Диссертация (1025198), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При наличии в рабочем объёме реактивного газа наподложке могут быть сформированы нитриды, оксиды или карбиды материалакатода, а также соединения с кремнием. Метод позволяет обеспечивать высокиескорости эрозии, гибкость технологии, предсказуемость процесса, хорошуюадгезию и высокую плотность конденсата (покрытия).Испарение (эрозия) материала катода происходит из катодных пятендугового разряда, который инициируется в вакууме между водоохлаждаемымрасходуемым катодом и анодом (Рисунок 1.1). Под процессом эрозии катодавакуумно-дугового испарителя понимается комплексный процесс уносаматериала из катодного пятна, в результате которого образуются пары, капли иплазма материала катода.Обычно анодом является вакуумная камера.
На катоде формируетсякатоднаяпривязка,представляющаясобойнескольконепрерывноперемещающихся катодных пятен. В катодных пятнах, ввиду их малости(1-100 мкм), достигаются высокие плотности теплового потока (до 1015 Вт/м2),что обеспечивает интенсивное испарение материала твёрдого холодного катодаи частичную ионизацию паров. Катодные пятна непрерывно перемещаются поповерхности катода, что обеспечивает испарение материала с холоднойповерхности нового участка катода.
Испарённый материал поступает в рабочийобъём и конденсируется на подложке (деталях), формируя конденсаты(покрытия, тонкие плёнки). Типичные токи вакуумно-дугового разрядасоставляют от 50 до 700 А, величины напряжений – от 17 до 25 В.20Рисунок 1.1.Схема вакуумно-дугового испарителя1 – водоохлаждаемый катод; 2 – продукты эрозии; 3 –анод-вакуумная камера;4 – подложка; 5 – конденсат (покрытие)Метод вакуумно-дугового испарения имеет существенный недостаток –присутствие в продуктах эрозии катода вакуумно-дугового испарителякапельной фазы, состоящей из множества мелких капель материала катода.Капли образуются в катодном пятне, выбрасываются в рабочий объём иоседают в формирующихся конденсатах (Рисунок 1.2). Получившиесяпокрытия получаются менее плотными и однородными, что снижаетэксплуатационные характеристики покрытий.абРисунок 1.2.Капли материала катода в конденсате на подложкеа) сферичесие капли (титан); б) плоские капли (медь)211.2.
Оборудование для вакуумно-дугового испарения материаловСовременныеустановкисвакуумнымидуговымииспарителямипозволяют испарять практически любые проводящие материалы и формироватькомпозитные покрытия, состоящие из одного или одновременно несколькихматериалов, а также их соединений с азотом, кислородом, углеродом иликремнием.Впервые устойчивый вакуумно-дуговой разряд с холодным катодомудалось зажечь в 1964 г. Л.П. Саблеву. В том же году выходит работа [16, 17], гдевпервые проводятся исследования стабильно горящей (длительностью более2 секунд) низковольтной вакуумной дуги.
В работе исследованы продукты эрозииматериала катода, описаны характеристики капель в полученных конденсатахна подложке, проведено измерение энергии ионов и их среднего заряда.С 1966 г. по 1973 г. в СССР в Харьковском физико-техническоминституте проходит разработка системы типа «Булат», которая легла в основусерии промышленных установок вакуумного дугового испарения с торцевымкатодом и расходящимся магнитным полем для стабилизации зоны эрозии(Рисунок 1.3). В 1974 г.
во ВНИИЭТО (г. Москва) в сотрудничестве с ХФТИсоздается серия установок типа ИЭТ-8. Позже этим институтом создаютсяболее совершенные установки ННВ 6.6-И 1 и ННВ 6.6-И4. Помиморасходящегося магнитного поля стабилизация положения зоны эрозииосуществлялась нейтральной вставкой. Инициация разряда осуществляласьвысоковольтным пробоем по поверхности изолятора. В настоящее времяустановки на основе дуговых испарителей типа «Булат-6» выпускаютсяЗАО «Вакуумные Ионные Технологии» (Истра) и ООО «Новые плазменныетехнологии» (Москва).Научные исследования и разработки оборудования для испаренияматериалов вакуумной дугой велись также в МВТУ им. Н.Э. Баумана.
Подруководством профессора, доктора технических наук А.М. Дороднова быларазработана установка «Пуск». Установка представляет собой коаксиальнорасположенные центральный катод, выполненный в виде диска диаметром22180 мм и охватывающие его анод и магнитную катушку, создающуюрасходящееся осесимметричное магнитное поле. Эффекты фокусировки иускорения плазмы проявляются при магнитных полях В < 5 мТл, так как прибольших полях резко возрастает степень фокусировки продуктов эрозии катодаи, соответственно, неоднородность параметров потока по радиусу плазменнойструи.абРисунок 1.3.Установка типа «Булат»а – схема установки; б – внешний вид; 1 – катод, 2 – боковая поверхностькатода, 3 – рабочая поверхность катода, 4 – фокусирующая электромагнитнаякатушка, 5 – анод, 6, 7 – устройство инициации разряда, 8, 12, 13 – корпус, 9– стабилизирующая катушка, 11 – вакуумные вводы, 14 - подложкаТакже под руководством М.А.
Дороднова была разработана установка«Плазменный котёл» (Рисунок 1.4). В дуговых испарителях установки длястабилизации зоны эрозии применялась нейтральная вставка совместно срасходящимсямагнитнымполем.Диаметркатодасоставлял180 мм.Особенностью установки являлось то, что плотность плазмы в рабочей зонезначительноповышаласьблагодаряпродольному магнитному полю ввакуумной камере и электростатическим экранам, расположенным на торцахкамеры и предотвращающим уход электронов на стенки.В Европе аналогичные установки производит фирма Oerlikon Balzers.Установки созданы на базе торцевых вакуумно-дуговых испарителей с катодомдиаметром 120 мм.
Стабилизация осуществляется нейтральной вставкой ирасходящимся магнитным полем. Для обработки крупногабаритных деталей с23хорошей равномерностью несколько дуговых испарителей расположены водном протяжённом кластере.Рисунок 1.4.Установка вакуумного дугового нанесения покрытий «Плазменный котёл»,разработанная в МГТУ им. Н.Э. БауманаВ процессе эксплуатации установок Булат 3Т, Булат 6 и ННВ6 былозамечено, что температура поверхности катода влияет на состав продуктовэрозии катода.
Покрытия, полученные на катодах небольшой толщины, имелиболее гладкую, блестящую поверхность, нежели покрытия, осаждённые приработе на новых катодах, имеющих большую толщину и, следовательно,худшие условия охлаждения. Аналогичным образом влияет снижение токаразряда, так как в этом случае тепловые потоки на катод меньше, и температураего рабочей поверхности снижается. В дуговых испарителях с арочныммагнитным полем, предложенных И.Г. Кесаевым, В.В.
Пашковой в работе [7],было отмечено снижение количества капель в продуктах эрозии материалакатода [8, 18].В арочном магнитном поле движение катодных пятен осуществляетсяпреимущественно под аркой силовых линий магнитного поля. При этом дляуправления движением катодных пятен достаточно магнитного поля синдукцией малой величины: от 0,2 мТл и более. Зона эрозии ограничиваетсяконфигурацией магнитной системы. При этом движение катодных пятенпроисходит по замкнутой траектории в направлении, которое противоположносиле Ампера («обратное» или «антиамперовое» движение) [19].Подобные схемы применяются в испарителях установок типа МАП,разрабатываемыхс1980 г.вФГУП«ВИАМ»подруководствомС.А.
Мубояджяна для нанесения жаростойких композитных покрытий на24лопатки авиационных турбин [20]. За основу при создании этой промышленнойустановки была принята схема с цилиндрическим катодом центральногоисполнения относительно напыляемых деталей. Управление движениемкатодными пятнами осуществлялась с помощью арочного магнитного поляпостоянного магнита, перемещающегося внутри водоохлаждаемого катода.Арочное магнитное поле также используется для стабилизации зоныэрозии и повышения качества покрытий в установках производства фирмыSulzer, Oerlikon Balzers (Innova и др.), ОАО «ЦНИИТМАШ» (NanoArc Master,совместно с МГТУ им. Н.Э.
Баумана).Ограничение движения катодных пятен арочным магнитным полемприводит к образованию узкой зоны эрозии («кинжальная выработка») ипреждевременному износу катода. Чем выше индукция магнитного поля, темменьше ширина зоны эрозии катода и тем меньше коэффициент использованияматериала[21-25]. Этотребует постоянного перемещениятраекториикатодного пятна по поверхности катода, что осуществляется, в частности, вустановках типа МАП механическим перемещением магнитной системы. Такжедля решения этой проблемы применяют арочное магнитное поле сизменяющейся при помощи электромагнитной системы конфигурацией [26].При этом известно, что арочное магнитное поле может влиять напроцессы эрозии катода.
В работе [27] описано снижение скорости осажденияпокрытия из никеля на 30 %, в то время для других материалов (титан, хром,медь) снижения скорости осаждения замечено не было. Арочное магнитноеполе при этом позволяет получать более гладкие и качественные покрытия сменьшим количеством капель в покрытии [28].1.3. Исследование процессов эрозии, происходящие в катодном пятневакуумной дугиВпервые испарение вещества в вакуумно-дуговом разряде получилпрофессор Йельского университета А.
Райт в 1876 г. при попытках улучшитьвакуум, получаемый ртутным насосом. В работе [29] было описан процесс25испарения и конденсаты на подложке, полученные с помощью вакуумно-дуговогоразряда. Свойства и продукты эрозии вакуумного дугового разряда исследовалисьвдальнейшемТ. ЭдисономиЛ. Холлендом[30].Фундаментальныеисследования проводились И.Г. Кесаевым, В.И. Раховским, Дж.
Лафферти. Вработе[31]приведенырезультатыисследованийвакуумныхдугвсильноточных ртутных выпрямителях тока. В большей части это исследованиядуги на жидкой ртути и на плёночных катодах. В работах [32, 33] приведенырезультаты исследований свойств продуктов эрозии катода и параметроввакуумной дуги, возникающей как паразитный эффект на медных контактахвысоковольтных коммутаторов тока.Испарение и эрозия материала катода происходит под действиемтепловых потоков высокой плотности одновременно из нескольких катодныхпятен. Под катодным пятном будем понимать локальную область токовойпривязки вакуумной дуги, ограниченную крупным (порядка 100 мкм) кратеромна катоде, являющуюся областью активного испарения, ионизации вещества иисточником капель [35] и состоящую из одной или нескольких ячеек –элементарных составляющих катодного пятна (cathode spot cells, subspots,эктон) [31, 34-37], движущихся внутри крупного кратера катодного пятна иобразующих этот кратер. После функционирования каждой ячейки катодногопятна (эктона) на катоде остаётся кратер размером от 1 до 10 мкм [38].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
