способ осаждения алмазных покрытий в плазменной струе

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ АЛМАЗНЫХ ПОКРЫТИЙ В ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕ, включающий нагрев подложки в струе газа-носителя с добавлением углеводородного газа-реактанта, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют воздух.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газ-реактант вдувают в область взаимодействия воздушной плазменной струи с подложкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам химического газофазного осаждения покрытий, в частности к использованию струй термической плазмы для осаждения алмазных покрытий.

Известны способы осаждения алмазных покрытий в струях дуговых плазмотронов постоянного тока с использованием газа-носителя из смеси аргона и водорода и углеводородных газов-реактантов [1]

Недостатками этих способов являются небольшая область осаждения, обусловленная малым сечением струи дугового плазмотрона (10 мм), а также возможность загрязнения области осаждения частицами материала электродов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ осаждения алмазных покрытий в струе индукционной термической плазмы, содержащей смесь аргона и водорода в качестве газа- носителя и метан в качестве газа-реактанта [2]

Недостатком данного способа является необходимость использования сравнительно большого количества чистых газов аргона и водорода.

Мощные плазмотроны функционируют при сравнительно больших расходах газа-носителя (например, плазмотрон мощностью 60 кВт расходует 120 л/мин при давлении 1 атм, [2]

При этом газовый тракт мощных установок является незамкнутым, т.е. газовая смесь используется однократно и затем выбрасывается в атмосферу. Сам процесс осаждения является длительным, с характерным временем порядка 1 ч и более. Газы подаются в установку из баллонов, поэтому известные способы усложнены процедурой периодической замены газовых баллонов. Усложнена также схема подачи газов, содержащая несколько баллонов с редукторами высокого давления и газовые тракты, удовлетворяющие требованиям техники безопасности при работе со взрывоопасными газами, к которым относится водород.

Цель изобретения упрощение способа и оборудования для его реализации с повышением безопасности и экономичности.

Цель достигается тем, что осаждение алмазных покрытий осуществляют в струе термической плазмы в смеси углеводородного газа-реактанта и воздуха, при этом газ-реактант вдувают в область взаимодействия воздушной плазменной струи с подложкой.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются использование воздуха в качестве газа-носителя и вдувание углеводородного газа-реактанта в область взаимодействия воздушной плазменной струи с подложкой, на которую осаждают алмазное покрытие.

Использование воздуха в качестве газа-носителя позволяет упростить способ осаждения алмазных покрытий и повысить его экономичность, поскольку дает возможность отказаться от использования дорогостоящих газов, от сопутствующего им газобаллонного хозяйства и обеспечить большую безопасность по сравнению с известным ввиду отсутствия взрывоопасного водорода. При этом воздух для реализации способа забирается непосредственно из атмосферы и не требует какой-либо подготовки кроме обеспыливания.

Как показали эксперименты, вдувание углеводородного газа-реактанта в область взаимодействия воздушной плазменной струи с подложкой, приводит к дополнительной экономии, поскольку снижает энергозатраты на реализацию процесса осаждения. Появляется также возможность в более широком диапазоне варьировать энергосодержание струи, а так как температура подложек в термической плазме определяется ее энергосодержанием, то расширяется диапазон реализуемых температур подложек, что расширяет область применения способа. Кроме того, вдувание увеличивает концентрацию газа-реактанта в зоне осаждения, что приводит к более экономному его использованию и способствует повышению скорости роста покрытий.

Использование воздуха привело к достижению неочевидного результата, заключающегося в том, что в предлагаемой газовой смеси, как и в аналогах, осуществлен процесс химического газофазного осаждения покрытий с алмазной структурой.

На чертеже представлен спектр комбинационного рассеяния (Рамана) полученного покрытия, подтверждающий наличие в нем алмазной фазы.

Способ был реализован на безэлектродном индукционном плазмотроне ВГУ-4. Эксперименты проводились при мощности N_ап 20-26 кВт и давлении в барокамере Р 0,026-0,3 атм. В высокоэнтальпийную воздушную струю с расходом 130 л/мин в область взаимодействия струи и подложки вдувался метан в количестве 0,05-0,5 л/мин. Вдув проводился через тонкую водоохлаждаемую трубку, расположенную на расстоянии D= 12-24 мм от поверхности осаждения. Подложки диаметром 34 мм и толщиной 2 мм, изготовленные из листа стали марки 1Х18Н10Т без дополнительной механической обработки поверхности, промывались в ацетоне и закреплялись на цилиндрическом водоохлаждаемом подложкодержателе таким образом, чтобы их тыльная поверхность надежно прижималась к его плоскому торцу для эффективного съема тепла. Подложки вводились в струю, в которой за счет конвективного теплообмена нагревались до 700-1100^оС и выдерживались при этих температурах в течение 10-20 мин.

Полученные покрытия исследовались методом спектроскопии Рамана. В полученных спектрах присутствует пик в области 1330 см^-1, который однозначно свидетельствует о наличии в покрытии алмазной фазы.

Предлагаемый способ выгодно отличается от известных простотой реализации и является более безопасным и экономичным с точки зрения промышленной реализации.