Способ нанесения покрытия на изделия в вакуумной камере

Способ нанесения покрытия на изделия в вакуумной камере

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к технологии получения покрытий методом магнетронного распыления и может быть использовано при нанесении защитных износостойких покрытий на различные изделия в производствах, требующих высокой адгезионной стойкости покрытий на различных изделиях, в том числе выполненных из сталей, твердых сплавов и жаропрочных материалов.

Известен способ нанесения покрытий в вакууме, при котором изделия помещают в вакуумную камеру, вакуумируют ее, зажигают электрическую дугу для испарения материала катода, к изделию прикладывают напряжение смещения и проводят его очистку и разогрев потоком ионов испаряемого материала катода до температуры конденсации покрытия, затем в камеру подают газ-реагент, напряжения смещения снижают и выдерживают изделия в течение времени конденсации покрытий в этих условиях, а затем дуговой разряд выключают, с изделий снимают напряжение смещения, а подачу газа-реагента прекращают («Физика и химия обработки материалов», №4, 1981 г., стр.43-46) - аналог.

Недостатками данного решения являются низкая твердость получаемых покрытий, невысокая адгезия и значительная пористость покрытий, а следовательно, их низкая долговечность, например, при эксплуатации в условиях трения и износа.

Известен способ получения защитно-декоративных покрытий на изделиях в вакуумной камере методом магнетронного распыления материала, заключающийся в том, что изделия размещают в вакуумной камере, которую перед процессом распыления откачивают, нагревают и подают в нее кислород (патент РФ №2100476, МКИ 6: С 23 С 14/35, опубл. 27.12.97 г., БИ №36) - прототип.

Недостатками известного решения являются низкая производительность процесса нанесения покрытий и недостаточная адгезия получаемых покрытий и как следствие низкая долговечность покрытий, особенно работающих в условиях высоких температур или их значительного перепада.

Задача изобретения заключается в повышении прочности и плотности покрытий, особенно при эксплуатации в условиях трения и износа, увеличении адгезии покрытий и повышении долговечности покрытий при работе изделий с покрытиями в условиях высокой температуры, а также получение покрытий из чистых материалов при низком содержании примесей.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе нанесения покрытия на изделия в вакуумной камере методом магнетронного распыления материала изделия размещают в вакуумной камере, которую перед процессом распыления откачивают, нагревают и подают в нее кислород, причем перед процессом распыления в вакуумной камере создают разрежение не более 10^-3 Па, а нагрев вакуумной камеры осуществляют до температуры не ниже 100°С, кислород подают для осуществления ионной очистки размещенных в камере изделий, которую осуществляют после нагрева вакуумной камеры и перед началом распыления материала, причем ионную очистку осуществляют последовательно отдельно кислородом и отдельно аргоном, общее время ионной очистки составляет 5-15 мин, а время ионной очистки кислородом не менее 2 мин, магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/ч, причем в качестве материала распыления используют серебро.

Для достижения оптимальных результатов при реализации способа:

- в способе время ионной очистки кислородом может составлять 4 минуты, а аргоном - остальное;

- в способе нагрев вакуумной камеры могут осуществлять до температуры, не превышающей температуру растворения пленки на изделии, что для серебра составляет 600°С, хотя при частичном ухудшении качества покрытия температура может быть и больше, что в каждом конкретном случае зависит от степени ответственности изделий, на которые наносят покрытие;

- в способе в вакуумной камере перед процессом напыления могут создавать разрежение в интервале от 5×10^-2 Па до 10^-1 Па;

- в способе скорость магнетронного напыления может обеспечиваться блоком питания, включающим импульсную систему питания с переменной частотой 6-10 КГц и скважностью 2-10;

- в способе скорость магнетронного напыления могут регулировать величиной силы тока разряда или его мощностью;

- в способе могут использовать источник питания с силой тока разряда не менее 400 мА или мощностью не менее 2 кВт;

- в способе в процессе магнетронного напыления силу тока разряда могут поддерживать с точностью не менее 2%;

- в способе в процессе магнетронного напыления мощность могут поддерживать с точностью не менее 20 Вт в диапазоне регулирования до 10 кВт.

В заявляемом способе указанный технический результат достигается только при совместном использовании указанных существенных признаков в приведенных интервалах, а именно:

- ионная очистка состоит из двух последовательных этапов очистки сначала кислородом, а потом аргоном.

Очистку кислородом осуществляют для удаления органических загрязнений на изделиях, а очистку аргоном - как подготовительный этап для удаления с изделий пленки загрязнений, оставшейся на них после ионной обработки кислородом, причем общее время ионной очистки должно быть не менее 5 минут и не более 15 минут, а время ионной очистки кислородом не менее 2 минут. Если ионную очистку проводить менее 5 минут, и в том числе ионную очистку кислородом проводить менее 2 минут, то это отрицательно скажется на адгезии покрытия из-за недостаточной очистки поверхности изделий перед его нанесением, а при продолжительной ионной очистке (более 15 минут) возникает аморфизация поверхности, что также уменьшает адгезию покрытий, а следовательно, их прочность и долговечность;

- при нагреве вакуумной камеры до температуры ниже 100°С не происходит удаление из нее газов, что также снижает адгезию покрытия, а кроме того, не позволяет получить чистое покрытие из-за возможного наличия в его составе различных примесей;

- при создании в вакуумной камере более глубокого разрежения чем 10^-3 Па ухудшается качество покрытия, например его чистота, а также адгезионные показатели, что происходит из-за влияния атмосферы, которое проявляется в воздействии на процесс нанесения покрытий оксидов, попадании в вакуумную камеру газов или воды;

- магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/ч. При скорости менее 6 мкм/ч ухудшаются прочностные характеристики покрытия, а именно вязкость, увеличивается его жесткость и т.д., а увеличение скорости связано только с характеристиками блока питания и ограничивается ими, при этом оптимальная скорость напыления серебра с указанными в формуле параметрами составляет 6-9 мкм/ч;

- в качестве материала покрытия используют серебро, так как в этом случае образуется тугоплавкое, легко прирабатываемое, антипригарное покрытие, которое характеризуется высокими прочностными характеристиками, особенно при эксплуатации в условиях трения и износа, высокой адгезией, в том числе и при работе изделий в условиях высокой температуры.

И, кроме того, именно этот металл позволяет в сочетании с другими существенными признаками заявляемого изобретения получить заявленный технический результат.

Заявляемый способ базируется на следующих теоретических предпосылках. Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующимися в плазме аномально тлеющего разряда. Возникающая при этом вторичная эмиссия поддерживает разряд и обуславливает распыление материала мишени-катода. Магнетронная распылительная система является одной из разновидностей схем диодного распыления. Основные элементы магнетронной распылительной системы: мишень-катод, анод и магнитная система, предназначены для локализации плазмы у поверхности мишени-катода, который, как правило, охлаждается проточной водой, поступающей по трубопроводу. На катод подается постоянное напряжение (как правило, 300-800 В) через клемму от источника питания, под мишенью-катодом расположена магнитная система, состоящая из центрального и периферийных постоянных магнитов, расположенных на основании из магнитомягкого материала. Все элементы смонтированы в корпусе, присоединенном к вакуумной камере через изолирующие вакуумно-плотные уплотнения.

Основными преимуществами магнетронного способа напыления являются, как известно, высокая скорость нанесения пленки и точность состава распыляемого материала в покрытии. Причем скорость конденсации при магнетронном распылении зависит от силы тока разряда или мощности и от давления рабочего тела, что определяет довольно жесткие требования к источникам питания. Для обеспечения оптимальной воспроизводимости и стабильности процесса силу тока разряда поддерживают с точностью 2%, если же стабилизация процесса осуществляется по мощности разряда, то подводимую мощность поддерживают с точностью 20 Вт в диапазоне регулирования до 10 кВт.

Пример конкретного выполнения способа.

Задание: нанести покрытие из серебра на лопатки компрессора из сплава ЭП-718ИД, при этом исходя из технологических условий толщина покрытия должна составлять 3-5 мкм, а само покрытие должно соответствовать требованиям ГОСТ 9.301-86.

Для формирования покрытия из серебра использовался метод магнетронного распыления на постоянном токе, который основан на использовании скрещенного магнитного и электрического полей для повышения эффективности ионизации рабочего газа и создания над поверхностью мишени-катода области плотной плазмы. На катод магнетрона по отношению к заземленному аноду подавали напряжение от 400 до 600 В. Распыление материала мишени происходит за счет ее бомбардировки ионами рабочего газа, в данном случае аргона, а в качестве материала мишени-катода использовали серебро с чистотой 99,99%. Напуск газа в вакуумную камеру осуществляли при помощи регулятора расхода газа, входящего в состав системы напуска.

После загрузки изделий в установку и размещения их в вакуумной камере, например, по направляющим вакуумной камеры проводилась откачка камеры до давления 10^-3 Па. Перед нанесением серебра для повышения адгезионных свойств покрытия поверхность обрабатываемых компрессорных лопаток в течение 4 минут подвергалась обработке ионами кислорода и 7 минут ионами аргона при следующих параметрах ионного источника I=500 мА, U=2,4 кВт. После окончания очистки включался напуск рабочего газа, а именно аргона, со скоростью, определяемой давлением в вакуумной камере, которое составляло 5×10^-2 Па до 10^-1 Па, а после стабилизации давления включались магнетронные распылители при значениях тока и рабочего напряжения магнетронов в интервалах от 0,5-3,0 А и 300-650 В соответственно. Давление в вакуумной камере автоматически поддерживалось в интервале от 5×10^-2 Па до 10^-1 Па, при котором наблюдается скорость напыления серебра около 7 мкм/ч. Процесс нанесения покрытия осуществляли в вакуумной камере без вынимания из нее изделий до окончания процесса обработки. После окончания заданного количества циклов перемещения обрабатываемых изделий в вакуумной камере (зависит от необходимой толщины покрытия) установка автоматически отключается и в нее производится напуск атмосферы.

Для изменения толщины покрытий возможно использование других режимов или параметров напыления (время, количество циклов и т.д.), однако основные параметры режима, указанные в независимом пункте формулы изобретения, должны использоваться в интервалах, приведенных в независимом пункте формулы изобретения.

Толщина получаемой пленки в соответствии с техническим заданием должна составить от 3 до 5 мкм, а прочность сцепления покрытия с основным металлом соответствовать требованиям действующей нормативной документации.

В соответствии с требованиями ГОСТ 9.301-86 качество покрытия проверялось:

- по внешнему виду;

- по толщине покрытия;

- на прочность сцепления с основным металлом.

Контроль прочности сцепления производился двумя методами:

- методом нагрева, в соответствии с ГОСТ 9.302-88 п.5.9;

- методом измерения температур с ГОСТ 9.302-88 п.5.10,

а контроль толщины покрытия:

- гравиметрическим методом;

- микроскопом металлографическим.

Результаты контроля показали, что при измерении гравиметрическим методом толщина покрытий составила на изделиях от 3,2-3,5 мкм, микроскопом металлографическим - от 3 до 5 мкм, а по внешнему виду и прочности сцепления с основным металлом покрытия соответствуют требованиям действующей нормативно-технической документации.

1. Способ нанесения покрытия на изделия в вакуумной камере методом магнетронного распыления материала, при котором изделия размещают в вакуумной камере, которую перед процессом распыления откачивают, нагревают и подают в нее кислород, отличающийся тем, что перед процессом распыления в вакуумной камере создают разрежение не более 10^-3 Па, а нагрев вакуумной камеры осуществляют до температуры не ниже 100°С, кислород подают для осуществления ионной очистки размещенных в камере изделий, которую осуществляют после нагрева вакуумной камеры и перед началом распыления материала, причем ионную очистку осуществляют последовательно отдельно кислородом и отдельно аргоном, общее время ионной очистки составляет 5-15 мин, а время ионной очистки кислородом не менее 2 мин, магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/ч, причем в качестве материала распыления используют серебро.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время ионной очистки кислородом составляет 4 мин, а аргоном - 11 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев вакуумной камеры осуществляют до температуры, не превышающей температуру растворения пленки на изделии, что для серебра составляет 600°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в вакуумной камере перед процессом напыления создают разрежение в интервале от (5·10^-2) Па до (10^-1) Па.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость магнетронного напыления обеспечивают блоком питания, включающим импульсную систему питания с переменной частотой 6-10 кГц и скважностью 2-10.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость магнетронного напыления регулируют величиной силы тока разряда или его мощностью.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в процессе магнетронного напыления используют источник питания с силой тока разряда не менее 400 мА или мощностью не менее 2 кВт.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что в процессе магнетронного напыления силу тока разряда поддерживают с точностью не менее 2%.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что в процессе магнетронного напыления мощность поддерживают с точностью не менее 20 Вт в диапазоне регулирования до 10 кВт.