СПОСОБ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
METHOD OF VACUUM-ARC COATING

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технологии нанесения покрытий, преимущественно, к технологии нанесения газопоглотительных покрытий постоянного состава из потоков металлической плазмы вакуумно-дугового разряда.
К газопоглотителям относятся вещества с высокой поглощающей способностью по отношению к кислороду, водороду, азоту, углекислому газу, окиси углерода и др. газам, кроме инертных. Газопоглотители используются в вакуумных приборах для поглощения газов и паров, остающихся после откачки или выделяющихся при работе приборов в наполненных инертными газами приборах - для очистки наполняющего газа от посторонних примесей, а также в качестве рабочего вещества вакуумных насосов. Применяются испаряющиеся и неиспаряющиеся газопоглотители. К неиспаряющимся газопоглотителям относятся такие материалы, как тантал, титан, цирконий, барий, церий, лантан и ниобий, которые обычно наносятся в виде тонкодисперсных металлических порошков на поверхность деталей приборов или в другом случае из них изготовляют целую деталь.
Для получения газопоглотительного материала высокого качества необходимо, чтобы формируемый слой имел достаточно развитую рыхлую поверхность. Известен способ получения газопоглотительного материала на подложке, изложенный в патенте RU №2153206, H01J 007/18 B01J 020/02, в котором приготовляется тонкий слой частиц газопоглотительного материала с размером частиц менее 150 мкм в диспергирующей среде. Покрытие осаждается слоем суспензии газопоглотительного материала металлического носителя посредством сериграфического способа. Сушка покрытия и обжиг осуществляются в вакууме при 1073…1273К. Следует отметить сложность технологического процесса по изготовлению данного типа газопоглотительного слоя.
В работе Вильдгрубе В.Г., Церпицкий Б.Д., Шаронов В.Н., Шаталов С.М. Сетки мощных генераторных ламп.Проблемы, пути развития // Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Вып.2 (125), 1989. С.43-51 показана возможность использования титановых покрытий на сеточных электродах генераторных ламп в качестве геттерирующей поверхности, активно способствующей поддержанию благоприятных вакуумных условий в приборе. Из представленных методов нанесения покрытий отмечаются пульверизация и катафорез с последующим спеканием в вакууме и плазменно-дуговое напыление титанового порошка. Отмечено, что наиболее эффективным методом для нанесения покрытий на изделия электронной техники является экологически чистый метод вакуумного плазменно-дугового напыления с помощью торцевых холловских плазменных ускорителей.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков является способ получения газопоглотительного титанового покрытия из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда, представленный в статье Kuznezov V.G., Lisenkov A.A., Pavlova V.A., Vetrov N.Z. Influence of thermal cathode mode on properties of coatings reshaped settled, deposited from metal plasma of vacuum-arc dis-charge // Plasma Devices and operations. - 2002. - V.10. - №3. - P.179-186.
В этом способе для нанесения титанового покрытия используют вакуумно-дуговые источники плазмы коаксиальной конструкции. Наличие в продуктах эрозии капельных образований приводит к получению шероховатого покрытия с развитой поверхностью. Данное условие оказывает благоприятное влияние на газопоглотительные свойства титановых покрытий.
Генерация капель происходит из-за образования на поверхности катода эрозионных кратеров. Максимальное количество капельных образований покидают рабочую поверхность катода под углом 20…30° к его плоскости.
В рабочих режимах эксплуатации титановые покрытия представляют геттерирующую поверхность, активно способствующую поддержанию благоприятных вакуумных условий в приборе. Титан поглощает активные газы и удерживает их в широком температурном диапазоне, начиная от 473К. Сорбционная емкость титановых покрытий зависит от его толщины, шероховатости и пористости, и в значительной степени определяется технологическим режимом его получения.
Для изучения влияния капельных образований на газопоглощающие свойства титановые покрытия осаждались на молибденовые основания, согнутые в дугу. Расстояние от центра катода испарителя до каждого участка подложки было выдержано практически одинаковым. Поэтому каждому ее элементу соответствовал определенный угол α между плоскостью рабочей поверхности катода и радиусом дуги подложки, проведенным из центра катода к данному участку. После нанесения покрытия подложку разрезали на пластины одинаковой ширины с кратностью угла α в 5° в пределах от 0 до 90°. Исследование эффективной сорбционной емкости производилось на специальной вакуумной установке. Для этого использовался или метод постоянного объема, или метод порций, основанный на замере изменения давления дозированного количества воздуха в объеме в течение установленного времени в интервале температур от 290 до 990К.
Показано, что эффективная удельная емкость газопоглотителя q (суммарное количество поглощенного воздуха, отнесенное к его площади) зависит от угла ориентации подложки в пространстве относительно рабочей поверхности катода α: максимальное газопоглощение соответствует максимуму распределения капельных образований в рабочем объеме: в диапазоне телесных углов от 10 до 30 относительно точки пересечения катода и его продольной оси.
Недостатком данного способа получения газопоглотительного покрытия является изменение параметров генерируемого плазменного потока в процессе работы испарителя, что приводит к неоднородности формируемых покрытий.
Уменьшение длины катода приводит к улучшению охлаждения рабочей поверхности катода и уменьшению его рабочей температуры, что уменьшает количество капельных образований, генерируемых в плазменный поток и попадающих на обрабатываемое изделие при формировании покрытия.
Как правило, с одного катода нанесение покрытий осуществляют на несколько партий деталей. После нанесения покрытий на первую партию деталей вакуумную камеру вскрывают, детали первой партии извлекают и загружают вторую партию деталей, снова осуществляют процесс нанесения покрытий и т.д. При переходе от одного процесса напыления к последующему наблюдается изменение свойств формируемых покрытий за счет изменения количества и размеров микрокапель материала катода, характерного для каждой партии деталей.
Задачей заявляемого изобретения является разработка вакуумно-дугового способа нанесения покрытий с постоянным составом генерируемой капельной фазы, обеспечивающего воспроизводимость свойств металлических покрытий для всех партий деталей, достигаемая за счет формирования плазменного потока при постоянной начальной температуре катода вакуумно-дугового источника плазмы коаксиальной конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе вакуумно-дугового нанесения покрытий на несколько партий деталей, включающем формирование потока металлической плазмы вакуумно-дугового разряда с использованием катода из напыляемого материала и с системой охлаждения и последовательное нанесение покрытий на каждую партию деталей, на каждую последующую обрабатываемую партию деталей нанесение покрытий проводят при постоянной начальной температуре катода, для чего используют катод с выполненной в его теле со стороны расположения системы охлаждения канавкой, диаметр которой периодически изменяют после нанесения покрытий на каждую партию деталей в соответствии с выражением
1
где D - диаметр канавки, м;
K
D - диаметр катода, м;
µ - коэффициент электропереноса, кг/Кл;
разр
I - величина разрядного тока, А;
3
ρ - плотность материала катода, кг/м;
K
2
S - площадь торцевой (рабочей) поверхности катода, м;
1
L - ширина канавки, м;
t - полное время наработки катода, затраченное на все предыдущие партии обрабатываемых деталей, с.
Изменение геометрических размеров канавки в теле катода, расположенной со стороны системы охлаждения, позволяет для каждой последующей обрабатываемой партии деталей поддерживать начальную температуру катода на постоянном уровне, что обеспечивает
- воспроизводимость результатов свойств формируемых покрытий для всех партий изделий, полученных при использовании катода;
- повышение качества наносимого покрытия.
к
к
х
1
1
1
х
Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена конструкция цилиндрического катода: 1 - катод, изготовленный из материала напыляемого на обрабатываемые детали; 2 - рабочая поверхность катода диаметром D, на которой при существовании вакуумно-дугового разряда устанавливается рабочая температура Т; 3 - охлаждаемая поверхность катода с установившейся рабочей температурой Т; 4 - вытачиваемая канавка, шириной L и диаметром D с температурами со стороны рабочей поверхности Т и со стороны охлаждения Т.
Количественный состав капельных образований связан с изменением в процессе работы интегральной температуры катода. Для постоянства фазового состава плазменного потока, выводимого в рабочий объем, по мере выработки материала катода необходимо для каждой последующей обрабатываемой партии деталей нанесение покрытия проводить при постоянной начальной температуре катода.
Авторами для решения данной задачи предлагается в процессе работы после каждого технологического процесса напыления изменять диаметр канавки 4 в теле катода 1, расположенной со стороны системы охлаждения, охлаждающей нерабочую поверхность катода 3.
х
к
Катод 1 выполняется из материала, напыляемого на обрабатываемое изделие. Катод через уплотнительную прокладку нерабочей поверхностью 3 вакуумно-плотно пристыковывается к системе охлаждения, имеющей температуру Т. Дуговой разряд горит с противоположной стороны на рабочей поверхности катода 2, на которой в процессе работы устанавливается рабочая температура Т.
1
За счет изменения диаметра канавки D открывается возможность управления тепловым режимом работы катода коаксиальной конструкции и перед каждым последующим процессом напыления задавать тепловой режим рабочей поверхности катода.
Рассмотрим режимы работы катода в различные моменты времени, соответствующие различной его длине.
к0
1
В первоначальный момент времени, при t=0, когда длина катода максимальна - L, a D=0, для изменения температуры имеем следующие соотношения:
1
для 0≤z≤L;
1
к0
для L≤z≤L
Для текущего момента времени t будем иметь следующие изменения температуры:
1
для 0≤z≤L;
1
К
для L≤z≤L
разр
разр
к0
За время работы t, затраченное на все предыдущие партии нанесения покрытий, за счет испарения материала m=µI, (где µ - коэффициент электропереноса, I - ток разряда, который постоянен на всем протяжении работы), длина катода от исходной L уменьшается
разр
при I=const,
на величину
к
к
При неизменном значении мощности Р, выделяющейся на катоде, уменьшение его длины должно вызывать уменьшение температурного напора на рабочем участке L
.
х
Температура Т фиксируется охлаждающей жидкостью
к
к
1
к
Для стабилизации температуры катода Т на заданном уровне необходимо уменьшить S таким образом, чтобы увеличение Т компенсировало ΔТ.
Совместное решение представленных выражений позволяет получить конечное выражение, позволяющее установить связь рабочей температуры катода 1 с геометрическими размерами канавки 4 и поддерживать начальную температуру рабочей поверхности катода для каждой последующей обрабатываемой партии деталей на постоянном уровне:
к
Ti
Ti
разр
-2
3
3
-7
Для реализации данного способа получения газопоглотительных покрытий используется вакуумно-дуговой источник плазмы коаксиальной конструкции с титановым катодом D=6·10 м, ρ=4.5·10 кг/м, µ=0.52·10 кг/Кл. Источник плазмы работает в стационарном режиме. Разрядный ток выбираем из условий стабильного горения разряда I=100 А. В процессе работы температура катода как на рабочей поверхности, так и по его длине, контролировалась с помощью термопар.
рост
рост
1
1
k1
2
k2
3
k3
10
k10
20
k20
-3
-2
-2
-2
-2
-2
Формируемый плазменный поток выводится в рабочий объем и осаждается на подложки, расположенные в зоне генерации максимального количества капельных образований. Длительность протекания технологического процесса t определяется скоростью роста наносимого покрытия ϑ и толщиной формируемого покрытия δ=ϑt и составляла t=3600 с или 1 час. Для поддержания начальной температуры рабочей поверхности катода, при каждом последующем напылении на обрабатываемые изделия при использовании канавки шириной L=5·10 м, диаметр ее изменяют в соответствии с расчетным соотношением: через t=1 час, D=5.2·10 м; t=2 час, D=4.7·10м; t=3 час, D=4.3·10м; t=10 час, D=3.0·10м; t=20 час, D=2.3·10.
Благодаря высокой стабильности свойств покрытий данный способ испытан при формировании покрытий на сеточных электродах генераторных ламп. Сформированные покрытия обладают высокой адгезией, устойчивы к действию электрических полей и обеспечивают высокую электрическую прочность приборов.