История и развитие вакуумно-дуговых распылительных установок

Санкт-Петербургский  государственный электротехнический университет «Лэти» им. В.И. Ульянова-Ленина

 

 

Кафедра ЭПУ

 

 

Доклад по теме:

«История и развитие вакуумно-дуговых распылительных установок»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Мосолов  С

Группа 8203

 

 

Санкт-Петербург

2012г.

 

Вакуумно-дуговой процесс испарения  начинается с зажигания вакуумной  дуги (характеризующейся высоким током и низким напряжением), которая формирует на поверхности катода (мишени) одну или несколько точечных (размерами от единиц микрон до десятков микрон) эмиссионных зон (так называемые «катодные пятна»), в которых концентрируется вся мощность разряда. Локальная температура катодного пятна чрезвычайно высока (около 15000 °C), что вызывает интенсивное испарение и ионизацию в них материала катода и образование высокоскоростных (до 10 км/с) потоков плазмы, распространяющихся из катодного пятна в окружающее пространство. Отдельное катодное пятно существует только в течение очень короткого промежутка времени (микросекунды), оставляя на поверхности катода характерный микрократер, затем происходит его самопогасание и самоинициация нового катодного пятна в новой области на катоде, близкой к предыдущему кратеру. Визуально это воспринимается как перемещение дуги по поверхности катода.

Так как дуга, по существу, является проводником с током, на неё можно  воздействовать наложением электромагнитного поля, что используется на практике для управления перемещением дуги по поверхности катода, для обеспечения его равномерной эрозии.

В вакуумной дуге в катодных пятнах концентрируется крайне высокая  плотность мощности, результатом  чего является высокий уровень ионизации (30—100%) образующихся плазменных потоков, состоящих из многократно заряженных ионов, нейтральных частиц, кластеров (макрочастиц, капель). Если в процессе испарения в вакуумную камеру вводится химически активный газ, при взаимодействии с потоком плазмы может происходить его диссоциация, ионизация и возбуждение с последующим протеканием плазмохимических реакций с образованием новых химических соединений и осаждением их в виде плёнки (покрытия).

Заметная трудность в процессе вакуумно-дугового испарения заключается  в том, что если катодное пятно  остаётся в точке испарения слишком  долго, оно эмитирует большое  количество макрочастиц или капельной фазы. Эти макровключения снижают характеристики покрытий, так как они имеют плохое сцепление с подложкой и могут по размерам превосходить толщину покрытия (проступать сквозь покрытие). Ещё хуже, если материал катода-мишени имеет низкую температуру плавления (например,алюминий): в этом случае мишень под катодным пятном может проплавиться насквозь, в результате чего или начнёт испаряться материал опорного держателя катода, или охлаждающая катод вода начнёт поступать в вакуумную камеру, приводя к возникновению аварийной ситуации.

Для решения данной проблемы производят тем или иным способом непрерывное  перемещение катодного пятна  по большому и массивному катоду, имеющему достаточно большие линейные размеры. В основном, как уже упоминалось  выше, для управляемого перемещения  катодных пятен по поверхности катода используются магнитные поля. С этой же целью, при применении цилиндрических катодов, во время работы (испарения) им можно сообщать вращательное движение. Не позволяя катодному пятну оставаться на одном месте слишком долго, можно использовать катоды из легкоплавких металлов, и при этом уменьшить количество нежелательной капельной фазы.

 

Конструкция источника плазмы включает в себя цилиндрический анод 1 с развитой поверхностью. Центральный торцевой катод 2 выполнен из материала, образующего металлическую плазму. В боковую поверхность катода упирается поджигающий электрод 3. Экран 4 служит для предотвращения ухода катодных пятен на не рабочую поверхность катода. Магнитная система расположена с внешней стороны анода и состоит из стабилизирующего соленоида 5 и фокусирующего соленоида 6. Анод плотно соединен с рабочим объемом 7, в котором на оси системы располагаются обрабатываемые изделия 8. Для групповой обработки деталей обычно используется планетарный механизм 9, обеспечивающий перемещение деталей  в потоке плазмы. Все элементы конструкции выполнены из немагнитного материала.

Для реализации выбранного типа вакуумно-дугового разряда с интегрально-холодным катодом используется принудительная система водяного охлаждения электродов, обеспечивающая такой режим, при  котором средняя по поверхности  катода температура недостаточна для  поддержания между электродами  тока за счет термоэлектронной эмиссии. В этом случае эмиссионным центром  разряда является катодное пятно, характеризующееся  малыми размерами и являющееся источником первичных электронов и основанием столба дуги [2.3]. Существование и перемещение катодного пятна трактуются как нестационарные, стохастические процессы возникновения и отмирания эмиссионных центров.

При чрезвычайно малых поперечных размерах 10^–6…10^–5 м катодные пятна обладают высокой скоростью перемещения. Граница катодного пятна условна, так как оно состоит из нескольких активно эмиттирующих участков. На поверхности катода происходит непрерывное перераспределение параметров, определяющих процесс переноса тока: наблюдается самопроизвольное отмирание одних ячеек и образование новых за счет деления оставшихся, в результате чего пятно в целом хаотически перемещается. С увеличением тока разряда размеры катодного пятна увеличиваются, что говорит о постоянстве плотности тока в пятне, при этом ток на одно катодное пятно остается постоянным, т. е. с увеличением разрядного тока происходит рост числа пятен на рабочей поверхности. Трудности в определении плотности тока в катодном пятне связаны с тем, что прямое измерение плотности тока невозможно ввиду малых размеров его отдельных фрагментов, а также из-за высокой скорости перемещения.

 

 

 

Плазменная технология, несмотря на свое широкое применение, является развивающейся областью науки и  не имеет своей законченной теории. Выработка технологических предложений  связана с проведением экспериментальных  исследований и выявлением связей между  отдельными физическими процессами, протекающими в разрядном промежутке (рис. 4.1).

 

 

 

Рис. 4.1.  Схема взаимосвязи  параметров, определяющих области применения вакуумно-дугового разряда на интегрально-холодном катоде

Процесс нанесения покрытия из потока металлической плазмы включает в себя: процессы, протекающие на катоде, связанные с генерацией из области катодного пятна электронов и испарением атомов материала катода; формирование, внешним магнитным  полем, плазменного потока, и транспортировка  его в рабочем объеме до обрабатываемого  изделия; взаимодействие заряженных и  нейтральных частиц с поверхностью твердого тела.

 

Область катодного пятна является сосредоточением источника тепла, в котором за очень короткое время  возникает температура, значительно  превышающая температуру кипения, что и обуславливает интенсивное  испарение материала катода, обеспечивающее высокую эффективность генерационных процессов в разряде. В области катодного пятна имеет место высокая концентрация паров металла электрода порядка 10¹⁸…10²⁰ см^–3, в связи с чем над светящимся пятном у катода наблюдается сплошной спектр характерный для дуг высокого давления [2.4]. При горении дуги, в вакууме отсутствуют силы способные удержать облако пара вблизи катода, и поэтому пар истекает из этой области в виде струй.

Электропитание плазменных вакуумно-дуговых источников осуществляется от выпрямителей с падающей вольтамперной  характеристикой, причем, чем выше ее крутизна, тем меньше критический  ток разряда

, стабильнее условия для поддержания дуги и выше вероятность ее зажигания при однократном акте инициирования.

 

 

Промышленное использование современных  вакуумно-дуговых технологий берёт  своё начало в СССР. Впервые систематические исследования и разработки вакуумно-дугового метода и оборудования с целью их адаптации к условиям индустриального производства были начаты одним из научных коллективов Харьковского физико-технического института (ХФТИ) еще в конце 60-х годов XX века^[3] (и продолжаются по настоящее время^[4]).

В 1976—1980 годы началась разработка техники  и технологии нанесения различных упрочняющих и защитных покрытий вакуумно-дуговым методом. Разработанные в ХФТИ установки для нанесения таких покрытий, и давшие начало широкому промышленному применению метода, получили название «Булат»^[5]. Установка была защищена пятью зарубежными патентами в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Японии, Италии в связи с ведущимися в тот период переговорами с целью продажи лицензии.

В конце 70-х годов XX века Советское  правительство решило открыть данную технологию для Запада. В 1979 г. Джозеф Фильнер (H. Joseph Filner)^[6], глава американской фирмы «Noblemet International»^[7], случайно узнал об этой технологии во время своей деловой поездки в СССР, увидев там её эффективное и успешное применение в промышленности для упрочнения металлорежущего инструмента. В результате данной фирмой с правительством СССР было подписано лицензионное соглашение, и вместе с другими инвесторами для промышленного внедрения на Западе ей была специально создана фирма «Multi-Arc Vacuum Systems» (или «MAVS»), годовой доход которой за два года вырос с нуля до 5 млн. долларов США^[8]. Фирме «Multi-Arc» была продана исключительная лицензия на оборудование и технологию осаждения покрытий TiN на режущий инструмент из быстрорежущих сталей. Территория действия соглашения составила более 40 стран Северной Америки, Европы и Азии.

В 1981 году было подписано лицензионное соглашение с ВТП «Политехна» (ЧССР) на продажу технологии упрочнения режущего инструмента методом КИБ.

В 1980—1985 годы осуществлялось патентование усовершенствований установки «Булат», переданной по лицензии. Были получены охранные грамоты на 36 патентов в 15 странах мира^[9].

Из нескольких конструкций катодно-дуговых  источников плазмы — основное устройство, осуществляющее испарение и ионизацию  материала катода в вакуумной  дуге, — существовавших в СССР в  то время, для использования за пределами  СССР была разрешена конструкция Л. П. Саблева (с соавторами).

 

Наименование показателя	Булат-3Т	Булат-9	ННВ 6.6-И1	ЮНИОН, УРМЗ 279-048	Пуск 83	ВУ-2Б	ННИ 39-5-И1	Булат-6К
1. Габариты вакуумной камеры, мм	500x500	600x650	600x6500	240x530x550	360x250	240x550x550	900x500	500x500
2. Число генераторов плазмы	3	4	3	2	2	2	4	3
3. Скорость роста покрытия, мкм/с	до 10-20	до 40	до 40	до 40	30-60	10-20	до 40	40
4. Время типового технологического  цикла, мин	120-150	60-90	60-90	60-90	20-30	75	20-60	90
5. Диапазон регулирования  напряжения на детали, В	0-250 (плавно) 700-1200 (ступ.)	30-1700 (плавно)	0-280 (плавно) 100-1700 (плавно)	1-180 (плавно) 1000	0-1200 (плавно)	0-200 (плавно) 700-1000 (ступ.)	0-280 (плавно) 200-1700 (ступ.)	0-380 (плавно) 100-1700 (ступ.)
6. Диапазон регулирования  средней энергии однократных  ионов, эВ	до 1200	до 1700	до 1700	до 180 1000	до 1200	до 1000	До 1700	до 1700
7. Габариты оборудования, м	2,17x1,95x2,16	2,2x2,1x2,2	3,9x3,6x2,07	2,2x2,0x2,0	1,87x0,69x1,85	1,4x1,5x1,6	3,9x3,6x2,07	2,4x1,7x2,1

 

 

Впервые вакуумный  дуговой разряд с холодным катодом  начал исследовать профессор  Йельского университета Артур Райт в 1876 г. в связи с попытками  улучшить вакуум, получаемый ртутным  насосом. Спустя 10 лет этим разрядом заинтересовался Эдисон. Он десять лет отстаивал свои права первооткрывателя в Патентном ведомстве и даже получил соответствующий патент, но в укороченном виде. Изобретения  Райта и Эдисона оказались  преждевременными и были надолго  забыты.

 

Надолго, но не навсегда. Почти через 100 лет в  Харьковском физико-техническом  институте в отделе физики плазмы по проблеме управляемого термоядерного  синтеза заработала стеллараторная программа, руководителем которой был назначен молодой тогда Владимир Тарасович Толок. 25 декабря прошлого года члену-корреспонденту НАНУ В.Т. Толоку исполнилось 85 лет и эту статью можно считать посвященной славной дате.

 

Стеллараторщики тоже столкнулись с проблемой получения высокого вакуума в большом объеме и тоже обратились к вакуумной дуге как к инструменту улучшения вакуума. В общем, в вакуумируемом объеме практически постоянно горела дуга, а из нее вылетали разнообразные частицы, образовывавшиеся из материала катода (титан) и из остаточных газов (в основном, из азота). Весь этот мусор благополучно оседал на многочисленных элементах внутренних конструкций стелларатора. Был не тот случай, когда на мусор можно было закрыть глаза: время от времени его необходимо было убирать. И тогда занимавшиеся уборкой машины лаборанты столкнулись с тем, что это очень непросто сделать: “мусор”, с одной стороны, хорошо цеплялся за металлические поверхности, а с другой – обладал очень высокой твердостью. Очищался он только по-русски – “с помощью ломика и какой-то матери”. Когда слухи об этих затруднениях достигли начальника отдела, Владимир Тарасович распорядился замерить твердость покрытия. И тогда оказалось, что она превосходит твердость лучших инструментальных сталей! Вот так в отделе возникла новая тема, никем не утвержденная и никем не финансируемая. Понятно было, что “в этом что-то есть” – Владимир Тарасович сразу оценил возможный потенциал нового эффекта, но легализовать его исследования оказалось очень проблематично.

 

Времена не выбирают – в них живут и  умирают…

 

Проблематично в первую очередь потому, что у  руководителей института были свои пристрастия в научной тематике, и мысль об отвлечении ограниченных бюджетных средств от любимых  детищ на эту непрошенную, – пусть  даже и трижды перспективную, но чужую, – тему, вызывала у них аллергию. В общем, новая тема ко двору не пришлась и Владимир Тарасович оказался обреченным на подпольную деятельность. Нет, можно было бы и ничего не делать, и с точки зрения многих и многих это и было бы самым правильном, но… знаете, как говорят: “Кто не рискует, тот не пьет шампанского”. А кто не любит шампанское? Любил и Владимир Тарасович, и ничего зазорного в этом нет.