Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПЛАЗМЫ ДУГОВОГО(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси (ВУ)институт Национальной академии наук Беларуси (ВУ)(72) Авторы Вершина Алексей Константинович Агеев Виталий Алексеевич Латушкина Светлана Дмитриевна Плескачевский Игорь Юрьевич (ВУ)1. Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц, содержащее жалюзийную систему электродов, выполненных в виде набора коаксиальных электродов конической формы, перекрь 1 ваюЩих апертуру испарителя, электрически соединенныхМСЖДУ СОбОЙ последовательно И ВСТрСЧНО И ПОДКЛЮЧСННЫХ К ИСТОЧНИКу тока И К ПОЛОЖИТСЛЬНОМУ ВЫВОДу источника напряжения, ВТОрЫМ ВЫВОДОМ ПОДКЛЮЧСННОГО К аноду ДУГОВОГО испарителя, ОТЛИЧЗЮЩЕЕСЯ ТСМ, ЧТО ОСССИММСТрИЧНЫС коаксиальные ЭЛСКТРОДЫ ВЬ 1 ПОЛНСНЫ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ взаимного ПСРСМСЩСНИЯ В ПЛОСКОСТИ, параллельной ОСИ испарителя, И установлены С чередованием направлений КОНуСНОСТИ ЭЛСКТРОДОВ, ПрИЧСМ ЭЛСКТрОД С наибольшим основанием ориентирован ВСрШИНОЙ В СТОрОНу, ПРОТИВОПОЛОЖНУЪО ДуГОВОМу ИСПЗРИТСЛЮ, а центральный ЭЛСКТрОД ВЫПОЛНСН ССКЦИОННЫМ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИЗМСНСНИЯ угла раскрытия.2. УСТРОЙСТВО ПО П. 1, ОТЛИЧЯЮЩЕЕСЯ ТСМ, ЧТО коаксиальные КОНИЧССКИС ЭЛСКТрОДЫ установлены так, ЧТО ИХ КрОМКИ СО СТОрОНЫ ДУГОВОГО испарителя расположены ЭКВИДИстантно ИЗОЛИНИИ ИОННОГО тока ПО сфере, ЦСНТрОМ КОТОрОЙ ЯВЛЯСТСЯ ЦСНТр катода ДуГОВОГО испарителя.Предполагаемое Изобретение относится К области вакуумной металлизации, предназначено для очистки плазменного потока дугового испарителя от микрочастиц и может быть использовано в машиностроении.Продукты эрозии катода вакуумной дуги в атмосфере различных газов пониженного давления содержат капельную фракцию, нейтральную (атомарную и молекулярную) и ионную компоненты, а также кластеры и твердые осколки материала катода. Процентное содержание капельной и нейтральной компонент, размеры частиц зависят от материала катода и тока дуги и могут изменяться в широких пределах. Наличие капель и микрочастиц в плазменном потоке приводит к образованию в формируемых покрытиях сквозных пор и кратероподобных лунок, что отрицательно сказывается на качестве покрытий. Наличие нейтральной атомарной металлической компоненты затрудняет получение покрь 1 тий стехиометрического состава, так как имеет место формирование композиции, содержащей несколько фаз.Известно устройство для очистки плазменного потока от капельной и нейтральной фракций, которое представляет собой плоскую жалюзную систему электродов, установленных под углом к оси дугового испарителя так, что поверхность электродов полностью перекрывает плазменный поток. Электроды жалюзной системы электрически соединены последовательно и встречно и подключены к источнику тока, а между жалюзной системой и анодом дугового испарителя подключен источник напряжения положительным выводом к жалюзной системе. Такое устройство имеет прозрачность для ионной компоненты плазмы порядка 70 1. Недостатком устройства является то, что поток плазмы после прохождения через жалюзную систему электродов вследствие отражения ионов от электродов меняет свое направление, что требует согласования с расположением напыляемых деталей в вакуумной камере установки. Кроме того, для обеспечения максимальной производительности процесса и более полной очистки плазмы от микрочастиц в зависимости от распыляемого материала катода и плотности потока плазмы необходимо подбирать угол наклона жалюзи.Известно устройство для очистки плазменного потока, не меняющее его направление,принятое за прототип. Это устройство содержит жалюзную систему электродов, перекрь 1 ваюЩих апертуру испарителя, которая выполнена осесимметричной в виде набора коаксиальных электродов конической формы. Электроды жалюзной системы также соединены между собой последовательно и встречно и подключены к источнику тока и к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя 2. Такое конструктивное исполнение повышает прозрачность устройства для ионной компоненты и не меняет направления и аксиальной симметрии плазменного потока, однако по сравнению с устройством, описанным в 1 практически не улучшает степень очистки плазмы от микрочастиц, что является его недостатком.Последнее обусловлено тем, что степень очистки плазмы от микрочастиц определяется частотой их столкновений (отражений) с жалюзнь 1 ми коаксиальными электродами, которая зависит от соотношения углов набегания микрочастиц к углу раскрытия электродной системы. Разлет же продуктов электрической эрозии с поверхности катода дугового испарителя происходит для фракций разной дисперсности под разными углами в телесном угле, величина которого определяется материалом катода и технологическими параметрами процесса нанесения покрытий, в частности, током дуги, давлением газа в камере и т.д. В этой связи расположение коаксиальных электродов в одной плоскости не является достаточно эффективным техническим решением, так как приводит к затенению части поверхности электродов друг другом, уменьшая тем самым вероятность многократных столкновений с набегающими под разными углами микрочастицами разной дисперсности. Кроме того, параллельность рабочих поверхностей электродов также не способствует увеличению числа столкновений с ним микрочастиц, так как не меняет соотношения угла набегания и угла раскрытия.Задачей предлагаемого изобретения является повышение степени очистки плазменного потока от микрочастиц при сохранении высокой степени прозрачности для ионной компоненты.Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для очистки плазмы дугового испарителя от макрочастиц, содержащем жалюзную систему электродов, вь 1 полненных в виде набора коаксиальных электродов конической формы, перекрываюших апертуру испарителя, электрически соединенных между собой последовательно и встречно и подключенных к источнику тока и к положительному выводу источника напряжения,вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя, осесимметричные оксиальнь 1 е электроды выполнены с возможностью взаимного перемешения в плоскости, параллельной оси испарителя, и установлены с чередованием направлений конусности электродов, причем электрод с наибольшим основанием ориентирован вершиной в сторону,противоположную дуговому испарителю, а центральный электрод выполнен секционным с возможностью изменения угла раскрытия, кроме того, коаксиальные конические электроды установлены так, что их кромки со стороны дугового испарителя расположены эквидистантно изолинии ионного тока по сфере, центром которой является центр катода дугового испарителя.Изобретение поясняется графическими материалами, где на фигуре представлена принципиальная схема устройства.Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц включает жалюзную систему электродов, выполненных в виде набора коаксиальных электродов 1 конической формы, перекрываюших апертуру испарителя, причем центральный электрод 2 представляет собой набор секционных элементов 3, 4, что позволяет ему изменять угол распылителя ос. Электроды соединены между собой последовательно и встречно (направление тока в электродах обозначено точками и крестиками), подключены к источнику тока и к положительному выводу источника напряжения, который вторым выводом подключен к аноду дугового испарителя 5. Вся система электродов находится под положительным потенциалом относительно анода дугового испарителя, для чего между анодом и жалюзной системой электродов включен источник напряжения (на фигуре не показан). Коаксиальные электроды имеют возможность взаимно перемешаться относительно друг друга в направлении 6 и расположены эквидистантно изолинии ионного тока 7 по сфере, центром которой является центр катода дугового испарителя. Угол конусности, ширина электродов и расстояние между ними выбирают таким образом, чтобы перекрыть сечение в направлении распространения плазменного потока 8.Работает устройство следуюшим образом. При прохождении плазменного потока через устройство очистки плазмы, микрокапельная и нейтральная компоненты осаждаются на поверхности жалюзной электродной системы. Переменное сечение ячейки электроднойсистемы способствует более полному осаждению микрочастиц разной дисперсности, а возможность взаимного перемещения коаксиальных электродов позволяет подобрать оптимальное их расположение для сбора микрочастиц, эродируемь 1 х с поверхности катода под разными углами и в щироком спектре скоростей разлета, в зависимости от технологических режимов (формы катода, тока разряда, давления газа в камере, напряженности магнитных полей, стабилизирующих электрическую дугу и ускоряющих плазменный поток и т.д.). Ионная компонента плазменного потока под влиянием положительного потенциала жалюзи отклоняется от последних положительный потенциал на осесимметричных коаксиальных электродах удерживается за счет снижения поперечной проводимости плазмы вследствие замагничивания электронной компоненты магнитным полем, возникающим вокруг электродов при пропускании по ним электрического тока. Плазменный поток вблизи оси при прохождении через заявляемое устройство очистки испытывает двойное отражение приближаясь к центральному электроду, выполненным секционным с возможностью изменения угла раскрытия, поток отражается от соответствующей секции в направлении от оси системы, попадая на жалюзную систему и, испытывая вторичное отражение, проходит в область, где происходит формирование покрытия. Проведенные исследования показали, что для уменьшения доли микрокапельной и нейтральной фракций без существенного снижения зарядности, энергетики и флюэнса ионной компоненты в потоке металлической плазмы, формирующем покрытия, наиболее оптимально устанавливать коаксиальные конические электроды таким образом, чтобы их кромки со стороны дугового испарителя были расположены эквидистантно изолинии ионного тока по сфере,центром которого является центр катода дугового испарителя.Пример конкретной реализации был осуществлен с помощью установки УРМ 3-048,оснащенной электродуговым холловским торцевым ускорителем плазмы, формировались защитно-декоративные покрытия на основе оксикарбонитридов титана, имитирующих цвет золота, для которых весьма существенна величина блеска (зеркальная составляющая покрытия). При реализации технологического процесса по прототипу (ток дуги 120 А,давление смеси пропана-бутана и закиси азота 0,08 Па, потенциал смещения -25 В) блеск покрытия, измеренный по стандартной методике на блескомере ФБ-2 под углом 45, составил величину 45-48, в то время как при в случае использования предлагаемого устройства очистки (при тех же технологических режимах) блеск покрытия возрос до 66-80, т.е. в 1,5 раза. Причина этого, как показал анализ микрофотографий поверхности покрытий,сделанных при увеличении 2000 х, заключается в снижении (по сравнению с прототипом) осажденного числа капель размером менее 3 мкм и уменьшении дефектов сплощности сформированной пленки.Таким образом, предложенное техническое рещение является полезным и эффективным, легко встраиваемым в действующие вакуумно-дуговые установки нанесения покрь 1 тии.1. Тезисы докладов 1/ Всесоюзной конференции по модификации свойств конструк ционных материалов пучками заряженных частиц. - Томск, 13-17 мая 1996. - С. 29. 2. Патент РФ 2107968, 1998 (прототип).Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.