарения состоящий из нескольких торцевых дуговых испарителей для напыления покрытий повышенной равномерности на крупногабаритные изделия.
Цель работы – разработка кластера вакуумного дугового испарения для напыления покрытий повышенной равномерности на крупногабаритные изделия.
Цель достигается за счёт определённого расположения дуговых испарителей относительно друг - друга в кластере, с помощью магнитной системы увеличивающей равномерность выработки катода и эффективной системе охлаждеия.

СОДЕРЖАНИЕ


РЕФЕРАТ .......................................... 2
СОДЕРЖАНИЕ .......................................... 3
ВВЕДЕНИЕ .......................................... 4
1 Проектно-конструкторская часть ........................................ 11
1.1 Торцевой дуговой испаритель ........................................ 11
1.2 Кластер вакуумного дугового испарения ........................................ 16
2. Исследовательская часть ........................................ 22
2.1 Расчёт оптимального расстояния между катодами кластера ВДИ............... 22
2.2 Оптимизационный расчёт магнитной системы ........................................ 28
2.3 Поверочный расчёт теплового состояния катода ........................................ 40
2.4 Поверочный расчёт теплового состояния фланца........................................ 48
3 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ........................................ 53
3.1 Оценка стоимости кластера вакуумного дугового испарителя.................... 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................ 58
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................ 59
ПРИЛОЖЕНИЕ А ........................................ 61


ВВЕДЕНИЕ



На сегодняшний день тонкие плёнки активно применяются для придания требуемых эксплуатационных характеристик различных изделий. Использование тонких плёнок даёт возможность объединять свойства двух и более материалов (подложки и покрытия), в результате чего получившаяся система обладает характеристиками, которые не могут быть получены при использовании одного материала. В связи с этим большой интерес вызывает проблема получения покрытий с заданными характеристикам.
Метод вакуумного дугового испарения нашёл широкое применение для нанесения износостойких, антифрикционных, жаропрочных, декоративных, антикоррозионных и других типов покрытий на режущий инструмент, элементы запорно-регулирующей арматуры и другие изделия подверженные большой механической или тепловой нагрузкой. Толщина покрытий составляет, как правило, 0,5-10 мкм, но может также достигать 400 мкм.
Преимуществами нанесения покрытий вакуумным электродуговым методом являются:
• возможность регулирования скорости нанесения покрытия путем изменения силы тока дуги;
• сохранение стехиометрии покрытия;
• высокая адгезия покрытий;
• возможность получения тонких пленок соединений металлов, вводя в камеру реакционный газ, это могут быть оксиды, нитриды и карбиды
• высокая скорость нанесения покрытий, близкая к скоростям роста покрытий в гальваническом методе
К недостаткам метода относят:

• наличие капельной фазы в продуктах эрозии катода
• затруднено нанесение равномерных покрытий на подложки большой площади [1]

Метод вакуумного дугового испарения был придуман и активно исследовался в начале 70-х годов в СССР в Харьковском физико-техническом институте (ХФТИ), в котором в последствии была разработана установка "Булат", различные модификации которой до сих пор используются в промышленности. [2]
Принцип действия вакуумно-дугового испарителя (ВДИ) основан на использовании тока вакуумной дуги с холодным интегральным катодом для его испарения, при этом вакуумная дуга горит преимущественно в парах эродирующего катода. Термин "холодный интегральный катод" указывает на то что средняя температура катода в процессе напыления растёт незначительно и недостаточна для термоэлектронной эмиссии.
Качественно можно выделить 3 этапа процесса вакуумно-дугового осаждения:

• Испарения материала катода
• Перенос испарённого материала катода к подложке
• Осаждение материала катода на подложке с образованием покрытия

Основным узлом напылительных вакуумно-дуговых установок является ВДИ. На рисунке 1 представлена схема вакуумно-дуговой установки. 1 – катод; 2 – катодное пятно; 3 – продукты эрозии; 4 – анод – вакуумная камера; 5 – подложка; 6 – образующиеся покрытие
Рисунок 1 – Схема вакуумно-дуговой установки
Вакуумная –дуга представляет из себя сильноточный разряд с катодным падением потенциала близким по значению к потенциалу ионизации атомов. Характерные значения тока и напряжения для вакуумной дуги составляют соответственно 50- 700 А и 18-30 В [3].
В качестве источника материала при вакуумно-дуговом испарении выступают катодные пятна (КП), которые возникают на катоде в условиях, когда нужно перенести значительный ток, а катод по тем или иным причинам не может быть нагретым целиком до высокой температуры. Причины эти могут заключаться в сравнительно малом токе, который способен вызвать эмиссию на катоде, только будучи собранным на маленькой площади, в низком давлении окружающей среды.
Основные свойства вакуумной дуги определяются катодными пятнами, которые представляют из себя зону привязки дуги к катоду диаметром 10-100 мкм, с высокой плотностью тока до и плотностью тепловых потоков до . На поверхности катода одновременно может существовать несколько катодных пятен, которые образуют катодную привязку, число катодных пятен в катодной привязке зависит от тока разряда и материала катода [4]. Катодное пятно гаснет в одном месте и поджигается в другом, радом с местом где погасло. Последовательность таких актов позволяет говорить о движении катодного пятна по поверхности катода.
В отсутствие внешнего магнитного поля катодное пятно непрерывно хаотично перемещается по поверхности катода, скорость этого движения зависит от тока катодного пятна и материала катода и может достигать до 200 м/с. На рисунке 2 показано развитие трека катодного пятна без магнитного поля.
Рисунок 2 – Развитие трека катодного пятна [5] Существую несколько правил, которым подчиняется движение катодного пятна.

1. Катодное пятно движется к точке подвода тока. Данный эффект используется в цилиндрических и протяжённых планарных дуговых испарителях.
2. Катодное пятно перемещается в сторону острого угла образованного линиями магнитной индукции и поверхностью катода. Данное правило проиллюстрировано на рисунке 3.

Рисунок 2 – Движение катодного пятна по поверхности катода в сторону острого угла межу линиями индукции магнитного поля и поверхностью катода

1. В тангенциальном магнитном поле движение катодного пятна направлено противоположено вектору силы Ампера , где – ток дуги, – индукция магнитного поля. Данный эффект получил название "обратное движение" катодного пятна или эффект Штарка. Эффект Штарка проиллюстрирован на рисунке 4.

Рисунок 3 – Обратное движение катодного пятна в тангенциальном магнитном поле

1. Катодное пятно локализуется на окислах и загрязнениях на поверхности катода

Чувствительность катодного пятна к внешнему магнитному полю позволяет использовать магнитные поля для управления движением катодного пятна, что нашло отражения в разных конструкциях дуговых испарителей.
Создание внешнего осевого расходящегося магнитного поля позволяет удерживать катодные пятна на торцевой поверхности конусного катода, как в системах "Булат". Осевое расходящиеся магнитное поле также применяется для управления зоной эрозии на поверхности катода в дуговых испарителях с торцевыми цилиндрическими катодами, что позволяет увеличить коэффициент использования материала катода [6]. В данной работе также используется магнитное поле сложной конфигурации для управления зоной эрозии на поверхности катода.
Плазменные струи, испускаемые катодным пятном, состоят из нескольких компонентов: электронов, ионов, нейтральных атомов и капель материала катода. При этом основными продуктами эрозии являются ионы и капельная фаза, доля нейтральных частиц не велика. Количество унесенного материала пропорционально заряду, прошедшему через КП, и характеризуется коэффициентом эрозии (χ ,мкг/Кл) [7].
Стоит отметить, что в продуктах эрозии присутствуют ионы, которые движутся от катода к аноду, в направлении противоположенном законам электричества, и имею энергию порядка 30-150 эВ. Наличие таких ионов в плазме вакуумного дугового разряда объясняется в работе Г. А. Месяца [8], который пришёл к выводу, что "аномальные ионы" формируются в результате взрывообразного разрушения микроучастков катода за счёт джоулева разогрева высокой плотностью тока.
Плазменные струи также содержат макрочастицы материала катода в виде жидких быстро затвердевающих капель, а также в виде капель и осколков. Они увеличивают коэффициент эрозии и являются источниками нейтральных атомов в межэлектродном пространстве, нарушают однородность покрытий и увеличивают их шероховатость.
Одним из важных параметров наносимых покрытий является неравномерность толщины покрытия. Неравномерность наносимых покрытий зависит от множества факторов: взаимное расположение источника материала и подложки, степень выработки катода, форма изделия и другие.
Задача обеспечения требуемой неравномерности толщены покрытия усложняется в случае когда покрытие напыляется на крупногабаритное изделия или большие партии деталей. В таких случаях покрытия наносят с использованием протяжённых планарных или цилиндрических дуговых испарителей, которые обеспечивают лучшую равномерность покрытия по сравнению с торцевыми дуговыми испарителями, но проигрывают им в скорости нанесения покрытий. Для решения задачи нанесения равномерных покрытий с достаточно большой скоростью предлагается использовать кластер вакуумно-дугового испарения.

1 Проектно-конструкторская часть


1.1 Торцевой дуговой испаритель



Кластер вакуумного дугового испарения представляет из себя единое устройство, которое содержит несколько торцевых дуговых испарителей, которые могут иметь общую систему охлаждения или общую магнитную систему. В этом и заключается его основное отличие от независимых дуговых испарителей закреплённых на одном фланце.