Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от незаряженных микро- и макрочастиц

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПЛАЗМЫ ДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ ОТ НЕЗАРЯЖЕННЫХ МИКРО- И МАКРОЧАСТИЦ Изобретение относится к области нанесения покрытий вакуумно-плазменным электродуговым методом, в частности к плазменным технологиям нанесения пленочных покрытий, предназначено для очистки плазменного потока вакуумно-дуговых испарителей металлов от микро- и макрокапельной фракции в целях улучшения качества покрытий и может быть использовано при формировании защитно-декоративных и упрочняющих покрытий на металлических и неметаллических подложках. Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение равномерности толщины покрытий, формируемых вакуумным электродуговым методом с устройством для очистки плазмы вакуумной дуги от микро- и макрочастиц. Поставленная задача решается за счет того, что устройство для очистки плазмы дугового испарителя от незаряженных микро- и макрочастиц, содержащее электродуговой источник эрозионной металлической плазмы, который установлен на входе в плазмовод из немагнитного материала, включающий протяженный криволинейный участок, выполненный в виде четверти тора, и электрически от него изолированный прямолинейный выходной участок, поверх которых размещены катушки магнитной системы, и источник напряжения, подключенный положительным выводом к криволинейному участку плазмовода, дополнительно содержит установленные внутри прямолинейного участка плазмовода параллельно силовым линиям магнитного поля электроды,один из которых подключен к положительному выводу источника напряжения, обеспечивающего потенциал 1-20 В, а второй заземлен. При реализации этого устройства электроды могут быть либо электрически соединены с источником напряжения, подключенного к криволинейному участку плазмовода, либо подключены к дополнительному источнику напряжения.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФИЗИКОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY) 016703 Изобретение относится к области нанесения покрытий вакуумно-плазменным электродуговым методом, в частности к плазменным технологиям нанесения пленочных покрытий, предназначено для очистки плазменного потока вакуумно-дуговых испарителей металлов от микро- и макрокапельной фракции в целях улучшения качества покрытий и может быть использовано при формировании защитнодекоративных и упрочняющих покрытий на металлических и неметаллических подложках. Известно, что продукты эрозии катода электродугового испарителя при пониженном давлении различных газов наряду с заряженной компонентой содержат также и нейтральную фазу: капли, твердые осколки материала катода, кластеры, атомарную и молекулярную компоненты и т.д. [1]. Содержание капельной фракции в плазменном потоке, размеры микро- и макрочастиц зависят от материала катода и тока дугового разряда испарителя и могут изменяться от нескольких процентов для тугоплавких металлов до десятков процентов для легкоплавких материалов. Наличие твердых частиц и капельной фракции в плазменном потоке резко снижает качество осаждаемых покрытий, особенно тонких, толщина которых сравнима с размерами капель. Нейтральная составляющая плазменного потока, конденсируясь на подложке, вызывает в формируемых покрытиях значительную пористость, что отрицательно сказывается на защитных свойствах последних. Для исключения попадания твердых частиц и капельной фракции на поверхность конденсации применяют различные устройства для очистки от микро- и макрочастиц плазмы, генерируемой вакуумной дугой. Известны устройства для очистки плазменного потока от микрокапельной и нейтральной фракций,так называемые газодинамические заслонки, представляющие собой жалюзную систему плоскопараллельных или сферических электродов, расположенных под углом к направлению вектора скорости потока плазмы [2-5]. Основным недостатком таких устройств является их малая прозрачность для плазмы, что существенно снижает скорость напыления покрытий и, следовательно, ограничивает возможности применения. Известен электродуговой сепаратор плазмы для нанесения покрытий на длинномерные изделия, содержащий катод из испаряемого материала, анод, магнитную систему и поджигающее устройство [6]. Анод данного сепаратора выполнен в виде полого цилиндра из немагнитного материала, по внешней поверхности которого распределен соленоид магнитной системы, а катод выполнен кольцевым и установлен коаксиально аноду. Недостатком данного устройства является неравномерность толщины формируемого покрытия по длине обрабатываемого изделия. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство очистки плазмы вакуумной дуги от макрочастиц, принятое за прототип, в котором реализованы принципы плазмооптики [7]. Это устройство содержит протяженный криволинейный плазмовод из немагнитной стали, представляющий собой четверть тора. Выходной прямолинейный участок с соленоидом электрически изолирован от криволинейного и расположен в вакуумной камере. Магнитное поле в системе создается катушками, размещенными снаружи плазмовода. На криволинейный участок плазмовода подается положительный потенциал порядка 5-20 В. Электрическое поле совместно с магнитным создает плазмооптическую систему, в которой поворот ионного потока осуществляется при напряженности магнитного поля более чем в три раза меньшей, чем требуется для поворота только тороидальным магнитным полем[8, 9]. Таким образом, на выход системы проходят только заряженные компоненты плазмы, а нейтралы и капельная макро- и микрофаза оседают на внутренней поверхности криволинейного участка плазмовода,в результате чего происходит эффективная очистка плазмы. Коэффициент пропускания заряженных частиц такой системой достигает 50% при напряженностях магнитного поля 800 Э для потока титановой плазмы. Недостатком данного устройства является неравномерность толщины формируемого покрытия изза смещения относительно центра выходного сечения плазмовода максимума плотности ионного тока. Это смещение наиболее сильно проявляется для плазмы легких металлов и связано с отклонением ионов в сторону увеличения напряженности магнитного поля в процессе дрейфа последних в осевом направлении криволинейного участка плазмовода. Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение равномерности толщины покрытий, формируемых вакуумным электродуговым методом с устройством для очистки плазмы вакуумной дуги от микро- и макрочастиц. Поставленная задача решается за счет того, что устройство для очистки плазмы дугового испарителя от незаряженных микро- и макрочастиц, содержащее электродуговой источник эрозионной металлической плазмы, который установлен на входе в плазмовод из немагнитного материала, включающий протяженный криволинейный участок, выполненный в виде четверти тора, и электрически от него изолированный прямолинейный выходной участок, поверх которых размещены катушки магнитной системы, и источник напряжения, подключенный положительным выводом к криволинейному участку плазмовода,дополнительно содержит установленные внутри прямолинейного участка плазмовода параллельно силовым линиям магнитного поля электроды, один из которых подключен к положительному выводу источника напряжения, обеспечивающего потенциал 1-20 В, а второй заземлен. При реализации этого устрой-1 016703 ства электроды могут быть либо электрически соединены с источником напряжения, подключенного к криволинейному участку плазмовода, либо подключены к дополнительному источнику напряжения. Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства. Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от незаряженных микро- и макрочастиц включает электродуговой эрозионный источник (катод) 1, плазмовод 2, отделенный от источника плазмы изолятором 3, катушки 4. Выходной прямолинейный участок плазмовода с соленоидом 5 находится внутри вакуумной камеры 6, от которой он отделен изолятором 7, также внутри вакуумной камеры находятся подложки 8. Электродуговой источник плазмы и магнитные катушки питаются выпрямителем 9, а потенциал стенки плазмовода задается источником напряжения 10. Дополнительно внутри прямолинейного участка плазмовода установлены электроды 11, электрически соединенные с источником напряжения 10. Кроме того, система электродов 11 может быть снабжена отдельным источником напряжения 12. В сечении А-A магнитные катушки прямолинейного участка плазмовода условно не показаны. Работает устройство следующим образом. Плазменный поток, создаваемый электродуговым эрозионным источником, поступает в плазмовод. Незаряженные макро- и микрочастицы движутся прямолинейно и оседают на внутреннюю поверхность плазмовода, а заряженные компоненты плазмы (ионы и электроны), двигаясь вдоль оси плазмовода, проходят на выход устройства. Однако распределение ионного потока на выходе сепаратора смещено относительно центра выходного сечения плазмовода в сторону большей напряженности магнитного поля,сформированного электродами. Наличие дополнительных электродов, установленных внутри прямолинейного участка плазмовода параллельно силовым линиям магнитного поля, приводит к обратному смещению отрицательных ионов в сторону положительного электрода. Тем самым обеспечивается осесимметричное распределение ионного тока в плоскости, перпендикулярной главному вектору скорости заряженных частиц, в результате чего равномерность толщины покрытий увеличивается. Пример 1. Конкретная реализация предлагаемого устройства была осуществлена с помощью установки УРМЗ.279.048, оснащенной электродуговым холловским торцевым ускорителем плазмы. Титановые покрытия (материал катода - титан ВТ 1-0) осаждались на образцы из стали 08 кп размером 20601,5 мм при неподвижном подложкодержателе. Образцы располагались в центре вакуумной камеры по ее вертикали. Осаждение покрытий проводили при следующих режимах: ток дугового разряда 120 А, потенциал смещения 90 В, давление остаточной атмосферы 210-3 Па, время осаждения 10 мин. При реализации процесса осаждения с использованием устройства для очистки плазмы по способу-прототипу (I вариант) неравномерность по толщине покрытий составила 12-15%, а с использованием предлагаемого устройства (II вариант) - 8-10%. Пример 2. Покрытия осаждали по режимам, аналогичным приведенным в примере 1, на образцы,расположенные на подложкодержателе, совершающем вращение вокруг своей оси с угловой скоростью=2 об/мин. Результаты измерения толщины сформированных покрытий показали, что при использовании I варианта толщина конденсатов составила 0,6-0,8 мкм, а II варианта - 1,0-1,2 мкм. Таким образом, использование устройства для очистки плазмы дугового испарителя от микро- и макрочастиц позволяет не только увеличить равномерность толщины конденсатов, но и повысить производительность процесса электродугового нанесения покрытий. Источники информации[2] Абрамов И.С., Андреев В.А. и др. Исследование возможности применения дугоплазматрона с вакуумным дуговым разрядом для создания пленок из порошковых материалов с низкой проводимостью//Известия ВУЗов. Физика, 1994,3, с. 128.[3] Патент РФ 2108636 от 23.04.96. Рябчиков А.И. Устройство очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц//Бюл.10, 10.04.98.[4] Патент РФ 2107968 от 06.08.96. Рябчиков А.И., Степанов И.Б. Устройство очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц (его варианты)//Бюл.9, 27.03.98.[5] Патент РБ 9539 от 02.02.2005. Вершина А.К., Агеев В.А., Латушкина С.Д., Плескачевский И.Ю. Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц.[7] Аксенов И.И., Белоус В.А., Падалка В.Г., Хороших В.М. Устройство очистки плазмы вакуумной дуги от макрочастиц//ПТЭ. 1978,5, с. 236-237 - прототип.[8] Аксенов И.И., Белоус В.А., Падалка В.Г., Хороших В.М. Транспортировка плазменных потоков в криволинейной плазмооптической системе//Физика плазмы, 1978,4, с. 758-763.[9] Аксенов И.И., Андреев А.А., Брень В.Г. и др. Покрытия, полученные конденсацией плазменных потоков в вакууме (способ конденсации с ионной бомбардировкой)//Украинский физический журнал,1979, т. 24,4, с. 515-525.-2 016703 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от незаряженных микро- и макрочастиц,содержащее электродуговой источник эрозионной металлической плазмы, который установлен на входе в плазмовод из немагнитного материала, включающий протяженный криволинейный участок, выполненный в виде четверти тора, и электрически от него изолированный прямолинейный выходной участок,поверх которых размещены катушки магнитной системы, и источник напряжения, подключенный положительным выводом к криволинейному участку плазмовода, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит установленные внутри прямолинейного участка плазмовода параллельно силовым линиям магнитного поля электроды, один из которых подключен к положительному выводу источника напряжения, обеспечивающего потенциал 1-20 В, а второй заземлен. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды электрически соединены с источником напряжения, подключенного к криволинейному участку плазмовода. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит дополнительный источник напряжения,электрически соединенный с электродами.