РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЛЬНОГО РАЗРЯДА С ПОПЕРЕЧНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Изучению процессов формирования жаростойких покрытий посвящены многочисленные
работы (см., например, работы [1, 19, 34, 36, 68]). На основании проведенного
анализа из всех перечисленных методов получения жаростойких покрытий
предпочтение следует отдать магнетронному методу как наиболее перспективному.
Для устранения приведенных в разделе 1 недостатков магнетронных распылительных
систем необходимо выбрать оптимальную схему МРС. На основании проведенного
анализа выбрана схема источника плазмы, геометрия которого близка к конструкции
инверсного магнетрона [69]. Данный класс источников плазмы позволяет успешно
решать технологические задачи в различных областях машиностроения, что и
обусловило его широкое применение. Такие системы имеют ряд преимуществ, которые
позволяют им быть конкурентоспособными в стремительно развивающейся технике
плазменной обработки поверхности твердого тела.
Изучению разрядов в скрещенных электрическом и магнитном полях при низком
давлении посвящен ряд работ (см. [70 - 75]).
Целью проведенных экспериментов являлось исследование процессов формирования
жаростойких многокомпонентных покрытий на лопатки ГТД с помощью ионного
магнетрона с газовым анодом. Для этого необходимо провести изучение
интегральных и локальных параметров разряда в системе холловского типа (ионный
магнетрон) - потенциала плазмы цпл, температуры электронов Фе, плотности
электронов nе. Для проведения таких измерений потребовалось применение
различных методик диагностики плазмы.
2.1. Оборудование и методики измерений
В результате проведенного анализа недостатков типичных магнетронных
распылительных систем выявлено, что данные системы не полностью удовлетворяют
требованиям, предъявляемым к технологическому оборудованию для формирования
жаростойких многокомпонентных покрытий.
Для усовершенствования существующего технологического оборудования была выбрана
схема источника плазмы, геометрия которого близка к конструкции инверсного
магнетрона [69]. Для реализации выбранной схемы использовалась модифицированная
лабораторная установка «Вихрь» [76]. Особенностью исследуемой установки
является:
* наличие множества распыляемых катодов-мишеней (в данном случае 12), которые
можно изготавливать из компонентов, составляющих покрытие;
* простота изготовления мишеней;
* большая площадь, на которую наносится покрытие;
* возможность распыления магнитных металлов и сплавов;
* высокий коэффициент использования материала катодов-мишеней, по сравнению с
традиционными МРС.
2.1.1. Экспериментальная технологическая установка с радиальными потоками
плазмы
Для формирования исследуемых покрытий использовалась установка, которая
представляет собой вакуумную камеру, в которой расположены основные узлы
генерации плазмы. Особенностью установки является то, что создание
осесимметричного магнитного поля обеспечивается совмещением элементов вакуумной
камеры с элементами магнитной системы. Полюсами магнитной системы являются
торцевые фланцы, изготовленные из магнитопроводящей стали. Обеспечение
требуемой формы магнитного поля достигается магнитопроводящими цилиндрами,
расположенными соосно с торцевыми фланцами и выступающими внутрь вакуумного
камеры.
Общий вид вакуумного отсека представлен на рис. 2.1. Он представляет собой
охлаждаемый металлический цилиндр диаметром 0,5м и высотой 0,3м, который
присоединяется к вакуумному агрегату АВП-8. Цилиндрический корпус 1 выполнен из
нержавеющей стали Х18Н10Т. Боковые крышки 2 совместно с магнитными полюсами -
из стали Ст3, обладающей хорошими магнитными свойствами. Магнитопроводы 3,
соединяющие крышки, являются сердечниками электромагнитов 4. При включении
электромагнитов 4 внутри цилиндрического корпуса технологического отсека
создаётся магнитное поле необходимой конфигурации, которое замыкается по
внешним магнитопроводам 3 и крышкам корпуса 2. На оси системы расположены
охлаждаемые аноды 5 диаметром 0,08м и катодные диски 7 внешним диаметром 0,45м.
При использовании данной системы для нанесения покрытий в зоне разряда
устанавливаются цилиндрические водоохлаждаемые мишени 9, изготовленные из
материала формируемого покрытия; двенадцать мишеней располагались симметрично
относительно оси системы на радиусе 0,11м; потенциал мишеней регулировался (от
независимого источника питания). Подложки, на которые осаждался распыленный с
мишеней материал, устанавливались на коаксиальном с камерой цилиндре 6,
изолированном от электродов системы. Потенциал к подложкам прикладывался от
отдельного источника питания. Во избежание пробоев между магнитными полюсами и
анодами соосно с ними расположены диэлектрические вставки.
От источника постоянного тока 8 между анодом и катодом прикладывается разность
потенциалов 102 ё 103 В. При напуске в камеру рабочего газа (Ar) до давления
0.01 ё 0.1 Па вдоль оси камеры формируется разряд отражательного типа с
осциллирующими ионами (типа разряда Пеннинга), а радиальное электрическое поле
обеспечивает ускорение ионной компоненты газовой и металлической плазмы в
радиальном направлении.
Измерено магнитное поле в серединной плоскости разрядной камеры (см. рис. 2.2).
Его индукция может изменяться в пределах (1.75…2.5)Ч10-2 Тл; магнитное поле
такой величины обеспечивает стабильное горение разряда. В приосевой области
топография магнитного поля аналогична магнитной ловушке с пробочным отношением
[77]:
, (2.1)
где Ван - магнитная индукция в области анодов, В0 - магнитная индукция в
серединной плоскости системы. Для исследуемой системы 1,92.
Принцип действия применяемой распыл
- Киев+380960830922