Устройство для получения плазменных потоков в вакууме

Устройство для получения плазменных потоков в вакууме Полезная модель относится к области нанесения покрытий в вакууме и может быть использована для получения защитных покрытий в машиностроении и станкоинструментальной промышленности. Известны устройства для нанесения покрытий в вакууме, содержащие катод из испаряемого материала с торцевой рабочей поверхностью, кольцевой анод и магнитную катушку, расположеннз ю коаксиально катоду (Дороднов A.M., Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств. - МТФ, 1981, т.51, .№3, с.516-518.). Недостатком этих устройств является необходимость использования достаточно высокой температуры конденсации для получения качественных покрытий из металлов и их нитридов, а также недостаточно высокая адгезионная прочность этих покрытий. Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому, является плазменный генератор, содержащий цилиндрический анод из немагнитного материала, внутри которого коаксиально размещен катод, имеющий форму усеченного конуса и снабженный отражателем. Кроме того, испаритель содержит поджигающий электрод, стабилизирующий соленоид, фокусирующий соленоид и канал подачи реакционных газов (Техническое описание установки ННВ - 6.6. - ТУ ОНН-538.232.-83). Недостатком этого, устройства также является необходимость использования высоких температур конденсации для получения качественных покрытий из металлов и их нитридов, недостаточно высокая адгезионная прочность покрытий. Эти недостатки также как и в случае аналога определяются низкой степенью ионизации плазменного потока и большим содержанием в нем паровой и микрокапельной фазы металла катода. В основу предлагаемой полезной модели положена задача повышения качества покрытий, их адгезионной прочности, снижение температуры нитридообразования. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для получения плазменных потоков в вакууме, содержащем расходуемый катод, цилиндрический охлаждаемый анод, поджигающий электрод, электроизолированный диск, стабилизирующий и фокусирующий соленоиды, участок охлаждаемого анода с фокусирующим соленоидом, расположенным между плоскостью сечения торцевой расходываемой поверхности катода и фланцем, выполнен в виде дополнительного анода, профиль внутренней поверхности которого имеет криволинейную форму МПКС23С4/00
V с - константа. За счет этого создается магнитно-электростатическая ловушка для электронов, через которую проходит плазменный поток и реакционный газ (азот) и, кроме того, создается зона холловского ускорения ионов. Реакционный газ (азот) подается через канал, расположенный на внешней поверхности электроизолированного диска, установленного за торцевой нерасходываемой поверхностью катода. На чертеже представлена конструкция предлагаемого устройства для получения плазменных потоков в вакууме. Устройство для получения плазменных потоков в вакууме содержит: охлаждаемый анод 1; дополнительный анод 2, профиль внутренней поверхности которого имеет криволинейную форму и подчиняется зависимости: H(z) (z) размещенный в аноде охлаждаемый катод 3, изготовленный из металла, используемого для получения покрытиявпроцессе электродуговой эрозии его торцевой поверхности; поджигаюш;ий электрод 4, контактирующий с боковой поверхностью катода; стабилизирующий соленоид 5, расположенный на внешней поверхности анода и предназначенный для перемещения катодных пятен дугового разряда с боковой на торцевзто расходываемую поверхность катода и стабилизации горения разряда на ней; фокусирующий соленоид 6, расположенный на внешней поверхности дополнительного анода между стабилизирующим соленоидом и фланцем 7; электроизолированный диск 8 из немагнитного материала и каналом подачи реакционного газа 9. Устройство для получения плазменных: потоков в вакууме работает следующим образом. Путем электрического пробоя самовосстанавливающейся металлической пленки, между неподвижным электродом поджига 4 и катодом 3 осуществляется инициирование вакуумной дуги. Возникающий после электрического пробоя сгусток плазмы сбрасывается на рабочую торцевую поверхность катода 3 и инициирует на ней возникновение катодного пятна, которое под действием стабилизирующей части магнитного поля совершает круговое движение по торцевой поверхности катода. При попадании катодного пятна на боковую конусную поверхность катода 3 это магнитное поле возвращает катодное пятно вновь на рабочую торцевую поверхность катода. Попаданию катодного пятна на заднюю поверхность катода 3 препятствует электроизолированный диск 8 из немагнитного материала. Катодные пятна приводят к эрозии материала катода и к образованию плазменной струи, состоящей из электронов, ионов, нейтральных атомов и частиц микрокапельной фазы. Истекающий
плазменный поток движется в скрещенном электрическом и магнитном поле. Величина индукции магнитного поля такова, что электроны плазмы сильно замагничены, а ионы слабо изменяют свою траекторию. При этом электроны плазменного потока движутся по циклотронным траекториям вдоль силовых линии магнитного поля и одновременно совершают дрейфовое вращение в соответствии с аксиальной симметрией скрещенного электрического и магнитного поля. В связи с этим длина траектории электронов в этой области существенно возрастает, возрастает плотность электронов и возрастает количество столкновений электронов с тяжелыми частицами. При этом увеличивается степень ионизации плазменного потока из-за ионизации паровой компоненты и роста кратности ионизации ионов. Частицы микрокапельной фазы, как электроизолированные тела в плазме, приобретают отрицательный электрический заряд, пропорциональный плотности электронов в этой области, и под действием электростатических сил сепарирзоотся на периферийной части плазменной струи. В итоге плазменная струя, за счет кинетической энергии направленного движения, доставляется к поверхности конденсации, которая находится под дополнительным отрицательным потенциалом. Регулируя величину отрицательного потенциала на первом этапе проводится процесс травления поверхности ускоренными ионами (ионная очистка поверхности), а на втором этапе проводится процесс конденсации металлического покрытия. При этом из-за существенного уменьшения микрокапельной и паровой фазы и увеличения степени ионизации плазменного потока возрастает адгезионная прочность покрытия.
При получении покрытий из нитридов металла в вакуумную камеру также подается реакционный газ азот через канал 9, расположенный на внешней поверхности электроизолированного диска 8. При этом молекулы газа проходят через магнито-электростатическую ловушку электронов и в результате столкновения с электронами частично ионизируются, а часть молекул диссоциирует на атомы. Причем, начиная с давлений (1-2) мм рт. ст. в этой области, возникает характерное свечение азота, соответствующие возникновению несамостоятельного тлеющего разряда. Частично ионизированный и диссоциированный на атомы газ, покидая срез сопла ускорителя, попадает в вакуумную камеру и адсорбируется на поверхности конденсации. При этом из-за механизма, описанного выше, образование стехиометрического нитрида металла происходит при меньших температурах конденсации и меньших отрицательных значениях потенциала, которое необходимо подавать на деталь.
Таким образом, разработанное устройство для получения плазменных потоков в вакууме позволяет получать качественные покрытия из металлов и их нитридов при меньших температурах конденсации, и также повысить адгезионную прочность покрытия.