Диссертация (1025198), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Торцевой дуговой испаритель с арочным магнитным полемЭкспериментыпроводилисьнаторцевомдуговомиспарителеразработанном в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Испаритель разработан для сериипромышленных установок NanoArc Master производства ГНЦ РФ АО «НПО«ЦНИИТМАШ» и предназначен для нанесения износостойких покрытий суменьшенной долей капельной фазы методом вакуумно-дугового испарения.Дуговой испаритель имеет катод диаметром 150 мм, толщиной 28 мм.Фиксация катодной привязки на рабочей поверхности катода производитсявнешним арочным магнитным полем, уступом на катоде и нейтральнойвставкой.Магнитнаясистемадуговогоиспарителясостоитиздвухкоаксиальных магнитных катушек, обеспечивающих создание на поверхностикатода арочного магнитного поля, подобно используемому в магнетронныхраспылительных системах: центральной и периферийной [7, 125] (Рисунок 2.3).Количество ампер-витков в катушках составляло соответственно значения 600и 1000.
Токи в магнитных катушках могли изменяться в пределах от 0 до 12 А.абРисунок 2.3.Торцевой дуговой испарительа – внешний вид испарителя; б – схема испарителя; 1 – катод; 2 – анод; 3 –нейтральная вставка; 4 – магнитная система; 5 – устройство инициации разряда(поджиг); 6 – силовые линии арочного магнитного поля; 7 – трек катодныхпятен; 8 – штуцер системы охлаждения50Движение катодных пятен в арочном магнитном поле осуществляется подаркой силовых линий магнитного поля, где вектор индукции магнитного поляпараллелен поверхности катода. Скорость движения катодного пятна, какпоказали исследования [10, 21, 22], зависит от индукции магнитного поля надповерхностью катода в центре арки.
Изменение величины индукции арочногомагнитного поля в дуговом испарителе без изменения его конфигурациипроисходит при пропорциональном изменении токов в магнитных катушках.Меняя соотношение токов в катушках, можно управлять конфигурациейарочного магнитного поля, и, следовательно, положением катодного пятна итраекторией его движения. Автоматическое изменение соотношения токов вмагнитных катушках с целью организации движения катодных пятен по всейповерхности катода (режим сканирования) позволяло увеличить эффективностьиспользования материала катода.В качестве величины индукции арочного магнитного поля принималосьзначение касательной составляющей индукции в точке, где нормальнаясоставляющая равна нулю, то есть в центре арки силовых линий магнитногополя.Распределениемагнитныхсиловыхлиний,абсолютныезначениянормальной Bn и касательной Bτ составляющей магнитного поля, внешний видразряда в двух крайних положениях приведены на Рисунке 2.4.
При проведенииэкспериментовиспользоваласьтолькоцентральнаямагнитнаякатушка(Рисунок 2.4, справа). Зависимость величины индукции арочного магнитногополя от тока в основной магнитной катушке линейная (Рисунок 2.5) и дляданной магнитной системы может быть описана эмпирическим выражениемB ≈ 2,5 ⋅10−3 I ,(2.1)где B – значение индукции арочного магнитного поля на поверхностикатода, Тл; I - ток в основной магнитной катушке, А.51абвРисунок 2.4.Различные режимы работы торцевого дугового испарителяа – конфигурации магнитного поля дугового испарителя; в – движениикатодных пятен по поверхности катода по круговой траектории1 – катод; 2, 3 – магнитные катушки; 4 – положение катодной привязки иместо измерения индукции арочного магнитного поляКатодное пятно инициировалось инжекцией плазмы в разрядныйпромежуток с помощью коаксиального импульсного плазменного ускорителя.52Внешний электрод инжектора плазмы вмонтирован в нейтральную вставкуиспарителя.
При подаче импульса напряжения 600 В длительностью 30 мсмежду центральным и внешним электродами происходит пробой тонкойметаллической плёнки, напылённой на керамическую шайбу. Это приводит к еёвзрыву и образованию сгустка металлической плазмы, который выбрасываетсяв межэлектродный зазор дугового испарителя и инициирует основной разряд.В качестве материалов для катода дугового испарителя применялись:титан ВТ1-0, медь М1, алюминий А995, поликристаллический кремний (90 %кремний, 10 % алюминий).Выбор подобных материалов обусловлен следующими причинами.
Титанявляется наиболее распространённым материалом в технологии вакуумногодуговогоосажденияизносостойкихпокрытий(например,TiN,TiCN).Алюминий и его соединения широко используется в машиностроении длянанесения покрытий как в составе комбинированных покрытий, так исамостоятельно (например, TiAlN, AlN, Al2O3). Медь широко исследовалась впредыдущихработах,таккакявляетсяматериаломдляэлектродовсильноточных коммутаторов тока. Кремний не является металлом, потомуисследования процессов эрозии представляют большой интерес, как дляфундаментальных исследований, так и для прикладных задач.
Кремнийявляется перспективным материалом для изготовления электродов литийионных аккумуляторов, а также входит в состав композитных износостойкихпокрытий (TiAlN/Si3N4). Выбранные материалы имеют различные температурыплавления, кипения, теплопроводность, электропроводность и др.Данные для сравнения (вольт-амперные характеристики и скоростиэрозии материала катода) были получены на дуговом испарителе срасходящимся осесимметричным магнитным полем, также разработанном вМГТУ им.
Н.Э. Баумана (Рисунок 2.6). Диаметр водоохлаждаемого катодадугового испарителя составлял 76 мм, толщина катода 33 мм. Расходящеесямагнитное поле создавалось с помощью электромагнитный катушки.Анодом дугового разряда являлась заземлённая вакуумная камера.53Рисунок 2.5.Величина индукции арочного магнитного поля в зависимости от тока вцентральной катушке вакуумно-дугового испарителяабвРисунок 2.6.Вакуумно-дуговой испаритель с расходящимся осесимметричным магнитнымполема – внешний вид испарителя; б – катодная привязка; в – топологиярасходящегося магнитного поля1 – катод; 2 – магнитная катушка; 3 – место измерения индукции расходящегосямагнитного поля; 4 – нейтральная вставка; 5 – анод2.3. Измерение электрических характеристик и магнитных полейИзмерение напряжения разряда и падения напряжения на шунте приизмерении тока вакуумно-дугового разряда проводилось с помощью цифровогомультиметра Tektronix DMM4050.
Характеристики прибора приведены вТаблице 2.2. При измерении токов использовался шунт 75ШСМУ3-200-0,5.Измерение вольт-амперных характеристик одиночного электрическогозондаЛенгмюраиизмеренияпадениянапряжениянабалластномсопротивлении при измерении тока зонда производилось с помощью цифровогоосциллографа Tektronix DPO 2024. Характеристики прибора приведены в54Таблице 2.3. Регистрация токов и напряжений системы двух плоскихэлектрических зондов (измерение концентраций двух компонент ионной фазы)проводилась одновременно при подключении четырёх каналов прибора.Измерение проводилось в течение двух секунд. Усреднение полученныхвеличин проводилось при помощи программного обеспечения осциллографа напротяжении всего времени измерения. Величины балластных сопротивлений11,1 и 11,0 кОм измерялись с помощью мультиметра Tektronix DMM4050.Таблица 2.2.Характеристики цифрового мультиметра Tektronix DMM4050ПараметрДиапазон измеряемых напряжений, ВРазрешение измеряемых напряжений, ВДиапазон измеряемых токов, АРазрешение измеряемых токов, АДиапазон измеряемых сопротивлений, ОмРазрешение измеряемых сопротивлений, ОмОсновная погрешность измерения напряженияпостоянного тока, %Значениеот 0,1 до 100010-7от 10-4 до 1010-10от 10 до 10910-50,0024Измерения магнитного поля проводились с помощью измерителямагнитной индукции AlphaLab Inc.
модели GM-2. Погрешность приборасоставляет ±0,5 %. Диапазон измерений прибора от 1·10-5 до 2 Тл. Датчикоммагнитной индукции является датчик Холла, расположенный на концевыносного щупа толщиной 0,5 мм и шириной 3 мм.Таблица 2.3.Характеристики цифрового осциллографа Tektronix DPO 2024ПараметрЧисло входных каналов, штАналоговая полоса пропускания, МГцМаксимальная частота дискретизации, Гвыб/сДлина записи, млн.
точекВходной импедансДиапазон входной чувствительности, В/делМаксимальное входное напряжение, ВДиапазон скорости развёртки, с/делЗначение4200111 МОм ±2 %, 5 пФ ± 2 пФот 0,002 до 5300от 2·10-9 до 100552.4. Скоростная видеорегистрация движения катодных пятенДля проведения скоростной видеосъёмки применялся аппарат скоростнойцифровой видеосъёмки VS-FAST-NG производства фирмы «Видеоскан»(Россия) (Рисунок 2.7). Основные технические характеристики камерыприведены в Таблице 2.4. Для регистрации движения катодных пятен поповерхности катода выносная головка цифровой камеры закреплялась напротивкатода дугового испарителя с помощью штатива.Рисунок 2.7.Схема оптической регистрации движения катодных пятен1 – дуговой испаритель; 2 – вакуумная камера (анод испарителя); 3 –выносная головка скоростной видеокамеры; 4 – смотровое окно; 5 –заслонка; 6 – привод заслонкиСигнал с матрицы видеокамеры поступал в модуль буферной памятикамеры, откуда записывался на оперативную память устройства.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
