Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Вакуумная ионно-плазменная обработка

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЗОВОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ В РАБОЧЕМ ОБЪЕМЕ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК

Формирование металлической плазмы электродуговыми серийными испарителями в рабочем объеме вакуумной установки

Как показали предварительные исследования, равномерность распределения газовой и металлической плазмы зависит от правильности компоновки установок испарителями и дополнительными отдельно встраиваемыми модулями. Современные установки могут быть дополнительно оснащены такими модулями, как источники газовой плазмы низковольтные, высоковольтные, модули несамостоятельного газового разряда и др.

Низковольтный модуль низкотемпературной очистки и активации поверхности обеспечивает ионное травление и является существенной составляющей технологического процесса получения качественных ионно-вакуумных покрытий. К сожалению, в составе серийных установок данный модуль отсутствует, в связи с чем этап очистки и активации поверхности очень сложен и зачастую может приводить к образованию дефектных покрытий в том случае, когда в качестве источника плазмы для осуществления очистки используется поток металлической плазмы.

В настоящее время очистка, активация производятся ионами плазмы тлеющего разряда и ионами напыляемого материала (металла), ускоренными до энергии выше 1000 эВ (выше порога конденсации). В серийных установках процессы очистки, активации и конденсации покрытий металлической плазмой на поверхности изделий производятся, как правило, по типовой технологии. Методике очистки и активации присущ ряд недостатков: о она трудоемка;

о характеризуется невысокой степенью очистки, что является причиной газовыделения в вакууме и образования микродуг при нанесении покрытий методом конденсации с ионной бомбардировкой; о неэкономична.

Равномерность плазменных потоков должна быть обеспечена на всех этапах их существования — от их формирования, распределения в рабочем объеме камеры и в зоне осаждения.

Л. Устройство катодного узла

Р и с. 2 Л. Устройство катодного узла: У — корпус камеры; 2— источник питания катода; 3 — корпус плазмоввода; 4 катод; 5 поджиг; 6—источник питания системы поджига; 7 — стабилизирующая катушка; 8— фокусирующая катушка; 9 - ось размещения детали;

10 — ось загрузочного стола

На рис. 2.1 схематично представлено устройство катодного узла электродугового испарителя вакуумной установки. В состав испарителя входят: плазмоввод, предназначенный для движения плазменного потока, испаритель, система охлаждения, система подачи электропитания на испаритель, система поджига и система управления плазменным потоком, включающая стабилизирующую и фокусирующую электромагнитные системы. Формирование плазменного потока начинается с включения системы поджига. При наличии напряжения в промежутке катод—поджигающее устройство образуется элек- тродуговой разряд между поверхностью испарителя (катода) и поджигающим электродом. При воздействии разряда на поверхность катода происходит разогрев поверхности в зоне разряда до 2000—2500 °С и образуется первичная плазма металла катода (рис. 2.2, а), состоящая из ионов металла и электронов.

Этапы формирования плазменного потока

Рис. 2.2. Этапы формирования плазменного потока: а - зарождение; б — перемещение по боковой поверхности катода; в - перемещение по торцевой поверхности катода

Наличие первичной плазмы способствует формированию катодного пятна, которое перемещается по боковой поверхности катода с большой скоростью (рис. 2.2, б). При развитии катодного пятна и увеличении тока дугового разряда до рабочего наблюдается перемещение катодных пятен с боковой поверхность на торцевую (рис. 2.2, в). Горение разряда на торцевой поверхности будет происходить только в том случае, когда плотность плазмы в разряде достаточна для поддержания его горения. Сформировавшийся устойчивый плазменный поток по плазмовводу анода перемещается в рабочий объем вакуумной камеры. Направлением его перемещения являются силовые электромагнитные линии, создаваемые стабилизирующей и фокусирующей катушками. По мере выхода плазменного потока в рабочий объем камеры происходит его незначительное расширение. Если корпус вакуумной камеры находится под потенциалом плазмоввода (анода), расширение плазменного потока относительно его оси составляет 150 мм (рис. 2.3, а).

При отделении корпуса плазмоввода от корпуса вакуумной камеры диэлектрической прокладкой зона расширения плазменного потока относительно его оси увеличивается до 250 мм (рис. 2.3, б).

Распределение сформированного плазменного потока в рабочем объеме вакуумной камеры, когда корпус плазмоввода

Рис. 2.3. Распределение сформированного плазменного потока в рабочем объеме вакуумной камеры, когда корпус плазмоввода: а — является анодом; б— находится под плавающим потенциалом

Как отмечалось выше, при переходе катодного пятна с боковой поверхности на торцевую его движение замедляется, в результате чего происходит локальный перегрев поверхности катода в зонах нахождения электродугового разряда. Это приводит к образованию жидкой фазы и возникновению капельной составляющей продуктов эрозии катода, которая является нежелательным компонентом плазменного потока, поскольку обусловливает образование дефектов в сформированных покрытиях, заставляя принимать дополнительные меры по их устранению.

Наиболее простым путем устранения капельной составляющей из плазменного потока является его сепарация за счет размещения металлического диска по центру оси потока. В этом случае ионная составляющая потока огибает данное препятствне и задерживает капельную составляющую (рис. 2.4, а), при этом уменьшается плотность плазменного потока в зоне формирования покрытия.

Распределение сформированного плазменного потока в рабочем объеме вакуумной камеры, когда корпус плазмоввода находится под плавающим потенциалом

Рис. 2.4. Распределение сформированного плазменного потока в рабочем объеме вакуумной камеры, когда корпус плазмоввода находится под плавающим потенциалом: а — с дисковым сепаратором; б— с конусным сепаратором (угол 90°); в — с конусным сепаратором (угол 120°)

При использовании сепаратора в виде конуса с углом 90° и размещении его по оси потока капельная составляющая уменьшается значительно сильнее, так как происходит отражение части потока от конуса сепаратора, в результате чего плотность потока в зоне формирования покрытия еще больше уменьшается (рис. 2.4, б). Изменение угла конуса от 90° до 120° может привести к резкому уменьшению плотности потока, который полностью перекроет выход ионной составляющей плазменного потока из плазмоввода в камеру (рис. 2.4, в).

Применение сепаратора любой формы и вида приводит к уменьшению капельной составляющей, однако при этом существенно уменьшается плотность плазменного потока и соответственно производительность вакуумных установок. Это является нежелательным результатом, так как при использовании технологических ионно-вакуумных процессов нанесения покрытий для повышения качества покрытия приходится значительно увеличивать затраты на его формирование.

Снижение доли капельной составляющей в плазменном потоке может быть достигнуто за счет системы дополнительных магнитных полей, позволяющих хаотическое перемещение катодного пятна по торцевой поверхности катода заменить на управляемое — от центра катода к периферийной зоне и обратно по спиральным траекториям. Цикл возвратно-поступательного перемещения катодного пятна должен повторяться с частотой 0,5—10 Гц.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы