EA016703B1 - Device for cleaning of arc evaporator plasma from uncharged micro- and macro- particles - Google Patents
Device for cleaning of arc evaporator plasma from uncharged micro- and macro- particles Download PDFInfo
- Publication number
- EA016703B1 EA016703B1 EA200900116A EA200900116A EA016703B1 EA 016703 B1 EA016703 B1 EA 016703B1 EA 200900116 A EA200900116 A EA 200900116A EA 200900116 A EA200900116 A EA 200900116A EA 016703 B1 EA016703 B1 EA 016703B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- plasma
- arc
- voltage source
- cleaning
- micro
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of coating by a vacuum-plasma electric arc method, in particular to plasma technologies for applying film coatings, is intended for cleaning the plasma stream of vacuum-arc metal evaporators from micro- and macro-droplet fractions in order to improve the quality of coatings and can be used in the formation of protective and decorative hardening coatings on metallic and non-metallic substrates.
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.It is known that the erosion products of the cathode of an electric arc evaporator under reduced pressure of various gases along with the charged component also contain a neutral phase: drops, solid fragments of the cathode material, clusters, atomic and molecular components, etc. [one]. The content of the droplet fraction in the plasma flow, the sizes of micro- and particulate matter depend on the cathode material and the arc discharge current of the evaporator and can vary from a few percent for refractory metals to tens of percent for low-melting materials. The presence of solid particles and a droplet fraction in the plasma stream sharply reduces the quality of the deposited coatings, especially thin ones, the thickness of which is comparable to the size of the droplets. The neutral component of the plasma stream, condensing on the substrate, causes significant porosity in the coatings formed, which negatively affects the protective properties of the latter.
Для исключения попадания твердых частиц и капельной фракции на поверхность конденсации применяют различные устройства для очистки от микро- и макрочастиц плазмы, генерируемой вакуумной дугой.To exclude the ingress of solid particles and a droplet fraction onto the condensation surface, various devices are used to clean micro- and macro particles of plasma generated by a vacuum arc.
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.Known devices for cleaning a plasma stream from microdrop and neutral fractions, the so-called gas-dynamic shutters, which are a louvre system of plane-parallel or spherical electrodes located at an angle to the direction of the plasma flow velocity vector [2-5]. The main disadvantage of such devices is their low transparency for plasma, which significantly reduces the rate of deposition of coatings and, therefore, limits the possibility of application.
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.Known electric arc plasma separator for coating long products containing a cathode of vaporized material, an anode, a magnetic system and an ignition device [6]. The anode of this separator is made in the form of a hollow cylinder of non-magnetic material, the solenoid of the magnetic system is distributed over its outer surface, and the cathode is made circular and mounted coaxially to the anode.
Недостатком данного устройства является неравномерность толщины формируемого покрытия по длине обрабатываемого изделия.The disadvantage of this device is the uneven thickness of the formed coating along the length of the workpiece.
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.The closest in technical essence to the claimed device is a device for cleaning the plasma of a vacuum arc from particles, taken as a prototype, which implements the principles of plasma optics [7]. This device contains an extended curvilinear plasma duct made of non-magnetic steel, which is a quarter of a torus. The output rectilinear section with the solenoid is electrically isolated from the curvilinear and located in the vacuum chamber. The magnetic field in the system is created by coils placed outside the plasma duct. A positive potential of the order of 5-20 V is applied to the curvilinear section of the plasma duct. The electric field together with the magnetic field creates a plasmooptical system in which the ion flux is rotated at a magnetic field strength more than three times lower than that required for rotation only by a toroidal magnetic field [8, nine]. Thus, only charged plasma components pass to the output of the system, and the neutrals and the droplet macro- and microphase are deposited on the inner surface of the curved section of the plasma duct, as a result of which the plasma is effectively cleaned. The transmission coefficient of charged particles by such a system reaches 50% at a magnetic field of 800 Oe for the flow of titanium plasma.
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.The disadvantage of this device is the uneven thickness of the formed coating due to displacement relative to the center of the output section of the plasma duct of the maximum ion current density. This shift is most pronounced for light metal plasma and is associated with the deviation of ions towards an increase in the magnetic field strength during the drift of the latter in the axial direction of the curvilinear section of the plasma duct.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение равномерности толщины покрытий, формируемых вакуумным электродуговым методом с устройством для очистки плазмы вакуумной дуги от микро- и макрочастиц.The technical task of the invention is to increase the uniformity of the thickness of the coatings formed by the vacuum electric arc method with a device for cleaning the plasma of a vacuum arc from micro- and particulate matter.
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 устройThe problem is solved due to the fact that the device for cleaning the plasma of an arc evaporator from uncharged micro- and macro particles, containing an electric arc source of erosive metal plasma, which is installed at the entrance to the plasma duct of non-magnetic material, including an extended curved section made in the form of a quarter of a torus, and an electrically isolated rectilinear output section, on top of which the coils of the magnetic system are placed, and a voltage source connected by a positive output to the curve ineynomu duct portion further comprises a straight section mounted inside the plasma duct parallel to the lines of force of the magnetic field electrodes, one of which is connected to the positive terminal of the voltage source providing the potential of 1-20 V, and the second grounded. When implementing this device
- 1 016703 ства электроды могут быть либо электрически соединены с источником напряжения, подключенного к криволинейному участку плазмовода, либо подключены к дополнительному источнику напряжения.- 1 016703 electrodes can either be electrically connected to a voltage source connected to a curved portion of the plasma duct, or connected to an additional voltage source.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a device.
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-А магнитные катушки прямолинейного участка плазмовода условно не показаны.A device for cleaning the plasma of an arc evaporator from uncharged microparticles and particles includes an electric arc erosion source (cathode) 1, a plasma duct 2 separated from the plasma source by an insulator 3, a coil 4. The output rectilinear section of the plasma duct with a solenoid 5 is located inside the vacuum chamber 6, from which it separated by insulator 7, also inside the vacuum chamber there are substrates 8. The plasma arc source and magnetic coils are powered by a rectifier 9, and the potential of the plasma duct wall is set by voltage source 10. Additional About the inside of the rectilinear section of the plasma duct, electrodes 11 are installed that are electrically connected to the voltage source 10. In addition, the electrode system 11 can be equipped with a separate voltage source 12. In section AA, the magnetic coils of the rectilinear section of the plasma duct are conventionally not shown.
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
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.The plasma stream created by the electric arc erosion source enters the plasma duct. Uncharged macro- and microparticles move rectilinearly and settle on the inner surface of the plasma duct, and charged plasma components (ions and electrons), moving along the axis of the plasma duct, pass to the output of the device. However, the distribution of the ion flux at the output of the separator is shifted relative to the center of the output section of the plasma duct towards a higher magnetic field generated by the electrodes. The presence of additional electrodes installed inside the rectilinear section of the plasma duct parallel to the magnetic field lines leads to a reverse bias of negative ions towards the positive electrode. This ensures an axisymmetric distribution of the ion current in a plane perpendicular to the main velocity vector of the charged particles, as a result of which the uniformity of the coating thickness increases.
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 ВТ1-0) осаждались на образцы из стали 08кп размером 20х60х 1,5 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 2-10-3 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%.Example 1. A specific implementation of the proposed device was carried out using the installation URMZ.279.048, equipped with an electric arc Hall end plasma accelerator. Titanium coatings (cathode material - VT1-0 titanium) were deposited on 08kp steel samples measuring 20x60x 1.5 mm with a stationary substrate holder. Samples were located in the center of the vacuum chamber along its vertical. The deposition of coatings was carried out under the following conditions: arc current 120 A, bias potential 90 V, residual atmosphere pressure 2-10 -3 Pa, deposition time 10 min. When implementing the deposition process using a plasma purification device according to the prototype method (option I), the unevenness in the thickness of the coatings was 12-15%, and using the proposed device (option II) - 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 ω=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.Example 2. Coatings were deposited according to the regimes similar to those described in example 1, on samples located on a substrate holder that rotates around its axis with an angular speed of ω = 2 rpm. The results of measuring the thickness of the formed coatings showed that when using the first option, the thickness of the condensates was 0.6-0.8 microns, and the second option - 1.0-1.2 microns.
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.Thus, the use of a device for cleaning the plasma of an arc evaporator from microparticles and particulates allows not only to increase the uniformity of the thickness of the condensates, but also to increase the productivity of the electric arc coating process.
Источники информации [1] Вершина А.К., Агеев В.А. Ионно-плазменные защитно-декоративные покрытия. - Гомель: ИММС НАН Б, 2001, 172 с.Sources of information [1] Vershina AK, Ageev V.A. Ion-plasma protective and decorative coatings. - Gomel: IMMS NAS B, 2001, 172 p.
[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.[2] Abramov I.S., Andreev V.A. et al. Investigation of the possibility of using an arc plasmatron with a vacuum arc discharge to create films of powder materials with low conductivity // Izvestiya VUZov. Physics, 1994, No. 3, p. 128.
[3] Патент РФ № 2108636 от 23.04.96. Рябчиков А.И. Устройство очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц//Бюл. № 10, 10.04.98.[3] RF patent No. 2108636 of 04.23.96. Ryabchikov A.I. Microparticle cleaning device for plasma of an arc evaporator // Bull. No. 10, 04/10/98.
[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.[4] RF patent No. 2107968 dated 06/06/96. Ryabchikov A.I., Stepanov I.B. Microparticle cleaning device for plasma arc evaporator from plasma (its variants) // Bull. No. 9, 03/27/98.
[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.[5] Patent of the Republic of Belarus No. 9539 dated 02.02.2005. Vershina A.K., Ageev V.A., Latushkina S.D., Pleskachevsky I.Yu. A device for cleaning the plasma of an arc evaporator from microparticles.
[6] А.с. СССР № 898768 от 29.11.79, МКИ С23С 15/00.[6] A.S. USSR No. 898768 of 11.29.79, MKI S23C 15/00.
[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.[7] Aksenov I.I., Belous V.A., Padalka V.G., Khoroshikh V.M. A device for cleaning a plasma of a vacuum arc from particles // PTE. 1978, No. 5, p. 236-237 is a prototype.
[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.[8] Aksenov I.I., Belous V.A., Padalka V.G., Khoroshikh V.M. Transportation of plasma flows in a curved plasma-optical system // Plasma Physics, 1978, No. 4, p. 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.[9] Aksenov I.I., Andreev A.A., Bren V.G. et al. Coatings obtained by condensation of plasma flows in a vacuum (condensation method with ion bombardment) // Ukrainian Physical Journal, 1979, v. 24, No. 4, p. 515-525.
Claims (3)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY20081442 | 2008-11-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA200900116A1 EA200900116A1 (en) | 2010-06-30 |
| EA016703B1 true EA016703B1 (en) | 2012-06-29 |
Family
ID=42320148
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA200900116A EA016703B1 (en) | 2008-11-14 | 2008-12-17 | Device for cleaning of arc evaporator plasma from uncharged micro- and macro- particles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA016703B1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57158930A (en) * | 1981-03-27 | 1982-09-30 | Hitachi Ltd | Cathode-ray tube |
| RU2096520C1 (en) * | 1996-03-05 | 1997-11-20 | Александр Степанович Белов | Electric-arc evaporator |
| RU2097868C1 (en) * | 1996-07-09 | 1997-11-27 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Device for cleaning arc evaporator plasma from microparticles (options) |
| RU2113538C1 (en) * | 1996-07-09 | 1998-06-20 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization |
| RU2173911C2 (en) * | 1997-04-04 | 2001-09-20 | Додонов Александр Игоревич | Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure |
-
2008
- 2008-12-17 EA EA200900116A patent/EA016703B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57158930A (en) * | 1981-03-27 | 1982-09-30 | Hitachi Ltd | Cathode-ray tube |
| RU2096520C1 (en) * | 1996-03-05 | 1997-11-20 | Александр Степанович Белов | Electric-arc evaporator |
| RU2097868C1 (en) * | 1996-07-09 | 1997-11-27 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Device for cleaning arc evaporator plasma from microparticles (options) |
| RU2113538C1 (en) * | 1996-07-09 | 1998-06-20 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization |
| RU2173911C2 (en) * | 1997-04-04 | 2001-09-20 | Додонов Александр Игоревич | Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA200900116A1 (en) | 2010-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6635156B1 (en) | Producing electric arc plasma in a curvilinear plasmaguide and substrate coating | |
| RU2369664C2 (en) | Filtered vacuum arc plasma source | |
| US20160326635A1 (en) | Remote Arc Discharge Plasma Assisted Processes | |
| TWI749412B (en) | Magnetron sputtering device | |
| Grigoriev et al. | Specific features of the structure and properties of arc-PVD coatings depending on the spatial arrangement of the sample in the chamber | |
| JPH01116070A (en) | Sputtering apparatus | |
| US20120199070A1 (en) | Filter for arc source | |
| WO2012064311A1 (en) | Method and device for transporting vacuum arc plasma | |
| EP3091560A1 (en) | Remote arc discharge plasma assisted system | |
| JPH06508001A (en) | Linear magnetron sputtering method and apparatus | |
| Gorokhovsky et al. | Characterization of large area filtered arc deposition technology: Part I—Plasma processing parameters | |
| US6756596B2 (en) | Filtered ion source | |
| Zhitomirsky et al. | Influence of an external magnetic field on cathode spot motion and coating deposition using filtered vacuum arc evaporation | |
| CA3103016C (en) | Single beam plasma source | |
| EA016703B1 (en) | Device for cleaning of arc evaporator plasma from uncharged micro- and macro- particles | |
| RU2173911C2 (en) | Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure | |
| Vershinin et al. | Vacuum arc deposition of Mo films | |
| US20140034484A1 (en) | Device for the elimination of liquid droplets from a cathodic arc plasma source | |
| KR102169507B1 (en) | Arc ion plating apparatus with filtering function | |
| KR20010021341A (en) | Arc type ion plating apparatus | |
| Sanders et al. | Magnetic enhancement of cathodic arc deposition | |
| JP2008007837A (en) | Sputtering film deposition system and sputtering film deposition method | |
| RU2039849C1 (en) | Vacuum arc unit | |
| RU159075U1 (en) | DEVICE FOR PRODUCING MULTICOMPONENT MULTI-LAYER COATINGS | |
| JP2015040313A (en) | Film deposition apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM RU |