Brevet FR2485863A1 — publié le 19811231

Dispositif à plasma d'arc sous vide La présente invention se rapporte aux dispositifs à plasma d'arc sous vide et est applicable au dépôt de revêtements métalliques, au nettoyage et au décapage de surfaces métalliques ainsi qu'à la pulvérisation de divers matériaux. En opérant une évaporation de métaux sous vide, on peut obtenir plusieurs types de revêtements, par exemple, des revêtements anticorrosif, antiabrasion, réfractaire, antifriction, optique et autres. Le dépôt de revêtements sous vide peut être opé- ré à l'aide d'un dispositi:tfà faisceau électronique, dans lequel les vapeurs métalliques sont obtenues à l'aide d'un faisceau électronique agissant sur des métaux conte- nus dans des creusets. Le fait d'avoir recours à des creusets ne permet pas d'obtenir des revêtements à par- tir des métaux réfractaires. D'autre part, les revêtements obtenus sont contaminés par le matériau du creuset. On arrive à obtenir des revêtements sans impuretés à partir de différents métaux, y compris les métaux réfractaires, à l'aide d'un dispositif à plasma d'arc sous vide. Dans ce dispositif, on opère une décharge en arc en vue de provoquer l'évaporation d'une cathode consommable, d'o il résulte un courant du plasma de métal évaporé, riche en ions et caractérisé par une valeur d'énergie et une concentration élevées des particules, lequel courant, en se condensant, forme un revêtement. Ces dispositifs à plasma d'arc sous vide produi- sent un courant du plasma de matériau évaporé, qui présente une forme divergente, le coefficient d'utili- sation de ce courant du plasma étant faible du point de vue dépôt de revêtement, le courant lui-même nécessi- tant une focalisation. On connaît un dispositif à plasma d'arc sous vide (voir le certificat d'auteur URSS nO 416 789) qui com- prend une cathode consommable, une anode montée coaxia- lement par rapport à la cathode consommable et une é- lectrode d'amorçage. L'électrode d'amorçage sert à initier une décharge en arc entre la cathode consommable et l'anode. La cathode consommable procure un large courant du plasma métallique de forme divergente. Du point de vue dépôt de revêtements, l'efficacité d'utilisa- tion du métal évaporé est, dans ce cas aussi, peu importante. Ce dispositif ne présente pas d'intérêt pour la métallisation dans le vide. On connaît également un générateur de plasma métal- lique par impulsions (vclir A.S. Sil1nour, D.L. Lochwood. Pulsed metallic-plasma generators. Proc. IEEE, 60, 8, 97, 7, 1972) qui comprend une cathode consommable, un solénoïde coaxial à cette cathode, une anode logée dans le solénoïde et une électrode d'amorçage. L'électrode d'amorçage est montée de manière à em- brasser la cathode consommable et est séparée de celle- ci par un isolateur. En provoquant une impulsion de courant électrique, on provoque une décharge en arc, d'o il résulte une évaporation d'un film conducteur présent sur la surface de l'isolateur susmentionné. Le film conducteur se reproduit pendant qu'on assiste à la décharge d'arc. Engendré par la cathode consommable, le courant du plasma métallique est focalisé à l'aide du solénoi- de dont le champ magnétique, de forme axialement sy- métrique, confère à ce courant un diagramme direction- nel plus étroit. Le générateur considéré permet d'élever l'effi- cacité d'utilisation du matériau évaporé perdu par la cathode consommable. Cependant, l'augmentation du courant du plasma métallique à la sortie du dispo- sitif est limitée par une réflexion partielle d'ions d'une barrière magnétique produite par la face termi- nale du solénoïde. D'autre part, le générateur en question est inadaptable, de par la conception de son électrode d'amorçage, pour le fonctionnement aux régimes permanents. On connaît aussi un dispositif à plasma d'arc sous vide qui permet d'obtenir une meilleure efficacité d'utilisation du matériau évaporé aux régimes permanents de fonctionnement (voir l'article de I.I. Axenov, V.Go Padalka, V.T. Tolok et V.M. Khoroshikh "Fokusirovka potoka metallicheskoi plazmy, generiruemogo statsio- narnym erozionnym elektrodugovym uskoritelem", recueil "Isotochniki i uskoriteli plazmy",. n 3, Kharkov, 1978,pp 45-50). Le dispositif considéré comprend une cathode consommable avec face de travail, un solénoïde monté coaxialement par rapport à la cathode consommable, une anode tubulaire placée dans ce solénoîde, et une électrode d'amorçage. La décharge en arc est amorcée à l'aide d'une électrode appropriée. Engendré par la cathode consomma- ble, le courant du plasma métallique est focalisé par le champ magnétique axialement symétrique du solénoïde. Du fait qu'on obtient un diagramme directionnel plus étroit du courant de matériau évaporisé, on arrive à utiliser ce matériau avec plus d'efficacité. Dans ce dispositif, une partie du composant ionique du plasma est cependant inévitablement réfléchie par une barrière électromagnétique; ceci se fait sentir, lors du fonctionnement du dispositif, en provo- quant la courbure des lignes de force magnétiques sur la surface terminale du solénoïde, ces lignes de force manquant alors le support à revêtir. Un autre inconvénient du dispositif en question réside en ce que l'amorçage et la stabilsité de l'arc sont altérés. Lorsque l'électrode d'amorçage est montée sur la face de travail de la cathode consommable, le fonctionnement du dispositif est instable du fait que cette électrode subit une destruction due au caractère continu de la décharge en arc.Si ladite électrode d'amorçage est disposée sur la surface latérale de la cathode consommable, le processus d'amorçage est affecté puisque la tache cathodique, initiée sur la surface latérale, est rejetée par le champ magnétique du solénoïde, du côté opposé à la face de travail de la cathode consommable. Ce phénomène conduit à l'évanouissement de l'arc. On assiste au même résultat lorsque la tache cathodique quitte la face de travail de la cathode consommable pour sa surface latérale. L'invention a donc pour but de mettre au point un dispositif à plasma d'arc sous vide dans lequel, tout en présentant un nombre différent de spires d'enroulement par unité de longueur, le solénoïde est disposé, par rapport à la cathode consommable, à l'anode et à l'électrode d'amorçage, de manière à procurer un champ magnétique dont la forme et l'in- tensité permettraient une meilleure efficacité d'u- tilisation du matériau évaporé et un fonctionnement du dispositif très stable. Selon l'invention, le dispositif à plasma d'arc sous vide comprend une cathode consommable avec face de travail, un solénoïde abritant une anode tubulaire, ces deux éléments étant montés coaxialement par rapport à la cathode consommable, et une électrode d'amorçage, et il est caractérisé en ce que le solénoïde embrasse l'anode tubulaire et la cathode consommable, tandis que le nombre de spires d'enroulement par unité de lon- gueur du solénoïde, dans sa portion embrassant la ca- thode consommable, est supérieur au nombre de spires d'enroulement par unité de longueur présenté par le reste du solénoïde, le solénoïde dépassant l'électrode d'amor- çage, du côté opposé à la face de travail de la cathode consommable, d'une longueur supérieure à la moitié de la longueur de la portion de solénoïde disposée au- tour de la cathode consommable. Cette disposition permet d'obtenir un champ magnétique dont le maximum est déplacé, par rapport à l'électrode d'amorçage, du côté opposé à la face de travail de la cathode consommable. C'est la raison pour laquelle le courant du plasma, engendré par la cathode consommable, est injecté dans un champ magnétique axialement symétrique présentant un "bouchon" derrière la face de travail de la cathode consommable. Le courant du plasma passe librement à la sortie du dispositif sans être freiné par une barrière de potentiel quelconque. D'autre part, les surfaces équi- potentielles positives par rapport à la cathode consommable convergent au-delà de l'électrode d'amor- çage du côté opposé à la face de travail de la cathode consommable et réfléchissent efficacement le composant ionique du plasma vers la sortie du dispositif, tandis que la composante radiale du champ électrique, produit à l'intérieur de l'anode tubulaire, contribue à dé- tourner les ions des parois de cette anode. Le solénoïde étant disposé comme décrit, on bénéficie des conditions optimales au point de vue amor- çage et stabilité de l'arc. Effectivement, lors de l'amorçage de l'arc, la tache cathodique est initiée sur la surface latérale de la cathode consommable à l'endroit o l'angle aigu formé par-les lignes de force magnétiques et la surface de la cathode consommable est orienté vers la face de travail de celle-ci. En confor- mité avec la règle de l'angle aigu, la tache cathodique dérive dans ce cas, sur la surface latérale de la ca- thode consommable, vers sa face de travail. Il en résulte- que tous les ions engendrés par la cathode consommable sont transportés, pratiquement sans pertes, vers la sortie du dispositif, ce qui permet la meilleure efficacité d'utilisation du matériau évaporé, le fonctionnement du dispositif étant donc très stable. Avantageusement, le solénoïde est réalisé de manière à présenter, dans sa portion embrassant la cathode consommable, un nombre de spires d'enroulement par unité de longueur au moins deux fois plus important que celui présenté, par unité de longueur, par le reste du solénoïde. Les essais ont montré que le mécanisme de stabilisa- tion de la tache cathodique, du type décrit, n'est efficace qu'en cas o le nombre de spires d'enroulement par unité de longueur du solénoïde, dans sa portion embrassant la cathode consommable, est au moins deux fois supérieur au nombre de spires d'enroulement par unité de longueur présenté par le reste du solénoïde. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails et avantages de- celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre, description donnée à propos d'un mode de réali- sation cité uniquement à titre d'exemple non limitatif avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels la figure unique représente schématiquement, en coupe, un dispositif à plasma d'arc sous vide, établi en conformité avec l'invention. Le dispositif à plasma d'arc sous vide comprend une cathode consommable 1 présentant une surface latérale 2 et une face de travail 3. Il comprend aussi un solénoîde 4 disposé coaxialement par rapport à la cathode consommable 1 et une anode tubulaire 5, logée dans ledit solénoïde 4. Ce dispositif comprend, en outre, une électrode d'amorçage 6 montée sur un élément céramique 7 au voisinage de la surface latérale 2 de la cathode consommable. L'anode tubulaire 5 est montée à l'intérieur d'un corps cylindrique 8 sur lequel est installé le solénoïde 4. Une portion 9 du solénoïde 4 embrasse la cathode consommable 1 et est d'une-longueur de 100 cm. Une moitié de la portion 9 du solénoïde 4 est disposée au-delà de l'électrode d'amorçage 6, du côté opposé à la face de travail 3 de la cathode consommable 1. La cathode consom- mable 1 et l'électrode d'amorçage 6 sont munies de prises de courant étanches au vide, respectivement 10 et 11,. lesquelles prises traversent un couvercle 12 installé sur le corps cylindrique 8. 248580A Le corps cylindrique 8 est relié à une chambre a vide 13 destinée à recevoir un support 14. Le dispositif est pourvu d'une cavité 15 servant à refroidir l'anode tubulaire 5. Une autre cavité est pourvue pour refroidir la cathode consommable 1, mais ne figure pas dans les dessins annexés. Un générateur d'impulsions d'amorçage est réfé- rencé en 16, tandis que la référence 17 désigne une source d'alimentation de la décharge de l'arc. Une source de courant continu servant à alimenter le solénoïde 4 ne figure pas dans les dessins. Le dispositif à plasma d'arc sous vide fonctionne comme décrit ci-dessous. On commence par brancher la source d'alimentation 17 de la décharge de l'arc. Ensuite, on branche la source d'alimentation du solénoïde 4 (non représentée dans les dessins) pour obtenir un champ magnétique dont les lignes de force sont disposées de manière représentée en pointillé dans le dessin annexé. L'intensité maximale du champ magnétique produit par le solénoïde 4 est propre à la portion du solénoïde, qui se trouve au voisinage de l'électrode d'amorçage 6, du côté opposé à la face de travail 3 de la cathode consommable 1. On branche alors le générateur 16 d'impulsions d'amorçage, ce qui provoque une décharge par étincelles superficielle sur l'élément céramique 7 de l'électrode d'amorçage 6 et, par conséquent, une tache cathodique de la décharge de l'arc entre la surface latérale 2 de la cathode consommable 1 et l'anode tubulaire 5. Ensuite, la tache cathodique dérive vers la face de travail 3 de la cathode consommable 1 et, après avoir gagné cette face, s'agite sur celleci d'une façon chaotique. On arrive à cette situation grâce au fait que les lignes de force magnétiques et la surface latérale 3 de la cathode consommable 1 se rencontrent à l'endroit de la naissance de la tache cathodique en formant un angle aigu orienté vers la face de travail 3 de la cathode consommable 1. Sous l'effet du champ électrique dont le carac- tère équipotentiel est déterminé par la forme du champ magnétique, tout le courant du plasma, formé par le matériau évaporé provenant de la cathode consommable 1, se précipite vers le support 14 à revêtir. Le courant du plasma provenant de la cathode consommable 1 est transporté le long de l'anode tubulaire 5 pratiquement sans pertes du fait que le champ électrique radial détourne le composant ionique du plasma des parois de l'anode tubulaire 5. L'invention n'est-ntIlement-limitée aU mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1.- Dispositif à plasma d'arc sous vide comprenant une cathode consommable (1) avec face de travail (3), un solénoïde (4) abritant une anode tubulaire (5), ces deux éléments étant montés coaxialement par rapport à la cathode consommable (1), et une électrode d'amorçage (6), caractérisé en ce que le solénoïde (4) embrasse l'anode tubulaire (5) et la cathode consommable (1), en ce que le nombre de spires d'enroulement par unité de longueur du solénoïde (4), dans sa portion (9) embrassant la cathode consommable (1), est supérieur au nombre de spires-d'enrou-l- ement par. unité de longueur, présenté par le reste du solénoïde (4), et en ce que le solénoïde (4) dépasse l'électrode d'amorçage (6), du côté opposé à la face de travail (3) de la cathode consom- mable (1), d'une longueur supérieure à la moitié de la longueur de la portion (9) du solénoïde (4) disposée autour de la cathode consommable (1). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de spires d'enroulement par unité de longueur du solénoïde (4), dans sa portion (9) embrassant la cathode consommable (1), est au moins deux fois supérieur au nombre de spires d'enroulement par unité de longueur, présenté par le reste du solénoïde (4).