Brevet FR2524245A1 — publié le 19830930

Source de plasma à arc électrique et dispositif pour traitement au plasma des surfaces utilisant cette source. La présente invention concerne une source de plasma a arc électrique et un dispositif pour traitement des surfaces au plasma utilisant cette source. L'invention présente le plus d'intérêt pour l'ob tention de revêtements, le nettoyage ou le décapage de la surface de produits sous vide. En particulier, la technique de condensation sous vide d'un plasma de mentaux permet d'obtenir des revêtements de type anti friction, anticorrosif, antiabrasion, réfractaire,super conducteur, optique èt d'encore plusieurs autres types de revêtement. Pour le traitement des surfaces aux jets de plasma provenant de sources à arc électrique, il est impossible a ce jour de traiter les surfaces des produits dont l'i- négalité superficielle oscille entre 0,025 m et 0,5 ijm, sans que cela n'affecte- pas la classe de fini de ces surfaces Cet inconvénient est dd à la présence, dans le jet'de plasma engendré par la tache.cathodique de l'arc, d'une quantité importante de macroparticules en forme de gouttelettes ou de fragments du matériau de la cathode.Lors du dépôt de revêtements, on assiste, outre une détêrioration de la classe de fini des surfaces, a cause de ces macroparticules, a la formation de lacunes ou d'excroissances dans le condensat, ce qui nuit normalement aux propriétés mecaniques, élec triques, optiques et autres des -revêtements obtenus et, de ce fait, empêche les bénéfices attendus-de ceux-ct sur le plan de la protection contre l'abrasion, la friction, la corrosion ou autres phénomènes. On connais une source de plasma a arc élec trique décrite dans le brevet US n 3 625 848. Cette source de plasma comporte une cathode consommable disposée dans une anode de manière coaxiale à celle-ci, un dispositif servant a amorcer un arc entre lesdites cathode et anode (dispositif d'anorçage) ,et un bloc d'alimentation de l'arc, qui est relié électriquement aux cathode et anode susmentionnées. A l'aide du dispositif d'amorçage on obtient une décharge d'arc entre la cathode et l'anode.La cathode produit un jet de plasma contenant des atomes et des ions du matériau formant cathode. Comme on l'a fait déjà remarquer, le jet de plasma comporte aussi un nombre important de macroparticules qui se présente en forme de gouttelettes ou de fragmeots du matériau formant cathode, ce qui nuit à la qualité des revêtements déposé. La formation des macroparticul-es en question est conditionnée par la surchauffe locale et globale-de la sur- face active de la cathode, laquelle surchauffe est due à l'effet de la source de chaleur puissante et concentrée que constitue a tache cathodique de l'arc (la tempé- rature de cette tache atteint quelques milïérs de degrés et la densité du courant ossille approximativement entre 106 et 107 A/cm2). On connaît aussi une autre source de plasma à-arc électrique telle que décrite par A.S.Jilmour et D.I. Lochwood dans "Pulsed netallic-plasna generators". Proc. JEE, 60, 8, 977, 1972 . Cette source de plasma comporte une cathode consommable disposée coaxialement par rapport à une anode cylindrique, une électrode d'amorçage, servant à produire un arc entre lesdites anode et cathode, connectée à un générateur d'impulsions d'amorçage, et un bloc d'alimentation de l'arc. Cette source- présente en outre un solénoïde de focalisation qui est disposé sur l'anode. La mise eu narche de la'source considérée s'opère parproduction d'impulsions d'amorçage attaquant l'électrode respective à une fréquence allant jusqu'à plusieurs dizaines de Hz. La génération du jet de plasma se produit à la même fréquence lors de l'amorçage d'une décharge d'arc impulsionnelle entre anode et la cathode. L'inconvénient de cette source de plasma réside, lui aussi dans la présence de macroparticules dans le jet de plasma métallique.En décalant l'axe du solénoïde de focalisation d'un angle par rapport à l'axe du système, on arrive, en effet, à réorienter le vec teur de vitesse des composants électrisés du jet de classa dans ces conditions et grâce à une certaine séparation spatiale des flux de macroparticules et de composants élec trisés (ions et électrons), on bénéficie d'une épura tion partielle du jet de plasma de ses macroparticules. Cependant, cette mesure ne permet pas d'éviter complète- ment la présence des macroparticules à la sortie de l'appareil et, par conséquent, leur arrivée sur la sur face du substrat. Cela résulte du fait que, les angles de décalage du solénolde de focalisation étant de 15 ou plus, le système reste transparent pour les macro particules aninées d'un mouvement à partir de la ca thode vers la sortie de 11 appareil. L'invention vise donc à remédier aux inconvénients susnentionnés. L'invention a tour but de mettre au point une source de plasma à arc électrique et un dispositif uti lisant cette source en vue de traitement au plasma de la surface de diçfzrents oroduits, dont le système électromagné tique permettrait la séparation spatiale des composants fornant jet de plasma dans le champ magnétique en sorte qu'on bénéficie d'une épuration efficace du jet de plas ma des nacroparticules. Selon l'invention, la source de plasma à arc électrique comporte une ca thode consommable, une anode de forme cylindrique et un solénoide de focalisation qui sont disposés coaxiale ment par rapport à ladite cathode consommable, et un bloc d'alimentation de l'arc relié électriquement à la cathode consommable et à l'anode, et elle est caractérisée en ce qu'el le comporte un conduit de plasma tubulaire relié à la face terminale de l'anode et un électro-aimant disposé dans le conduit de plasma tubulaire suivant son axe et renfermé dans une enveloppe constituée à partir r d'un maté- riau amagnétique, cet électro-aimant recouvrant la zone de visibilité optique de la cathode, et en ce que le solénoïde de focalisation est disposé sur le conduit de plasma tubulaire et est branché en opposition à l'enroulement de l'électro-aieant. Projetées par la face terminale de la cathode sul- vant les trajectoires rectilignes, les macroparti cules trouvent sur leur chemin, soit les parois de l'en- veloppe entourant l'électro-aimant soit les parois du conduit de plasma, et, de ce fait, n'arrivent pas à se présenter à la sortie de l'appareil. En même temps1 les composants électrisés du jet de plasma (ions et électrons) sont animés le long des lignes de force du champ magné- tique produit par le solénoïde de focalisation et l'elec- tro-aimant, qui sont branchés en opposition, en sorte qu ils contournent cet électro-aimant et parviennent facilement à la sortie de l'appareil.De cette fa- çon on obtient à la sortie de la source de plasma un jet ne contenant aucune macroparticule , ce qui permet l'utilisation de cette source en vue de traiter les surfaces de produits (dépôt de revêtem.ents, nettoyage au plasma, décapage ionique) saris ce que cela entraîne une altération quelconque de la classe de fini de ces surfaces dont l'aspérité est dans les limites de 0,025 à 0,05 m. Il est avantageux de disposer un joint: isolant intercalé entre le conduit de plasma et l'anode. Cela. permet d'améliorer le passage du jet de plasma par ce conduit On sait que les particules électrisées ne peuvent passer le long des lignes de force du champ magnétique qu'à condition de présenter un rayon de Larmor suffisamment faible par rapport aux dimensions du système. La plupart des ions de métal produits par la tache cathodique de l'arc à vide sont porteurs d'une énergie de plusieurs dizaines d'eV. C'est la raison pour laquelle leur passage par le dispositif proposé sous vide, dans l'espace entre le conduit de plasma et l'enveloppe de l'électro-aimant qui est égal à 10 cm, nécessitera des chamos magnétiques élevés, d'une valeur de plusieurs kOe. La production de tels champs est difficile .Cependant, lorsque le système est remplie de plasma d'arc à vide, on ar rive à surmonter ces difficultés du fait que le passage du composant ionique par l'appareil proposé s'obtient alors à une intensité du champ magnétique considérable- nent plus faible est juste suffisante à l'aimantation des électrons du plasma. Dans ce cas, la conductibilité électronique du plasma diminue brusquement dans le sens transversal mais reste invariable le long des lignes de force du champ magnétique. Le champ électrique pénètre dans le plasma. La structure-du chaxp électrique dans le système est définie par le potentiel des électrodes traversées par les lignes de force magnétiques. Les lignes de force magnétiques acceptent le potentiel de ces électrodes ou parois du système avec lesquelles elles s'entrecroisent. Lorsque le potentiel du conduit de plasma est positif par rapport à la cathode, le jet de plasma devient le siège d'un champ électrique orienté vers son axe. Ce champ électrique assure étranglenent radial (focalisation) du jet de plasma, ce qui contribue à diminuer les pertes en ions positif s sur les parois du conduit de plasma, d'où un nombre plus important d'ions qui parviennent à la sortie de l1appa- reil par l'espace annulaire entre le conduit de.plasna et l'électro-aimant.Lorsque le conduit de plasma et l'anode sont séparés l'un do l'autre par un joint diélectrique, le conduit acquiert. par rapport à l'anode, un potentiel plus important du fait qu'il est bombardé par les ions les plus rapides. Àu voisinage des parois du conduit de plasma, le champ électrique devient plus intense ce qui contribue au transfert du jet de plasma le long de ce conduit Pour éviter toute présence à la sortie de l'appareil des macroparticules renvoyées par les parois du conduit de plasma, il est avantageux que ia surface intérieure de ce conduit présente des nervures disposées de manière à former un angle avec cheminement supposé du jec de plasma. On n'assiste pas alors à la reflexion des-macroparti- cules par les parois du conduit de plasma. Il est aussi avantageux que l'électro-aimant t présente une forme bien carénée et que ltenveloppe soit d'une forme correspondant à celle de ltélectro-aimant. Cela contribue à l'entrée du jet dc plasma dans l'es- pace annulaire entre conduit de plasma et ltélectro- -aimant et, par là même, permet d'élever le rendement de la source. Il est- avantage-ux au point de vue technologique de réaliser l'enveloppe et llélectro-aimant en forme d'un cone ou bien de deux cônes qui ont leurs bases jointes l'une à l'autre. Il est d'autre part avantageux que le nombre de spires par unité de longueur du solénolde de focalisation, disposé sur le conduit de plasma, soit-plus-inpor- tant sur le tronçon de ce solénoïde qui est en aval de l'électro-aimant, dans le sens'de cheminement du jet de plasma, que sur son reste. Cela contribue à la focalisation du jet de plasma, à l'augmentation de sa densité et, par conséquent, à l'augmentation de la vitesse de dépôt de revêtements. Selon l'invention, le dispositif à arc électrique servant à traiter au plasma des surfaces de produits1 - Comporte une source de plasma à arc électrique t un organe de fixation du produit à traiter, et il est caractérisé en ce que la source de plasma est réalisée conformément aux dispositions ci-dessus et en ce que l'organe de fixation du produit en traitement est un couvercle en matériau amagnétique présentant une ouverture pour introduction du produit à traiter, lequel couvercle est monté sur l'extrémité libre du conduit de plasma tubulaire et est muni d'une bobine plate con nectée -d'une manière adaptative au solénoïde de focalisation. On entend par bobine plate une bobine dont la dimension radiale est plus importante que la dimension axiale. Le produit à traiter doit être disposé sur l'axe de la source de plasma entre le couvercle susmen- tionné et l'enveloppe de l'électro-aimant. Dans le cas considéré, les lignes de force magnétiques fléchissent fortement vers l'axe de l'appareil devant le cou vercle, c'est pourquoi le jet de plasma, après avoir passé par l'espace annulaire entre le conduit et l'enveloppe, se dirige lui aussi vers l'axe de l'appareil et tombe sur les surfaces latérales du produit en traitement.Cet avantage permet de ne ras faire tourner le produit en traitement autour de son axe, ce qui se traduit par une simplification de la conception de la source en présence d'un refroidissement forcé et d'une haute tension auxquels le produit est soumis lors du décapage ionique ou dépôt de revetements. L'immobilité du produit lors du dépôt de revêtement simplifie aussi la prise de sa température. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents 'iodes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec référence aux dessins non limitatifs eux aussi dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement une source de plasma à ac électrique conforme à l'invention,en vue d'ensemble, et en coupe longitudinale la figure 2 illustre le principe de séparation des composants formant jet de plasma dans la source considérée; la figure 3 représente une partie du dispositif servant à traiter les surfaces au plasma et utilisant la source de plasma selon l'invention. La source de plasma à arc électrique cancorte, d'une rapt, une 'cathode consommable 1 (voir la figure 1) qui se présente en forme d'un cylindre de 60 mm de diamètre (les dimen sions données ne comportent aucun caractère limitatif) fait à partir d'un matériau convenable sur le plan d'obtention de plasma, par exemple, à tartir du titane BT-I, et d'autre part une anode cylindrique 2 qui peut se présenter en forme d'une douille avec ouverture pratiquée au centre de son fond en vue de recevoir coaxialement la cathode 1 (la longueur de la paroi de cette douille est de 200 mm et son diamètre est de 260 mm). L'extrémité ouverte de l'anode est assemblée avec un conduit de plasma tubulaire 3 long de 360 mm, dont le diamètre est égal à 260 mm, lequel conduit est réalisé à partir d'un acier anagnétique. Pour anéliorer l'efficacite du passage du plasma par le conduit 3, un joint électroisolant 4 est intercalé entre le conduit de plasma 3 et l'anode 2 (ce joint peut être réalisé par exemple à partir de verre organique). Du fait qu'il est bonbardé par les plus rapides des ions, le conduit de plasma acquiert -dans ce cas un potentiel plus inportant que celui de l'anode. Le champ électrique devient plus intense au voisinage des parois de ce conduit, d'oû une meilleure efficacité de transport du jet de plasma le long dudit conduit. Il est avantageux que la surface intérieure du conduit de plasma 3 présente des nervures 5 disposées avec un angle rar rapport au cheminement supposé du jet de plasma. Ceci empêche l'arrivée à la sortie du conduit de plasma 3 des nacroparticules renvoyées par les parois.- On considère comme le plus avantageux du point de vue technologique un mode de réalisation où les nervures susmentionnées se présentent en forme de bagues disposées l'une après l'autre, dans les plaus parallèles, de fa çon perpendiculaire à l'axe du conduit de plasma 3. Un électro-ainant 6 est disposé à l'intérieur du conduit de plasma 3, suivant l'axe de celui-ci. Cet électro-aimant est enfermé dans une enveloppe 7 en acier anagnétique. Pour l'éléctro-aimant 6 et son enveloppe 7, ils peuvent avoir une forme cylindrique corne représenté dans la figure 2; mais on considère plus avantageux de leur donner une forme carénée, par exenple, celle d'un cane (non représenté) ou de deux cônes (figure 1) qui ont leurs bases jointes l'une à l'autre (diamètre de la base du cône est de 100 mm, hauteur de ce cône est de 180 nn). Cette forme de réalisation de l'électro- -aimant s'est montrée, lors des essais, très intéressante car, tout en facilitant l'entrée du jet de plasma dans l'espace annulaire entre le conduit de plasma 3 et l'électro-ainant 6, elle contribue à l'augmentation dece jet à la sortie de l'appareil. La distance séparant la face terminale du conduit de plasma 3 et le centre de l'enveloppe 7 est égale à 175 mm. Dans le cas considéré, les dimensions du conduit de plasma 3, de l'enveloppe 7 et de la cathode 1 et leur disposition réciproque étant comme mentionnées, l'enveloppe 7 masque, vis-à-vis de la cathode, la vue de l'ouverture de sortie du conduit de plasma 3. L'enveloppe 7 est supportée par un montant creux 8 abritant des prises de courant 9 par lesquelles s'opère l'alimentation de l'électro-aimant 6. La cathode 1, l'anode 2, le conduit de plasma 3 et l'électro-aimant 6 bénéficient d'un refroidissement par circulation d'eau (le système n'est pas représen- té). Une électrode d'amorçage il en forme d'une tige, par exemple en molybdène, vient, par l'intermédiaire d'un élément en céramique 10, en butée de la -surface latérale de la cathode 1. Les références 12 et 13 de la figure 1 désignent des prises de courant par lesquelles les impul- sions d'amorçage en provenance du générateur 14 viennent se faire sentir dans l'interstice entre la cathode 1 et l'électrode d'amorçage 41. Il est à noter que l'amorçage de l'arc entre l'anode et la cathode peut être assuré par n'importe quels des autres moyens connus. Un bloc d'alimentation de l'arc 45 a une de ses prises connectées à la cathode consom- mable 1, pendant que son autre prise est reliée. à l'anode 2. Les prises de courant 12 et 13 sont introdui.tes dans l'espace défini par l'anode 2 par des trous prévue dans le fond de l'anode 2, qui sont garnis d'i/so- lateurs étanches au vide 16. Le conduit de plasma 3 est entouré par un solénoïde de focalisation 17. Il est avantageux que le nombre de spires par unité de longueur du solénolde de focalisation 17, disposé sur le conduit de plasma 3, soit plus inportant sur le tronçon de ce solénolde qui est en aval de l'électro-ainant, dans le sens de cheminement du jet de plasma, que sur son reste. Plusieurs essais montrent que les meilleurs résultats -s'obtiennent lorsque le rapport entre les valeurs susmentionnées est égal à 3. Ceci permet de mieux focaliser le jet de plasma à la sortie de l'appareil, tout en contribuant à sa densité, et, par là ne, d'élever la vitesse de dépôt du revêtement lorsque la source est enployée à cette fin. Dans les figures 2 et 3, la référence 18 désique le produit sur lequel on opère le traitement. Le dispositif à arc électrique comporte aussi un couvercle 19 (voir la figure 3) pour obturer l'ouverture de sortie du conduit de plasma 3, lequel couvercle est fait à partir d'un acier amagnétique. La face extérieure de ce couvercle porte une bobine plate 20 dont l'épaisseur est de 60 mm et le diamètre de 260 mm, laquelle bobine est connectée en accord avec le solénoïde de focalisation. Dans ce cas, un porte -substrat 22 est introduit par l'intermédiaire d'un isolateur 21, dont est garnit l'ouverture centrale pratiquée dans le couvercle 19, à l'intérieur con- duit de plasma 3. La source de plasma, objet de la présente inven- tion, fonctionne de la manière suivante. On branche des sources alimentant respectivement le solénoïde de focalisation 17 et l'électro-aimant 6 (ces sources ne sont représentées); il en résulte un champ magnétique dont les lignes de force sont disposées de la manière représentde en pointillé sur la figure 2. On met en circuit le bloc 15 d'alimentation de l'arc et le générateur 14 d'impulsions d'amorçage. Lorsqu'une impulsion d'amorçage à haute tension se presente sur l'électrode d'amorçage 11, on assiste à une décharge par étincelles entre l'électrode 1' et la cathode 1, laquelle décharge se produit sur la surface de l'élément en céramique 10. Cette décharge provoque l'amorçage d'un arc entre la cathode t et l'anode 2. Une tache catho-dique se forme sur la surface active 23 de la cathode 1 et on observe l'apparition d'un jet de plasma contenant de matériau de la cathode 1.Les ions et les électrons du plasma sont animés d'un mouvement le long des lignes de force du champ magnétique susmentionné, ils contournent l'enveloppe 7 de 1' électro-aimant 6, et après avoir passé par l'ouverture de sortie du conduit de plasma 3, ils arrivent sur la surface à traiter du produit 18. Le cheminement des composants électrisés formant jet de plasma- (ions et électromsa) est tracé par flèches dans les dessins (voir la figure 2). Les paires neutres et les macroparticules suivent des trajectoires rectilignes (traits interrompus mixtes de la figure 2) et se déposent sur les surfaces du conduit de plasma 3 et de l'enveloppe 7 de l'électro-aimant 6.C'est de cette façon qu'on arrive à obtenir à la sortie de l'appareil et, par conséquent, dans la zone de la surface en traitement du produit 18 un jet de plasma libre de xacro- particules. Lorsqu'il s'agit du traitement des surfaces extérieures des produits en forme de corps de révolution, la présence de la bobine plate 20 conduit à ce que les lignes de force du champ magnétique, en sa portion nui est comprise entre l'enveloppe 7 de l'électroaimant 6 et le couvercle 19 (là où se trouve le produit en traitement 18),8e dirigent vers l'axe du système (traits interrompus de la figure 3). C'est la raison pour laquelle le composant ionisé du jet de plasma est orienté lui aussi vers l'axe du système et arrive ainsi sur la surface du produit 18. Cette surface est protégée contre les macroparticules par l'enveloppe 7 de l'électro-aimant 6. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés 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. Source de plasma à arc électrique, compor- -tant une cathode consommable (1), une anode (2) de forme cylindrioue et un solénoïde de focalisation (17) qui sont disposés coaxialement par rapport à ladite cathode consom- amble (1) et un bloc (15) d'alimentation de l'arc qui est relié électriquement auxdites cathodes consommable (t) et anode (2), c a r a c t é r i 9 é e en ce qu'elle comporte un conduit de plasma tubulaire (3) relié à la face terminale de l'anode (2) et un électro-aimant (6) dispos) dans ce conduit de plasma tubulaire (3), suivant son axe, et renfermé dans une enveloppe (7) constituée à nartir d'un matériau amaqnétique, cet électro-aimant recouvrant la zone de visibi lité#optique de la cathode (1), et en ee que le solénoïde de focalisation (17) est disposé sur le conduit de plasma tubulaire (3) et est connecté en opposition par rapport à l'enroulement de l'électro-aimant (6). 2. Source de plasma à arg électrique selon la revendication 1, c a r a c t é-r i s é e en ce qu'un joint isolant (4) est intercalé entre le conduit de plasma tubulaire (3) et l'amode (2). 3. Source de plasma à arc électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface intérieure du conduit de plasma tubulaire (3) présente des nervures (5) disposées de manière à former un angle avec le cheminement sunposé du jet de plasma. 4. Source de plasma à arc électrique selon l'une quelconque des revendications 1à3, c a r a c t é r i s é e en ce que l'électro-aimant (6) présente axialement une forme carénée et que l'enveloppe (7) présente une forme correspondante à celle de 1' électro-aimant. 5. Source de plasma à arc électrique selon la revendiction 4, c a r a c t é r i s é e en ce que l'électro- -aimant (6) présente la forme d'un cône et que son sonmet est orienté vers la cathode consommable (1). 6. Source de plasma à arc électrique selon la revendication 4, c a r a c t é r i s é e en ce que l'électro-aimant (6) présente la forme de deux cônes dont les bases sont jointes l'une de l'autre. 7. Source de plasma à arc électrique selon l'une quelconque des revendications 1à6, c a r a c t é r i s é e en-ce que le nombre de spires par unité de longueur du solé- nolde-de focalisation (17), disposé sur le conduit de plas -ma tubulaire (3), est plus important sur le tronçon de solénoïde qui est en aval de l'électro-aimant (6-), dans le sens de cheminement du jet de plasma, que sur le reste de ce solénoïde. 8. Dispositif à arc électrique pour traitement au plasma des surfaces de produits, comportant une source de plasma et un organe de fixation du produit à traiter, lequel dispositif est c a r a c t é r i s é en ce que la source de plasma est réalisée conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 7 et en ce que l'organe de fixation du produit à traiter est un couvercle (19) en matériau amagnétique présentant une ouverture pour l'introduction du produit à traiter (18),- lequel couvercle est monté sur l'extrémité libre du conduit de plasma (3) susmentionné et est muni d'une bobine plate (20) connectée de manière adaptative au solénolde de focalisation (17).