УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ

Полезная модель относится к области прецизионной металлургии, в частности к оборудованию, которое используется для модификации поверхностей деталей машин.
Известны установки для нанесения защитных покрытий серии «Мир» (Филимонов А.П., Логачев В.Г., Вахминцев Г.Б., Пуминов В.В. Перспективы применения вакуумной технологии для нанесения жаростойких покрытий // Производственно-технический опыт отрасли. М.: ЦНТИ «Поиск», 1989, №1, с. 20-25), «Quatra» (www.elanpraktik.ru) и др., реализующие магнетронный метод генерации материала покрытия и состоящие из вакуумной камеры, в которой расположены несколько катодных узлов и один или несколько корректирующих катодных узлов.
Общим недостатком известных установок является: сложность изготовления катодов-мишеней такого же стехиометрического состава, что и формируемое покрытие; высокая стоимость перехода от одного состава покрытия к другому, т.к. в этом случае каждый раз необходимо изготавливать катоды-мишени нового компонентного состава; неполное воспроизведение процентного содержания компонентов в покрытии по сравнению с катодом-мишенью в силу физики процессов распыления, что вызывает необходимость коррекции состава покрытия; достаточно высокая сложность конструкции катодных узлов, каждый из которых должен иметь индивидуальные магнитную систему и систему охлаждения, что существенно ограничивает возможность уменьшения их размеров; сравнительно низкий коэффициент использования материала мишени; высокая неравномерность по толщине покрытия; сложность при распылении магнитных материалов.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является устройство для получения многокомпонентных многослойных покрытий (Патент РФ на полезную модель №159075), в котором торцевые фланцы вакуумной камеры соединены с сердечниками электромагнитов и являются магнитопроводами магнитной системы, катоды-мишени, каждый из которых изготовлен из компонентов, составляющих покрытие, и расположены равномерно по окружности, анод выполнен из двух частей, установленных на торцевых фланцах по оси камеры коаксиально полюсным наконечникам, снабжен электрически нейтральными экранами, выполненными из немагнитного материала и установленными коаксиально между элементами анода и полюсными наконечниками.
Недостатки известного устройства состоят в том, что в процессе формирования покрытий из-за неравномерной величины напряженности магнитного поля вдоль катода-мишени наблюдается неравномерность покрытия по толщине; при ионной чистке и дальнейшем формировании покрытий на стенки вакуумной камеры осаждаются поверхностные загрязнения с держателя деталей и атомы катода-мишени, не попавшие на детали, что приводит к формированию пористых, плохо связанных со стенками покрытий; при отрицательном потенциале на камере значительное количество ионов плазмообразующего газа уходит на стенки камеры; а также происходит распыление обрабатываемой поверхности высокоэнергетичными ионами.
Технической задачей полезной модели является повышение качества наносимых покрытий за счет более равномерного распределения ионного тока по поверхности катодов-мишеней, что, в свою очередь, приведет к снижению неравномерности по толщине формируемых покрытий.
Это достигается тем, что устройство для получения многокомпонентных многослойных покрытий состоит из цилиндрической вакуумной камеры, катодов-мишеней, держателей деталей, магнитной системы, включающей электромагниты, расположенные диаметрально вне вакуумной камеры, и магнитопроводы, соединенные с торцевыми фланцами вакуумной камеры, выполненными из магнитопроводного материала. Анод, выполненный из двух частей, установленных на торцевых фланцах по оси камеры коаксиально полюсным наконечникам, снабжен электрически нейтральными экранами, выполненными из немагнитного материала и установленными коаксиально между элементами анода и полюсными наконечниками. На торцевых фланцах вакуумной камеры установлены катодные диски, выполненные из немагнитного металла с возможностью подачи на них дополнительного потенциала.
Установка катодных дисков на торцевых фланцах цилиндрической вакуумной камеры, выполненных из немагнитного металла, например из стали 12Х18Н10Т, позволит: увеличить коэффициент использования ионов плазмообразующего газа; получить более равномерное распределение ионного тока по поверхности катодов-мишеней, что в свою очередь приведет к снижению неравномерности по толщине формируемых покрытий, и, как следствие, повысить качество наносимых покрытий.
На фигуре 1 показана схема устройства для получения многокомпонентных многослойных покрытий.
Устройство для получения многокомпонентных многослойных покрытий содержит охлаждаемую цилиндрическую вакуумную камеру 1, на которой установлены торцевые фланцы 2, изготовленные из магнитопроводного материала, на которых расположены катодные диски 3, изготовленные из немагнитного металла и электрически изолированные от цилиндрической вакуумной камеры 1. Сердечники 4 электромагнитов 5 соединены с торцевыми фланцами 2 и образуют замкнутую магнитную систему. По оси цилиндрической вакуумной камеры 1 расположен анод 6, выполненный из двух элементов, установленных внутри полюсных наконечников 7 магнитной системы, между которыми формируется аксиальное магнитное поле. Между элементами анода 6 и полюсными наконечниками 7 расположены электрически нейтральные экраны 8. Катоды-мишени 9 изготовлены из материалов, являющихся компонентами формируемого покрытия, и расположены симметрично по окружности снаружи полюсных наконечников 7. Потенциал катодов-мишеней 9 регулируется от независимых управляемых источников питания 10. Детали, на которых конденсируется испаряемый с катодов-мишеней 9 материал, установлены на коаксиальных, с осью камеры, держателях 11 деталей, изолированных от камеры. Потенциал к держателям 11 деталей подводится от отдельного управляемого источника питания 12. Разность потенциалов между анодом 6 и катодами-мишенями 9 прикладывается с помощью источника постоянного тока 13. Подача дополнительного потенциала на катодные диски 3 осуществляется с помощью отдельного источника питания 14.
Корпус вакуумной камеры 1 изготовлен, например, из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Торцевые фланцы вакуумной камеры 2 совместно с полюсными наконечниками 7 - из магнитопроводной стали 3X13.
Устройство работает следующим образом.
2
3
При включении электромагнитов 5 внутри вакуумной камеры 1 формируется магнитное поле необходимой конфигурации, которое замыкается по сердечникам 4, торцевым фланцам 2 и полюсными наконечниками 7. От источника постоянного тока 13 между анодом 6 и катодами-мишенями 9 устанавливают разность потенциалов 10-10 В. Нейтральные экраны 8, находящиеся под «плавающим» потенциалом, предотвращают возникновение паразитного разряда между анодом 6 и полюсными наконечниками 7, что в свою очередь приводит к снижению нагрева полюсных наконечников и исключает возможность распыления полюсных наконечников и отсутствию потерь мощности разряда. На катодные диски 3 подается положительный потенциал относительно держателя 11 деталей в режиме его очистки. В этом случае катодные диски 3 выполняют роль конденсатора твердых продуктов распыления поверхности обрабатываемых деталей. В режиме нанесения покрытий на катодные диски 3 подается положительный потенциал относительно катодов-мишеней 9, что позволяет увеличить коэффициент использования ионов плазмообразующего газа, участвующих в процессе распыления катодов-мишеней 9. На катодных дисках 3 происходит накопление положительного заряда, которое регулируется отдельным источником питания 14. Благодаря этому при нанесении покрытия катодные диски обеспечивают увеличение коэффициента использования ионов плазмообразующего газа и более равномерное распределение ионного тока по поверхности катодов-мишеней, что, в свою очередь, приводит к снижению неравномерности по толщине формируемых покрытий и, как следствие, повышению качества наносимых покрытий.
При напуске в вакуумную камеру рабочего газа (Аr) до давления 0,01-0,1 Па вдоль оси генератора формируется разряд отражательного типа с осциллирующими ионами (типа разряда Пеннинга), а радиальное электрическое поле обеспечивает ускорение ионной компоненты газовой и металлической плазмы в радиальном направлении.
На катоды-мишени 9 подается положительный запирающий потенциал с помощью независимых управляемых источников питания 10, чтобы уменьшить распыление катодов-мишеней 9 во время чистки держателей 11 деталей. В режиме нанесения покрытий на держатели 11 деталей от отдельного управляемого источника питания 12 подается положительный потенциал относительно катодов-мишеней 9, что позволяет уменьшить распыление обрабатываемой поверхности высокоэнергетичными ионами.
При нанесении покрытия катодные диски обеспечивают увеличение коэффициента использования ионов плазмообразующего газа и более равномерное распределение ионного тока по поверхности катодов-мишеней, что, в свою очередь, приводит к снижению неравномерности по толщине формируемых покрытий и, как следствие, повышению качества наносимых покрытий.
Конфигурация электрического и магнитного поля такова, что вторичные электроны плазмообразующего газа практически не попадают на держатели 11 деталей, следовательно, уменьшается плотность потока энергии, приходящая на держатели деталей, находящихся, в основном, в потоке распыленного материала, который осаждается на покрываемые детали в виде атомов и ионов. Это приводит к снижению температуры обрабатываемых деталей и дает возможность формировать покрытия с низкими температурами фазовых переходов.