Электродуговой генератор сепарированных потоков плазмы металлов в вакууме

Электродуговой генератор сепарированных потоков плазмы металлов в вакууме

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологии нанесения упрочняющих, защитных и декоративных покрытий в вакууме на различные изделия для придания поверхности этих изделий более высоких функциональных свойств.

Известны устройства (Дороднов А.М., Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств. - Жур. техн. физики, 1981, т.51, №3, с.516-518. Техническое описание установки ННВ-6.6-ИЗТУ ОНН-538.232-83) для нанесения покрытий в вакууме, содержащие охлаждаемый катод из материала, испаряемого с его торцевой поверхности в процессе электродуговой эрозии, цилиндрический анод, охватывающий катод, с расположенными на внешней поверхности анода стабилизирующими и фокусирующими соленоидами.

Основным недостатком таких устройств является содержание в плазменном потоке фрагментов катода в виде микрокапельной фазы (МКФ), которые снижают адгезионную прочность покрытий из любых материалов и ухудшают износостойкость, защитные и декоративные свойства соединенных металлов с газами.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются устройства для получения плазменных потоков в вакууме (Барвинок В.А., Богданович В.И. Физические основы и математическое моделирование процессов вакуумного - ионно-плазменного напыления. - М.: Машиностроение, 1999. - 309 с.), содержащие охлаждаемый катод из материала, испаряемого с его торцевой поверхности в процессе электродуговой эрозии, цилиндрический охлаждаемый анод, охватывающий катод с расположенным на внешней поверхности анода стабилизирующим соленоидом и дополнительный соосный охлаждаемый анод, расположенный между плоскостью сечения торцевой расходываемой поверхности катода и фланцем камеры, профиль внутренней поверхности которого имеет криволинейную форму с сужающимся, а затем расширяющимся сечением, на внешней поверхности которого расположен фокусирующий соленоид.

Недостатком этого устройства также является содержание МКФ в плазменном потоке, направляемом на обрабатываемое изделие.

В основу изобретения поставлена задача уменьшения количества МКФ без существенного уменьшения количества ионной фазы в плазменном потоке.

Данная задача достигается за счет того, что в электродуговом генераторе сепарированных потоков плазмы металлов в вакууме, содержащем охлаждаемый катод из материала, испаряемого с его торцевой поверхности в процессе электродуговой эрозии, цилиндрический охлаждаемый анод, охватывающий катод, с расположенным на внешней поверхности анода стабилизирующим соленоидом и дополнительный соосный охлаждаемый анод, расположенный между плоскостью сечения торцевой расходываемой поверхности катода и фланцем камеры, профиль внутренней поверхности которого имеет криволинейную форму с сужающимся, а затем расширяющимся сечением, на внешней поверхности которого расположен фокусирующий соленоид, согласно изобретению внутренняя поверхность дополнительного анода имеет систему кольцевых прямоугольных выступов высотой h=(4,0-8,0) мм и шириной между ними d=(10,0-20,0) мм, диаметр внутреннего анода в области его наименьшего сечения составляет (1,2-1,8)D_к и это сечение расположено на расстоянии (2,5-3,5)D_к, где D_к - диаметр торцевой расходываемой поверхности катода, в выходной части наименьшего сечения анода на расстоянии L от катода расположен аттенюатор, состоящий из набора плоскопараллельных пластин, плоскости которых горизонтальны и параллельны оси устройства, с расстояниями между пластинами D≥10 мм и их шириной H≤4D, при этом расстояние L удовлетворяет условиям: 0,4=(Н²+2HL)/(H+D); L≥0,2 м и L≤0,4 м.

На Фиг.1 представлена конструкция предлагаемого электродугового генератора сепарированных потоков плазмы металлов в вакууме, на Фиг.2 представлена зависимость относительного коэффициента микрокапельной фазы от расстояния L_c/D_к для диаметра анода в области наименьшего сечения, на Фиг.3 представлена зависимость полного ионного тока насыщения на выходе из анодного сечения от диаметра этого сечения.

Электродуговой генератор сепарированных потоков плазмы металлов в вакууме содержит: охлаждаемый анод 1; дополнительный анод 2, профиль внутренней поверхности которого имеет криволинейную форму с сужающимся, а затем расширяющимся сечением и систему кольцевых прямоугольных выступов 3; в выходной части наименьшего сечения анода на расстоянии L от катода расположен аттенюатор 4, состоящий из набора плоскопараллельных пластин 5; размещенный в аноде охлаждаемый катод 6, изготовленный из металла, используемого для получения покрытия в процессе электродуговой эрозии его торцевой поверхности; поджигающий электрод 7, контактирующий с боковой поверхностью катода; стабилизирующий соленоид 8, расположенный на внешней поверхности анода и предназначенный для перемещения катодных пятен дугового разряда с боковой на торцевую расходываемую поверхность катода и стабилизации горения разряда на ней; фокусирующий соленоид 9, расположенный на внешней поверхности дополнительного анода между стабилизирующем соленоидом и фланцем 10; электроизолированный диск 11 из немагнитного материала и каналом подачи реакционного газа 12.

Электродуговой генератор сепарированных потоков плазмы металлов в вакууме работает следующим образом.

Путем электрического пробоя между электродом поджига и катодом осуществляется инициирование поджига вакуумной дуги. Возникающий сгусток плазмы инициирует возникновение катодного пятна (КП) на торцевой поверхности катода, которое в течение долей секунды горит в определенной точке катода, затем самопроизвольно гаснет и самопроизвольно возникает вблизи этой точки. При этом траектория следов горения катодного пятна образует спирали на поверхности, которые выглядят как круговые движения горящей области, движущейся под действием стабилизирующей части магнитного поля. Катодное пятно, включающее в себя нагретую область поверхности катода и плазменный сгусток над ней, является источником плазменной струи, состоящей из материала катода в ионной, атомарной и микрокапельной фазе (МКФ). Источником ионов является само катодное пятно. Источником МКФ и паровой фазы является перегретая поверхность катода на завершающей стадии развития катодного пятна в этом месте, когда из-за тепловой неустойчивости перегретой области происходит выброс материала катода в виде брызг (МКФ). После выброса МКФ катодное пятно прекращает существование в этой области и спонтанно возникает на близлежайшем участке, на котором реализуется условие поджига нового пятна. МКФ вылетает с поверхности катода с образованием на ней характерного кратера и состоит из расплавленных частиц материала различных размеров. Угол разлета этих частиц распределен хаотически в пределах полусферы над поверхностью катода. Однако плотность распределения количества частиц по углу разлета не изотропна, а имеет максимум в диапазоне углов (60-80)°С относительно оси генератора. Наибольшее влияние на ухудшение эксплуатационных свойств покрытий оказывают частицы МКФ с размерами больше 0,3 мкм, количество которых составляет основную долю МКФ в потоке. Скорость таких частиц зависит от их размеров (примерно, обратно пропорциональна диаметру частиц в степени 3/2) и для частиц диаметром 0,3 мкм не превышает (1,5...2,0) м/с.

Эти частицы МКФ, попадая в цилиндрическую полость анода, движутся в гравитационном поле Земли, заряжаются отрицательно, сталкиваются с поверхностью анода, частично оседают на ней, а частично отражаются от нее и опять вовлекаются в плазменный поток, вытекающий из генератора.

Частицы в ионной фазе покидают катодное пятно в основном по траекториям, близким к оси катода, со скоростями (0,3...1,3)·10⁴ м/с (кинетическая энергия направленного движения ионов (10...70) эВ), которые во много раз больше скорости частиц МКФ. Поэтому из-за действия силы тяжести Земли отклонение траектории ионов от прямой линии в пределах вакуумной камеры незначительно, а изменение координаты по высоте частиц МКФ со скоростью V₀≤2 м/с достигает 0,25 м на дальность полета 0,5 м. Казалось бы, располагая изделие на дальность более 0,5 м, можно получать покрытие без МКФ. Однако на расстояниях от катода до изделия более 0,4-0,5 м при типичных давлениях 5·10^-4-3·10^-3 мм рт.ст. в вакуумной камере начинают сказываться процессы рассеивания ионов на атомах атмосферы вакуумной камеры, приводящие к потере ими кинематической энергии с последующей нейтрализацией и уменьшением полного ионного тока, а также приводящие к уменьшению плотности ионного тока из-за расширения плазменного пучка. В результате на расстояниях более 0,5 м резко снижаются все эксплуатационные свойства покрытий, а скорость их роста уменьшается в десять и более раз. Поэтому задача получения сепарированного от МКФ плазменного потока должна быть решена без существенного уменьшения ионного тока в плазменной струе на расстояниях от катода не более 0,4 м. Это достигается тем, что в сужающей части дополнительного катода с прямоугольными выступами задерживаются частицы МКФ, вылетевшие с катода под большими (от 50° до 90°) и малыми (от 0° до 30°) углами, а частицы, имеющие максимальную дальность полета (углы от 30 до 50°), задерживаются аттенюатором.

Изложенные принципы образования и движения частиц МКФ и ионов позволяют объяснить работу предлагаемого изобретения по уменьшению количества МКФ в потоке без существенного уменьшения количества ионов металла в плазменном потоке.

Измерение количества МКФ в потоке проводилось кратковременным размещением в плазменном потоке стеклянных пластин с последующим подсчетом количества и размеров частиц МКФ на микроскопе металлографическом инвертированном Метам ЛВ-31, снабженном устройством для компьютерной обработки оптической информации по программе Image Expert Pro 3.0. Отношение площади всех частиц МКФ к площади пластины дает величину коэффициента МКФ К_мкф. Отношение этих коэффициентов для предлагаемого изобретения и сравниваемого устройства дает относительный коэффициент МКФ К_от.

В Табл.1 - сравнительная таблица количества частиц МКФ и их процентное содержание в зависимости от их диаметра для прототипа и заявленного устройства, приведены результаты подсчета количества частиц с диаметром, лежащим в заданном диапазоне, и процентное содержание таких частиц. Коэффициент МКФ для прототипа составил К_мкф=5,6%. В частности, из Табл.1 видно, что количество частиц с диаметром от 0,3 до 1,1 мкм составляет почти 85% от общих частиц МКФ.

Исследование предлагаемого устройства показало, что с уменьшением диаметра D_c внутреннего отверстия анода 2 в области его наименьшего сечения и с ростом расстояния L_c от этого сечения до торцевой поверхности катода относительный коэффициент МКФ К_от убывает (Фиг.3, где зависимость 1 - D_c=2,0D_к, зависимость 2 - D_с=1,5D_к, зависимость 3 - D_c=D_к без кольцевых прямоугольных выступов и с выступами шириной зависимость 4 - 2,0 мм, зависимость 5 - 1,0 мм и высотой 8 мм). Однако при значениях D_с<1,2D_к (D_к - диаметр торцевой поверхности катода) и L_с>3,5D_к происходит уменьшение полного ионного тока насыщения на выходе из анода более чем на 20% (Фиг.4, где для L_c/D_к: 1 - 3,0; 2 - 4,0). Экспериментально установлено (Фиг.3, 4), что при выборе D_c в диапазоне (1,2-1,8)D_к и L_c в диапазоне (2,5-3,5)D_к уменьшение общего количества МКФ в плазменном потоке по сравнению с генератором без предлагаемого сужения анодного сечения лежит в диапазоне от 10 до 35 раз при уменьшении величины полного ионного тока насыщения не более чем на 20%.

Наличие на внутренней поверхности анода 2 системы кольцевых прямоугольных выступов 3 обеспечивает уменьшение количества МКФ, отраженной от внутренней поверхности анода, и, следовательно, уменьшение ее количества в потоке, что регистрируется увеличением количества материала катода, осевшего на этой поверхности, и уменьшением К_от (Фиг.3, зависимость 4 и 5). С ростом высоты выступа h и уменьшением расстояния d между ними количество МКФ в потоке уменьшается (Фиг.3, зависимость 4 и 5), однако при значениях h>8,0 мм и d<10,0 мм это уменьшение становится незначительным. Экспериментально установлено, что при выборе высоты выступа в диапазоне h=(4,0-8,0) мм и расстояния между ними d=(10,0-20,0)мм (Фиг.3, зависимость 4 и 5) уменьшение количества МКФ в потоке достигает (25-40)% в основном за счет уменьшения частиц крупных фракций с диаметром более 2 мкм. При этом использование такой же системы кольцевых прямоугольных выступов на цилиндрической поверхности анода без сужения анодного сечения также приводит к уменьшению МКФ, однако существенно (в 2-3 раза) в меньших пределах.

Принцип работы аттенюатора 4, состоящего из набора плоскопараллельных пластин 5, плоскости которых горизонтальны и параллельны оси устройства, основан на следующем.

Известно, что частица, вылетевшая с поверхности катода со скоростью V₀ под углом α, движется по параболической траектории

где Δy - разность текущей и начальной координаты по высоте, x - координата по оси плазменной струи.

При α>0 траектория движения частицы имеет максимум с координатами вершины x_в=(V₀ ²sin2α)/2g, Δy_в=(V₀ ²sin²α)/2g.

Учитывая, что максимальная дальность полета частицы достигается при α=45°, получим, что на расстоянии x=L от катода за вершиной траектории с координатами x_в=V₀ ²/2g и Δy_в=V₀ ²/4g изменение высоты траектории Δy=D связано с изменением координаты Δx=Н и начальной скорости частицы V₀ соотношением

Следовательно, если на расстояние L от катода поместить аттенюатор, состоящий из горизонтальных пластин шириной более Н и с расстояниями между ними меньше D, то частицы с начальной скоростью V≤V₀ осядут на поверхности этих пластин, не пролетят аттенюатор и не попадут на поверхность изделия. Расстояние D между пластинами должно быть существенно больше толщины слоя объемного заряда, возникающего около торца пластины, для исключения отсечки электронной компоненты плазменного потока и исключения существенного уменьшения ионного тока на выходе аттенюатора. Учитывая, что толщина слоя объемного заряда для электродуговой плазмы составляет (1-2) мм в режиме осаждения на поверхность с потенциалом до 200 В, расстояние D должно быть не меньше 10 мм. При этом ширина пластины Н должна быть не более 1,4D, так как при скважности отверстия меньше чем 1,4D наблюдается уменьшение ионного тока более чем на 20%. Величина L должна быть меньше 0,4 м так как при больших значениях начинают сказываться процессы рассеивания ионов на атомах атмосферы вакуумной камеры, что регистрируется уменьшением ионного тока. С другой стороны, величина L должна быть такой, чтобы координаты x_в вершины траекторий всех частиц, которые должны быть задержаны устройством, лежат на расстоянии, меньшем L. Действительно, если это условие не будет выполняться, всегда найдутся частицы, у которых координата вершины x_в=L, а в этом случае, как следует из (2), полученные значения Н будут существенно больше 1,4D, что приведет к существенному уменьшению ионного тока. Например, для D=10 мм и L=x_в=V₀ ²/2g=0,2 м (V₀=2 м/с) получаем Н=63 мм. В частности, именно этими соображениями определяется необходимость использования сужающего сечения перед аттенюатором. Так как в случае цилиндрического сечения без сужения частицы, отраженные от внутренней поверхности анода, летят по пологим траекториям и требуют для своего улавливания большую ширину пластин Н (Н>1,4D).

Таким образом, учитывая, что максимальная скорость частиц МКФ не превышает значение V₀=2 м/с, получаем из (2) условие:

которое служит для расчета предельных значений параметров аттенюатора при выполнении следующих условий L>x_в=V₀ ²/2g=0,2 м, L≤0,4 м, D≥10 мм и H≤1,4D. Например, при выборе D=10 мм из условия (3) находим, что этому условию и условию H≤1,4D удовлетворяют значения L≥0,34 м и Н=0,014 м. Для больших значений D из этих условий будут получены значения L большие 0,34 м, а значения Н меньше 0,014 м.

Экспериментальная проверка работы аттенюатора также проводилась по сравнению с прототипом по определению количества и коэффициента МКФ. В Табл.1 приведены результаты обработки количества частиц на пластине для прототипа и результаты обработки пластины для заявленного изобретения при параметрах аттенюатора, рассчитанных по условию (3) и составляющих L=0,34 м, D=10 мм и Н=14 мм. Из Табл.1 видно многократное уменьшение количества МКФ при использовании заявленного устройства.

Рассчитанные по этим данным коэффициенты МКФ К_мкф для прототипа и заявленного изобретения составили 5,6% и 0,008% соответственно. То есть относительный коэффициент МКФ К_от=0,0014 или заявленное изобретение обеспечили уменьшение микрокапельной фазы в 700 раз. Аналогичные результаты существенного уменьшения количества МКФ получены и при других параметрах аттенюатора, полученных на основе соотношения (3).

Таблица 1Электродуговой генератор сепарированных потоков плазмы металлов в вакууме
№	Диаметр частиц мкм МКФ, мкм	Прототип	Предложенное устройство
	min	max	количество	%	количество	%
	1	2	3	4	5	6
1	0,282	0,702	966	44,434	10	83,333
2	0,702	1,122	877	40,340	2	16,666
3	1,122	1,542	222	10,212	0	0,000
4	1,542	1,962	64	2,944	0	0,000
5	1,962	2,382	31	1,426	0	0,000
6	2,382	2,802	8	0,368	0	0,000
7	2,802	3,222	4	0,184	0	0,000
8	3,222	3,642	0	0,000	0	0,000
9	3,642	4,062	0	0,000	0	0,000
10	4,062	4,482	2	0,092	0	0,000

Электродуговой генератор сепарированных потоков плазмы металлов в вакууме, содержащий охлаждаемый катод из материала, испаряемого с его торцевой поверхности в процессе электродуговой эрозии, цилиндрический охлаждаемый анод, охватывающий катод, с расположенным на внешней поверхности анода стабилизирующим соленоидом и дополнительный соосный охлаждаемый анод, расположенный между плоскостью сечения торцевой расходуемой поверхности катода и фланцем камеры, профиль внутренней поверхности которого имеет криволинейную форму с сужающимся, а затем расширяющимся сечением, на внешней поверхности которого расположен фокусирующий соленоид, отличающийся тем, что внутренняя поверхность дополнительного анода имеет систему кольцевых прямоугольных выступов высотой h=(4,0-8,0)мм и шириной между ними d=(10,0-20,0)мм, диаметр внутреннего отверстия анода в области его наименьшего сечения, которое расположено от торцевой поверхности катода на расстоянии (2,5-3,5)D_к, составляет (1,2-1,8)D_к, где D_к - диаметр торцевой расходуемой поверхности катода, в выходной части наименьшего сечения анода на расстоянии L от катода расположен аттенюатор, состоящий из набора плоскопараллельных пластин, плоскости которых горизонтальны и параллельны оси генератора с расстояниями между пластинами D≥10 мм и их шириной H≤1,4D, при этом расстояние L удовлетворяет условиям: 0,4=(H²+2HL)/(H+D); L≥0,2 м и L≤0,4 м.