УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ

Полезная модель относится к устройствам для нанесения ионно-плазменным способом композитных покрытий и может быть использована в медицинской технике для формирования переходных подслоев (бондингов), согласующих коэффициенты термического расширения каркасов мостовидных металлических зубных протезов (МЗП) и зубопротезной керамики в ортопедической стоматологии, амбулаторно-поликлинической практике стоматологических отделений.
Нанесение покрытий из металлов, их соединений с газами-реагентами и металлокерамических компаундов на каркасы МЗП перед формированием зубопротезной керамики производится при помощи ряда устройств, одним из которых является электродуговой испаритель (ЭДИ) [Толок В.Г. Вакуумно-плазменная технология высоких энергий. Вести. АН УССР, 1980. №11, С.64]. Испарение материала катода, являющегося расходуемой частью ЭДИ, происходит одновременно из 3-5 зон (катодных пятен) с высокой концентрацией энергии, температура в которых превышает 50000°С, хаотически перемещающихся по рабочей поверхности катода. При таких температурах испаряются самые тугоплавкие металлы и металлокерамические компаунды. Степень ионизации заряженных частиц материала катода ЭДИ зависит, в частности, от конструкции системы подачи газа в прикатодное пространство вакуумной камеры.
Известен ЭДИ токопроводящих материалов, катод и отражатель которого с целью надежности работы ЭДИ выполнены в виде усеченных конусов, боковые поверхности которых образуют между собой тупой угол, равный 135-179°, причем угол конусности катода составляет 5-15° [SU №1123312, С23С 13/12], рассматриваемый в качестве аналога полезной модели заявляемого устройства. К недостаткам конструкции аналога следует отнести, в частности то, что он является двухступенчатой системой, в которой генерация рабочего вещества осуществляется катодными пятнами в первой ступени (на торцевой рабочей поверхности катода) а деионизация, ускорение ионов, а также активация газа-реагента - во второй ступени (объеме вакуумной камеры установки). Поскольку испарение материала происходит с торцевой поверхности катода, обращенной в сторону изделия, а рабочая поверхность катода в процессе срабатывания принимает форму, при которой силовые линии поля стабилизирующего соленоида перпендикулярны этой поверхности, возвращение катодных пятен в область удержания на торцевой поверхности катода под действием магнитного поля стабилизирующего соленоида приводит к закруглению кромки тупого угла (увеличению угла конусности катода). Форма, приобретаемая рабочей поверхностью катода с водоохлаждаемой полостью в виде цилиндрического углубления со стороны, противоположной рабочей поверхности в процессе распыления, способствует увеличению капельно-парообразной фазы в центральной зоне потока заряженных частиц, определяющей равномерность толщины слоя, состоящего из микрочастиц материала расходуемого катода по всей площади покрытия изделия.
Д
В качестве прототипа, с наиболее близким техническим решением к заявляемому, выбрано устройство для нанесения упрочняющих покрытий, составной катодный узел которого, состоящий из расходуемого катода материала покрытия и отражателя, имеет трубку для подвода реакционного газа, расположенную в токоведущей трубе, а внутри катода выполнен канал, сообщающийся с трубкой для подвода реакционного газа, в форме конуса с вершиной, обращенной к этой трубке [RU №2210618 С23С 14/24, 14/46], повышающее коэффициент использования реакционных газов. Поскольку катодные пятна являются источниками высокоскоростных струй потока заряженных частиц, фазовый состав потока и размер микрочастиц, покидающих катод при катодном распылении, зависят от тока дуги (I) ЭДИ в большей степени, чем от изменения давления газа-реагента, и определяются степенью охлаждения катода и характером стадии технологического процесса.
д
д
Недостатки составного катода, приведенного в устройстве прототипа, заключены, в частности, в неодинаковой интенсивности охлаждения участков конусной поверхности катода, неравноудаленных от водоохлаждаемой полости, соединенной с трубкой для подвода реакционного газа, из-за наличия в конструкции ЭДИ герметичного сочленения расходуемого катода с водоохлаждаемой полостью, что приводит к неоднородности фазового состава потока (полидисперсности фазового состава микрочастиц потока, покидающих катод при катодном распылении) и неравномерности толщины слоя микрочастиц материала расходуемого катода по всей площади покрытия. В зазоре между элементами составного катода и канала внутри катода, сообщающегося с трубкой для подвода реакционного газа, возникает зона интенсивного нагрева зазора, индуцированная ионизационным разрядом в среде газа-реагента. В связи с высокими значениями энергии, высвобождаемой в результате ионизации газа-реагента при повышении I и из-за характера траекторий распространения распыляемых частиц по прямым направлениям во все стороны, возникает значительная эрозия зоны стенок канала подвода реакционного газа расходуемого катода, выполненного внутри катода в форме конуса с вершиной, обращенной к этому каналу и сообщающийся с трубкой для подвода реакционного газа, которая достигает величины, при которой вода, охлаждающая полость катода, может проникнуть внутрь вакуумной камеры при работающем катоде и резкому падению вакуума в камере, что делает нетехнологичным осаждаемое покрытие МЗП. Термическое напряжение в месте контакта водоохлаждаемой полости с трубкой для подвода реакционного газа, ограничивает величину I, необходимую для распыления композитных катодов из металлокерамических масс для формирования переходных подслоев (бондингов), согласующих коэффициенты термического расширения каркасов МЗП и зубопротезной керамики.
Нами впервые предложено устройство ЭДИ для нанесения многослойных покрытий из материала, аналогичного материалу каркаса мостовидных металлических зубных протезов, композитных металлокерамических переходных подслоев, согласующих коэффициенты термического расширения материалов мостовидного металлокерамического зубного протеза (МКЗП) и зубопротезной керамики. В процессе работы внутренняя поверхность конуса расходуемого катода подвергается бомбардировке распыленными частицами материала катода, распространяющимися по прямым траекториям во все стороны из зон катодных пятен. Использование в качестве ионизирующего газа одноатомного аргона (Аr) с высоким потенциалом ионизации и мол. весом 39,94 ат.ед (ионизация начинается при 8000 К, при 1800 К газ полностью ионизован, с дальнейшим ростом температуры происходит вторичная ионизация Аr), приводит к возникновению вторичной ионной термоэмиссии с внутренней поверхности конуса расходуемого катода, увеличивающей массу распыленного материала катода (примерно пропорционально квадрату плотности тока) [Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М., Атомиздат, 1968, С.112-113, 189-190, 265-268]. Подобным образом наносят на каркас мостовидного МЗП подслой катодами, состоящими из этого же материала, а затем, увеличивая 1д для катодов, изготовленных из металлокерамического компаунда в соответствующей пропорции, обеспечивающей согласование коэффициентов термического расширения материала каркаса мостовидного МЗП и зубопротезной керамики, наносят бондинги требуемой толщины.
Увеличение капельно-парообразной фазы, связанное с разогревом расходуемого катода потоком заряженных частиц вторичной термоионной эмиссии, компенсируется теплоотводом за счет охлаждающей жидкости, циркулирующей по водоохлаждаемой полости катода, имеющей вид усеченного конуса, подобного конусу канала для подачи реакционного газа, что приводит к выравниванию фазового состава потока (монодисперсности фазового состава микрочастиц потока, покидающих катод при катодном распылении) и равномерности толщины слоя микрочастиц материала расходуемого катода по всей площади покрытия. Для предотвращения возможности проникновения охлаждающей воды внутрь вакуумной камеры при срабатывании расходуемого катода за счет интенсивной эрозии материала последнего в результате катодного распыления, в предложенном устройстве трубка для подвода реакционного газа соединена с катодом через манжету из термостойкого упругого материала (например, кремнийорганической резины) и кольцо из материала с большей теплотой возгонки и более высокой температурой плавления, чем материал катода [Физический энциклопедический словарь. Катодное распыление. М., изд-во «Советская энциклопедия», 1962, с.293-295], установленных в углублении водоохлаждаемой полости катода и герметизирующих ввод трубки для реакционного газа. Достижение границы срабатывания конусом канала поверхности кольца автоматически изменяет условия возбуждения дугового разряда в вакууме в парах материала кольца с большей теплотой возгонки и более высокой температурой плавления (к примеру вольфрама или молибдена - 3416 и 2620°С соответственно по сравнению с 1680°С титана), чем материал расходуемого катода, происходит срыв дуги и запрет повторного зажигания ее в автоматическом режиме при подаче высоковольтного импульса на поджигающий электрод катода.
На Фиг.1 представлена конструкция предлагаемого устройства, где:
1 - расходуемый катод;
2 - водоохлаждаемая полость катода;
3 - кольцо;
4 - манжета;
5 - трубка для подвода реакционного газа;
6 - токоподвод катода;
7 - отражатель;
8 - стабилизирующий соленоид.
Устройство работает следующим образом: после возбуждения дугового разряда в парах наносимого материала расходуемого катода (1), возникшие при пробое катодные пятна под действием магнитного поля стабилизирующего соленоида (8) смещаются на рабочую поверхность катода (1), имеющую форму усеченного конуса с вершиной, направленной к трубке для подвода реакционного газа (5). При случайном сбегании катодных пятен на боковую (нерабочую) поверхность катода (1) или отражателя (7) они возвращаются магнитным полем стабилизирующего соленоида (8), обеспечивающего однородное магнитное поле на значительной длине в области боковых поверхностей катода (1) и отражателя (7), на рабочую конусную поверхность катода (1). Охлаждение расходуемого катода (1) проточной водой осуществляется через водоохлаждаемую полость (2) катода (1), имеющую вид прямого усеченного конуса, подобного конусу канала для подачи реакционного газа. Внутри токоподвода (6) катода (1) расположена трубка (5) для подачи реакционного газа, которая соединена с катодом через манжету (4) и кольцо (3) из материала с большей теплотой возгонки и более высокой температурой плавления, чем материал катода, установленные в углублении водоохлаждаемой полости расходуемого катода (1) в форме конуса. При срабатывании конуса канала и достижения поверхности кольца из тугоплавкого материала, изменяются условия возбуждения дугового разряда в вакууме в парах материала кольца с большей теплотой возгонки и более высокой температурой плавления, поэтому происходит автоматическое погасание разряда дуги.
Применение устройства электродугового испарителя заявленной конструкции обеспечило:
- равномерное охлаждение расходуемых катодов как из токопроводящих, так и компаундных металлокерамических материалов, обеспечивающее однородность фазового состава потока и приблизительно равный размер микрочастиц, покидающих катод при катодном распылении;
- возможность нанесения бондингов с согласованием коэффициентов термического расширения каркасов мостовидных МЗП и зубопротезной керамики;
- автоматическое отключение электродугового испарителя при достижении границы срабатывания конуса канала расходуемого катода поверхности кольца из материала с большей теплотой возгонки и более высокой температурой плавления;
- улучшение адгезионных свойств материала основы каркасов мостовидных МЗП к зубопротезной керамике, поскольку процесс от начала - очистки тлеющим разрядом и концом - нанесением бондинговых подслоев перед наплавкой зубопротезной керамики производится в вакуумной камере установки в течение одного непрерывного технологического цикла без образования на поверхности каркасов МЗП окисных пленок.