Формируемые структуры и свойства

Исследования теплового режима и характера движения катодных пятен дают полное основание утверждать, что в активном металлическом плазменном потоке присутствуют капельная фракция, нейтральные атомы, ионная составляющая и электроны. Зондовые исследования потока металлической плазмы указывают на наличие в продуктах эрозии катода ионов, электронов и макрочастиц — капель материала катода.

Ионная доля плазменного потока постоянна для данного материала катода, однако, как и капельная фракция, увеличивается с ростом тока дуги и температуры нагрева катода.

Рис. 2.5. Топограмма воздействия плазмы Ti при ионной бомбардировке (т = 300 с; Т= 300 °С; база 120 мм) стали 30ХГСА:

/ — шлифованная поверхность; 2 — полированная поверхность

Неравномерное и хаотическое движение катодного пятна по торцевой поверхности приводит к формированию плазменного потока неодинаковой плотности, о величине которой и интенсивности ее энергетического воздействия на подложку можно судить по изменению приведенного поверхностного потенциала. Так, топограмма изменения приведенного поверхностного потенциала показывает, что максимальная плотность плазменного потока наблюдается по центру катода при обработке поверхности плазмой титана (рис. 2.5). Аналогичная картина изменения поверхностного потенциала отмечается при обработке поверхности плазмой алюминия и циркония (рис. 2.6).

Топограмма изменения поверхностного потенциала стали 30ХГСА после воздействия ионной плазмой (U= 500 В; т = 300 с; Т= 300 °С)

Рис. 2.6. Топограмма изменения поверхностного потенциала стали 30ХГСА после воздействия ионной плазмой (U= 500 В; т = 300 с; Т= 300 °С): а — плазма А1; б— плазма Zr

При увеличении расстояния от обрабатываемых деталей до торцевой плоскости катода характер воздействия плазмы на поверхность меняется. При обработке поверхности плазмой титана кривая поверхностного потенциала имеет ярко выраженные минимумы и максимумы (рис. 2.7, а), а при обработке плазмой алюминия характер кривой поверхностного потенциала более плавный (рис. 2.7, б).

Изменение поверхностного потенциала стали ЗОХГСА при ионной бомбардировке

Рис. 2.7. Изменение поверхностного потенциала стали ЗОХГСА при ионной бомбардировке (для различных расстояний от испарителя); т = 5'; Ua = —500 В; 1 — смешение от оси катода вверх на 100 мм; 2 — смещение вниз на 100 мм: а — плазма Ti; б — плазма А1

Однако необходимо учитывать, что активная плазма неоднородна по плотности, вследствие чего ее воздействие на поверхность неодинаково. Энергетическое воздействие плазмы более интенсивное по оси катода испарителя, чем по его периферийной зоне. Поэтому с помощью магнитных катушек дугового испарителя необходимо сформировать такой плазменный поток, чтобы его воздействие на поверхность было равномерным и разность плотностей плазменного потока в центре и на периферии не превышала 1,5 % (рис. 2.7, а, б).

Дефекты покрытия могут формироваться на стадии конденсации металлической плазмы на обрабатываемой поверхности и на этапе ионной бомбардировки. Если при ионной бомбардировке поверхность полностью обработана, то последующее покрытие будет качественным по всей поверхности. Если после ионной бомбардировки какой-то процент поверхности остался не обработанным плазмой, то на этой площади будет некачественное покрытие с дефектами. Исходная равномерность плазменного потока достигается при равномерном перемещении катодного пятна по торцу испарителя, формировании равномерного потока на выходе из корпуса испарителя в камеру и соответствующей схеме размещения испарителей.

Распределение плазменного потока в рабочем объеме камеры зависит от многих факторов и прежде всего: от конструкции источника плазмы, его размещения, наличия магнитных и электрических полей. Благодаря конструкционной особенности серийных электродуговых испарителей скорость движения катодного пятна по боковой поверхности катода значительно выше, чем по торцевой, поэтому капельная фракция формируется при перемещении катодного пятна по торцевой поверхности катода.

При подключении положительного потенциала на корпусе испарителя плазменный поток фокусируется до радиуса около 150 мм в зоне размещения деталей (см. рис. 2.3). Если положительный потенциал переключен с корпуса испарителя на корпус камеры, наблюдается заметное уменьшение фокусировки плазменного потока и увеличение его радиуса. Можно утверждать, что перевод корпуса испарителя под плавающий потенциал приводит к уменьшению фокусировки плазменного потока и увеличению радиуса зоны нанесения покрытий с высокой равномерностью как по толщине, так и по свойствам.

Равномерность свойств покрытий на обрабатываемых деталях реализуется при постоянной формируемой толщине покрытия, одинаковых значениях поверхностного потенциала, неизменных фазовом составе и микротвердости (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Изменение микротвердости покрытия TiN в зависимости от расположения центра образца диаметром 30 мм относительно оси катода (база перемещения 150 мм):

/ — образец расположен по центру; 2 — на расстоянии 30 мм; 3 — 60 мм; 4 — 90 мм;

5—120 мм; 6—150 мм

Схемы компоновки серийных установок электродуговыми испарителями недостаточно эффективны при формировании плазменного потока в объеме камеры. Размещение осей испарителей в одной плоскости приводит к уменьшению доли участия каждого испарителя в процессе формирования покрытий, так как образующиеся плазменные потоки высокой энергии, взаимодействуя при столкновении, создают возмущения и снижают эффективность обработки.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >