вакуумно-дуговой источник плазмы

Классы МПК:C23C14/35 с использованием магнитного поля, например распыление магнетроном
H05H1/50 и с использованием внешних магнитных полей, например для фокусирования или вращения дуги
Автор(ы):, , , , ,
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2009-01-28
публикация патента:

Изобретение относится к вакуумно-дуговому источнику плазмы и может найти применение для нанесения различного рода металлических покрытий на поверхность изделий. Источник содержит испаряемый металлический катод (2), анод (1), в качестве которого используется корпус, устройство поджига разряда и токоподвод, соединяющий источник электропитания разряда с катодом (2) со стороны, противоположной его рабочей поверхности. Токоподвод является средством стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода и выполнен в виде проводника (10) в форме пространственной винтовой линии с углом подъема витков, не превышающим 20°. Устройство поджига разряда включает в свой состав поджигающий электрод (9). В состав устройства входит дополнительное средство стабилизации катодного пятна в виде электромагнитной катушки (11) или кольцевого электростатического экрана, установленного соосно катоду. На корпусе устройства установлена фокусирующая электромагнитная катушка (12). Катод (2) и токопровод снабжены системой принудительного охлаждения. При использовании изобретения повышается надежность вакуумно-дугового источника плазмы, а также стабильность генерации потоков эрозионной плазмы, упрощается конструкция устройства и повышается энергетическая эффективность генерации плазмы. 9 з.п. ф-лы, 3 ил. вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118

вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118

Формула изобретения

1. Вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий катод, анод, устройство поджига разряда и токоподвод, соединяющий источник электропитания с катодом со стороны, противоположной его рабочей поверхности, который является средством стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода и выполнен в виде проводника в форме пространственной винтовой линии с углом подъема витков, не превышающим 20°.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что внешняя огибающая поверхность токоподвода имеет форму цилиндра.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что внешняя огибающая поверхность токоподвода имеет форму усеченного конуса, при этом меньшее основание усеченного конуса расположено со стороны катода.

4. Источник по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр DT токоподвода у поверхности катода составляет от 0,2DK до 0,9DK, где DK - диаметр катода со стороны токоподвода.

5. Источник по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр DT токоподвода у поверхности катода составляет не менее 1,3DK.

6. Источник по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительное средство стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода.

7. Источник по п.6, отличающийся тем, что дополнительное средство стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода выполнено в виде стабилизирующей электромагнитной катушки, установленной соосно катоду.

8. Источник по п.6, отличающийся тем, что дополнительное средство стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода выполнено в виде кольцевого электропроводящего экрана, установленного соосно катоду и электроизолированного от катода.

9. Источник по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фокусирующую электромагнитную катушку.

10. Источник по п.1, отличающийся тем, что катод и токоподвод снабжены системой принудительного охлаждения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к вакуумно-дуговым устройствам, предназначенным для генерации плазмы, и осуществления технологических процессов по обработке изделий и нанесению различного рода металлических покрытий на поверхности изделий.

В процессе работы вакуумно-дуговых источников плазмы между электродами устройства зажигается и поддерживается вакуумный дуговой разряд, горящий в парах материала, например металла, из которого изготовлен катод. Генерация рабочего вещества осуществляется из катодных пятен, перемещающихся по относительно холодной поверхности катода. На поверхности катодных пятен плотность выделяемой мощности достигает значений (1010÷10 13) Вт/м2. В области катодных пятен интенсивно протекают локальные процессы испарения и ионизации паров материала катода. При отсутствии внешних магнитных полей направление движения катодных пятен носит хаотический характер либо направленный дрейфовый характер, обусловленный взаимодействием разрядного тока с собственным магнитным полем.

Условием нормального функционирования вакуумно-дугового устройства является расположение зоны наиболее вероятностного нахождения катодного пятна при его перемещениях на рабочей торцевой поверхности катода. Если данное условие не выполняется, то катодное пятно уходит с рабочей поверхности катода или образуется за пределами рабочей поверхности катода. Катодные пятна с конечной вероятностью могут перейти с рабочей поверхности катода на боковую поверхность, что может привести к аварийной ситуации и выходу устройства из строя. В связи с этим ключевой технической задачей, решение которой обеспечивает нормальное функционирование вакуумно-дуговых источников плазмы, является пространственная стабилизация катодного пятна на рабочей поверхности катода.

В настоящее время известны различные технические средства, позволяющие удерживать катодные пятна на рабочей поверхности вакуумно-дуговых устройств. Так, например, широко применяются вакуумно-дуговые источники плазмы с автостабилизацией катодного пятна. В источнике плазмы, описанном в патенте США № 3437260, МПК: F04B 37/02, опубликован 16.08.1967, пространственная стабилизация катодного пятна осуществляется за счет использования дискового распыляемого катода, к центру которого подключен токоподвод со стороны, противоположной рабочей поверхности. Кольцеобразный анод установлен соосно катоду и отделен от него электроизолирующей вставкой. В кольцевой канавке изолятора между катодом и анодом размещен поджигающий электрод. После пробоя пускового промежутка между катодом и поджигающим электродом зажигается дуговой разряд. При этом катодное пятно, возбужденное в любой точке рабочей поверхности катода, перемещается, с определенной вероятностью, к центру катода под действием собственного магнитного поля. Перемещение пятна происходит в направлении, обеспечивающем минимальный импеданс электрической цепи. В результате этого центральная область дискового катода является зоной преимущественного нахождения катодных пятен в процессе их хаотического перемещения по поверхности катода.

Однако данное конструктивное выполнение устройства не исключает возможности возникновения аварийных ситуаций. Вследствие хаотических перемещений катодного пятна, накладываемых на направленное перемещение к центру катоду под действием собственного магнитного поля, катодное пятно с определенной вероятностью может сбрасываться на боковую нерабочую поверхность катода. При этом пятно в большинстве случаев перемещается далее с боковой поверхности катода на поверхность токоподвода, создавая тем самым аварийную ситуацию.

В качестве средства стабилизации катодного пятна используются также специальные экраны для гашения пятен на боковой поверхности катода. Эффективное гашение катодных пятен, уходящих на боковую не рабочую поверхность катода, осуществляется с помощью электростатического экрана, охватывающим боковую поверхность катода с зазором не более 2 мм. Стабильность работы вакуумно-дугового устройства заметно повышается, если экран выполняет функцию дополнительного анода, соединенного с основанным анодом через резистор с сопротивлением в несколько Ом.

В авторском свидетельстве СССР № 359977, МПК: С23С 13/12, опубликовано 15.05.1976, представлена конструкция вакуумно-дугового источника плазмы. Известное устройство содержит распыляемый катод, анод, в качестве которого используется корпус устройства, изолятор, установленный между анодом и катодом, поджигающий электрод и электростатический экран, охватывающий боковую нерабочую поверхность катода. Между экраном и анодом подключен конденсатор.

Разрядные электроды устройства подключают к источнику постоянного тока. Зажигание вакуумной дуги осуществляется кратковременным прикосновением поджигающего электрода к поверхности катода. Вакуумный дуговой разряд горит в парах материала катода, испаряемого в области катодного пятна. Из-за наличия токов утечки экран может приобретать потенциал, превышающий по величине потенциал катода. При сбегании катодного пятна с торцевой рабочей поверхности на боковую поверхность катода происходит зарядка конденсатора, и, вследствие этого, электростатический экран приобретает потенциал катода. В результате прекращается протекание тока между экраном и катодом, катодное пятно гаснет, не переходя на экран. После этого автоматически зажигается новое катодное пятно на рабочей поверхности катода.

Следует отметить, что данное устройство лишь частично уменьшает вероятность возникновения аварийных ситуаций.. При этом существенно снижается энергетическая эффективность и стабильность параметров технологического процесса обработки изделий. Во время работы устройства узкий изолирующий зазор быстро «зарастает» за счет осаждения испаряющегося электропроводного материала, что приводит к аварийным ситуациям. Неконтролируемое зарастание зазора между экраном и катодом и необходимость возбуждения по меньшей мере двух катодных пятен на рабочей поверхности относятся к наиболее существенным недостаткам данного вида устройств.

Средство стабилизации катодного пятна может быть выполнено в виде выступа, образованного по периметру рабочей поверхности катода. Для этого катод выполняется в форме стакана, внутренняя поверхность которого обращена в сторону анода (см., например, авторское свидетельство СССР № 367755, МПК: С23С 13/12, опубликовано 15.05.1976). Такое конструктивное выполнение позволяет снизить вероятность «выбега» катодного пятна с торцевой рабочей поверхности на боковую нерабочую часть катода. При уходе пятна на внутренние боковые стенки стакана возникает асимметрия в распределении тока в теле катода на участке, примыкающем к катодном пятну. Асимметрия распределения тока приобретает ярко выраженный характер. Вследствие этого возникает дополнительное электромагнитное воздействие на катодное пятно и происходит сброс пятна со стенки на дно катодного стакана.

При использовании вакуумно-дуговых источников плазмы с автостабилизацией местонахождение катодного пятна в процессе его хаотического движения наиболее вероятно в центральной части рабочей поверхности катода. Следствием этого является неравномерное испарение материала: в центральной части рабочей поверхности катода. В центре катода образуется лунка воронкообразной формы, а периферийные части катода практически не испаряются. Кроме того, по мере углубления лунки в процессе работы устройства снижается стабильность горения вакуумной дуги.

Наиболее эффективно для равномерной выработки материала катода применение средств магнитной стабилизации катодного пятна. Данные средства обеспечивают создание внешнего неоднородного магнитного поля, с помощью которого осуществляется удержание катодного пятна в пределах рабочей поверхности катода. Магнитная стабилизация катодного пятна основана на установленных закономерностях перемещения катодного пятна во внешнем неоднородном магнитном поле, силовые линии которого пересекают поверхность катода под острым углом вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 . Катодное пятно вакуумной дуги в достаточно сильном неоднородном магнитном поле, с индукцией поля более 10 мТл, движется по поверхности катода в азимутальном направлении перпендикулярно тангенциальной составляющей магнитного поля и одновременно смещается в сторону острого угла вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 (со стороны тупого угла 180°-вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 ) в радиальном направлении.

Известно устройство с магнитной стабилизацией катодного пятна согласно авторскому свидетельству СССР № 307666, МПК: С23С 13/12, опубликовано 08.01.1979). Электродуговой испаритель металлов включает в свой состав корпус, выполненный из немагнитного материала, который служит анодом, катод, установленный внутри корпуса, водоохлаждаемый токоподвод катода и поджигающий электрод. Снаружи корпуса, соосно катоду размещен стабилизирующий соленоид, обеспечивающий создание неоднородного магнитного поля в области рабочей поверхности катода. Силовые линии магнитного поля пересекают боковую поверхность катода под острым углом вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 =15°÷20°.

В процессе работы катодные пятна могут выходить на нерабочую боковую поверхность катода, но под действием магнитного поля перемещаются в направлении острого угла вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 к торцевой рабочей части катода, у поверхности которой силовые линии магнитного и электрического поля в целом параллельны друг другу. При переходе катодного пятна на боковую нерабочую поверхность разряд не прерывается, поскольку не нарушается электрическая связь с анодом. Благодаря протеканию данных процессов устройство способно работать при наличии на катоде только одного катодного пятна.

Описанный принцип магнитной стабилизации предполагает уход катодного пятна на боковую нерабочую поверхность катода с последующим возвращением пятна на торцевую рабочую поверхность. Катодное пятно, перемещающееся по боковой поверхности катода, находится под влиянием двух конкурирующих воздействий. Катодное пятно стремится перемещаться в направлении острого угла, образованного силовыми линиями внешнего магнитного поля. Вместе с тем пятно двигается в сторону токоподвода за счет взаимодействия разрядного тока с собственным азимутальным магнитным полем. При этом собственное магнитное поле индуцируется током, протекающим по телу катода и через прямолинейный токоподвод.

Наличие собственного азимутального магнитного поля, создаваемого вокруг боковой поверхности катода и токоподвода, значительно повышает вероятность ухода пятна с торцевой рабочей поверхности на боковую нерабочую поверхность катода и далее на токоподвод. В результате проведенных исследований было установлено, что уход пятна на боковую поверхность катода вызывает нестабильность работы источника плазмы, причем дальнейшее смещение катодного пятна на токоподвод приводит к аварийной ситуации.

Таким образом, для устройств с магнитной стабилизацией и автостабилизацией катодного пятна стоит задача по снижению напряженности собственного азимутального магнитного поля. Данная задача направлена на повышение стабильности и надежности работы вакуумно-дуговых источников плазмы.

Наиболее близким аналогом изобретения является вакуумно-дуговой источник плазмы, снабженный средством магнитной стабилизации катодного пятна. Данное средство выполнено в виде источника магнитодвижущей силы, создающего неоднородное магнитное поле в области рабочей поверхности катода. Конструкция известного устройства описана в патенте США № 2972695, МПК: В23К 9/073, С23С 14/32, опубликован 21.02.1961). Устройство содержит катод осесимметричной формы, анод, установленный соосно либо со смещением относительно катода, устройство поджига вакуумно-дугового разряда, и токоподвод, соединяющий источник электропитания разряда с катодом со стороны, противоположной рабочей поверхности катода. Источник магнитодвижущей силы выполняется в виде охлаждаемой электромагнитной катушки с магнитопроводом или в виде сборки постоянных магнитов с магнитными полюсами.

После зажигания вакуумной дуги между разрядными электродами стабилизация катодного пятна на рабочей поверхности катода обеспечивается за счет возбуждения внешнего неоднородного магнитного поля, силовые линии которого пересекают поверхность катода под острым углом вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 . Вследствие взаимодействия составляющей магнитного поля, действующей параллельно поверхности катода, с разрядным током происходит азимутальное перемещение пятна в обратном «антиамперовом» направлении по отношению к направлению движения пятна, вызванного действием собственного азимутального магнитного поля. Азимутальный ток, протекающий по поверхности катода, взаимодействует, в свою очередь, с составляющей внешнего магнитного поля, направленной перпендикулярно поверхности катода. В результате электромагнитного взаимодействия происходит смещение катодного пятна в направлении острого угла вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 , и пятно приобретает вращательное движение по спирали на торцевой поверхности катода.

Применение магнитной стабилизации катодного пятна обеспечивает достаточно равномерную эрозию рабочей поверхности катода и удержание пятна в заданных пределах поверхности катода. Однако для осуществления магнитной стабилизации пятна в известном устройстве требуется достаточно сложная магнитная система, служащая для генерации внешнего неоднородного магнитного поля у поверхности катода.

Кроме того, внешнее магнитное поле в области рабочей поверхности катода существенно искажается за счет собственного магнитного поля разрядного тока, протекающего по прямолинейному токоподводу, соединенному с тыльной стороной катода. Поскольку токоподвод имеет преимущественно прямолинейную форму и направлен соосно осесимметричному катоду, собственное магнитное поле разряда у рабочей поверхности катода имеет преимущественно азимутальное направление. Величина напряженности азимутального магнитного поля зависит от величины осевого тока, протекающего через прямолинейный проводник, и от длины этого проводника (длины элемента осевого тока). Взаимодействие азимутального магнитного поля с разрядным током у поверхности катода обуславливает уход пятна на боковую нерабочую поверхность катода и далее на токоподвод.

Изобретение направлено на снижение величины собственного азимутального магнитного поля у торцевой поверхности катода за счет преобразования направления собственного магнитного поля из азимутального в осевое. Создание у рабочей поверхности катода преимущественно осевого магнитного поля, силовые линии которого пересекают боковую поверхность катода под острым углом, позволит удерживать катодное пятно в пределах рабочей поверхности. При этом следует отметить, что преобразование направления магнитного поля при использовании изобретения обеспечивается не с помощью дополнительной магнитной системы, а посредством применения токоподвода определенной пространственной формы.

Решение поставленной технической задачи обеспечивает достижение следующих технических результатов: повышение надежности вакуумно-дугового источника плазмы, повышение стабильности генерации потоков плазмы при работе устройства, упрощение конструкции устройства (за счет исключения основной стабилизирующей магнитной системы) и повышение энергетической эффективности устройства (за счет использования разрядного тока для возбуждения стабилизирующего магнитного поля).

Указанные выше технические результаты достигаются при использовании вакуумно-дугового источника плазмы, содержащего катод, снабженный средством стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности катода, и анод. В качестве анода может использоваться корпус устройства либо дополнительный электрод, например кольцевой формы, установленный соосно катоду. Источник плазмы включает также в свой состав устройство поджига вакуумно-дугового разряда и, по меньшей мере, один токоподвод, соединяющий источник электропитания разряда с катодом со стороны, противоположной рабочей поверхности катода. Токоподвод согласно изобретению выполняется в виде изогнутого проводника, служащего средством стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода. Осевая линия проводника имеет форму пространственной винтовой линии. Угол подъема осевой линии витков проводника не превышает 20°.

Достижение технических результатов, обеспечиваемое за счет использования вакуумно-дугового устройства, в состав которого входят перечисленные выше элементы конструкции, связано с осуществлением следующих процессов, протекающих во время работы устройства.

В известных вакуумно-дуговых устройствах собственное азимутальное магнитное поле создается при протекании разрядного тока через катод и прямолинейный токоподвод. Длина токоподвода значительно больше характерного размера катода (длины или толщины катода), поэтому токоподвод дает основной вклад в генерацию суммарного азимутального магнитного поля. В устройстве, выполненном согласно изобретению, токоподвод имеет форму изогнутого проводника, служащего электромагнитной катушкой. С помощью токоподвода создается стабилизирующее магнитное поле, обеспечивающее удержание катодного пятна в пределах рабочей поверхности катода. При данном конструктивном выполнении азимутальное магнитное поле создается только осевой компонентой тока, протекающего через тело катода. Напряженность азимутального поля в данном случае значительно меньше напряженности азимутального поля, создаваемого при протекании разрядного тока через прямолинейный токоподвод.

Снижение напряженности азимутального магнитного у поверхности катода приводит, в свою очередь, к ослаблению электромагнитного воздействия, смещающего катодное пятно в сторону токоподвода. Кроме того, неоднородное магнитное поле, создаваемое токоподводом в виде изогнутого проводника, осевая линия которого имеет форму пространственной винтовой линии, является аксиально расходящимся. Форма силовых линий такого поля препятствует перемещению катодного пятна в сторону боковой нерабочей поверхности катода и токоподвода. Это связано с тем, что силовые линии собственного магнитного поля пересекают боковую поверхность катода под острым углом. В результате этого создаются условия для смещения пятна с боковой на торцевую поверхность катода, обеспечивая тем самым магнитную стабилизацию катодного пятна в пределах рабочей поверхности.

Существенным условием преобразования азимутального магнитного поля в поле преимущественно осевого направления у поверхности катода является выполнение токоподвода в виде изогнутого проводника, осевая линия которого имеет форму пространственной винтовой линии. Угол подъема осевой линии витков проводника не должен превышать 20°. При указанных значениях угла подъема осевой линии витков проводника, как показали экспериментальные исследования, проявляется эффект преобразования азимутального магнитного поля в поле преимущественно осевого направления. С данным эффектом связано существенное снижение вероятности ухода катодного пятна в сторону токоподвода.

Возможно применение токоподводов различной пространственной формы. В частности, огибающая поверхность токоподвода может иметь форму цилиндра либо усеченного конуса. При использовании токоподвода в форме усеченного конуса меньшее основание конуса располагается со стороны катода.

Возможны также различные варианты выполнения токоподвода в зависимости от соотношения диаметров токоподвода (DT) и катода (DK). Наружный диаметр токоподвода DT может быть меньше диаметра катода DK . В этом случае диаметры DT и DK предпочтительно выбираются из условия: DT=(0,2÷0,9)DK .

В другом варианте конструкции устройства наружный диаметр токоподвода может быть больше диаметра катода. Такое выполнение токоподвода позволяет усилить осевую составляющую собственного магнитного поля у торцевой части катода. Данное конструктивное выполнение дает возможность, наряду со смещением катодного пятна с боковой на торцевую поверхность катода, обеспечить стабилизацию пятна на рабочей торцевой поверхности катода за счет преимущественно осевого направления магнитного поля на торцевой поверхности катода. В этом случае диаметры DT и D K целесообразно выбирать из условия:

D Tвакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 1,3 DK.

С целью усиления эффекта стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода вакуумно-дуговой источник плазмы может содержать дополнительное средство стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода. Такое средство может быть выполнено в виде стабилизирующей электромагнитной катушки, установленной соосно катоду. В другом варианте конструкции устройства дополнительное средство стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода выполняется в виде кольцевого электропроводящего экрана, установленного соосно катоду и электроизолированного от катода.

Для фокусировки генерируемого потока эрозионной плазмы материала, из которого выполнен катод, целесообразно использовать фокусирующую электромагнитную катушку. Такая катушка устанавливается на корпусе устройства.

При достаточно длительном функционировании вакуумно-дугового источника плазмы на стационарном режиме катод и токоподвод снабжаются системой принудительного водяного охлаждения. Система охлаждения необходима для исключения перегрева наиболее теплонапряженных элементов конструкции и обеспечения заданного теплового режима при длительной работе устройства.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения вакуумно-дугового источника плазмы, входящего в состав технологической установки, предназначенной для нанесения на изделия металлических покрытий.

На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 изображен продольный разрез вакуумно-дугового источника плазмы;

на фиг.2 схематично изображен токоподвод, наружный диаметр (DT) которого меньше диаметра катода (DK);

на фиг.3 схематично изображен токоподвод, наружный диаметр (DT) которого превышает диаметр катода (DK).

Вакуумно-дуговой источник плазмы, изображенный на фиг.1, включает в свой состав корпус 1, служащий анодом устройства. Корпус 1 выполнен из немагнитной стали и подключен к положительному полюсу источника электропитания вакуумной дуги (не показан).

В полости корпуса 1 размещен катод 2 в форме усеченного конуса. Катод 2 выполнен из рабочего металла и закреплен на установочном фланце 3 трубчатого корпуса 4 системы водяного охлаждения с помощью фиксатора 5. Катод 2 электроизолирован от корпуса 1, находящегося под анодным потенциалом, через изолятор 6, имеющий форму трубки. Корпус 4 соединен с магистралями подачи и слива воды через патрубки 7 и 8 соответственно. Поджигающий электрод 9 устройства поджига вакуумно-дугового разряда установлен в корпусе 1 и соединен с источником высокого напряжения (не показан).

Токоподвод, соединяющий катод 2 с отрицательным полюсом источника электропитания вакуумной дуги, выполнен в виде изогнутого проводника 10, осевая линия которого имеет форму пространственной винтовой линии. Угол вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 подъема осевой линии витков проводника 10 составляет в рассматриваемом примере реализации изобретения 8° (см. фиг.2). Внешняя огибающая поверхность токоподвода имеет форму цилиндра. Наружный диаметр токоподвода DT составляет ~0,3 D K. Токоподвод представляет собой электромагнитную катушку, образованную изогнутым проводником 10, и выполняет функцию средства магнитной стабилизации катодного пятна на торцевой рабочей поверхности катода 2. Силовые линии собственного магнитного поля, возбуждаемого при протекании разрядного тока через токоподвод и тело катода 2, имеют преимущественно осевое направление и пересекают боковую поверхность катода 2 под острым углом. Направление вектора индукции вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 собственного магнитного поля у поверхности катода 2 показано на фиг.1 и 2.

В другом варианте конструкции устройства внешняя огибающая поверхность токоподвода может иметь форму усеченного конуса (данный вариант конструкции не показан). В этом случае меньшее основание усеченного конуса располагается со стороны катода 2, а большее - со стороны источника электропитания вакуумной дуги. Средний наружный диаметр токоподвода, выполненного в форме усеченного конуса, предпочтительно выбирается не менее 0,3 D K.

Возможен другой вариант выполнения конструкции устройства, изображенный на фиг.3, согласно которому наружный диаметр токоподвода превышает диаметр катода 2: DT =1,5 DK. В этом случае силовые линии собственного магнитного поля вблизи центральной части рабочей поверхности катода 2 максимально приближены к осевому направлению, при котором обеспечивается стабилизация катонного пятна на рабочей поверхности катода 2. Направление вектора индукции вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 собственного магнитного поля для рассматриваемого варианта устройства показано на фиг.3. Угол вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 подъема осевой линии витков проводника 10 в данном примере реализации вакуумно-дугового источника плазмы составляет 5°.

Источник плазмы содержит также дополнительное средство магнитной стабилизации катодного пятна на поверхности катода 2, в качестве которого используется электромагнитная катушка 11, установленная на корпусе 1 соосно катоду 2. Силовые линии магнитного поля, создаваемого электромагнитной катушкой 11, направлены преимущественно перпендикулярно торцевой рабочей поверхности катода 2. Направление вектора индукции вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 внешнего магнитного поля у поверхности катода 2 показано на фиг.1.

На корпусе 1 установлена фокусирующая электромагнитная катушка 12, предназначенная для фокусировки потока эрозионной плазмы, генерируемой при испарении материала катода 2. Катушка 12 размещена соосно катоду 2 за пределами стабилизирующей электромагнитной катушки 11 в направлении движения потока генерируемой плазмы (к обрабатываемому изделию).

Возможен также вариант конструкции устройства, согласно которому дополнительное средство стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода выполняется в виде кольцевого электропроводящего экрана (не показан). Такой экран устанавливается соосно катоду и электроизолируется от него с помощью кольцевого изолятора. Экран может соединяться с анодом через резистор и/или конденсатор.

Работа вакуумно-дугового источника плазмы осуществляется следующим образом.

Для работы устройства в стационарном режиме с длительным процессом обработки изделий предварительно включают систему принудительного охлаждения катода и токоподвода. Вода подается из напорной магистрали системы охлаждения в трубчатый корпус 4 через патрубок 7, протекает через центральный канал к охлаждаемой поверхности катода 2, а затем перетекает через периферийный кольцевой канал корпуса 4, охлаждая поверхность проводника 10. После отбора тепловых потоков от нагретых элементов конструкции нагретая вода направляется через патрубок 8 в магистраль слива жидкости системы охлаждения.

Инициация вакуумного дугового разряда между анодом 1 и катодом 2 осуществляется с помощью поджигающего электрода 9 системы поджига разряда. На электрод 9 подается напряжение, необходимое для пробоя межэлектродного промежутка, от источника высокого напряжения. После зажигания основного разряда подача высокого напряжения на электрод 9 прекращается. В результате инициации вакуумной дуги вблизи поджигающего электрода 9 на боковой поверхности катода 2 образуется катодное пятно, которое перемещается по поверхности, главным образом, под действием электромагнитных сил.

Разрядный ток, протекая через катод 2 по изогнутому в форме винтовой линии проводнику 10, индуцирует собственное магнитное поле в осевом направлении. Силовые магнитного поля пересекают боковую поверхность катода 2 под острым углом. На торцевой рабочей поверхности катода 2 силовые линии магнитного поля имеют преимущественно осевое направление в силу незначительности влияния азимутального магнитного поля, индуцируемого разрядным током, протекающим в осевом направлении через тело катода 2.

Создание собственного магнитного поля преимущественно осевого направления у поверхности катода 2 достигается при относительно небольшом угле вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 наклона (подъема) осевой линии витков проводника 10: угол вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 выбирается не более 20°. В этом случае происходит преобразование азимутального магнитного поля, индуцируемого прямолинейным участком проводника, в осевое магнитное поле, индуцируемое изогнутым в форме винтовой линии участком проводника. Таким образом, токоподвод вакуумно-дугового источника плазмы, представляющий собой по существу электромагнитную катушку, выполняет функцию основного средства стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода 2.

Дополнительное средство стабилизации катодного пятна, используемое в составе устройства в виде стабилизирующей электромагнитной катушки 11, служит для корректировки направления силовых линий и усиления суммарного магнитного поля у торцевой рабочей поверхности катода 2. Магнитное поле, создаваемое стабилизирующей электромагнитной катушкой 11, также пересекает боковую поверхность катода 2 под острым углом и имеет осевое направление, как и собственное магнитное поле, индуцируемое разрядным током, протекающим через проводник 10. Магнитные поля с индукциями вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 и вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 складываются по принципу суперпозиции полей и образуют более сильное магнитное поле вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 , действующее в осевом направлении, обеспечивающем наиболее эффективную стабилизацию катодного пятна на рабочей поверхности катода 2.

Следует отметить, что вблизи боковой поверхности катода действует слабое азимутальное магнитное поле, индуцируемое разрядным током, протекающим через тело катода 2 в осевом направлении. Однако величина азимутального поля пренебрежимо мала по сравнению с величиной суммарного осевого магнитного поля вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 , поэтому азимутальное поле не оказывает существенного влияния на организацию процесса перемещения катодного пятна по поверхности катода. Кроме того, в области контакта катода 2 с фиксатором 5 азимутальное магнитное поле практически отсутствует. Благодаря этому исключается возможность сбегания катодного пятна на торцевую часть фиксатора 5, обращенную к токоподводу.

Под действием суммарного магнитного поля с индукцией вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 катодное пятно смещается с боковой поверхности на торцевую рабочую поверхность катода согласно закономерности движения катодного пятна в неоднородном магнитном поле, силовые линии которого пересекают поверхность катода под острым углом. В результате действия суммарного магнитного поля катодное пятно перемещается в направлении к острому углу наклона силовых линий поля.

В процессе работы вакуумно-дугового источника плазмы происходит хаотическое движение катодного пятна по торцевой рабочей поверхности катода 2. Катодное пятно может сместиться за пределы торцевой рабочей поверхности и выйти на боковую поверхность катода 2. Однако под действием суммарного неоднородного магнитного поля с индукцией вакуумно-дуговой источник плазмы, патент № 2382118 пятно перемещается в сторону острого угла, образованного силовыми линиями поля с поверхностью катода, т.е. в направлении к торцевой рабочей поверхности. За счет стабилизации катодного пятна в пределах торцевой рабочей поверхности происходит равномерная эрозия материала катода на всей торцевой рабочей поверхности катода.

Генерируемый в процессе равномерного испарения металлического катода поток эрозионной плазмы формируется и фокусируется в полсти корпуса 1 с помощью магнитного поля, создаваемого фокусирующей электромагнитной катушкой 12, которая установлена в рассматриваемом примере реализации изобретения на корпусе 1 соосно катоду 2. Величина напряженности фокусирующего магнитного поля выбирается ниже значений, необходимых для стабилизации катодного пятна, и составляет не более 90Э.

В результате проведенных исследований было установлено, что при работе вакуумно-дугового источника плазмы в импульсных и стационарных режимах катодное пятно стабилизируется в пределах торцевой рабочей поверхности катода и легко возвращается на рабочую поверхность при кратковременном смещении на боковую поверхность катода. Устройство обладает высокой надежностью и стабильностью работы. Использование изобретения исключает аварийные ситуации, связанные со смещением катодного пятна на тыльную часть катода и затем на токоподвод.

Перечисленные преимущества позволяют использовать вакуумно-дуговой источник плазмы в составе технологических установок, работа которых основана на генерации высокоскоростных потоков металлической плазмы, распространяющихся в вакууме или в разряженной атмосфере химически активных газов. Такого рода установки могут применяться для решения ряда технологических задач, связанных с созданием защитных и декоративных покрытий на основе как чистых металлов и их сплавов, так и различных химических соединений металлов: нитридов, карбидов, оксидов.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2382118

patent-2382118.pdf

Класс C23C14/35 с использованием магнитного поля, например распыление магнетроном

магнитный блок распылительной системы -  патент 2528536 (20.09.2014)
способ защиты поверхности алюминия от коррозии -  патент 2522874 (20.07.2014)
устройство для ионно-плазменного нанесения многокомпонентных пленок в вакууме -  патент 2522506 (20.07.2014)
терморегулирующий материал, способ его изготовления и способ его крепления к поверхности корпуса космического объекта -  патент 2515826 (20.05.2014)
способ транспортировки с фильтрованием от макрочастиц вакуумно-дуговой катодной плазмы и устройство для его осуществления -  патент 2507305 (20.02.2014)
способ получения электропроводящего текстильного материала -  патент 2505256 (27.01.2014)
распылительный узел плоского магнетрона -  патент 2500834 (10.12.2013)
способ получения прозрачного проводящего покрытия из оксида металла путем импульсного высокоионизирующего магнетронного распыления -  патент 2499079 (20.11.2013)
способ вакуумно-плазменного осаждения покрытия на режущую пластину из твердосплавного материала -  патент 2494173 (27.09.2013)
способ получения градиентного каталитического покрытия -  патент 2490372 (20.08.2013)

Класс H05H1/50 и с использованием внешних магнитных полей, например для фокусирования или вращения дуги

Наверх