способ вакуумно-дугового нанесения покрытий
Классы МПК: | C23C14/40 с помощью разряда переменного тока, например высокочастотного разряда |
Автор(ы): | Кузнецов Вячеслав Геннадьевич (RU), Лисенков Александр Аркадьевич (RU) |
Патентообладатель(и): | ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОВЕДЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-11-06 публикация патента:
10.07.2009 |
Изобретение относится к способу вакуумно-дугового нанесения покрытий и может быть использовано для получения газопоглотительных покрытий. Способ включает формирование потока металлической плазмы из катодных пятен вакуумно-дугового разряда. Нанесение покрытий проводят при постоянной начальной температуре катода для каждой последующей обрабатываемой партии деталей. Для этого периодически изменяют диаметр канавки, расположенной в теле катода со стороны системы охлаждения, в соответствии с выражением ,
где D1 - диаметр канавки, м; DK - диаметр катода, м; µ - коэффициент электропереноса, кг/Кл; Iразр - величина разрядного тока, А; - плотность материала катода, кг/м3; S K - площадь торцевой (рабочей) поверхности катода, м 2; L1 - ширина канавки, м; t - полное время наработки катода, затраченное на все предыдущие партии обрабатываемых деталей, с. В результате получают плазменный поток с постоянным составом генерируемой капельной фазы, обеспечивающий воспроизводимость результатов свойств, формируемых покрытий, и повышение качества покрытия. Кроме этого метод перспективен при получении антиэмиссионных покрытий на сеточных электродах мощных генераторных ламп. 1 ил.
Формула изобретения
Способ вакуумно-дугового нанесения покрытий на несколько партий деталей, включающий формирование потока металлической плазмы вакуумно-дугового разряда с использованием катода из напыляемого материала и с системой охлаждения и последовательное нанесение покрытий на каждую партию деталей, отличающийся тем, что на каждую последующую обрабатываемую партию деталей нанесение покрытий проводят при постоянной начальной температуре катода, для чего используют катод с выполненной в его теле со стороны расположения системы охлаждения канавкой, диметр которой периодически изменяют после нанесения покрытия на каждую партию деталей в соответствии с выражением
где D1 - диаметр канавки, м;
Dк - диаметр катода, м;
µ - коэффициент электропереноса, кг/Кл;
Iразр - величина разрядного тока, А;
- плотность материала катода, кг/м3;
Sк - площадь торцевой (рабочей) поверхности катода, м2;
L1 - ширина канавки, м;
t - полное время наработки катода, затраченное на все предыдущие партии обрабатываемых деталей, с.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к вакуумно-плазменной технологии нанесения покрытий, преимущественно, к технологии нанесения газопоглотительных покрытий постоянного состава из потоков металлической плазмы вакуумно-дугового разряда.
К газопоглотителям относятся вещества с высокой поглощающей способностью по отношению к кислороду, водороду, азоту, углекислому газу, окиси углерода и др. газам, кроме инертных. Газопоглотители используются в вакуумных приборах для поглощения газов и паров, остающихся после откачки или выделяющихся при работе приборов в наполненных инертными газами приборах - для очистки наполняющего газа от посторонних примесей, а также в качестве рабочего вещества вакуумных насосов. Применяются испаряющиеся и неиспаряющиеся газопоглотители. К неиспаряющимся газопоглотителям относятся такие материалы, как тантал, титан, цирконий, барий, церий, лантан и ниобий, которые обычно наносятся в виде тонкодисперсных металлических порошков на поверхность деталей приборов или в другом случае из них изготовляют целую деталь.
Для получения газопоглотительного материала высокого качества необходимо, чтобы формируемый слой имел достаточно развитую рыхлую поверхность. Известен способ получения газопоглотительного материала на подложке, изложенный в патенте RU № 2153206, H01J 007/18 B01J 020/02, в котором приготовляется тонкий слой частиц газопоглотительного материала с размером частиц менее 150 мкм в диспергирующей среде. Покрытие осаждается слоем суспензии газопоглотительного материала металлического носителя посредством сериграфического способа. Сушка покрытия и обжиг осуществляются в вакууме при 1073 1273К. Следует отметить сложность технологического процесса по изготовлению данного типа газопоглотительного слоя.
В работе Вильдгрубе В.Г., Церпицкий Б.Д., Шаронов В.Н., Шаталов С.М. Сетки мощных генераторных ламп.Проблемы, пути развития // Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Вып.2 (125), 1989. С.43-51 показана возможность использования титановых покрытий на сеточных электродах генераторных ламп в качестве геттерирующей поверхности, активно способствующей поддержанию благоприятных вакуумных условий в приборе. Из представленных методов нанесения покрытий отмечаются пульверизация и катафорез с последующим спеканием в вакууме и плазменно-дуговое напыление титанового порошка. Отмечено, что наиболее эффективным методом для нанесения покрытий на изделия электронной техники является экологически чистый метод вакуумного плазменно-дугового напыления с помощью торцевых холловских плазменных ускорителей.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков является способ получения газопоглотительного титанового покрытия из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда, представленный в статье Kuznezov V.G., Lisenkov A.A., Pavlova V.A., Vetrov N.Z. Influence of thermal cathode mode on properties of coatings reshaped settled, deposited from metal plasma of vacuum-arc dis-charge // Plasma Devices and operations. - 2002. - V.10. - № 3. - P.179-186.
В этом способе для нанесения титанового покрытия используют вакуумно-дуговые источники плазмы коаксиальной конструкции. Наличие в продуктах эрозии капельных образований приводит к получению шероховатого покрытия с развитой поверхностью. Данное условие оказывает благоприятное влияние на газопоглотительные свойства титановых покрытий.
Генерация капель происходит из-за образования на поверхности катода эрозионных кратеров. Максимальное количество капельных образований покидают рабочую поверхность катода под углом 20 30° к его плоскости.
В рабочих режимах эксплуатации титановые покрытия представляют геттерирующую поверхность, активно способствующую поддержанию благоприятных вакуумных условий в приборе. Титан поглощает активные газы и удерживает их в широком температурном диапазоне, начиная от 473К. Сорбционная емкость титановых покрытий зависит от его толщины, шероховатости и пористости, и в значительной степени определяется технологическим режимом его получения.
Для изучения влияния капельных образований на газопоглощающие свойства титановые покрытия осаждались на молибденовые основания, согнутые в дугу. Расстояние от центра катода испарителя до каждого участка подложки было выдержано практически одинаковым. Поэтому каждому ее элементу соответствовал определенный угол между плоскостью рабочей поверхности катода и радиусом дуги подложки, проведенным из центра катода к данному участку. После нанесения покрытия подложку разрезали на пластины одинаковой ширины с кратностью угла в 5° в пределах от 0 до 90°. Исследование эффективной сорбционной емкости производилось на специальной вакуумной установке. Для этого использовался или метод постоянного объема, или метод порций, основанный на замере изменения давления дозированного количества воздуха в объеме в течение установленного времени в интервале температур от 290 до 990К.
Показано, что эффективная удельная емкость газопоглотителя q (суммарное количество поглощенного воздуха, отнесенное к его площади) зависит от угла ориентации подложки в пространстве относительно рабочей поверхности катода : максимальное газопоглощение соответствует максимуму распределения капельных образований в рабочем объеме: в диапазоне телесных углов от 10 до 30 относительно точки пересечения катода и его продольной оси.
Недостатком данного способа получения газопоглотительного покрытия является изменение параметров генерируемого плазменного потока в процессе работы испарителя, что приводит к неоднородности формируемых покрытий.
Уменьшение длины катода приводит к улучшению охлаждения рабочей поверхности катода и уменьшению его рабочей температуры, что уменьшает количество капельных образований, генерируемых в плазменный поток и попадающих на обрабатываемое изделие при формировании покрытия.
Как правило, с одного катода нанесение покрытий осуществляют на несколько партий деталей. После нанесения покрытий на первую партию деталей вакуумную камеру вскрывают, детали первой партии извлекают и загружают вторую партию деталей, снова осуществляют процесс нанесения покрытий и т.д. При переходе от одного процесса напыления к последующему наблюдается изменение свойств формируемых покрытий за счет изменения количества и размеров микрокапель материала катода, характерного для каждой партии деталей.
Задачей заявляемого изобретения является разработка вакуумно-дугового способа нанесения покрытий с постоянным составом генерируемой капельной фазы, обеспечивающего воспроизводимость свойств металлических покрытий для всех партий деталей, достигаемая за счет формирования плазменного потока при постоянной начальной температуре катода вакуумно-дугового источника плазмы коаксиальной конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе вакуумно-дугового нанесения покрытий на несколько партий деталей, включающем формирование потока металлической плазмы вакуумно-дугового разряда с использованием катода из напыляемого материала и с системой охлаждения и последовательное нанесение покрытий на каждую партию деталей, на каждую последующую обрабатываемую партию деталей нанесение покрытий проводят при постоянной начальной температуре катода, для чего используют катод с выполненной в его теле со стороны расположения системы охлаждения канавкой, диаметр которой периодически изменяют после нанесения покрытий на каждую партию деталей в соответствии с выражением
где D1 - диаметр канавки, м;
DK - диаметр катода, м;
µ - коэффициент электропереноса, кг/Кл;
I разр - величина разрядного тока, А;
- плотность материала катода, кг/м3;
SK - площадь торцевой (рабочей) поверхности катода, м2;
L1 - ширина канавки, м;
t - полное время наработки катода, затраченное на все предыдущие партии обрабатываемых деталей, с.
Изменение геометрических размеров канавки в теле катода, расположенной со стороны системы охлаждения, позволяет для каждой последующей обрабатываемой партии деталей поддерживать начальную температуру катода на постоянном уровне, что обеспечивает
- воспроизводимость результатов свойств формируемых покрытий для всех партий изделий, полученных при использовании катода;
- повышение качества наносимого покрытия.
Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена конструкция цилиндрического катода: 1 - катод, изготовленный из материала напыляемого на обрабатываемые детали; 2 - рабочая поверхность катода диаметром Dк, на которой при существовании вакуумно-дугового разряда устанавливается рабочая температура Тк; 3 - охлаждаемая поверхность катода с установившейся рабочей температурой Тх; 4 - вытачиваемая канавка, шириной L1 и диаметром D1 с температурами со стороны рабочей поверхности Т1 и со стороны охлаждения Тх.
Количественный состав капельных образований связан с изменением в процессе работы интегральной температуры катода. Для постоянства фазового состава плазменного потока, выводимого в рабочий объем, по мере выработки материала катода необходимо для каждой последующей обрабатываемой партии деталей нанесение покрытия проводить при постоянной начальной температуре катода.
Авторами для решения данной задачи предлагается в процессе работы после каждого технологического процесса напыления изменять диаметр канавки 4 в теле катода 1, расположенной со стороны системы охлаждения, охлаждающей нерабочую поверхность катода 3.
Катод 1 выполняется из материала, напыляемого на обрабатываемое изделие. Катод через уплотнительную прокладку нерабочей поверхностью 3 вакуумно-плотно пристыковывается к системе охлаждения, имеющей температуру Тх. Дуговой разряд горит с противоположной стороны на рабочей поверхности катода 2, на которой в процессе работы устанавливается рабочая температура Тк.
За счет изменения диаметра канавки D1 открывается возможность управления тепловым режимом работы катода коаксиальной конструкции и перед каждым последующим процессом напыления задавать тепловой режим рабочей поверхности катода.
Рассмотрим режимы работы катода в различные моменты времени, соответствующие различной его длине.
В первоначальный момент времени, при t=0, когда длина катода максимальна - Lк0, a D1=0, для изменения температуры имеем следующие соотношения:
для 0 z L1;
для L1 z Lк0
Для текущего момента времени t будем иметь следующие изменения температуры:
для 0 z L1;
для L1 z LК
За время работы t, затраченное на все предыдущие партии нанесения покрытий, за счет испарения материала m=µIразр, (где µ - коэффициент электропереноса, Iразр - ток разряда, который постоянен на всем протяжении работы), длина катода от исходной Lк0 уменьшается
при Iразр=const,
на величину
При неизменном значении мощности Р к, выделяющейся на катоде, уменьшение его длины должно вызывать уменьшение температурного напора на рабочем участке Lк
Температура Тх фиксируется охлаждающей жидкостью
Для стабилизации температуры катода Т к на заданном уровне необходимо уменьшить Sк таким образом, чтобы увеличение Т1 компенсировало Тк.
Совместное решение представленных выражений позволяет получить конечное выражение, позволяющее установить связь рабочей температуры катода 1 с геометрическими размерами канавки 4 и поддерживать начальную температуру рабочей поверхности катода для каждой последующей обрабатываемой партии деталей на постоянном уровне:
Для реализации данного способа получения газопоглотительных покрытий используется вакуумно-дуговой источник плазмы коаксиальной конструкции с титановым катодом Dк =6·10-2 м, Ti=4.5·103 кг/м3, µTi=0.52·10-7 кг/Кл. Источник плазмы работает в стационарном режиме. Разрядный ток выбираем из условий стабильного горения разряда Iразр=100 А. В процессе работы температура катода как на рабочей поверхности, так и по его длине, контролировалась с помощью термопар.
Формируемый плазменный поток выводится в рабочий объем и осаждается на подложки, расположенные в зоне генерации максимального количества капельных образований. Длительность протекания технологического процесса t определяется скоростью роста наносимого покрытия рост и толщиной формируемого покрытия = ростt и составляла t=3600 с или 1 час. Для поддержания начальной температуры рабочей поверхности катода, при каждом последующем напылении на обрабатываемые изделия при использовании канавки шириной L1=5·10-3 м, диаметр ее изменяют в соответствии с расчетным соотношением: через t 1=1 час, Dk1=5.2·10-2 м; t 2=2 час, Dk2=4.7·10-2м; t 3=3 час, Dk3=4.3·10-2м; t 10=10 час, Dk10=3.0·10-2м; t 20=20 час, Dk20=2.3·10-2.
Благодаря высокой стабильности свойств покрытий данный способ испытан при формировании покрытий на сеточных электродах генераторных ламп. Сформированные покрытия обладают высокой адгезией, устойчивы к действию электрических полей и обеспечивают высокую электрическую прочность приборов.
Класс C23C14/40 с помощью разряда переменного тока, например высокочастотного разряда