способ локализации области перемещения катодных пятен вакуумной дуги на поверхности испарения протяженного катода

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ ОБЛАСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КАТОДНЫХ ПЯТЕН ВАКУУМНОЙ ДУГИ НА ПОВЕРХНОСТИ ИСПАРЕНИЯ ПРОТЯЖЕННОГО КАТОДА, включающий возбуждение с помощью системы поджига на поверхности испарения катода вакуумной дуги и создание в междуэлектродном пространстве над областью преимущественно необходимой локализации перемещений катодных пятен зоны с электрическими свойствами, отличными от свойств остального междуэлектродного пространства, отличающийся тем, что над областью преимущественно необходимой локализации перемещений катодных пятен формируют зону с минимальным междуэлектродным напряжением горения дуги, а при возбуждении вакуумной дуги на поверхности испарения катода формируют по меньшей мере два катодных пятна посредством подбора необходимой величины тока дуги.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зону с минимальным междуэлектродным напряжением горения дуги формируют посредством создания магнитного поля, силовые линии которого одновременно пересекают поверхность испарения катода в области преимущественно необходимой локализации перемещений катодных пятен и поверхность анода.

3. Способ пр п.2, отличающийся тем, что зону с минимальным междуэлектродным напряжением горения дуги перемещают по поверхности испарения катода посредством изменения величины и направления создаваемого магнитного поля по заданной программе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области вакуумно-плазменного нанесения покрытий и может быть использовано в машиностроении при нанесении покрытий на изделия преимущественно в тех случаях, когда требуется получать покрытия заданного профиля.

Известен способ локализации области перемещения катодных пятен вакуумной дуги на поверхности испарения катода с помощью изолированных от катода экранов, установленных в непосредственной близости от тех участков поверхности катода, на которые нежелательно перемещение катодных пятен вакуумной дуги [1]

К недостатку такого способа локализации следует отнести невозможность управления положением области перемещения катодных пятен в процессе работы по заданной программе.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ локализации области перемещения катодных пятен вакуумной дуги на поверхности испарения катода с помощью магнитных полей "арочной" конфигурации [2]

Известно, что катодное пятно вакуумной дуги на поверхности катода, помещенного в магнитное поле, силовые линии которого наклонены к поверхности катода, при своем движении смещается в сторону наклона силовых линий. В магнитных полях "арочной" конфигурации катодные пятна удерживаются под вершиной магнитной "арки". В процессе работы с электродуговыми испарителями, в которых катодные пятна удерживаются в магнитных полях "арочной" конфигурации, выяснилось, что надежное удержание катодных пятен возможно только при относительно малых токах, когда на поверхности испарения катода существует только одно катодное пятно, а при больших токах (сотни ампер) дуги, когда на поверхности катода существует множество катодных пятен, катодные пятна стремятся уйти из- под вершины "арки".

В основу изобретения положена задача разработки способа локализации области перемещения катодных пятен вакуумной дуги на поверхности протяженного катода при токах дуги, когда на поверхности катода существуют два и более катодных пятна, и обеспечения управления перемещением этой области в пределах всей поверхности испарения катода.

Это достигается тем, что при осуществлении способа локализации области перемещения катодных пятен вакуумной дуги на поверхности испарения протяженного катода, включающего возбуждение с помощью системы поджига на поверхности испарения катода вакуумной дуги и создание в межэлектродном пространстве над областью преимущественно необходимой локализации перемещений катодных пятен зоны с электрическими свойствами, отличными по отношению к свойствам остального межэлектродного пространства, согласно изобретению над областью преимущественно необходимой локализации перемещений катодных пятен формируют зону с минимальным межэлектродным напряжением горения дуги, а при возбуждении вакуумной дуги на поверхности испарения катода формируют по меньшей мере два катодных пятна посредством подбора необходимой величины тока дуги.

При этом одним из возможных вариантов создания условий, при которых напряжение горения дуги является функцией положения катодного пятна на поверхности испарения катода, является формирование зоны с минимальным межэлектродным напряжением горения дуги посредством создания магнитного поля, силовые линии которого одновременно пересекают поверхность испарения катода в области преимущественно необходимой локализации перемещений катодных пятен и поверхность анода.

Для получения открытий с заданным профилем на поверхности протяженного обрабатываемого изделия, установленного напротив протяженного катода, зону с минимальным межэлектродным напряжением горения дуги необходимо перемещать по поверхности испарения катода посредством изменения величины и направления создаваемого магнитного поля по заданной программе (тем самым перемещают по катоду область локализации катодных пятен).

Физическое обоснование предлагаемого способа следующее.

При наличии на поверхности катода нескольких катодных пятен напряжение на электродах определяется положением катодного пятна, находящегося в области катода с минимальным напряжением. Катодные пятна, попадающие в процессе хаотичного перемещения на участки катода с большим межэлектродным напряжением, существовать не могут, поскольку напряжение на электродах минимально. Эти катодные пятна прекращают свое существование, а катодные пятна, находящиеся на поверхности катода в минимуме межэлектродного напряжения, делятся. Этот процесс осуществляется непрерывно, и удержание катодных пятен в области катода с минимальным межэлектродным напряжением осуществляется тем эффективней, чем больше ток дуги, т.е. чем больше катодных пятен на поверхности катода. При наличии двух катодных пятен на поверхности катода это тот минимум межэлектродного напряжения, при котором начинает работать вышеописанный принцип и имеется вероятность одновременного ухода двух катодных пятен из области с минимальным межэлектродным напряжением, особенно если на поверхности катода существуют магнитные поля, вызывающие направленное движение катодного пятна в этом направлении.

При перемещении области с минимальным напряжением вдоль поверхности испарения катода добиваются перемещения области испарения по поверхности испарения протяженного катода.

На фиг. 1 и 2 изображен схематически электродуговой испаритель металлов, в котором зону с минимальным межэлектродным напряжением горения дуги формируют посредством внешнего управляемого магнитного поля.

На фиг. 1 токи в соленоидах i₆ 0 А; i₅2,5 А.

На фиг. 2 токи в соленоидах i₆ 1,25 А; i₅ 2,5 А.

Электродуговой испаритель содержит катод 1 из испаряемого материала, имеющий поверхность 2 испарения. Анод 3 в виде полого короткого цилиндра установлен над поверхностью испарения катода 1. Вся поверхность катода 1, за исключением поверхности 2 испарения, закрыта экраном 4. Имеются два соленоида 5 и 6 катода 1 и анода 3 соответственно. На фиг. 1 и 2 обозначены также силовые линии 7 и 8 суммарного магнитного поля соленоидов 5 и 6 (показана только правая часть силовых линий, левая часть расположена зеркально-симметрично и на фиг. 1 и 2 не показана) и области 9 и 10 локализации перемещений катодных пятен дуги на поверхности испарения катода.

Заявленный способ, реализуемый вышеописанным устройством, заключается в следующем. На поверхности испарения катода с помощью системы поджига возбуждают вакуумную дугу и создают в межэлектродном пространстве над областью преимущественно необходимой локализации перемещений катодных пятен зону с минимальным межэлектродным напряжением горения дуги. Причем при возбуждении вакуумной дуги на поверхности испарения катода формируют по меньшей мере два катодных пятна посредством подбора необходимой величины тока дуги. При этом зону с минимальным межэлектродным напряжением горения дуги можно формировать посредством создания магнитного поля, силовые линии которого одновременно пересекают поверхность испарения катода в области преимущественно необходимой локализации перемещений катодных пятен и поверхность анода.

Зону с минимальным межэлектродным напряжением горения дуги можно перемещать по поверхности испарения катода посредством изменения величины и направления создаваемого магнитного поля по заданной программе.

Реализация способа локализации области перемещения катодных пятен вакуумной дуги производилась на примере работы электродугового испарения металлов.

При возбуждении дуги на поверхности 2 испарения катода 1 на последней появляются катодные пятна, которые в отсутствие магнитных полей хаотически перемещаются по поверхности 2 испарения. Экран 4 препятствует перемещению катодных пятен вакуумной дуги по остальной нерабочей поверхности катода 1.

При включении соленоидов 5 и 6 (соленоиды включены встречно) в межэлектродном пространстве между катодом 1 и анодом 3 образуется магнитное поле. В зависимости от соотношений токов в соленоидах 5 и 8 конфигурация магнитных полей различна. Так, на фиг.1 изображена такая конфигурация полей, при которой силовые линии магнитного поля, одновременно пересекающие поверхности катода 1 и анода 3, проходят по периферии плоского цилиндрического катода области 9. На фиг. 2 показана конфигурация магнитных полей, получаемая при увеличении тока в соленоиде 6, при которых силовые линии магнитного поля, одновременно пересекающие катод и анод, проходят через центральную часть 10 поверхности 2 испарения катода 1. Напряжение горения дугового разряда при нахождении катодного пятна в зонах 9 (фиг.1) и 10 (фиг.2) межэлектродного пространства минимально, поскольку электроны, движущиеся вдоль силовых линий магнитного поля, не испытывают воздействия магнитного поля. Если силовая линия магнитного поля проходит через поверхность 2 испарения катода 1, но не проходит через поверхность анода 3, то в межэлектродном пространстве, заключенном между силовыми линиями, пересекающими и не пересекающими анод, возникают области с взаимно перпендикулярными электрическими и магнитными полями, которые вызывают появление дополнительного напряжения, величина которого тем больше, чем больше величина магнитного поля и чем дальше линия магнитного поля отстоит от анода.

При конфигурации магнитных полей, изображенной на фиг. 1 (эта конфигурация соответствует включенному соленоиду 5 и отключенному соленоиду 6), катодные пятна перемещаются по периферии катода (область 9). При конфигурации магнитных полей, изображенной на фиг.2, катодные пятна перемещаются по центральной части катода (область 10). Эта конфигурация соответствует определенному соотношению токов в соленоидах 5 и 6, включенных встречно.

Если плавно изменять ток в соленоиде 6 от нуля до значения, соответствующего соотношению токов в конфигурации магнитных полей на фиг.2, то области перемещения катодных пятен плавно изменяются от периферийных областей к центру и наоборот.

Если изменять соотношение токов в соленоидах по определенному (заданному) закону, то по такому же закону передвигается по поверхности 2 катода область локализации перемещений катодных пятен, что можно использовать для корректировки толщины покрытия на обрабатываемом изделии.

Проверка работоспособности предлагаемого способа осуществлялась на устройстве следующих габаритов: диаметр водоохлаждаемого катода из нержавеющей стали 400 мм. На расстоянии 100 мм от катода устанавливался водоохлаждаемый анод в виде полого цилиндра высотой 100 мм, диаметром 500 мм. Снаружи катода и анода устанавливались соленоиды, охватывающие катод и анод соответственно. Данные соленоидов приведены в таблице.

Экспериментально показано, что при включенном только соленоиде катода (конфигурация магнитного поля на фиг.1) катодные пятна перемещаются по периферии катода в пределах зоны 50 мм от края катода.

При соотношении токов в соленоидах (конфигурация магнитного поля на фиг. 2) i₆/i₅ 1,5/2,5 катодные пятна перемещаются только в центральной части диаметром 150 мм.

Таким образом, показано, что предложенный способ локализации области перемещения катодных пятен практически осуществим.