Закономерности движения катодного пятна в зависимости от материала катода

Исследования характера движения катодного пятна на катодах, изготовленных из различных материалов, показали его зависимость как от марки материала, так и от теплового режима катода. На рис. 1.2, а, б представлены различные фазы движения катодных пятен по поверхности титанового катода при токе дугового разряда 100 А. Как видно из фотографий, катодные пятна при своем движении существуют преимущественно в периферийной области поверхности катода и значительную часть времени перемещаются по боковой конической поверхности. На торцевой поверхности катода пятна перемещаются хаотично с низкой скоростью (рис. 1.2, б). Перемещение катодного пятна по боковой конической поверхности сопровождается светящимся кольцом — ореолом, который образуется как на торцевой, так и на боковой части катода, что указывает на одновременное существование пятен на разных поверхностях. При движении катодного пятна по торцевой и боковой поверхностям катода наблюдается скопление пятен в определенных зонах катода. Это приводит к неравномерности испарения металла и формированию неоднородной плотности плазменного потока в объеме камеры.

Различные фазы движения катодного пятна по поверхности титанового катода (ток дуги 100 А)

Рис. 1.2. Различные фазы движения катодного пятна по поверхности титанового катода (ток дуги 100 А):

а - боковая коническая поверхность; б - торцевая поверхность

При использовании циркониевого катода характер формирования катодных пятен меняется (рис. 1.3, а, б). Притоке дуги 100 А стабилизация катодных пятен на торцевой рабочей поверхности циркониевого катода несколько хуже, чем на титановом катоде.

Катодные пятна значительно чаще сбегают на боковую поверхность катода и длительность нахождения на этой поверхности заметно продолжительнее. Скорость хаотического перемещения катодных пятен, как и на титановом катоде, невысокая.

Различные фазы движения катодного пятна по поверхности циркониевого катода (ток дуги 100 А)

Рис. 1.3. Различные фазы движения катодного пятна по поверхности циркониевого катода (ток дуги 100 А):

а — боковая коническая поверхность; 6— торцевая поверхность

На рис. 1.4, я, б приведены различные фазы движения катодных пятен по поверхности молибденового катода при токе дугового разряда 150 А. В этом случае стабилизация катодных пятен на торцевой рабочей поверхности катода значительно лучше, чем при работе титанового и циркониевого катодов при токе дуги 100 А.

Сбег катодных пятен на боковую коническую поверхность происходит значительно реже. На рабочей поверхности наблюдается движение преимущественно двух групповых катодных пятен с невысокой скоростью, которая заметно ниже, чем на титановом катоде.

Различные фазы движения катодного пятна по поверхности молибденового катода (ток дуги 150 А)

Рис. 1.4. Различные фазы движения катодного пятна по поверхности молибденового катода (ток дуги 150 А):

а - боковая коническая поверхность; б - торцевая поверхность

Наиболее низкая скорость перемещения катодных пятен отмечалась на хромовом катоде (рис. 1.5, а, б). При токе дуги 100 А наблюдается одно групповое малоподвижное катодное пятно, которое перемещается преимущественно в периферийной области катода на границе торцевой и боковой поверхностей. Попав на боковую поверхность, катодное пятно может существовать довольно длительное время (рис. 1.5, а). За счет удовлетворительной теплопроводности при токе дуги 100 А катод работает в нормальном тепловом режиме (с низкой температурой рабочей поверхности). Однако из-за малоподвижности катодного пятна образуется плотный плазменный поток, формирующий плотное покрытие на поверхности.

На рис. 1.6, а, б показаны различные фазы движения катодных пятен по поверхности ниобиевого катода при токе дугового разряда 150 А. В данном случае стабилизация катодных пятен на торцевой рабочей поверхности катода значительно лучше, чем при работе титанового и циркониевого катодов и токе дуги 100 А. Сбег катодных пятен на боковую коническую поверхность происходит значительно реже. На рабочей поверхности наблюдается движение преимущественно двух групповых катодных пятен с невысокой скоростью, которая заметно ниже, чем на титановом катоде.

Различные фазы движения катодного пятна по поверхности хромового

Рис. 1.5. Различные фазы движения катодного пятна по поверхности хромового

катода (ток дуги 100 А):

а - боковая коническая поверхность; б - торцевая поверхность

На рис. 1.7, а, 6показаны различные фазы движения катодных пятен по поверхности алюминиевого катода при токе дугового разряда 100 А. В этом случае стабилизация катодных пятен на торцевой рабочей поверхности алюминиевого катода несколько хуже, чем на титановом катоде. Катодные пятна значительно чаще сбегают на боковую поверхность катода, и длительность нахождения на этой поверхности заметно продолжительнее. Скорость хаотического перемещения катодных пятен, как и на титановом катоде, невысокая.

Различные фазы движения катодного пятна по поверхности ниобиевого

Р и с. 1.6. Различные фазы движения катодного пятна по поверхности ниобиевого

катода (ток дуги 150 А):

а — боковая коническая поверхность; б — торцевая поверхность

Различные фазы движения катодного пятна по поверхности алюминиевого катода (ток дуги 100 А)

Рис. 1.7. Различные фазы движения катодного пятна по поверхности алюминиевого катода (ток дуги 100 А):

а — боковая, коническая поверхность; б — торцевая поверхность

Таким образом, исследования характера движения катодных пятен в зависимости от марки материала катода показали, что на торцевой поверхности катода осуществляется хаотичное движение, при этом, как правило, наблюдается групповое формирование катодных пятен. При сбеге катодного пятна на боковую поверхность катода отмечается значительная неравномерность плазменного потока в рабочем объеме камеры.

Чтобы сформировать равномерный плазменный поток в объеме камеры, необходимо увеличить скорость движения катодного пятна, упорядочить его движение по торцевой поверхности от периферии к центру катода и исключить его сбег на боковую поверхность. Из-за такого перемещения катодного пятна происходит более равномерный нагрев торцевой поверхности катода и полностью исключается перегрев его локальных областей. При упорядоченной и высокой скорости движения катодное пятно значительно быстрее смещается из нагретой области поверхности в более «холодную», что исключает локальный перегрев. Проблема перегрева торцевой поверхности стоит особенно остро для катодов из многокомпонентных материалов, так как каждый составляющий элемент катода имеет свои вольт-амперные характеристики и формирует поверхность, содержащую сложнолегированные оксидные слои, что создает дополнительную преграду для теплопереноса.

Многокомпонентные катоды для современных электроду- говых испарителей представляют значительный научный и практический интерес, так как раскрываются большие технологические возможности по созданию различных композиций катодов и использованию для этих целей композиций из нанопорошков. Однако изготовление таких катодов связано с проблемами компактирования и спекания. Поскольку на поверхности каждой отдельной макрочастицы порошка образуется оксид данного материала, в процессе спекания оксид может испаряться или создавать микропоры. Эти факторы создают трудности при использовании данного композита в качестве катода из-за ухудшения процесса теплопереноса от торцевой поверхности катода.

В связи с этим при использовании двухкомпонентных и многокомпонентных спеченных порошковых катодов проблема перегрева торцевой поверхности катода еще острее. У таких катодов теплопроводность значительно ниже, чем у катодов из однокомпонентных и многокомпонентных монолитных материалов. Реализуемый комплекс эксплуатационных свойств, в том числе коррозионная стойкость у многокомпонентных спеченных порошковых металлов намного выше, чем у монолитных металлов, за счет содержания аморфных элементов, влияющих на образование первичных зародышей кристаллизации. Поэтому для современных технологий нанесения функциональных покрытий желательно применение катодов из таких материалов, как TiAl, TiAlSi, и других многокомпонентных композиций. Катоды из данных композиций представлены на рис. 1.8, я, б.

Как видно из рисунков, боковая и торцевая поверхности имеют разветвленный рельеф и явно выраженные макродефекты, обусловленные технологией изготовления этих катодов. При первичном опробовании данных катодов в составе установки были проведены наблюдения по локальному перегреву поверхности и движению зоны локального перегрева по поверхности в процессе воздействия дугового разряда. Локальный перегрев указывает на наличие микропор в теле катода и макродефектов (трещин) по зоне пайки катода к охлаждаемой основе. Исследования движения катодного пятна композиционных катодов из TiAlSi, TiAl показали, что существует зависимость перемещения катодного пятна от времени его работы (теплового режима).

Композиционные порошковые катоды

Рис. 1.8. Композиционные порошковые катоды: а — Tig 6А10 4 (в атомных долях); б — Tig ^AIq 3Si0 j (в атомных долях)

На рис. 1.9, а, б показан характер движения катодного пятна в зависимости от времени работы катода и приведены фазы нагрева TiAlSi-катода при токе дуги 100 А. На первых секундах работы (рис. 1.9, а) катодные пятна размещаются на торцевой поверхности в зоне дефекта, где наблюдается концентрационный рельеф. По мере работы катода его поверхность в области катодных пятен разогревается до температуры более 500 °С и происходит спонтанное перемещение их в холодную область поверхности катода (рис. 1.9, б).

После наработки катода (т = 60 с) наблюдаются две перегретые области, а катодные пятна располагаются в зоне с более низкой температурой. С увеличением длительности работы перегретые области расширяются и в итоге занимают практически всю торцевую поверхность катода. Таким образом, при токе дугового разряда 100 А поверхность TiAlSi-катода разогревается до значительной температуры (выше 550 °С). Время нагрева катода до равновесной температуры составляет 60—90 с. При этом резко возрастает выход капельной фракции в плазменный поток и снижается качество формируемых покрытий.

Движение катодных пятен происходит преимущественно на периферии торцевой поверхности катода, при этом наблюдается частый сбег пятен на боковую коническую поверхность. Скорость хаотического перемещения катодных пятен по торцевой поверхности невысокая.

Фазы нагрева TiAlSi-катода (ток дуги 100 А)

Р и с. 1.9. Фазы нагрева TiAlSi-катода (ток дуги 100 А): а- Юс; б-30с

Аналогичный характер теплового режима наблюдается и при работе TiAl-катода. На рис. 1.10 показаны фазы нагрева TiAl-катода при рабочем токе дугового разряда 100 А. На торцевой поверхности катода наблюдаются два групповых или периодически возникает одно групповое катодное пятно. Скорость перемещения одного пятна невысока, при возникновении двух пятен их скорость движения заметно замедляется. Катодные пятна существуют преимущественно на периферии торцевой поверхности катода, при этом достаточно часто наблюдается сбег пятен на боковую коническую поверхность. При указанном токе дугового разряда интегральная температура поверхностей TiAl-катода и TiAlSi-катода достигает 500 °С и более, однако есть локальные зоны с температурой, значительно превышающей данный диапазон.

Такие катоды в рассматриваемом серийном электродуговом испарителе применять нецелесообразно из-за низкой теплопроводности этих материалов и невысокой скорости движения катодных пятен. Для использования композиционных порошковых катодов необходимы новые конструкции электродуго- вых испарителей с управляемым перемещением катодного пятна, что исключает перегрев поверхности катода, хаотичную и низкую скорость движения катодных пятен.

Фазы нагрева TiAl-катода (ток дуги 100 А). TiAl-катод нагревается до температуры более 500 °С. Время достижения равновесной температуры 10 с (я) и

Рис. 1.10. Фазы нагрева TiAl-катода (ток дуги 100 А). TiAl-катод нагревается до температуры более 500 °С. Время достижения равновесной температуры 10 с (я) и

20 с (б)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  • 1. Опишите принцип действия электродуговых испарителей. Раскройте их особенности.
  • 2. Из чего формируется плазменный поток?
  • 3. В чем заключаются особенности перемещения катодного пятна по поверхности испарителя?
  • 4. Как влияет материал испарителя на характер перемещения катодного пятна?
  • 5. Раскройте особенности перемещения катодного пятна по поверхности композиционных порошковых катодов.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >