RU1832131C

RU1832131C - Plasma evaporator

Info

Publication number: RU1832131C
Application number: SU904885153A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Батов; Владимир Николаевич Горбунов; Анатолий Васильевич Иванов; Виктор Федорович Новиков; Юрий Дмитриевич Поскачеев; Владимир Антонович Саенко
Original assignee: Научно-исследовательский институт тепловых процессов
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1993-08-07

Abstract

Использование: в машиностроении, в частности в устройствах дл нанесени покрытий в вакууме при изготовлении деталей , работающих в услови х высоких температур и в агрессивных средах. Цель изобретени - повышение качества покрытий , повышение производительности процесса их нанесени , а также нанесение покрытий сложного состава. Сущность изобретени ; плазменный испаритель содержит тигель-катод, выполненный в виде камеры с соплом и имеющий регулируемую систему охлаждени , установленную в зоне расположени исходного материала. Сопло выполнено сверхзвуковым и съемным, Вокруг стенок камеры и сопла расположены автономный нагреватель и тепловой экран, в зоне критического сечени сопла расположен соленоид. 1 ил.Usage: in mechanical engineering, in particular in devices for coating in vacuum in the manufacture of parts operating under high temperatures and in aggressive environments. The purpose of the invention is to improve the quality of coatings, increase the productivity of the process of their application, and also the application of coatings of complex composition. SUMMARY OF THE INVENTION; the plasma evaporator comprises a crucible-cathode made in the form of a chamber with a nozzle and having an adjustable cooling system installed in the area of the source material. The nozzle is made supersonic and removable. Around the walls of the chamber and the nozzle are located an autonomous heater and a heat shield, a solenoid is located in the zone of the critical section of the nozzle. 1 ill.

Description

jj

ЁYo

Изобретение относитс к машиностроению , в частности к устройствам дл нанесени покрытий в вакууме и в разреженных и контролируемых средах при изготовлении деталей, работающих в услови х высоких температур и в агрессивных средах.The invention relates to mechanical engineering, in particular to devices for coating in vacuum and in rarefied and controlled environments in the manufacture of parts operating under high temperatures and in aggressive environments.

Целью изобретени вл етс повышение качества покрытий, повышение производительности процесса их нанесени , а также получение покрытий сложного состава ,The aim of the invention is to improve the quality of coatings, increase the productivity of the process of their application, as well as obtaining coatings of complex composition,

Цель достигаетс тем, что в устройстве,- содержащем тигель-катод в виде камеры со сверхзвуковым соплом, нагреватель, соленоид и расположенный за срезом сопла энод. тигель-катод имеет съемное сверхзвуковое сопло, в месте нахождени исходного материала покрыти установлена регулируема система охлаждени , а нагреватель расположен в зоне сопла и стенок камеры,The goal is achieved in that in a device comprising a crucible-cathode in the form of a chamber with a supersonic nozzle, a heater, a solenoid and an enod located behind the nozzle exit. the crucible-cathode has a removable supersonic nozzle, an adjustable cooling system is installed at the location of the starting coating material, and the heater is located in the zone of the nozzle and the chamber walls,

причем соленоид расположен в зоне критического сечени сопла.moreover, the solenoid is located in the zone of the critical section of the nozzle.

На чертеже изображен плазменный испаритель в разрезе. Он содержит тигель-катод 1 в виде камеры с соплом, который имеет систему 2 охлаждени , расположенную в зоне однократно заложенного или непрерывно подаваемого исходного материала 3 в виде, например, прутка, и камеру 4 со съёмным сверхзвуковым соплом 5. Вокруг стенок камеры 4 и сопла 5 расположены автономный нагреватель 6 и тепловой экран 7. В зоне критического сечени сопла 5 расположен соленоид 8. причем максимум магнитного пол соленоида 8 совпадает с плоскостью критического сечени сопла 5. Дл защиты от перегрева соленоид может быть выполнен водоохлаждаемым. За срезом сопла расположен анод 9, Он может быть как водоохлаждаемым, так и радиаци00The drawing shows a plasma evaporator in section. It contains a crucible-cathode 1 in the form of a chamber with a nozzle, which has a cooling system 2 located in the zone of a once-laid or continuously supplied starting material 3 in the form of, for example, a rod, and a chamber 4 with a removable supersonic nozzle 5. Around the walls of the chamber 4 and the nozzle 5 has an autonomous heater 6 and a heat shield 7. A solenoid 8 is located in the zone of the critical section of the nozzle 5. The maximum magnetic field of the solenoid 8 coincides with the plane of the critical section of the nozzle 5. To protect against overheating, the solenoid can be made n water-cooled. Anode 9 is located behind the nozzle exit. It can be either water-cooled or radiation

GJ юGj yu

CJCj

онно-охлаждаемым в зависимости от мощности дугового разр да, Тигель-катод 1 находитс под потенциалом земли, а питание дугового разр да осуществл етс от источника 10. От источника 11 на подложкодер- жатель 12 с подложкой 13 подаетс отрицательный потенциал 0-1000 В дл ионной очистки подложки м осаждени покрыти в услови х ионной бомбардировки.cooled according to the power of the arc discharge, the Crucible cathode 1 is at ground potential, and the arc discharge is supplied from source 10. From source 11, negative potential 0-1000 V is applied to substrate holder 12 with substrate 13 ionic cleaning of the substrate; deposition of the coating under ion bombardment conditions.

Плазменный испаритель работает следующим обрэзорл,The plasma evaporator operates as follows.

8 зависимости от вида испар емого материала устанавливают сопло требуемых ге- ометрическихразмеров.На8, depending on the type of material to be evaporated, set the nozzle of the required geometric dimensions.

подготовительном этапе стенкм-камеры 4 if, сопла 5 с помощью автономного нагревател 6 прогревают до температуры, близкой к температуре плавлени исходного материала покрыти 3. Затем поджигают дуговой разр д между исходным материалам 3, наход щимс в тигле-катоде, и анодом 9. Одновременно дают охлаждение на охлаждаемую часть тигл -катода 1 и соленоид 8 и подключают соленоид В к источнику электропитани . -Поджмг дугового разр да осуществл ют одним из известны); спосо-- бое, например с помощью вспомогательного электрода, вводимого внутрь тигл 1 до касани на дне его с исходным материалом покрыти 3. Дл предотвращени касани вспомогательного электрода с тиглем-катодом о области критического сечени сопла его боковую поверхность защищают изол тором . По мере увеличени мощности дуги выключают нагреватель 6 и дальнейшую работу испарител осуществл ют в саморазог- ревном режиме за счет подвода тепла к стенкам камеры 4 и сопла 5 от дугового разр да, С помощью магнитного пол соленоида 8 регулируют заполнение положительным столбом дуги площади критического сечени сопла 5, По достижении рабочего режима испарител .подают отрицательный потенциал из подложкодер- жатель 12 и. подложку 13 от источника 11, открывают заслонку {или ввод т подлохску в струю) и начинают осаждение покрыти на подложке 13.the preparatory step of the if-stench chamber 4, the nozzles 5 are heated to a temperature close to the melting temperature of the starting material of the coating 3 using an autonomous heater 6. Then, an arc discharge is ignited between the starting materials 3 located in the crucible cathode and the anode 9. Simultaneously cooling the cooled portion of the crucible cathode 1 and the solenoid 8; and connecting the solenoid B to the power supply. - Arc ignition performed by one of the known); for example, by means of an auxiliary electrode inserted inside the crucible 1 until it touches the bottom with the starting coating material 3. To prevent the auxiliary electrode from touching the crucible-cathode against touching the critical section of the nozzle, its side surface is protected by an insulator. As the arc power increases, heater 6 is turned off and the evaporator continues to operate in self-heating mode by supplying heat to the walls of chamber 4 and nozzle 5 from the arc discharge. Using the magnetic field of solenoid 8, the filling of the critical section area of the nozzle with a positive arc column is controlled 5, Upon reaching the operating mode of the evaporator. They supply a negative potential from the substrate holder 12 and. the substrate 13 from the source 11, open the shutter (or introduce a pad into the stream) and begin to deposit the coating on the substrate 13.

Работу испарител осуществл ют в двух режимах в зависимости от того, что представл ет собой мсходньш материал покры- ти - чистый металл или сплав сложного состава. При нанесении покрыти из чистого металла соотношение между мощностью дуги и охлаждением тигл -катода выбирают таким, чтобы на поверхности исходного материала 3 образовалась зона расплава. Размер этой зоны устанавливают таким, чтобы между нею и стенкой тигл -катода остзвэл0The operation of the evaporator is carried out in two modes, depending on whether it is an instant coating material — a pure metal or an alloy of complex composition. When a pure metal coating is applied, the ratio between the arc power and the cooling of the crucible cathode is selected so that a melt zone is formed on the surface of the starting material 3. The size of this zone is set so that between it and the wall of the crucible cathode

55

QQ

00

55

00

55

с минимальный промежуток исходного материала в твердом состо нии. При этом тигель-катод охлаждают или принудительно с помощью охлаждающих жидкостей или газов , или за счет радиационного охлаждени с использованием радиаторов-излучателей и экранов в зависимости от мощности дуги и вида испар емого материала, Таким образом добиваютс увеличени производительности процесса нанесени покрыти , с одной стороны, и предотвращени взаимодействи расплава металла со стенками тигл -катода , с другой стороны. При нанесении покрыти из сплава сложного состава наоборот не допускают образовани на поверхности исходного материала 3 зоны расплава путем регулировани системы охлаждени в сторону увеличени теплосъемэ с него и таким образом осуществл ют горение дуги на поверхности катода из катодных микроп тен, как о обычно примен емых случа х горени дуги п среде пониженного давлени на охлаждаемом расходуемом катоде. Путем увеличени мощности дуги и охлаждени тигл -катода добиваютс увеличени производительности процесса нанесени покрытий при сохранении стехиометрии наносимого исходного материала покрыти , И в первом, и во втором случае в зависимости от физических свойств исходного материала покрыти соотношени температур и давлений в докритической иза::пмтической част х сверхзвукового сопла поддерживают путем установки сменного сопла 5 необходимых геометрических размеров и регулировани мощности дуги на таком уровне, при котором обеспечивают перегрев паров исходного материала покрыти выше точки насыщени в докритаческой части сопла 5, сверхзвуковое истечение их в закритиче- ской части соплз 5, переохлаждение и спон- таннуго конденсацию паров в сверхзвуковой струе с образованием твердых частиц материала покрыти ультрамелкого размера v узкого фракционного состава и направление лет щих с высокой скоростью частиц материала покрыти на подложку. При зтом с помощью соленоида 8 поддерживают оптимальное заполнение положительным столбом дуги критического сечени .сверхзвукового сопла 5, чтобы предотвратить возможность прохождени , капельной фазы, если она образует в процессе испарени исходного материала, из докр тической части соплз 5 в закритиче- скую. Исходным материал покрыти 3 в пи- до, например, круглого прутка подают по мере его расходовани , внутрь тигл -катода с помощью специального устройства (на чертеже не показано).with a minimum gap of the starting material in the solid state. In this case, the crucible-cathode is cooled either by force with the help of cooling liquids or gases, or by radiation cooling using radiators-emitters and screens, depending on the arc power and the type of material to be evaporated. In this way, an increase in the productivity of the coating process is achieved, on the one hand , and preventing the interaction of the molten metal with the walls of the crucible cathode, on the other hand. When applying a coating of an alloy of complex composition, on the contrary, they do not allow the formation of a melt zone on the surface of the starting material 3 by adjusting the cooling system to increase the heat removal from it and thus arc is burned on the surface of the cathode from cathode microspots, as is the case with commonly used ones arc burning under reduced pressure at a cooled consumable cathode. By increasing the arc power and cooling the crucible cathode, an increase in the productivity of the coating process is achieved while maintaining the stoichiometry of the applied coating material. In the first and second case, depending on the physical properties of the coating material, the temperature and pressure ratios in the subcritical x supersonic nozzles support by installing a removable nozzle 5 of the required geometric dimensions and adjusting the arc power at a level at which The superheating of the vapor of the coating starting material above the saturation point in the subcritical part of the nozzle 5, their supersonic outflow in the supercritical part of the nozzles 5, the supercooling and spontaneous condensation of the vapor in a supersonic jet with the formation of solid particles of the ultrafine size coating material with a narrow fractional composition and the direction flying at high speed particles of the coating material on the substrate. In this case, with the help of solenoid 8, the supersonic nozzle 5 is optimally filled with a positive column of the arc of the critical section to prevent the drip phase, if it forms during the evaporation of the starting material, from the subcritical part of the nozzles 5 to the supercritical. The starting material of coating 3 is fed, for example, to a round bar, as it is spent, inside the crucible cathode using a special device (not shown in the drawing).

Предлагаемое техническое решение позвол ет повысить производительность процесса нанесени покрыти , так как в охлаждаемом тигле-катоде можно расширить зону расплава исходного материала почти до стенок тигл и тем самым увеличить поверхность испарени , не опаса сь взаимодействи жидкого металла с охлаждаемыми стенками тигл .. Использование соленоида не только дл сжати дугового разр да, а дл оптимального заполнени положительным столбом дуги критического сечени сопла позвол ет предотвратить попадание возможно образующейс в процессе испарени капельной фазы исходного материала в критическую часть сопла, а следовательно , и на подложку. Перечисленные выше обсто тельства позвол ют повысить качество осаждаемых покрытий. Преимуществом вл етс и возможность нанесени покрытий сложных составов, что также при- дает им новое более высокое качество. Однако главный вклад в качество наносимых покрытий обеспечиваетс тем, что покрытие 13 The proposed technical solution allows to increase the productivity of the coating process, since in the cooled crucible-cathode it is possible to expand the melt zone of the starting material almost to the walls of the crucible and thereby increase the evaporation surface, without fear of the interaction of liquid metal with the cooled walls of the crucible .. The use of a solenoid does not only for compression of the arc discharge, and for optimal filling with a positive column of the arc of the critical section of the nozzle, this prevents the possible formation of the process of evaporation of the droplet phase of the starting material into the critical part of the nozzle and, consequently, onto the substrate. The circumstances listed above can improve the quality of the deposited coatings. The advantage is the ability to coat complex compositions, which also gives them a new higher quality. However, the main contribution to the quality of the applied coatings is provided by the fact that the coating 13

формируетс из ультрадисперсных частиц узкого фракционного состава, поступающих на подложку с более высокими скорост ми. Последнее достигаетс путем установки вis formed from ultrafine particles of a narrow fractional composition entering the substrate at higher speeds. The latter is achieved by setting to

Claims

5 depending on the type of source material of a replaceable supersonic nozzle of the required geometric dimensions and by controlling the power of the arc discharge. The claims

0 A plasma evaporator containing a crucible-cathode in the form of a chamber with a supersonic nozzle, a heater, a solenoid and an anode located behind the nozzle exit, characterized in that, in order to increase

5 the quality of coatings made of pure metals and alloys, increasing the productivity of the process, the supersonic nozzle is removable, in the lower part of the crucible-cathode chamber in the zone of location of the evaporated material there is an adjustable cooling system, the heater is installed in the zone of the nozzle and the chamber walls above the vapor material, the solenoid is located in the zone of the critical section of the nozzle,