Устройство для нанесения покрытия конденсацией вещества в вакууме с ионной бомбардировкой

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ КОНДЕНСАЦИЕЙ ВЕЩЕСТВА В ВАКУУМЕ С ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКОЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Андреев Михаил Анатольевич Макаревич Евгений Петрович Суворов Анатолий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Устройство для нанесения покрытия конденсацией вещества в вакууме с ионной бомбардировкой, содержащее являющуюся анодом вакуумную камеру, в которой расположены электродуговой испаритель, являющийся катодом из испаряемого металла, стол с обрабатываемым изделием, снабженный механизмом вращения, и защитный экран, установленный между катодом из испаряемого металла и столом, отличающееся тем, что за столом размещен отражатель пароплазменной составляющей плазменного потока испаряемого металла, выполненный в сечении в форме параболы и находящийся под положительным потенциалом 10-20 В, охватывающий стол с обрабатываемым изделием и защитный экран и расположенный таким образом, что стол с обрабатываемым изделием находится в фокусе параболы, а катод из испаряемого металла находится на оси, проходящей через вершину параболы и ее фокус. 17632 1 2013.10.30 Изобретение относится к области вакуумной технологии нанесения покрытий и может быть использовано для нанесения упрочняющих, декоративных и светоотражающих покрытий на металл, стекло, керамику и другие материалы. Известно устройство для нанесения покрытий в вакууме 1, содержащее корпус, катод из испаряемого металла, анод, соленоид, размещенный снаружи вакуумной камеры и охватывающий поверхность катода из испаряемого металла. Недостатком данного устройства является низкое качество получаемых покрытий. Плазменный поток, содержащий ионную, паровую и капельную составляющие материала испаряемого катода, ускоряется и направляется на подложкодержатель с образцами. Капельная составляющая металла, попадая на образцы, установленные на подложкодержателе, снижает качество покрытия вследствие плохого сцепления с основой. Одновременно с этим генерируемые плазменные потоки имеют более высокую плотность ближе к оси катода из испаряемого металла, чем на периферии, что приводит к неравномерной конденсации вещества на поверхности образцов и, что в свою очередь, приводит к образованию неравномерных по толщине покрытий. Известно также устройство, предназначенное для нанесения тонкопленочных износостойких покрытий способом конденсации вещества в вакууме 2, содержащее вакуумную камеру - анод, поворотное устройство, подложкодержатель, катод из испаряемого металла. Недостатком данного устройства является низкое качество получаемых покрытий в результате осаждения на изделии капельной составляющей испаряемого металла. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство 3, содержащее корпус - вакуумную камеру (анод), электрод токопроводящий(электродуговой испаритель) - катод из испаряемого металла, механизм вращения с вращающимся столом с обрабатываемым изделием и предназначенное для нанесения упрочняющих покрытий методом конденсации с ионной бомбардировкой. Данное устройство вследствие своего конструктивного решения (электрод токопроводящий (электродуговой испаритель) - катод из испаряемого металла расположен на боковой стенке корпуса - вакуумной камеры осуществляется вращение стола с обрабатываемым изделием) позволяет наносить покрытия на боковые поверхности тел вращения. Недостатком данного устройства является низкое качество получаемых покрытий вследствие попадания капельной составляющей плазменного потока на поверхность обрабатываемого изделия. Образование капель в процессе конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой связано с катодными процессами вакуумной дуги и осуществляется независимо от потенциала, прикладываемого к вращающемуся столу с обрабатываемым изделием. Следовательно, в плазменном потоке присутствуют макрочастицы расплавленного материала катода, размер которых достигает 0,13 мкм, причем их содержание в плазменном потоке зависит от теплофизических характеристик испаряемого металла и может достигать десятков процентов. Капли металла, конденсируясь на обрабатываемое изделие, имеют низкую прочность сцепления, т.к. их скорость невелика, а диффузионные процессы недостаточно эффективны. Вместе с тем формирование слоя на начальной стадии процесса нанесения покрытий в значительной мере определяет свойства и структуру покрытий в целом. Задачей изобретения является улучшение качества получаемых покрытий. Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для нанесения покрытия конденсацией вещества в вакууме с ионной бомбардировкой, содержащем являющуюся анодной вакуумную камеру, в которой расположены электродуговой испаритель, являющийся катодом из испаряемого металла, стол с обрабатываемым изделием, снабженный механизмом вращения, и защитный экран, установленный между катодом из испаряемого металла и столом, причем за столом размещен отражатель пароплазменной составляющей плазменного потока испаряемого металла, выполненный в сечении в форме параболы и 2 17632 1 2013.10.30 находящийся под положительным потенциалом 10-20 В, охватывающий стол с обрабатываемым изделием и защитный экран и расположенный таким образом, что стол с обрабатываемым изделием находится в фокусе параболы, а катод из испаряемого металла находится на оси, проходящей через вершину параболы и ее фокус. На фигуре представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит корпус - вакуумную камеру (анод) 1, электрод токопроводящий(электродуговой испаритель) - катод из испаряемого металла 2, защитный экран 3, вращающийся стол с обрабатываемым изделием 4, отражатель пароплазменной составляющей плазмы испаряемого металла 5, охватывающий защитный экран 3 и вращающийся стол с обрабатываемым изделием 4. Ширина защитного экрана 3 и его место расположения относительно электрода токопроводящего (электродугового испарителя) - катода из испаряемого металла 2 и вращающегося стола с обрабатываемым изделием 4 выбраны из условия исключения прямого попадания составляющих плазменного потока на обрабатываемое изделие. Применение отражателя пароплазменной составляющей плазмы испаряемого металла 5, выполненного в сечении в форме параболы и находящегося под положительным потенциалом 10-20 В,позволяет осуществлять равномерное осаждение отраженной пароплазменной составляющей плазменного потока по поверхности обрабатываемого изделия, вращающегося вместе со столом и установленного в зоне попадания отраженного потока, причем положение зоны попадания отраженного пароплазменного потока однозначно определяется взаимным расположением защитного экрана 3 и отражателя пароплазменной составляющей плазмы испаряемого металла 5. Устройство работает следующим образом. Предварительно нагретое изделие помещают в корпус - вакуумную камеру (анод) 1,откачивают ее до высокого вакуума 10-3 Па, затем между электродом токопроводящим(электродуговым испарителем) - катодом из испаряемого металла 2 и корпусом - вакуумной камерой (анодом) 1 зажигают электрическую дугу. К вращающемуся столу с обрабатываемым изделием 4 прикладывают отрицательный потенциал 110-130 В, а к отражателю пароплазменной составляющей плазмы испаряемого металла 5 прикладывают положительный потенциал 10-20 В. Плазменный поток, содержащий ионную, паровую и капельную составляющие металла испаряемого катода, ускоряется и направляется на вращающийся стол с обрабатываемым изделием 4. Наличие защитного экрана 3 предотвращает прямое попадание плазменного потока с электрода токопроводящего (электродугового испарителя) катода из испаряемого металла 2 на вращающийся стол с обрабатываемым изделием 4. Таким образом, капельная составляющая плазменного потока осаждается на защитном экране 3 и отражателе пароплазменной составляющей плазмы испаряемого металла 5, а процесс напыления происходит за счет пароплазменной составляющей плазмы, отраженной от отражателя пароплазменной составляющей плазмы испаряемого металла 5 в направлении вращающегося стола с обрабатываемым изделием 4. Применение отражателя пароплазменной составляющей плазмы испаряемого металла 5 позволяет воздействовать на обрабатываемые поверхности только отраженной составляющей плазмы испаряемого металла, в результате чего осуществляется бомбардировка поверхности образцов более мелкими частицами пониженной энергии. Покрытие, полученное напылением на поверхность образцов отраженной пароплазменной составляющей,обладает хорошей адгезией и равномерное по толщине. Таким образом, предложенная конструкция по сравнению с прототипом позволяет улучшить качество покрытий за счет использования при напылении только паровой составляющей плазменного потока и исключении его капельной составляющей путем вве 3 17632 1 2013.10.30 дения в конструкцию прототипа защитного экрана и отражателя пароплазменной составляющей плазменного потока испаряемого металла. Источники информации 1. А.с. СССР 307666, МПК 23 13/12, 1979. 2. Установка вакуумная ВУ-1 Б. Руководство по эксплуатации 6500.00.00.000 РЭ. 3.2022056, 1994. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4