Взаимодействие ускоренных потоков металлической плазмы с поверхностью твердого тела

.введение:
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА... 10
1.1 Физические процессы при вакуумно-дуговом распылении металлов и сплавов в вакууме и среде различных газов........................................................... 14
1.2 Методы диагностики плазмы дугового разряда 34
1.3 Конструктивные особенности вакуумно-дуговых испарителей и систем транспортировки плазменных потоков... 41
1.4 Свойства покрытий при вакуумно-дуговом распылении металлов в вакууме и атмосфере различных газов 54
1.5 Промышленное оборудование и перспективы дальнейшего использования вакуумно-дуговых покрытий....................... 64
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ПОТОКОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ.................................. 72
2.1 Определение скорости плазменного потока с помощью одиночного цилиндрического зонда.............................. 72
2.2 Тепловой режим катода в вакуумной дуге.................... 79
2.3 Влияние температуры испаряемого материала на параметры плазменного потока и свойства покрытий..................... 90
2.4 Отклонение потока металлической плазмы в магнитном
поле....................................................... 106
ГЛАВА 3. МЕХАНИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ
С ПОВЕРХНОСТЬЮ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ............................... 116
- 3 -
3.1 Особенности нанесения покрытий на внутренние стенки цилиндрической полости....................................... 116
3.2 Взаимодействие потока металлической плазмы с проводящим барьером................................................. 119
3.3 Равномерность нанесения покрытий........................... 124
3.4 Нанесение покрытий на крупногабаритные изделия 130
3.5 Электромагнитное управление процессом формирования покрытий....................................................... 136
3.6 Нанесение покрытий на труднодоступные участки поверхности изделий.................................................. 146
3.7 Производительность процесса нанесения покрытий 150
ГЛАВА 4. ФАКТОРЫ.. ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЗАЩИТНЫХ
ПОКРЫТИЙ, И МЕТОДИКИ АТТЕСТАЦИИ ПОКРЫТИЙ................... 154
4.1 Коррозионная стойкость..................................... 155
4.2 Термическая усталость...................................... 162
4.3 Методики определения сопротивления деформированию и пластичности................................................... 167
4.4 Методика определения стабильности покрытия................. 168
4.5 Методика определения износостойкости покрытия.............. 170
4.6 Методика оценки показателей качества покрытий.............. 175
ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОТОКОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ.............. 183
5.1 Тепловой режим поверхности при нанесении покрытий 183
5.2 Особенности формирования и свойства покрытий на основе чистых металлов................................................ 196
5.3 Покрытия, сформированные при использовании реакций
- 4 -
плазмохимического синтеза материалов...................... 231
5.4 Особенности формирования многокомпонентных покрытий... 248
5.4.1 Требования, предъявляемые к покрытиям.................... 248
5.4.2 Ионное травление поверхности твердого тела............... 260
5.4.3 Структура и свойства покрытий............................ 265
5.4.4 Коррозионная стойкость покрытий.......................... 273
5.4.5 Термоциклическая прочность покрытий...................... 286
5.5 Термодинамический анализ процессов коррозионного разрушения покрытий системы СоСгАІУ.............................. 291
5.6 Модифицирование поверхности твердого тела комбинированными процессами............................................ 295
5.6.1 Комбинированные электронно-лучевые и вакуумнодуговые покрытия.............................................. 296
5.6.2 ймплантационно-напылительный процесс модифицирования материалов................................................ 304
ГЛАВА 6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО НАНЕСЕНИЯ
ПОКРЫТИЙ.................................................. 309
6.1 Вакуумная установка "Дуга-90".............................. 309
6.2 Имплантационно-напылительная установка..................... 311
6.3 Методика расчета вакуумно-дуговых испарителей.............. 314
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................... 319
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................... 323
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Во многих случаях эксплуатационные свойства деталей определяются состоянием их поверхностного слоя. Это объясняется тем, что поверхностный слой детали при ее эксплуатации подвергается наиболее сильно механическому, тепловому, химическому и другим воздействиям. Поэтому одним из наиболее эффективных способов повышения ресурса и надежности работы деталей является нанесение на их поверхность защитных покрытий.
Б последние годы интерес к технологиям обработки поверхности с целью повышения служебных свойств деталей и ресурса машин сильно возрос, особенно после того, как стало ясно, что, целенаправленно изменяя параметры технологических процессов, можно в нужном направлении изменять свойства покрытий и деталей. Обработка поверхности с нанесением покрытий позволяет существенно повышать механическую прочность деталей, улучшать их антикоррозионные свойства и сопротивление износу, изменять коэффициенты трения, повышать теплозащитность деталей, проводить прецизионную размерную обработку поверхности.
При всех основных способах нагружения поверхностный слой деталей оказывается более нагруженным, чем сердцевина. Поверхностный слой в некоторой части детали может оказаться в самых неблагоприятных условиях (с точки зрения напряженности), поскольку рабочие напряжения складываются с технологическими остаточными микронапряжениями. Это приводит к принципиальным изменениям напряженности в поверхностном слое: резко возрастают результирующие напряжения, действующие в процессе эксплуатации, полностью меняется эпюра распределения напряжений по сечению детали. Таким образом, с позиции прочности детали важно, какая будет применена ее
- 6 -
технологическая обработка, обусловливающая напряженное состояние материала поверхностного слоя. Физико-химическое модифицирование поверхности деталей приводит к образованию новых прочностных и пластических свойств поверхностного слоя. Эти свойства кардинально отличаются от свойств основной массы. При этом лишь в редких случаях прямыми микромеханическими испытаниями удается оценить эти свойства. Хорошо известны случаи "саморазрушения" поверхности в виде отслаивания или шелушения поверхностного слоя при нарушении режимов технологии поверхностного модифицирования. Отсюда становится ясной связь между технологией модифицирования поверхности и эксплуатационными свойствами деталей. Как правило, вместе с механическим воздействием на поверхность влияние оказывает и химическое воздействие. Наиболее типичными видами коррозионного и коррозионно-механического повреждения поверхности являются окисление, межкристалдитная и питтинговая коррозия, коррозионная усталость, коррозионное растрескивание и коррозия при трении. Коррозия значительно усиливает развитие микротрещин, возникающих по границам зерен. Так как микроструктура поверхностного слоя, его пористость, фазовый и химический состав и другие параметры определяются технологией модифицирования поверхности, поэтому и коррозионное разрушение зависит от технологии.
Круг физических методов, применяемых в технологиях обработки и создания поверхностных слоев с нужными свойствами, достаточно широк, разнообразен и продолжает расширяться. Для упрочнения и улучшения характеристик конструкционных материалов применяются методы поверхностного легирования, обработка поверхности плазмой, конденсационное и ионно-плазменное нанесение покрытий и другие. Практически во всех случаях обработки на поверхности деталей соз-
- 7 -
даются напряжения сжатия, препятствующие появлению трещин и способствующие увеличению ресурса безотказной работы машин.
Свойства покрытий б значительной степени определяются технологией их нанесения. Большой научный и практический интерес представляет разработка технологических процессов, основанных на формировании пленочных структур из плазмы наносимого материала, позволяющих наиболее эффективно управлять состоянием поверхностного слоя твердого тела. Механика взаимодействия плазменных потоков с поверхностью твердого тела, механика изменения свойств поверхности под воздействием данных потоков, механика разрушения модифицированного поверхностного слоя в различных условиях эксплуатации, механика перспективных материалов, в том числе и композиционных, являются на сегодняшний день недостаточно изученными и приоритетными направлениями проблем механики и поверхностной •обработки материалов.
Одним из наиболее эффективных генераторов плазменных потоков наносимого материала является вакуумно-дуговой разряд, формирующийся в парах эродируемого материала катодным пятном вакуумной дуги. Исходный матерная переводится в плазменное состояние, плазма фокусируется в поток и ускоряется в направлении к покрываемой поверхности, где происходит образование защитного слоя за счет-конденсации преимущественно ионов плазмы, дополнительно ускоренных электрическим полем подложки. Технологические процессы модифицирования поверхности твердого тела ускоренными потоками металлической плазмы на основе вакуумно-дугового разряда начали активно развиваться примерно с начала 70-х годов в Советском Союзе, а затем во многих странах мира. Однако, и на сегодняшний день остается много неисследованных проблем. Высокие скорости плазменных
- 8 -
потоков обусловливают- особенности взаимодействия их с обрабатываемыми поверхностями, особенно сложных геометрических форм и больших размеров. Подбор технологических режимов модифицирования поверхности и внедрение в практику производства деталей упрочняющих технологий осуществляется в настоящее время в основном длительными экспериментальными исследованиями. Дальнейшее развитие метода модифицирования поверхностей потоками металлической плазмы, расширение номенклатуры обрабатываемых деталей сдерживается и отсутствием соответствующего оборудования. Выпускаемые промышленностью вакуумно-дуговые установки разрабатывались, в основном, для упрочнения режущего инструмента. Использование их для более сложных деталей затруднительно.
Традиционные материалы покрытий, которые используются для защиты различных деталей, исчерпывают свои возможности с точки зрения обеспечения возрастающих требований к эксплуатационным свойствам. Поэтому, активно ведется поиск новых материалов покрытий и новых интегрированных технологий, сочетающих различные процессы и методы и позволяющих получать поверхности, уникальные по геометрическому облику, композиции веществ, морфологии и свойствам. Однако, развитие интегрированных технологий также сдерживается отсутствием соответствующего оборудования.
Состояние поверхностного слоя твердого тела, а, следовательно, эксплуатационные свойства деталей определяются всеми стадиями технологического процесса- испарением материала, его транспортировкой и осаждением на поверхности.
Комплексное исследование условий формирования покрытий и изучение поверхностного слоя с учетом условий эксплуатации является прогрессивной тенденцией в повышении качества конструкцией-
- 9 -
ных материалов, в решении проблемы достижения высокой их конструктивной прочности и совместимости с окружающей средой. Анализ закономерностей поведения поверхностного слоя твердого тела, как в процессе ионно-плазменной обработки, так и в процессе эксплуатации с целью изучения физической природы взаимосвязи структуры, состава и строения с физико-механическими и химическими свойствами материалов и разработка научных основ управления этими свойствами является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Пелыо настоящей работы является создание теоретических и технологических основ направленного улучшения свойств поверхностных слоев твердых тел модифицированием ускоренными потоками металлической плазмы для повышения работоспособности и срока службы детаяей.
- 10 -
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО
РАЗРЯДА.
Проблема создания и получения высокоэффективных материалов со специальными свойствами является одной из фундаментальных в современной технике.
Эффективность, долговечность, надежность деталей, узлов машин и приборов в значительной степени определяется поверхностными свойствами используемых материалов. Широкие возможности управления составом, структурой, степенью чистоты обработки, микрогеометрией, физическими и химическими свойствами поверхностных слоев материалов открывает применение вакуумных методов плазменной технологии высоких энергий, основанных на обработке поверхностей ускоренными ионными и плазменными потоками [1].
Использование защитных вакуумных покрытий является эффективным и часто единственно возможным средством обеспечения заданных свойств деталей. Поэтому решение проблем повышения и долговечности деталей все теснее связываются с развитием технологий, основанных на различных методах нанесения вакуумных покрытий.
В настоящее время разработано большое число способов создания защитных покрытий в вакууме.
Огромное значение в процессе формирования покрытий имеет энергия конденсирующихся частиц, которая приобретает роль основного параметра, определяющего не только эффективность сцепления с основой, но и структуру получаемых конденсатов. Изменение энергии частиц в процессе конденсации позволяет получать различные структуры конкретного материала- от аморфных до кристаллических; при-
-11 -
чем размеры, форма кристаллов и их текстура (ориентация граней) меняются в зависимости от энергии. Способ же получения частиц, среда-это вторичные признаки, влияющие на экономичность, качество покрытий, производительность. Энергия порядка 1 эВ соответствует методам вакуумно-плазменной технологии с образованием покрытий испарением и конденсацией. При энергиях (1...103) эВ основным эффектом при создании покрытий является конденсация и осаждение вещества из ускоренного ионного потока. При энергии (103...104) эВ имеет место распыление поверхности и проявляются эффекты имплантации ионов. При энергиях более, чем 5СИ03 эВ основным процессом является ионная имплантация. Разумеется, указанные границы носят условный характер, так как в широком диапазоне значений энергии присутствуют эффекты осаждения, распыления, внедрения, диффузии, химические реакции и другие. Вакуумные методы нанесения покрытий можно разделить на следующие:
а) термическое испарение и конденсация (испарение электронным лучом, испарение взрывом, лазерное испарение и др.)
б) катодное испарение и конденсация ( ионное распыление, высокочастотное распыление и др.)
в) ионное осаждение ( осаждение из пучков ионов, из тлеющего разряда, дугового разряда и др.)
г) ионная имплантация.
Вакуумные термические методы получения покрытий [23 используют испарение и перенос атомов молекул с испарителя на подложку, где происходит их конденсация. Транспортируемые частицы находятся в электрически нейтральном состоянии, поэтому управлять их движением и значительно увеличивать энергию невозможно. Энергия частиц определяется температурой испарителя и обычно составляет
- 12 -
0,05-0,3 эВ. Такие низкие энергии конденсирующихся частиц определяют незначительную прочность сцепления покрытия с основой и не позволяют активно влиять на структурные свойства материала выбором оптимальной энергии частиц.
Физическая сущность метода катодного распыления [31 состоит в процессе выбивания (распыления) атомов вещества мишени в результате процессов передачи импульса при взаимодействии с ее поверхностью ионов высоких энергий,образуемых в плазме газового разряда. Для ускорения ионов газа до необходимой энергии к мишени прикладывается отрицательный потенциал (обычно 2-5 кВ). Выбитые из мишени атомы осаждаются на близлежащую поверхность, образуя на ней конденсат. Средняя энергия распыленных частиц в этом случае значительно выше, чем в термических процессах, и составляет 3-5 эВ, а степень ионизации распыленных атомов достигает 11. Энергетический КПД генерации вещества оказывается чрезвычайно малым, так как основная часть подводимой энергии затрачивается на нагрев мишени. Основными системами катодного распыления являются диодная (на основе тлеющего разряда), триодная (на основе несамостоятельного разряда с накаливаемым катодом) и система с распыляемым ионным пучком, генерируемым автономным источником ионов.
Преимуществами этого метода являются безынерционность, низкие температуры процесса, возможность получения пленок из тугоплавких металлов, а также оксидных, нитридных и других соединений в результате химических реакций атомов и ионов распыленного металла с дополнительно вводимым в рабочую камеру газом. Однако, сравнительно низкая скорость нанесения покрытий (0,02-0,5мкм/мин) загрязнение их рабочим газом и малый коэффициент ионизации осаждаемого вещества ограничивают широкое распространение метода ка-
- 13 -
тодного распыления.
Магнетронные системы [4] относятся к устройствам распыления диодного типа, в которых распыление материала происходит за счет бомбордировки поверхности мишени ионами плазмообразующего газа, возникающего в плазме аномального тлеющего разряда. Высокая скорость распыления достигается увеличением плотности ионного тока за счет локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля. Основные его преимущества: высокая скорость нанесения покрытий (0,5 - 5 мкм/мин), низкая температура подложи. Однако, управление свойствами покрытий затруднено, на подложу осаждаются относительно низкоэнергетические частицы.
В основе метода осаждения в электрических разрядах лежит перевод исходного вещества в плазменное состояние с последующей конденсацией из плазмы в потоке или на поверхности. Его отличительная особенность - высокая степень ионизации вещества, соответствующая плазменным температурам 1 - 10 эВ. Это способствует резкому ускорению рада химических реакций, делает возможным протекание некоторых типов реакций, неосуществимых без ионизации. По методу осаждения в тлеющих, ВЧ и СВЧ разрядах [5,6] исходные компоненты генерируются путем подачи газообразных веществ в зону разряда или испарением летучих сложных соединений (например, хлоридов) . Использование метода ограничено малой скоростью нанесения покрытий 0,01 - 0,1 мкм/мин.
Большой практический интерес представляют методы осаждения покрытий из плазмы наносимого материала. Поступающие из плазмы ионы и нейтральные частицы формируют покрытие. В системах "термо-ионного" осаждения покрытий энергию осаждающихся ионов можно лег-
- 14 -
ко регулировать напряжением отрицательного смещения, задаваемым между плазмой и проводящей обрабатываемой поверхностью. В системах, использующих для генерации наносимого материала плазму вакуумно-дугового разряда [7], энергия ионов определяется не только напряжением смещения, но и кинетической энергией плазменного потока. Плазменные вакуумно-дуговые испарители обладают высоким коэффициентом использования материала, они просты по конструкции, позволяют наносить как металлические, так и диэлектрические покрытия, пленки тугоплавких и легкоплавких металлов, сплавов, полупроводников. Поскольку, процесс осуществляется в высоком вакууме, то загрязнение пленок конденсата рабочим газом исключается.
1.1 Физические процессы при вакуумно-дуговом распылении металлов и сплавов в вакууме и среде различных газов.
Основной процесс, обеспечивающий существование дугового разряда в парах материалов,- это процесс генерации рабочей среды необходимой концентрации в приэлектродных областях, где, как правило, падает большая часть напряжения, приложенного к разряду, и развиваются процессы, ответственные за его поддержание. Поскольку основную роль в поддержании существования дугового разряда играют процессы, происходящей в прикатодной области, дуговые разряды делятся на разряды с горячим катодом и разряды с холодным катодом. В первом случае дуга горит на всей рабочей поверхности катода, яри этом температура может приближаться к температуре плавления катода. Во втором случае дуга горит в виде отдельных катодных пятен, перемещающихся по поверхности катода со скоростью сотни мет-
- 15 -
ров в секунду, что позволяет катоду оставаться интегрально холодным.
Особенностью дугового разряда с горячим катодом [83 является разогрев катода до такой температуры, чтобы он не только обеспечивал поддержание тока в цепи за счет термоэмиссии, но и испаряясь, снабжал объем плазмообразующей средой. Для математического описания дуги с горячим испаряющимся катодом необходимо учитывать следующие основные моменты:
- плотность термоэмиссионного тока в связи с температурой поверхности и учетом влияния электрического поля;
- скорость испарения материала катода;
- энергетический баланс катода.
В связи с нелинейной зависимостью, описывающей испарение материала от температуры, расчет таких систем затруднен. Но еще более сложным является вопрос о термоэмиссии электронов из твердого тела в плазму, которая может существенно отличаться от эмиссии в вакууме. Это связано с тем, что при одинаковой температуре плотность тока термоэмиссии в плазму может на несколько порядков превышать плотность тока эмиссии в вакууме [93. Для оценки эффекта вводится коэффициент аномальности, который вычисляется как отношение экспериментально зафиксированной плотности тока к плотности, полученной расчетным путем в соответствии с уравнением Ричардсона- Дэшмана и с учетом эффекта Шотки. Исследования показывают [103, что коэффициент аномальности достигает значений более 103-104. Это явление до настоящего времени не получило достаточно четкого и полного объяснения. Нет также полной ясности о роли плазмообразующей среды и ее давлении, о роли материала катода. В случае вакуумной дуги с испаряемым катодом в качестве термозмит-
- 1.6 -
тера работают не только тугоплавкие материалы, например, молибден, но и такие материалы, как хром и даже медь [8]. Конструкция испарителя с горячим расходуемым катодом должна предусматривать теплоизоляцию этого электрода.
Несмотря на свои преимущества, данная форма разряда в настоящее время не нашла широкого применения для нанесения покрытий.
Основное условие существования дугового разряда в вакууме с холодным катодом - это эрозия материала катода. Под холодным понимается такой тепловой режим катода, при котором средняя по его поверхности температура недостаточна для обеспечения протекающего между электродами тока в результате термоэмиссии. В этом режиме эмиссионными центрами являются катодные пятна, образующиеся на поверхности катода. Свойства пятен зависят от многих факторов, таких как вид материала, сила тока разряда и даже время его горения [Ш. Катодные пятна характеризуются высокой плотностью тока (до 1012А/м2), весьма высокой поверхностной плотностью мощности, превышающей 109Вт/м2 [123. Температура материала катода в зоне пятна, как правило, превышает температуру кипения.
Непосредственно после момента возбуждения вакуумной дуги возникают катодные пятна первого рода. Размер этих пятен составляет несколько микрометров, по поверхности катода они перемещаются со скоростью несколько десятков метров в секунду СИЗ. Для каждого материала существует некоторое значение тока, ниже которого пятна быть не мажет. Для пятен первого рода характерна сравнительно малая эрозия материала катода 10"10 кг/Кл. По мере горения разряда некоторые пятна пропадают, но возникают новые. Среднее время жизни пятен первого рода составляет 10"5с. На поведение вакуумной дуги существенное влияние оказывает состояние поверх-
- 17 -
ности катода. В [13] показано, что катодные пятна первого рода образуются на шероховатостях поверхности. При отсутствии влияния магнитного поля время жизни катодного пятна тем дольше, а напряжение на дуге тем выше, чем больше шероховатость поверхности. Размеры кратера на грубой поверхности меньше, чем на гладкой, а число кратеров значительно больше. В итоге, чем грубее поверхность, тем больше площадь эрозии.
Через 10_5-10"4 секунды горения вакуумной дуги в зависимости от материала катода пятна заметно изменяются. Размеры их увеличиваются до 10'4 м, а скорость перемещения по поверхности катода уменьшается примерно на порядок по сравнению с пятнами первого рода. Таким образом, формируются "медленные" катодные пятна или пятна второго рода. Скорость эрозии материала катода под действием пятен второго рода резко увеличивается и достигает 1СГ7 кг/Кл, то есть возрастает на три порядка.
Скорость эрозии связана с силой тока вакуумной дуги. Принято считать, что в первом приближении скорость эрозии материала катода ш (кГ/с) зависит от тока линейно [141:
ш = д. I (1)
где и - коэффициент электропереноса, зависящий от материала катода.
Продукты эрозии материала катода неоднородны по своему фазовому составу. Они состоят из нейтрального пара и плазмы материала, а также из микрокапельной и осколочной фракций [151. Соотношение между отмеченными компонента»,ш зависит от вида материала, его обработки, интегральной температуры поверхности, силы разряд-
- 18 -
ного тока, а также от параметров внешнего магнитного поля.
Параметры плазмы, генерируемой катодным пятном, зависят от материала катода. Прежде всего нужно отметить, что пятна - источник плазменных потоков с высокой скоростью распространения (порядка 104м/с). Считается, что пятна являются источником плазмы, ионизованной практически на 100% [12], а потоки нейтрального пара образуются испарением выброшенных в пространство микрокапель и неуспевшими остыть следами катодных пятен на поверхности электрода. Параметры материалов, используемых в качестве катодов вакуумных дуг. представлены в табл. 1.1.
Б связи с наличием плазменных потоков со скоростью Ч04м/е пространственное распределение ионной составляющей существенно анизотропно [163. Электронная температура металлической плазмы различных материалов мало зависит от координаты пространства и тока вакуумной дуги и составляет 1-3 эВ [15],
Микрокапельная фракция характеризуется следующими параметрами. Средний диаметр капель и доля вещества, выбрасываемого в виде капельной фракции, зависит от того, насколько тугоплавким является материал катода. Наиболее вероятный диаметр микрокапель - несколько микрометров. При медном катоде в виде микрокапель выбрасывается примерно 50% продуктов зрозии. Для тугоплавких металлов, как вольфрам и молибден, доля микрокапельной фракции находится на уровне единиц процентов [?]. Весьма своеобразным является пространственное распределение капельной фазы. Выявлено, что наибольшее количество продуктов эрозии в виде капель, выбрасывается под углом 20-30° к поверхности катода (рис.1.1) и количество вещества в микрокапельной фазе растет с увеличением тока разряда. Существенное влияние на распределение микрокапель оказывает давление
Таблица 1.1
Материал
параметр К [
Сс1 2п а! СИ N1 ге И Т1 Мо Сг С
д-107,кг/Кл 5,55 1 2,15 го ел 1,15 1,0 0,73 0,62 0,52 0,47 0,4 0,17
1кр» А ; - " 50 80 90 - 350 80 200 90 -
и* ,3 3,5- 9,8- 17,2- 14,7- 16,3- 17,1- 16,2- 15,8- 16,6- 16,7- 15,2-
10,2 11,1 18,6 15,4 17,3 19 22,6 17,6 17,2 17,4 18,9
иц,3 9,99 9,39 5,93 7,72 7,63 7,90 7,98 6,83 7,13 6,76 11,3
142,3 16,9 17,96 18,92 20,29 18,15 16,18 17,7 13,57 15,72 16,49
ихз,з |44,5 39,7 28,44 35,83 36,16 30,64 24,1 28,14 29,6 20,95
их4,3 55 62 120 '58,9 56 57,1 35,4 43,2 ! 46,4 49,6 1 .
''/и,Дж/атом-1С19 1,3 2,0 4,9 5,2 6 5,7 И,7 16,7 9,4 5,5 11,2
М,кг-102е 118,8 10,8 4,5 ; 10,6 9,8 9,4 •Э0,7 6 16 8,7 2
V - ПЛ} ! 594 593 933 11355 1 1726 1812 30 3683 1940 ! 1 2895 2176 4650
Л,Вт/м-град ! 44 1 95 184 318 л 72 .. .. СО СО ГО* 86 53 28
Примечание. ц-коэффициент электропереноса; 1Кр-критический ток вакуумно-дугового разряда с интегрально холодны)/; катодом; ик-катодное падение напряжения; и^-и^-пстенцизлы образования 1-,2-/3-,4-зарядных исков; 'л*н-удельная энергия испарения материалов; М-масса иона; ТПл-температура плавления; \-коэф. теплопроводности.
- 20 -
Рис. 1.1. Угловое распределение м и к р о к. я гг f* я т, п о й ф р а к ц и и гт р о д у к т о г эрозии материала катода.
11 Л л .. о 1 Л тт ^ о in.,
і ~ IV/ il Ü , f-j iU ltrt, О— 1 lid.
- 21 -
газа в вакуумной камере. С увеличением давления размеры капель и их распределение изменяются. Причиной снижения количества капель при напуске в систему газа (азота) является образование на поверхности катода слоя более тугоплавкого материала (нитрида титана) и уменьшение эрозии катода за счет разницы в температурах плавления.
Существует еще одна разновидность вакуумной дуги - дуга, горящая в парах материала анода (ГЛ. В этом случае необходимо обеспечить работу нерасходуемого катода в термоэмиссионном режиме и теплоизолированного анода, находящегося при высокой температуре. Материал анода, испаряясь, поддерживает горение разряда и, следовательно, существование плазмы наносимого материала. Если анод изготовлен в виде тигля, возможно наносить на обрабатываемую поверхность покрытия из диэлектрического материала, который помещается в этот тигель и испаряется из него [183.
Для всех дуговых разрядов независимо от их разновидностей характерна сопоставимость падения напряжения между электродами с ионизационным потенциалом плазмообразующей среды. На практике для вакуумных дуг, горящих в парах металлов и других материалов, используемых для нанесения покрытий,напряжение разряда в зависимости от вида материала и режима работы не превышает, как правило, 40-50 В, а часто находится в пределах 20-40 В. Токи достигают 200-300 А. В таблице 1.1 приведены данные о прикатодяом падении напряжения UK СШ и о потенциале ионизации [193. Учитывая наличие в плазме вакуумной дуги большого количества многозарядных ионов, в табл. 1.1 сведены также потенциалы образования 2-, 3- и 4-зарядных ионов [19]. Важной особенностью вакуумной дуги является возрастающая вольт-амперная характеристика. На рис. 1.2 [20) по-
- 22 -
Рио. і.2 Воль т - а м п е р к ы е х а р a к т о р к с т и и вакуумных дуг на постоянном токе
казаны вольт- амперные характеристики для различных материалов катода.
На характеристики процесса генерации вещества из катода су-щеетвенное влияние оказывает внешнее магнитное поле. При наличии магнитной системы в виде соленоида происходит эффект "автосепарации капель" [7,213. Природа этого эффекта предположительно заключается в том, что, пролетая область плазмы, микрокапли приобретают электрический заряд и под действием радиального электрического поля локализуются на периферии. В результате количество капель в центральной области плазменного потока резко снижается. При индукции магнитного поля в несколько миллитесла количество капель в центре струи уменьшается более чем на порядок.
Внешнее магнитное поле оказывает существенное влияние не только на генерацию микрокапельной фазы. Замагниченная электронная составляющая, переносящая азимутальный ток, заметно влияет на ионизационные процессы в активной зоне. Б итоге происходит деионизация нейтрального пара.
Влияние внешнего магнитного поля на фазовый состав и скорости продуктов эрозии с интегрально холодного катода хорошо видно из рис 1.3 [73. По вертикальной оси отложено отношение скорости эрозии катода в «-фазе % (микрокапли, пар, плазма) к общей скорости эрозии ш, по горизонтальной- скорость, с которой продукты эрозии выбрасываются в вакуум из катодных пятен.
Внешнее магнитное поле используется для управления перемещением катодных пятен по поверхности катода. Такое управление необходимо для удержания катодных пятен на рабочем участке катода.
При исследовании влияния внешнего магнитного поля на скорость движения катодных пятен выявился парадокс, не получивший
- 24 -
/о
ТП /ГП
' ' ТХ/ 3'
Рис. 1.3. Распределение скоростей различных фас в продуктах эрозии тугоплавких металлов:
!- капельная фаза, 3~ паровая фаза, 3- гг л а змеиная <Ьааа; штоиховая • 1*1
лини я-внешнее магнитное поле от-с у т с т в у с т, б с п р с р ы з н а я - с: в н сшн и м магнитным полем.
четкого объяснения и в настоящее ьремя. Если создать Бнешнее магнитное поле, имеющее тангенциальную к поверхности катода составляющую вектора индукции, то катодные пятна вакуумной дуги начинают двигаться в сторону, противоположную той, что предписывает сила Ампера [223. При показанной на рис. 1.4 ориентации внешнего магнитного поля относительно поверхности катода пятна под действием тангенциальной составляющей вектора В будут двигаться в направлении, обратном силе Ампера. На перемещающиеся со скоростью Уобр пятна действует ортогональная к поверхности составляющая вектора В, вызывающая их смещение со скоростью усм.
Внешнее магнитное поле, влияя на различные участки разряда, сказывается на общем падении напряжения на вакуумной дуге. Пример зависимости падения напряжения между анодом и катодом от индукции внешнего магнитного поля показан на рис. 1.5 [233.
Природа возникновения плазменных потоков, генерируемых катодным пятном, окончательно не установлена. Скорость плазменных струй в связи со свойствами материала изменяется в небольших пределах. Входящие в состав плазменных потоков ионы имеют в среднем энергию, позволяющую преодолевать разность потенциалов между электродами и двигаться в межэлектродном пространстве в любом направлении [123. Поскольку покрытия, наносимые вакуумно-дуговым методом, формируются в значительной степени за счет осаждения ионов, большой практический интерес представляют результаты исследований тока ионов, извлекаемых из плазмы вакуумно-дугового разряда. Суть полученных результатов заключается в следующем. Полный ионный ток, извлекаемый из плазмы вакуумной дуги, почти не зависит от материала катода и составляет 6-10% от тока разряда [12,243. Такой результат получен для материалов (Са, Аг, А1, С,
Рис. 1.4. Влияние внешнего магнитного поля на движение катодного пятна
1- катод; 2- направление вектора индукции магнитного коля, \^б|) и ¥с и - с оетав л я ю щ не скорое т и с м е П| е я и я к а т о д и о I' о пятна.
Рис. 1.5. 3 а в и с к м о с т ь и а д е н и я и а и р я ж е я и я между анодом и катодом вакуумной дуги от внешнего магнитного поля-
- 27 -
Ni, Cu, Zn), теплофизические свойства которых лежат в широких пределах. На основании этих результатов можно считать, что независимо от материала катода полный ионный ток в среднем составляет 8% от разрядного тока. По результатам последних исследований ток ионов заметно зависит от интегральной температуры поверхности катода [253. Как показано в работе [20], энергетический спектр ионов, извлекаемых из плазмы вакуумной дуги, почти симметричен относительно своего максимума. Максимум приходится на энергию 30-100 эВ в зависимости от материала и зарядности ионов. Сила тока разряда слабо влияет на наиболее вероятную энергию ионов.
Параметры дугового разряда принципиально изменяются при напуске в разрядный промежуток газа. Существенное значение имеет вид газа, его давление, а также величина межэлектродного зазора и электродов. В [26] рассмотрены параметры электродугового разряда в атмосфере различных газов при изменении их парциального давления. На рис. 1.6 представлены зависимости напряжения разряда от давления в вакуумной камере при напуске различных газов. С ростом давления напряжение разряда в атмосфере кислорода, азота, аммиака, аргона и воздуха снижается. Для кислорода, азота, аммиака и воздуха уменьшение напряжения связано с образованием на поверхности катода оксидной и нитридной пленок, что облегчает возникновение катодного пятна и снижает его пороговый ток. Уменьшение напряжения при разряде в аргоне обусловлено уменьшением диффузии паров материала катода и снижением рассеяния из зоны разряда, что облегчает горение дуги в тяжелом газе СШ. В правой части графика наблюдается критические давления, выше которых происходит рост электрического напряжения. Предполагается, что это повышение напряжения вызвано взаимодействием плазмы с газовой мишенью, приво-
28
Рис 1. Н И а т» и сирость VI а гг [> я ж с и и я разряда от давления газа: 1-кислород; 2 - в о в д у X; 3-аЗОТ;
4 -аммиак, 5-гелий; 6*-ар го п.
- 29 -
дящем к диссоциации молекул газа и частичной ионизации атомов и молекул, а также к процессу перезарядки ионов титана [27]. Напуск газа влияет и на скорость перемещения катодных пятен. Скорость перемещения катодных пятен возрастает с ростом давления, а затем при давлении выше 3,0 Па замедляется, пятно может остановиться и изменить направление движения. Причем для каждого газа имеется своя критическая точка перехода [263.
Изменение параметров разряда и температуры электронов при напуске газа наблюдалось при исследовании параметров анодной плазмы [283. Взаимодействие компонентов плазмы вакуумной дуги при молибденовом катоде и напуске азота в диапазоне давлений 0,0001 -0,1 Па, приводящее к изменению зарядового состава и средней энергии ионов в плазме, а также к возбуждению и ионизации атомов и молекул наблюдали также авторы [293. Причем, существует два диапазона давлений, отличающихся различной эффективностью взаимодействия частиц плазмы с газовой мишенью: диапазон Р < 0, 027 Па, в котором основным процессом является перезарядка ионов металла на газе, м диапазон Р > 0,027 Па, в котором основную роль играет последовательное столкновение частиц, вызывающее значительное повышение степени возбуждения газа, его диссоциацию, понижение энергии ионов плазмы и уменьшение их содержания в плазменном потоке. Наложение на систему магнитного поля существенно повышает эффективность взаимодействия частиц за счет роста вероятности электрон-молекулярных взаимодействий.
Напуск в разрядный промежуток газа и наложение внешнего магнитного поля приводит к изменению скорости перемещения пятен и, как следствие, к изменению скорости эрозии катода. В [303 рассматриваюсь влияние скорости перемещения катодных пятен на ско-
- зо -
рость эрозии медной мишени. На рис. 1.7 показано изменение скорости перемещения катодных пятен в зависимости от величины магнитного поля, а на рис. 1.8 - зависимость скорости эрозии катода от скорости перемещения катодного пятна [303. Км видно из рис. 1.8, изменение скорости перемещения катодного пятна от 20 до 40 м/с приводит к изменению скорости эрозии катода на порядок.
Влияние газовой среды, необходимой для реализации реактивного распыления, приводит к ряду дополнительных эффектов, не исчерпывающихся рассмотренными ранее. В [313 исследовалась неустойчивость плазмы, существенным образом влияющая на динамику взаимодействующих частиц, в частности электрон-ионной неустойчивости, развивающейся в объеме положительного столба вакуумной дуги вдали от приэлектродной области разряда. Показано, что тип неустойчивости зависит от концентрации ионов газа, возникающих в процессе взаимодействия потоков частиц, генерируемых катодным пятном вакуумной дуги, с газовой мишенью.
Принципиальная схема вакуумно-дугового испарителя показана на рис. 1.9. Для работы такого устройства необходимо пространственно неоднородное магнитное поле, которое в простейшем случае создается с помощью соленоида.
Для генерации плазмы наносимого материала между анодом и катодом формируется один из видов вакуумно-дугового разряда. В зависимости от конкретных условий один из электродов испарителя подвергается эрозии и разряд существует в парах материала этого электрода. В итоге между электродами образуется плазма. Для ее ускорения используется внешнее магнитное поле. Если пренебречь газокинетическими эффектами, что допустимо для рассматриваемых условий, то силу Р, вызывающую ускорение в зависимости от режима.
10"9 10"2 10' 1 В(Т л)
Рио. 1.7 3 а в и о и м о с т г, скорости перемещения катодного пятна от в е л и ч и и ы м а V я и т н о г о н о л я,
отнесенной к току 100А .
*»
Рис. 1.В Зависимості скорости эрозии к.атода О Т С к о р о с т и IIЄ [> Є М Є Щ Є її и я катодного пяти а на титане.
- 32 -
Рис. 1.9 Схема вакуумно-дугового испаритеЛЯ: К.А-катод и анод; С-соленоид для формирования магнитного п оля.