RU2173911C2 - Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure - Google Patents

Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure Download PDF

Info

Publication number
RU2173911C2
RU2173911C2 RU99123361/09A RU99123361A RU2173911C2 RU 2173911 C2 RU2173911 C2 RU 2173911C2 RU 99123361/09 A RU99123361/09 A RU 99123361/09A RU 99123361 A RU99123361 A RU 99123361A RU 2173911 C2 RU2173911 C2 RU 2173911C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
plasma duct
cathode
duct
substrate
Prior art date
Application number
RU99123361/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU99123361A (en
Inventor
А.И. Додонов
В.М. Башков
Original Assignee
Додонов Александр Игоревич
Башков Валерий Михайлович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Додонов Александр Игоревич, Башков Валерий Михайлович filed Critical Додонов Александр Игоревич
Priority to RU99123361/09A priority Critical patent/RU2173911C2/en
Publication of RU99123361A publication Critical patent/RU99123361A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2173911C2 publication Critical patent/RU2173911C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: method and device for production of plasma of electric-arc discharge and its use for application of coating on the supporting structure. SUBSTANCE: separated plasma of an electric-arc discharge is produced with the use of an electric-arc discharge on a cold cathode by passing it through a curvilinear plasma guide. The mentioned plasma is produced inside the curvilinear plasma guide, and electric current is passed through it in the longitudinal direction producing a magnetic field that is homogeneous in length, thus providing for application of a high-quality coating by spraying. EFFECT: enhanced efficiency of cleaning and activation of the supporting structure surface and enhanced quality of coating. 12 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству получения электродуговой плазмы и к использованию ее для нанесения покрытий на подложку. The present invention relates to a method and apparatus for producing an electric arc plasma and to its use for coating a substrate.

В последние десятилетия вакуумные электродуговые источники плазмы получили широкое распространение в промышленности для осаждения на изделия покрытий на основе металлов, их сплавов и соединений. Они используются для нанесения на детали машин, инструмент, товары народного потребления и т.п. износостойких, коррозионно-стойких, декоративных покрытий, покрытий с требуемыми электрическими и магнитными характеристиками и других покрытий со специальными свойствами. Вакуумные дуговые источники плазмы применяются, кроме того, для получения ионных пучков, используемых для ионной имплантации, в ионных ускорителях, а также в ракетных силовых установках. In recent decades, vacuum electric arc plasma sources have been widely used in industry for deposition of coatings based on metals, their alloys and compounds onto products. They are used for applying on machine parts, tools, consumer goods, etc. wear-resistant, corrosion-resistant, decorative coatings, coatings with the required electrical and magnetic characteristics and other coatings with special properties. Vacuum arc plasma sources are also used to obtain ion beams used for ion implantation in ion accelerators, as well as in rocket power plants.

Уровень техники. The prior art.

Процесс получения плазменного потока в вакуумном электродуговом источнике заключается в следующем. На охлаждаемом катоде, изготовленном из материала, на основе которого требуется получить покрытие, в вакууме зажигается сильноточный дуговой разряд. Зажигание дугового разряда, как правило, осуществляется либо механическим разрывом электрического контакта между катодом и специальным электродом, или с помощью высоковольтной или лазерной искры. Дуговой разряд на холодном катоде стягивается в катодные пятна размером от нескольких микрон до сотен микрон и плотностями тока в них до 106-108 А/см2. Каждое пятно эмитирует струю металлической плазмы в направлении, приблизительно перпендикулярном поверхности катода. В отсутствии магнитных и электрических полей катодные пятна хаотично перемещаются по поверхности катода. Электрическими и магнитными полями можно управлять движением пятен, удерживая их на рабочей поверхности и заставляя перемещаться по требуемым траекториям.The process of obtaining a plasma stream in a vacuum electric arc source is as follows. On a cooled cathode made of the material on the basis of which it is required to obtain a coating, a high-current arc discharge is ignited in a vacuum. The ignition of an arc discharge, as a rule, is carried out either by mechanical rupture of the electrical contact between the cathode and a special electrode, or using a high-voltage or laser spark. An arc discharge on a cold cathode is contracted into cathode spots ranging in size from several microns to hundreds of microns and current densities of up to 10 6 -10 8 A / cm 2 in them . Each spot emits a stream of metal plasma in a direction approximately perpendicular to the surface of the cathode. In the absence of magnetic and electric fields, the cathode spots randomly move along the cathode surface. Electric and magnetic fields can be used to control the movement of spots, holding them on the working surface and forcing them to move along the desired trajectories.

Каждое пятно дает соответствующий вклад в поток плазмы, который имеет распределение, близкое к косинусоидальному с осью, перпендикулярной поверхности катода. За счет особенностей горения вакуумной дуги на холодном катоде, в частности создания вблизи катода положительного объемного заряда, ионы плазмы ускоряются до энергий от единиц до сотен электроновольт в направлении, перпендикулярном поверхности катода. Each spot makes a corresponding contribution to the plasma flow, which has a distribution close to cosine with an axis perpendicular to the cathode surface. Due to the peculiarities of burning a vacuum arc on a cold cathode, in particular, creating a positive space charge near the cathode, plasma ions are accelerated to energies from units to hundreds of electron volts in the direction perpendicular to the cathode surface.

Поток плазмы, получаемый в электродуговом источнике, является сильно ионизованным. Степень ионизации для ряда материалов приближается к 100%. Плазма содержит значительное количество двух- и трехкратно ионизованных частиц. Это является существенным преимуществом перед источниками, основанными на явлениях распыления (в том числе магнетронного) и испарения (электронным лучом, лазерным излучением и т.д.) материала, где потоки вещества имеют малую степень ионизации. Высокая степень ионизации позволяет управлять потоком с помощью электромагнитных полей, контролировать и управлять энергией атомов, приходящих на подложку, и повышает реактивность испаренного материала при формировании соединений как с реакционным газом, так и непосредственно с материалом покрываемой подложки. The plasma flow obtained in the electric arc source is highly ionized. The degree of ionization for a number of materials approaches 100%. Plasma contains a significant amount of two- and three-fold ionized particles. This is a significant advantage over sources based on the phenomena of sputtering (including magnetron) and evaporation (electron beam, laser radiation, etc.) of the material, where the material flows have a low degree of ionization. A high degree of ionization allows you to control the flow using electromagnetic fields, to control and control the energy of atoms entering the substrate, and increases the reactivity of the vaporized material during the formation of compounds with both the reaction gas and directly with the material of the coated substrate.

Для осаждения покрытий поток плазмы направляют на подложку, к которой, как правило, прикладывают ускоряющее напряжение для получения требуемой энергии ионов, приходящих на поверхность. Процесс нанесения покрытий обычно состоит из двух стадий. На первой стадии при достаточно глубоком вакууме (при давлении 10-4 мм рт.ст. и ниже) к подложке прикладывают ускоряющее напряжение величиной до 1000-1500 В. Ионы материала катода ускоряются вблизи подложки в Дебаевском слое и бомбардируют ее поверхность. При бомбардировке ионами происходит очистка поверхности от загрязнений, так называемый процесс "ионной очистки". После проведения "ионной очистки" напряжение, приложенное к подложке, уменьшают до величин от нескольких десятков до нескольких сотен вольт и частицы, приходящие на подложку, конденсируются на ее поверхности, образуя покрытие, соответствующее материалу катода. Для получения покрытий сложного состава в рабочую камеру вводится реакционный газ, как правило, до давлений 10-2-10-4 мм рт.ст. В этом случае можно получать покрытия на основе соединений материала катода с реакционным газом.To deposit coatings, the plasma flow is directed onto a substrate, to which, as a rule, an accelerating voltage is applied to obtain the required energy of ions arriving at the surface. The coating process usually consists of two stages. At the first stage, at a sufficiently deep vacuum (at a pressure of 10 -4 mmHg and below), an accelerating voltage of up to 1000-1500 V is applied to the substrate. Ions of the cathode material are accelerated near the substrate in the Debye layer and bombard its surface. When bombarded by ions, the surface is cleaned of contaminants, the so-called "ion cleaning" process. After conducting "ion cleaning", the voltage applied to the substrate is reduced to values from several tens to several hundreds of volts and the particles arriving on the substrate condense on its surface, forming a coating corresponding to the cathode material. To obtain coatings of complex composition, reaction gas is introduced into the working chamber, as a rule, up to pressures of 10 -2 -10 -4 mm Hg. In this case, it is possible to obtain coatings based on compounds of the cathode material with the reaction gas.

Проблемой электродуговых источников плазмы является то, что дуговой разряд, наряду с паровой компонентой, генерирует капли расплавленного материала подложки - макрочастицы. Такие макрочастицы имеют характерные размеры от десятых долей микрона до десятков микрон. Макрочастицы могут попадать на покрываемую подложку, образуя нерегулярности в структуре покрытия, дефекты в виде впадин и выступов. Это явление существенно сужает область применения электродуговых источников плазмы. Наличие макрочастиц в потоке плазмы не позволяет наносить покрытия на детали с высоким классом чистоты поверхности, на инструмент с острой заточкой, значительно снижает эксплуатационные характеристики покрытий, например, такие как износостойкость, электрические и магнитные свойства. The problem with electric arc plasma sources is that the arc discharge, along with the vapor component, generates droplets of molten substrate material - macroparticles. Such particles have characteristic sizes from tenths of a micron to tens of microns. Particles can fall on the coated substrate, forming irregularities in the structure of the coating, defects in the form of depressions and protrusions. This phenomenon significantly narrows the scope of electric arc plasma sources. The presence of particles in the plasma stream does not allow coating on parts with a high class of surface cleanliness, on a tool with sharp sharpening, significantly reduces the performance of coatings, such as wear resistance, electrical and magnetic properties.

Кроме того, электродуговые источники практически не позволяют наносить покрытия на основе относительно легкоплавких материалов, таких, например, как алюминий и др., в потоке которых присутствует большое количество крупных макрочастиц. В частности, при получении керамических покрытий на основе Al2O3 наличие макрочастиц Al нарушает изоляционные свойства покрытий. Это касается и нанесения алмазоподобных покрытий с использованием катода из углерода, где макрочастицы представляют собой частички сажи.In addition, electric arc sources practically do not allow coating on the basis of relatively fusible materials, such as, for example, aluminum and others, in the stream of which there are a large number of large particulates. In particular, upon receipt of ceramic coatings based on Al 2 O 3, the presence of Al particulates violates the insulating properties of the coatings. This also applies to the application of diamond-like coatings using a carbon cathode, where the particles are particles of soot.

Для уменьшения количества макрочастиц в потоке плазмы используют различные методы. Первая группа методов заключается в использовании различных магнитных и электрических полей вблизи поверхности катода, которые позволяют увеличить скорость перемещения дуговых пятен по поверхности катода. Это приводит к уменьшению количества генерируемых макрочастиц и их размеров. Вторая группа методов заключается в использовании различных фильтров-сепараторов плазменного потока. Такие устройства размещаются между катодом и напыляемой подложкой так, что позволяют пропускать паровую компоненту плазменного потока и блокируют прохождение макрочастиц. Various methods are used to reduce the amount of particulate in the plasma stream. The first group of methods consists in using various magnetic and electric fields near the surface of the cathode, which can increase the speed of movement of arc spots on the surface of the cathode. This leads to a decrease in the number of generated particles and their sizes. The second group of methods consists in the use of various plasma-separator filters. Such devices are placed between the cathode and the sprayed substrate so that they allow the vapor component of the plasma stream to pass through and block the passage of particulates.

Электромагнитные методы первой группы значительно проще для реализации, чем методы сепарации потока плазмы. Однако они малоэффективны и не исключают генерацию макрочастиц дуговым разрядом. В потоке плазмы сохраняется значительное количество капель расплавленного металла. The electromagnetic methods of the first group are much simpler to implement than the methods of separation of the plasma flow. However, they are ineffective and do not exclude the generation of particles by an arc discharge. A significant amount of molten metal droplets are retained in the plasma stream.

Методы сепарации основаны на отклонении паровой ионизованной компоненты плазмы от прямолинейной траектории. Для этой цели на плазменный поток накладывается продольное магнитное поле. В промежутке между двумя кулоновскими столкновениями каждая заряженная частица плазмы движется вдоль поля по винтовой траектории. Если поле однородно, то осевая линия траектории практически совпадает с одной из силовых линий поля. Перемещение электронов и ионов поперек силовых линий поля оказывается возможным лишь благодаря кулоновским соударениям. При каждом столкновении частица перемещается на расстояние порядка ларморовского радиуса. Если столкновения происходят редко, то частица оказывается как бы привязанной к силовым линиям поля. Такая плазма называется "замагниченной". Если параметр плазмы: ρ / λ>>1 (ρ - средняя длина свободного пробега, λ - средняя величина ларморовского радиуса), то частица может сместиться на заметное расстояние поперек поля, только пройдя очень длинный путь вдоль силовой линии. Separation methods are based on the deviation of the vaporized ionized plasma component from a rectilinear trajectory. For this purpose, a longitudinal magnetic field is superimposed on the plasma stream. In the interval between two Coulomb collisions, each charged plasma particle moves along the field along a helical path. If the field is homogeneous, then the axial line of the trajectory practically coincides with one of the field lines of force. The movement of electrons and ions across field lines is only possible due to Coulomb collisions. In each collision, the particle moves a distance of the order of the Larmor radius. If collisions rarely occur, then the particle appears to be attached to the field lines of force. Such a plasma is called "magnetized." If the plasma parameter: ρ / λ >> 1 (ρ is the mean free path, λ is the average Larmor radius), then the particle can shift a noticeable distance across the field only after passing a very long path along the field line.

"Замагниченность" различна у ионной и электронной компоненты плазмы. Для того чтобы обеспечить "замагниченность" ионной компоненты плазмы тяжелых металлов, требуются магнитные поля величиной до нескольких десятков килоэрстед. Создание таких магнитных полей требует очень больших и сложных систем. Поэтому на практике используют системы, которые обеспечивают "замагниченность" только электронной компоненты. Благодаря этому электроны могут свободно перемещаться только вдоль силовых линий поля, а на движение ионов магнитное поле само по себе заметного влияния не оказывает. В этом случае электроны будут привязаны к силовым линиям магнитного поля, а ионы будут удерживаться в той же области пространства электрическим полем, создаваемым электронной компонентой. Кроме того, замагниченность электронов и резкое уменьшение поперечной подвижности электронной компоненты плазмы позволяют создать электрическое поле, перпендикулярное магнитному, которое приводит к дрейфу ионов в требуемом направлении. Таким образом, создавая соответствующее равномерное по длине магнитное поле и соответствующее электрическое поле, можно отклонять поток плазмы в требуемом направлении вдоль линий магнитного поля и транспортировать его на подложку, расположенную вне прямой видимости катода дугового разряда. Макрочастицы не изменяют своих траекторий под действием электромагнитных полей, движутся по прямым траекториям и на подложку не попадают. The “magnetization” is different for the ionic and electronic components of the plasma. In order to ensure the “magnetization” of the ion component of the plasma of heavy metals, magnetic fields of up to several tens of kiloersted are required. The creation of such magnetic fields requires very large and complex systems. Therefore, in practice, systems are used that provide the “magnetization” of only the electronic component. Due to this, the electrons can only move freely along the field lines of the field, and the magnetic field itself does not significantly affect the movement of ions. In this case, the electrons will be attached to the lines of force of the magnetic field, and the ions will be held in the same region of space by the electric field created by the electronic component. In addition, the magnetization of electrons and a sharp decrease in the transverse mobility of the electron component of the plasma make it possible to create an electric field perpendicular to the magnetic field, which leads to ion drift in the desired direction. Thus, by creating a corresponding magnetic field uniform in length and a corresponding electric field, it is possible to deflect the plasma flow in the desired direction along the lines of the magnetic field and transport it to a substrate located outside the direct line of sight of the arc discharge cathode. The particles do not change their trajectories under the influence of electromagnetic fields, they move along direct trajectories and do not fall on the substrate.

Методы сепарации плазмы значительно более эффективны для очистки потока плазмы от макрочастиц, чем первая группа методов. Однако существующие сепараторы имеют очень маленькую пропускную способность и, соответственно, такие системы имеют малую производительность. Plasma separation methods are much more effective for cleaning particles from plasma flow than the first group of methods. However, existing separators have very low throughput and, accordingly, such systems have low productivity.

Механизм испарения материала дуговым разрядом описан в множестве работ и патентов. Примером такой ранней работы может служить патент США 484,582 (Edison), в котором описано использование испарения вакуумной дугой для получения покрытия на подложке. В патентах США 2,972,695 (Wroe); 3,783,231 (Sablev et.al); 3,793,179 (Sablev et.al.) приведены примеры установок с использованием магнитного поля и специальной конфигурации электродов для стабилизации вакуумной дуги на рабочей поверхности электродов, увеличения скорости испарения и направления потока плазмы на подложку. The mechanism of material evaporation by an arc discharge is described in many works and patents. An example of this early work is US Pat. No. 4,854,582 (Edison), which describes the use of vacuum arc evaporation to form a coating on a substrate. U.S. Patent 2,972,695 (Wroe); 3,783,231 (Sablev et.al); 3,793,179 (Sablev et.al.) give examples of installations using a magnetic field and a special configuration of electrodes to stabilize the vacuum arc on the working surface of the electrodes, increase the evaporation rate and direct the plasma flow to the substrate.

Примеры первой группы методов для уменьшения генерации макрочастиц с поверхности катода приведены в патентах США 4,673,477 (Ramalingam et.al.); 4,724,058 (Morrison, Ir.); 4,849,058 (Veltrop et.al.), в которых используется магнитное поле для управления движением катодных пятен по специальным траекториям и увеличения скорости их перемещения. В патенте США 5,269,898 (Welty) также показано, что введение аксиальной компоненты магнитного поля на длинном цилиндрическом катоде приводит к ускорению перемещения дуги и уменьшению генерации макрочастиц. Examples of the first group of methods for reducing the generation of particles from the surface of the cathode are given in US patents 4,673,477 (Ramalingam et.al.); 4,724,058 (Morrison, Ir.); 4,849,058 (Veltrop et.al.), which use a magnetic field to control the movement of cathode spots along special paths and increase the speed of their movement. In US patent 5,269,898 (Welty) it is also shown that the introduction of the axial component of the magnetic field on a long cylindrical cathode accelerates the movement of the arc and reduces the generation of particulate matter.

Использование методов сепарации плазмы от макрочастиц описаны в патентах США 4,452,686 (Aksenov et. al. ); 5,282,944 (Sanders et.al.); 5,279,723 (Falabella et.al.): 5,480,572 (Welty); Aksenov et. al. "Transport of Plasma. Streams in a Curvilinear Plasma-optics System". Soviet Journal of Plasma Physics 4(4), 1978. The use of methods for separating plasma from particles is described in US patents 4,452,686 (Aksenov et. Al.); 5,282,944 (Sanders et.al.); 5,279,723 (Falabella et.al.): 5,480,572 (Welty); Aksenov et. al. "Transport of Plasma. Streams in a Curvilinear Plasma-optics System." Soviet Journal of Plasma Physics 4 (4), 1978.

В патенте США 4452686 рассмотрен сепаратор плазмы типа "магнитный остров". Он представляет собой цилиндрическую трубу, на одном конце которой расположен дуговой источник плазмы. На внешней стороне расположен соленоид, который создает продольное магнитное поле внутри трубы. В центре трубы соосно расположен соленоид, который блокирует прямую видимость от катода до подложки. Внешний и внутренний соленоиды создают такую конфигурацию магнитного поля, что силовые линии проходят через трубу и огибают внутренний соленоид, проходя между соленоидом и стенками трубы. Плазма, эмитируемая источником, отклоняется магнитными и электрическими полями и направляется между стенками трубы и центральным соленоидом. Макрочастицы не отклоняются магнитными и электрическими полями и осаждаются на центральном соленоиде. По данным авторов коэффициент пропускания такого сепаратора составляет около 10%. US 4,452,686 discloses a magnetic island type plasma separator. It is a cylindrical tube, at one end of which there is an arc plasma source. On the outside there is a solenoid that creates a longitudinal magnetic field inside the pipe. A solenoid is coaxially located in the center of the tube, which blocks line of sight from the cathode to the substrate. The external and internal solenoids create such a magnetic field configuration that the lines of force pass through the pipe and bend around the internal solenoid, passing between the solenoid and the pipe walls. The plasma emitted by the source is deflected by magnetic and electric fields and sent between the walls of the pipe and the central solenoid. The particles are not deflected by magnetic and electric fields and are deposited on the central solenoid. According to the authors, the transmittance of such a separator is about 10%.

В патенте США 5282944 описано устройство, работающее по принципу, близкому к предыдущему. Катод представляет собой соосный с внешней трубой цилиндр, рабочей поверхностью которого является внешняя поверхность. В этом случае плазма эмитируется в радиальном направлении к стенкам трубы и с помощью внешнего электромагнитного поля поворачивается на 90o и направляется к выходу из трубы, где расположена подложка.US Pat. No. 5,282,944 describes a device operating on a principle similar to the previous one. The cathode is a cylinder coaxial with the outer tube, the working surface of which is the outer surface. In this case, the plasma is emitted in the radial direction to the walls of the pipe and with the help of an external electromagnetic field is rotated 90 ° and sent to the exit of the pipe where the substrate is located.

В упомянутой работе Aksenov et. al. "Transport of Plasma..." описан криволинейный сепаратор плазмы. Плазма, генерируемая стандартным электродуговым источником, направляется в плазмовод, который представляет собой четверть тора. Внутри плазмовода создается продольное магнитное поле с помощью охватывающих плазмовод соленоидов. На корпус плазмовода подается напряжение, создающее радиальное электрическое поле. Плазма, эмитируемая источником, транспортируется вдоль силовых линий магнитного поля через плазмовод. Макрочастицы движутся прямолинейно и осаждаются на стенках плазмовода. In the aforementioned work, Aksenov et. al. "Transport of Plasma ..." describes a curved plasma separator. The plasma generated by a standard electric arc source is directed into a plasma duct, which is a quarter of a torus. A longitudinal magnetic field is created inside the plasma duct using solenoids covering the plasma duct. A voltage is applied to the plasma duct body, creating a radial electric field. The plasma emitted by the source is transported along the magnetic field lines through the plasma duct. The particles move rectilinearly and are deposited on the walls of the plasma duct.

В патенте США 5279723 описана аппаратура, подобная предыдущей, с использованием плазмовода с углом в 45o. Для уменьшения отражения макрочастиц от стенок плазмовода используется специальная решетка на внутренних стенках плазмовода.US Pat. No. 5,279,723 describes apparatus similar to the previous one using a plasma duct with an angle of 45 ° . To reduce the reflection of particles from the walls of the plasma duct, a special lattice is used on the inner walls of the plasma duct.

В патенте США 5480572 приведен криволинейный сепаратор плазмы с прямоугольным длинным катодом, работающий по аналогичному принципу для планарного источника плазмы с прямоугольным длинным катодом. Описаны устройства, создающие магнитное поле специальной формы, которое обеспечивает перемещение дуги по длинному прямоугольному катоду и транспортировку плоского широкого пучка по криволинейному плазмоводу. US Pat. No. 5,480,572 discloses a curved plasma separator with a rectangular long cathode, operating on a similar principle for a planar plasma source with a rectangular long cathode. Devices that create a magnetic field of a special shape, which ensures the movement of the arc along a long rectangular cathode and transportation of a flat wide beam along a curved plasma duct, are described.

Все вышерассмотренные источники плазмы с сепарацией потока не нашли какого-либо заметного применения в промышленности, поскольку имеют сравнительно невысокий коэффициент использования плазмообразующего материала и низкую производительность. Это обусловлено несколькими факторами. All of the above plasma sources with flow separation have not found any significant application in industry, since they have a relatively low coefficient of utilization of the plasma-forming material and low productivity. This is due to several factors.

В вышерассмотренных работах использовались магнитные поля, структура которых различна в области катода (область магнитных полей, ответственных за управление движением катодных пятен по поверхности катода) и в плазмоводе (где магнитные поля ответственны за транспортировку потока плазмы). Это приводит к тому, что эмитируемый поток плазмы прежде, чем попасть в область равномерного магнитного поля в плазмоводе, проходит область неоднородного магнитного поля. Так, в упомянутой работе Aksenov et. al. "Transport of Plasma. . . " поток плазмы создавался в стандартном электродуговом источнике и прежде, чем попасть в область равномерного продольного магнитного поля в тороидальном плазмоводе, проходил на входе в плазмовод область ослабленного расходящегося магнитного поля, имеющего поперечную радиальную составляющую. В патенте США 5480572 вблизи прямоугольного катода создавалось магнитное поле, имеющее параллельную поверхности катода составляющую, которая обеспечивала движение катодных пятен вдоль поверхности катода. In the above studies, magnetic fields were used, the structure of which is different in the cathode region (the region of magnetic fields responsible for controlling the movement of cathode spots on the cathode surface) and in the plasma duct (where magnetic fields are responsible for transporting the plasma flow). This leads to the fact that the emitted plasma stream, before entering the region of a uniform magnetic field in the plasma duct, passes through the region of an inhomogeneous magnetic field. So, in the mentioned work of Aksenov et. al. The “Transport of Plasma...” Plasma flow was created in a standard electric arc source and before entering the region of uniform longitudinal magnetic field in the toroidal plasma duct, a region of weakened diverging magnetic field having a transverse radial component passed at the entrance to the plasma duct. In US Pat. No. 5,480,572, a magnetic field was created near a rectangular cathode having a component parallel to the surface of the cathode that allowed cathode spots to move along the cathode surface.

Таким образом, в рассмотренных источниках плазмы поток проходит область поперечного магнитного поля. Поскольку подвижность частиц в замагниченной плазме поперек магнитного поля ограничена, то возникает так называемая "магнитная пробка". Кроме того, при подаче напряжения на корпус плазмовода для обеспечения дрейфа ионов от стенок в области поперечного магнитного поля появляется тормозящая ионы продольная компонента электрического поля (см. описание эффекта в упомянутой работе Aksenov et. al. "Transport of Plasma... " "Магнитная пробка") и электростатический барьер на входе в плазмовод приводят к большим потерям плотности потока плазмы. Thus, in the considered plasma sources, the flow passes through the transverse magnetic field. Since the mobility of particles in a magnetized plasma across a magnetic field is limited, a so-called “magnetic plug” arises. In addition, when voltage is applied to the plasma duct body to ensure the drift of ions from the walls, a longitudinal component of the electric field that inhibits the ions appears in the transverse magnetic field (see the description of the effect in the aforementioned work by Aksenov et. Al. "Transport of Plasma ..." "Magnetic plug ") and the electrostatic barrier at the entrance to the plasma duct lead to large losses in plasma flux density.

Другой причиной низкой эффективности рассмотренных источников является малая плотность электронов внутри плазмовода. При горении дугового разряда между катодом и анодом, расположенными на входе в плазмовод, область большой плотности электронов сосредоточена также вблизи входа в плазмовод. Как отмечалось ранее, в плазме только электроны "привязаны" к силовым линиям магнитного поля, а ионы удерживаются в этой области электрическим полем, создаваемым электронной компонентой. При небольшой плотности электронов это поле невелико и не препятствует дрейфу ионов поперек силовых линий магнитного поля и осаждению их на стенках плазмовода. Кроме того, большая плотность электронов, сосредоточенная на входе в плазмовод, создает электрическое поле, тормозящее ионы. Эти факторы приводят к низкой проводимости плазмовода. Another reason for the low efficiency of the considered sources is the low electron density inside the plasma duct. When burning an arc discharge between the cathode and anode located at the entrance to the plasma duct, the region of high electron density is also concentrated near the entrance to the plasma duct. As noted earlier, in the plasma only electrons are “attached” to the magnetic field lines, and ions are held in this region by the electric field created by the electronic component. At a low electron density, this field is small and does not prevent the drift of ions across the lines of force of the magnetic field and their deposition on the walls of the plasma duct. In addition, the high electron density concentrated at the entrance to the plasma duct creates an electric field that inhibits ions. These factors lead to low conductivity of the plasma duct.

Низкая эффективность источников плазмы с сепарацией потока определяется также эффектом рассеяния потока на частицах газа (остаточного или реакционного) внутри плазмовода. Если в электродуговых источниках без сепарации потока расстояние от катода до напыляемой подложки составляет обычно от 10 до 30 см, то с использованием сепараторов это расстояние возрастает до метров. Поток ионов плазмы, проходя такое расстояние, нейтрализуется, рассеивается и теряет свою энергию и направленность движения в результате рассеяния на частицах газа. The low efficiency of plasma sources with flow separation is also determined by the effect of scattering of the flow on gas particles (residual or reaction) inside the plasma duct. If in electric arc sources without separation of the flow the distance from the cathode to the sprayed substrate is usually from 10 to 30 cm, then with the use of separators this distance increases to meters. A stream of plasma ions passing such a distance is neutralized, scattered, and loses its energy and direction of motion as a result of scattering by gas particles.

Вышерассмотренными причинами и определяется низкая пропускная способность плазмоводов и соответственно низкая эффективность существующих источников сепарированной электродуговой плазмы. The above reasons determine the low throughput of plasma ducts and, accordingly, the low efficiency of existing sources of separated electric arc plasma.

К проблемам, возникающим при использовании способа нанесения покрытий с использованием электродуговых источников плазмы как с сепарацией потока, так и без сепарации, можно отнести следующее. Как отмечалось ранее, отличительной особенностью электродугового метода получения плазмы является высокая степень ионизации материала, эмитированного из катода. Однако при этом степень ионизации реакционного газа, вводимого в вакуумную камеру, не велика. Это приводит к тому, что в процессе ионной очистки происходит бомбардировка поверхности мишени практически ионами металла. При ускоряющих напряжениях, используемых при ионной очистке, коэффициент распыления подложки ионами материала катода, как правило, меньше единицы. Поэтому при ионной бомбардировке наряду с распылением подложки происходит и процесс осаждения покрытия. Процесс осаждения с одной стороны снижает эффективность очистки поверхности мишени от загрязнений, с другой стороны, образуется покрытие, соответствующее материалу катода. Таким образом между поверхностью мишени и рабочим покрытием образуется подслой материала, соответствующего материалу катода. Это приводит как к снижению адгезии рабочего покрытия к подложке, так и к ухудшению его эксплуатационных свойств. The problems that arise when using the method of coating using electric arc plasma sources, both with flow separation and without separation, include the following. As noted earlier, a distinctive feature of the electric arc plasma production method is the high degree of ionization of the material emitted from the cathode. However, the degree of ionization of the reaction gas introduced into the vacuum chamber is not large. This leads to the fact that in the process of ion cleaning, the target surface is bombarded with practically metal ions. At accelerating voltages used in ion cleaning, the sputtering coefficient of the substrate by ions of the cathode material is usually less than unity. Therefore, during ion bombardment, along with the spraying of the substrate, the process of coating deposition also occurs. The deposition process on the one hand reduces the efficiency of cleaning the target surface from contamination, on the other hand, a coating is formed corresponding to the cathode material. In this way, a sublayer of material corresponding to the cathode material is formed between the target surface and the working coating. This leads both to a decrease in the adhesion of the working coating to the substrate, and to a deterioration in its operational properties.

Кроме того, низкая степень ионизации реакционного газа ограничивает возможности применения электродугового метода нанесения, создания покрытий с целенаправленными заранее заданными свойствами, снижает возможность контролировать и управлять энергией атомов реакционного газа, уменьшает их реактивность при формировании соединений как с частицами материала катода, так и с материалом подложки. In addition, the low degree of ionization of the reaction gas limits the applicability of the electric arc deposition method, the creation of coatings with targeted predetermined properties, reduces the ability to control and control the energy of the atoms of the reaction gas, reduces their reactivity in the formation of compounds with both cathode material particles and the substrate material .

Эти недостатки можно было бы исключить, получая поток газометаллической плазмы с высокой степенью ионизации как металлической, так и газовой компоненты. These shortcomings could be eliminated by obtaining a stream of gas-metal plasma with a high degree of ionization of both the metal and gas components.

Таким образом, несмотря на имеющиеся конструкции источников электродуговой сепарированной плазмы, существует необходимость в создании высокоэффективного способа получения потока электродуговой сепарированной плазмы и разработке источника с большой производительностью, формирующего поток управляемой газометаллической плазмы с высокой степенью ионизации как ионов металла, так и газа. Такой источник даст дальнейшее развитие методу электродугового получения покрытий и расширит область его технологического применения как в промышленности, так и в научных разработках. Thus, despite the existing designs of the sources of the electric arc separated plasma, there is a need to create a highly efficient method for producing a stream of the electric arc separated plasma and to develop a source with high productivity, which forms a stream of controlled gas-metal plasma with a high degree of ionization of both metal ions and gas. Such a source will give further development to the method of electric arc coating production and will expand the field of its technological application both in industry and in scientific developments.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним из объектов настоящего изобретения является способ создания электродуговой плазмы, заключающийся в получении плазмы с помощью вакуумного электродугового разряда на холодном катоде с пропусканием ее через криволинейный плазмовод, при этом электродуговую плазму создают внутри криволинейного плазмовода и пропускают через нее в продольном направлении электрический ток с образованием продольного, непрерывного и равномерного по всей длине плазмовода между катодом и анодом магнитного поля и электрического поля, направленного к стенкам или от стенок плазмовода.
SUMMARY OF THE INVENTION
One of the objects of the present invention is a method of creating an electric arc plasma, which consists in obtaining plasma using a vacuum electric arc discharge on a cold cathode by passing it through a curved plasma duct, while the electric arc plasma is created inside a curved plasma duct and an electric current is passed through it in the longitudinal direction with the formation of a longitudinal continuous and uniform along the entire length of the plasma duct between the cathode and the anode of the magnetic field and the electric field directed to nkam or from the walls of the plasma duct.

В одном предпочтительном варианте осуществления способа криволинейный плазмовод выполнен в виде части тороида с углом поворот α = Arccos(2r2-R2)/R2 где r и R - соответственно, малый и большой радиусы тороида, а катод размещают внутри плазмовода со смещением от продольной оси плазмовода к его стенке с меньшим радиусом так, что центр рабочей поверхности катода располагается на радиусе

Figure 00000002
oт центра плазмовода, при этом анод размещают на выходе из плазмовода, а рабочую поверхность катода устанавливают параллельно поперечному сечению плазмовода в месте установки катода. Кроме того, электрический ток представляет собой электронный ток дугового разряда, используемого для генерации плазмы.In one preferred embodiment of the method, a curved plasma duct is made in the form of a part of a toroid with an angle of rotation α = Arccos (2r 2 -R 2 ) / R 2 where r and R are the small and large radii of the toroid, respectively, and the cathode is placed inside the plasma duct with an offset from the longitudinal axis of the plasma duct to its wall with a smaller radius so that the center of the working surface of the cathode is located at a radius
Figure 00000002
from the center of the plasma duct, while the anode is placed at the exit of the plasma duct, and the working surface of the cathode is set parallel to the cross section of the plasma duct at the cathode installation site. In addition, the electric current is the electronic current of the arc discharge used to generate plasma.

Внутри плазмовода создается равномерное по длине магнитное поле, так что магнитные силовые линии перпендикулярны рабочей поверхности катода и проходят через плазмовод параллельно его оси. Дуговой разряд зажигается между анодом и катодом, обеспечивая прохождение электронного тока дуги через плазму, сформированную внутри плазмовода. На корпус плазмовода подается положительный или отрицательный потенциал. Поскольку электронная компонента плазмы замагничена, то силовые линии, пересекающие катод и проходящие вблизи оси плазмовода, принимают потенциал близкий к потенциалу катода, а силовые линии вблизи стенок плазмовода - потенциал стенок. Таким образом, в замагниченной плазме создается электрическое поле, перпендикулярное к стенкам плазмовода. Электрическое поле обеспечивает дополнительный дрейф ионов от стенок или к стенкам плазмовода (в зависимости от полярности и величины приложенного напряжения). A magnetic field uniform in length is created inside the plasma duct, so that the magnetic lines of force are perpendicular to the working surface of the cathode and pass through the plasma duct parallel to its axis. An arc discharge is ignited between the anode and cathode, ensuring the passage of the electron arc current through the plasma formed inside the plasma duct. A positive or negative potential is applied to the plasma duct body. Since the electronic component of the plasma is magnetized, the lines of force crossing the cathode and passing near the axis of the plasma duct take a potential close to the potential of the cathode, and the lines of force near the walls of the plasma duct take the potential of the walls. Thus, an electric field is created in a magnetized plasma perpendicular to the walls of the plasma duct. The electric field provides an additional drift of ions from the walls or to the walls of the plasma duct (depending on the polarity and magnitude of the applied voltage).

Ионизованная компонента плазмы благодаря наличию магнитного и электрического полей (см. механизм, описанный выше) транспортируется вдоль силовых линий магнитного поля по плазмоводу к выходу. Тогда как макрочастицы и нейтральная компонента плазмы осаждаются на стенках плазмовода. Due to the presence of magnetic and electric fields (see the mechanism described above), the ionized plasma component is transported along the magnetic field lines through the plasma duct to the exit. While the particles and the neutral component of the plasma are deposited on the walls of the plasma duct.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Во-первых, в создании магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны рабочей поверхности катода и непрерывно проходят через плазмовод параллельно его оси. В этом случае плазма эмитируется катодом непосредственно в области равномерного магнитного поля и транспортируется по плазмоводу вдоль магнитного поля, равномерного по всей длине. Траектории частиц на всем пути проходят вдоль силовых линий магнитного поля и нигде не пересекают их. Такая конфигурация магнитного поля исключает появление как "магнитных пробок", так и электростатического барьера при подаче потенциала на корпус плазмовода, что наблюдается в конструкциях, описанных ранее. The essence of the proposed method is as follows. Firstly, in creating a magnetic field, the lines of force of which are perpendicular to the working surface of the cathode and continuously pass through the plasma duct parallel to its axis. In this case, the plasma is emitted by the cathode directly in the region of a uniform magnetic field and transported along the plasma duct along a magnetic field uniform throughout its length. The paths of particles along the path pass along the lines of force of the magnetic field and do not cross them anywhere. This configuration of the magnetic field eliminates the appearance of both “magnetic plugs” and the electrostatic barrier when a potential is applied to the plasma duct body, which is observed in the structures described earlier.

Во-вторых, в пропускании электронного тока разряда через плазму, эмитируемую в плазмовод. Таким током в данном случае является электронный ток дугового разряда, который горит между катодом и анодом, расположенными на разных концах плазмовода. В этом случае внутри плазмовода создается электронный поток большой плотности. Как отмечалось ранее, наличие магнитного поля приводит к тому, что электроны могут двигаться только вдоль силовых линий магнитного поля и практически не уходят на стенки плазмовода. Заряд таких электронов, сконцентрированных вдоль оси плазмовода, создает электрическое поле, которое удерживает ионы в этой же области пространства и препятствует их уходу на стенки плазмовода. Secondly, in transmitting the electron discharge current through the plasma emitted into the plasma duct. Such a current in this case is the electron current of the arc discharge, which burns between the cathode and the anode located at different ends of the plasma duct. In this case, a high-density electron stream is created inside the plasma duct. As noted earlier, the presence of a magnetic field leads to the fact that the electrons can only move along the lines of force of the magnetic field and practically do not go to the walls of the plasma duct. The charge of such electrons concentrated along the axis of the plasma duct creates an electric field that holds ions in the same region of space and prevents them from escaping to the walls of the plasma duct.

Кроме того, направленное движение электронов приводит, с одной стороны, к ионизации газа (остаточного или реакционного) в плазмоводе, с другой стороны, к ускорению ионов в данном направлении. Ионизация газа внутри плазмовода приводит к уменьшению потерь энергии ионов, эмитированных дуговым разрядом, обусловленных рассеянием на частицах газа, а ускорение ионов - к компенсации этих потерь. In addition, the directed motion of electrons leads, on the one hand, to ionization of the gas (residual or reaction) in the plasma duct, and on the other hand, to the acceleration of ions in this direction. Ionization of the gas inside the plasma duct leads to a decrease in the energy loss of the ions emitted by the arc discharge, due to scattering by gas particles, and the acceleration of ions to compensate for these losses.

Следует отметить, что образовавшиеся ионы газа также ускоряются в направлении к выходу из плазмовода, с одной стороны, за счет направленного движения электронов, с другой стороны, за счет магнитоплазмодинамического эффекта, возникающего на выходе плазмовода, где поток плазмы взаимодействует с расходящимся магнитным полем, имеющим радиальную составляющую. It should be noted that the formed gas ions are also accelerated towards the exit from the plasma duct, on the one hand, due to the directional movement of electrons, and on the other hand, due to the magnetoplasma-dynamic effect arising at the exit of the plasma duct, where the plasma flow interacts with a diverging magnetic field having radial component.

Таким образом, на выходе источника образуется поток газометаллической плазмы, в которой сильно ионизована как металлическая компонента, генерируемая дуговым разрядом, так и газовая, образованная за счет ионизации газа, находящегося в плазмоводе. Изменяя потенциал на корпусе плазмовода и таким образом увеличивая или уменьшая дрейф ионов к стенкам плазмовода, можно регулировать соотношение металлических и газовых ионов в потоке плазмы. Устанавливая такой потенциал, что практически все металлические ионы, поступающие в начало плазмовода с катода, дрейфуют на стенки, на выходе источника можно получить поток практически газовой плазмы. Этот поток образован теми частицами газа, которые ионизовались близко к выходу из плазмовода и, ускорившись, достигли выхода ранее, чем конденсировались на стенках за счет поперечного дрейфа. Устанавливая такой потенциал, что ионы металла дрейфуют от стенок плазмовода к центру, на выходе источника можно получить поток газометаллической плазмы, содержащей как ионы металла, так и ионы газа (остаточного или реакционного). Thus, a stream of gas-metal plasma is formed at the source exit, in which both the metal component generated by the arc discharge and the gas component formed by ionization of the gas in the plasma duct are strongly ionized. By changing the potential on the body of the plasma duct and thus increasing or decreasing the drift of ions to the walls of the plasma duct, it is possible to adjust the ratio of metal and gas ions in the plasma stream. Establishing such a potential that almost all the metal ions entering the plasma duct from the cathode drift to the walls; at the source output, a stream of almost gas plasma can be obtained. This flow is formed by those gas particles that were ionized close to the exit from the plasma duct and, having accelerated, reached the exit earlier than they condensed on the walls due to transverse drift. By establishing such a potential that metal ions drift from the walls of the plasma duct to the center, a stream of gas-metal plasma containing both metal ions and gas ions (residual or reaction) can be obtained at the source output.

Таким образом этими двумя факторами - создание магнитного поля, силовые линии которого перпендикулярны рабочей поверхности катода и непрерывно проходят через плазмовод параллельно его оси, и пропускание электронного тока через плазму, обусловливают, с одной стороны, высокий коэффициент пропускания ионизованной компоненты плазмы вакуумной дуги через плазмовод, с другой стороны, ионизацию и ускорение частиц газа и, таким образом, образование на выходе потока газометаллической плазмы, в котором сильно ионизована как металлическая, так и газовая компонента. Thus, these two factors — the creation of a magnetic field whose lines of force are perpendicular to the working surface of the cathode and continuously pass through the plasma duct parallel to its axis, and the transmission of the electron current through the plasma, determine, on the one hand, the high transmittance of the ionized plasma component of the vacuum arc through the plasma duct, on the other hand, the ionization and acceleration of gas particles and, thus, the formation at the outlet of a stream of gas-metal plasma, in which both metal and Azov component.

Предлагаемый способ обеспечивается высокоэффективным источником дуговой газометаллической сепарированной плазмы с производительностью, приемлемой для использования в промышленности, и с расширенными технологическими возможностями. The proposed method is provided by a highly efficient source of arc gas-metal separated plasma with a productivity acceptable for industrial use and with advanced technological capabilities.

Ни в одной из рассмотренных работ не использовалось магнитное поле заявляемой конфигурации и пропускание электронного тока дугового разряда через плазму внутри плазмовода. None of the considered papers used the magnetic field of the claimed configuration and the transmission of the electron current of the arc discharge through the plasma inside the plasma duct.

Другим отличием изобретения является то, что в устройстве для получения потока, содержащем холодный катод, выполненный из испаряемого материала, анод, криволинейный плазмовод, выполненный в виде части тора, электромагнитную катушку, охватывающую плазмовод, а также источники питания корпуса плазмовода, дугового разряда и электромагнитной катушки, тороидальный плазмовод выполнен с углом поворота α = ArcCos(2r2-R2)/R2, где r и R соответственно малый и большой радиусы тороида, катод установлен внутри плазмовода, а его рабочая поверхность параллельна поперечному сечению плазмовода в месте установки катода, смещенного от продольной оси плазмовода к его стенке с меньшим радиусом так, что центр его рабочей поверхности расположен на радиусе

Figure 00000003
от центра тороида, причем анод установлен на выходе из плазмовода.Another feature of the invention is that in a device for producing a stream containing a cold cathode made of vaporized material, an anode, a curved plasma duct made as part of a torus, an electromagnetic coil enclosing the plasma duct, as well as power sources for the plasma duct body, arc discharge and electromagnetic coils, a toroidal plasma duct is made with a rotation angle α = ArcCos (2r 2 -R 2 ) / R 2 , where r and R are respectively the small and large radii of the toroid, the cathode is installed inside the plasma duct, and its working surface is parallel on the cross section of the plasma duct at the installation site of the cathode, offset from the longitudinal axis of the plasma duct to its wall with a smaller radius so that the center of its working surface is located at a radius
Figure 00000003
from the center of the toroid, and the anode is installed at the exit of the plasma duct.

В вариантах выполнения устройства торцевая рабочая поверхность катода выполнена скошенной по отношению к поперечному сечению входной части плазмовода с углом скоса
λ = ArcSinl/Ro,
где l - расстояние от начала тороидальной части плазмовода до поверхности катода, а входной фланец плазмовода, на котором закреплен катод, изолирован от корпуса плазмовода, а анод представляет собой стенки расположенной за плазмоводом вакуумной камеры или горячий кольцевой электрод, размещенный между плазмоводом и вакуумной камерой, при этом электромагнитная катушка намотана по плазмоводу равномерно по количеству витков на единицу длины, а источник питания корпуса плазмовода имеет положительную или отрицательную полярность.
In embodiments of the device, the end working surface of the cathode is made beveled with respect to the cross section of the inlet part of the plasma duct with a bevel angle
λ = ArcSinl / Ro,
where l is the distance from the beginning of the toroidal part of the plasma duct to the cathode surface, and the input flange of the plasma duct on which the cathode is mounted is isolated from the plasma duct body, and the anode is the walls of the vacuum chamber located behind the plasma duct or a hot ring electrode located between the plasma duct and the vacuum chamber, wherein the electromagnetic coil is wound along the plasma duct uniformly in the number of turns per unit length, and the power source of the plasma duct body has a positive or negative polarity.

Еще одним объектом изобретения является способ получения покрытия на подложке, проводимый посредством криволинейного плазмовода с помощью плазмы электродугового разряда, заключающийся в ионной очистке поверхности подложки, насыщении этой поверхности реакционным газом и нанесении покрытия на основе материала катода, при этом электродуговую плазму создают внутри криволинейного плазмовода и пропускают через нее в продольном направлении электрический ток с образованием продольного, непрерывного и равномерного по всей длине плазмовода между катодом и анодом магнитного поля и электрического поля, направленного к стенкам или от стенок плазмовода, подложку располагают со стороны выхода из плазмовода и подают на нее потенциал, при этом ионную очистку проводят в среде инертного газа при нулевом или отрицательном потенциале на корпусе плазмовода, насыщение поверхности подложки проводят в среде реакционного газа или смеси реакционного и инертного газов при нулевом или отрицательном потенциале на корпусе плазмовода, а при нанесении покрытия на корпус плазмовода подают положительный потенциал. Another object of the invention is a method for producing a coating on a substrate, carried out by means of a curvilinear plasma duct using plasma of an electric arc discharge, which consists in ionically cleaning the surface of the substrate, saturating this surface with a reaction gas and applying a coating based on the cathode material, while the electric arc plasma is created inside a curvilinear plasma duct and an electric current is passed through it in the longitudinal direction with the formation of a longitudinal, continuous and uniform along the entire length of the plasma duct and between the cathode and anode of the magnetic field and the electric field directed to the walls or from the walls of the plasma duct, the substrate is placed on the exit side of the plasma duct and the potential is supplied to it, while ion cleaning is carried out in an inert gas medium at zero or negative potential on the plasma duct body, saturation of the surface of the substrate is carried out in a reaction gas medium or a mixture of reaction and inert gases at zero or negative potential on the plasma duct body, and when coating the plasma duct body, ozhitelny potential.

В вариантах выполнения данного способа ионную очистку начинают при нулевом напряжении на подложке и постоянно поднимают его до требуемой величины; при насыщении подложки реакционным газом концентрацию атомов реакционного газа на поверхности подложки поддерживают не выше предела растворимости данного газа в материале подложки; и после насыщения поверхности подложки реакционным газом проводят кратковременную ионную очистку в среде инертного газа. In embodiments of this method, ion cleaning begins at zero voltage on the substrate and constantly raise it to the desired value; when the substrate is saturated with a reaction gas, the concentration of atoms of the reaction gas on the surface of the substrate is maintained no higher than the solubility limit of this gas in the substrate material; and after saturation of the surface of the substrate with reaction gas, a short-term ionic purification is carried out in an inert gas medium.

Источник, формирующий поток сепарированной газометаллической плазмы, в которой сильно ионизованы как металлическая, так и газовая компоненты, имеет более широкие возможности, чем используемые в настоящее время электродуговые источники, и позволяет реализовать новые технологические процессы. The source, which forms the flow of separated gas-metal plasma, in which both metal and gas components are strongly ionized, has wider possibilities than current electric arc sources and allows the implementation of new technological processes.

Во-первых, такое устройство обеспечивает травление поверхности подложки катодным распылением и тем самым позволяет проводить более эффективную очистку поверхности перед нанесением покрытий. Используя в качестве рабочего инертный газ и устанавливая на корпусе плазмовода такой потенциал, который "запирает" его для прохождения ионов металла (см. выше), на выходе источника формируют поток плазмы инертного газа. Такой поток плазмы обеспечивает травление подложки даже при небольших ускоряющих напряжениях. Это обусловлено тем, что хотя при небольших ускоряющих напряжениях коэффициент распыления меньше единицы, однако те ионы инертного газа, которые конденсировались на поверхности, десорбируют с нее и не образуют пленку, как это происходит в случае бомбардировки ионами металла. Firstly, such a device provides etching of the surface of the substrate by cathodic sputtering and thereby allows a more effective cleaning of the surface before coating. Using an inert gas as the working one and installing such a potential on the plasma duct body that “locks” it for the passage of metal ions (see above), an inert gas plasma flow is formed at the source output. Such a plasma flow provides etching of the substrate even at small accelerating voltages. This is due to the fact that, although at low accelerating voltages the sputtering coefficient is less than unity, those inert gas ions that condense on the surface desorb from it and do not form a film, as is the case with metal ion bombardment.

Таким образом, устройство обеспечивает эффективную очистку и активацию поверхности подложки, что в свою очередь приводит к улучшению адгезии наносимого далее покрытия. Кроме того, возможность проведения ионной очистки при небольших ускоряющих напряжениях значительно снижает вероятность возникновения микродуг на поверхности подложки и тем самым уменьшает ее повреждение. Thus, the device provides effective cleaning and activation of the surface of the substrate, which in turn leads to improved adhesion of the coating to be applied further. In addition, the possibility of ion cleaning at low accelerating voltages significantly reduces the likelihood of microarcs on the surface of the substrate and thereby reduces its damage.

С помощью такого источника возможно создавать требуемый микропрофиль поверхности методом травления катодным распылением, например, с использованием технологии "масок". Using such a source, it is possible to create the required surface micro-profile by etching by cathodic sputtering, for example, using the technology of “masks”.

Во-вторых, устройство обеспечивает получение на подложке приповерхностного слоя, насыщенного активным газом, например азотированного или цементированного слоя. Устанавливая на корпусе плазмовода такой потенциал, который "запирает" его для прохождения ионов металла, и используя в качестве рабочего реакционный газ, на выходе источника можно получить поток ионов реакционного газа. Ионы такого газа, приходя на поверхность, вступают в реакцию с атомами подложки и образуют приповерхностный слой, насыщенный атомами активного газа. Таким образом, источник обеспечивает получение на поверхности подложки покрытий с подслоем, насыщенным активным газом. Эксплуатационные характеристики таких покрытий могут быть значительно выше характеристик покрытий, нанесенных на исходную поверхность. Secondly, the device provides a surface layer saturated with an active gas, such as a nitrided or cemented layer, on a substrate. By installing such a potential on the plasma duct body that "locks" it for the passage of metal ions, and using the reaction gas as a working gas, a stream of reaction gas ions can be obtained at the source output. The ions of such a gas, coming to the surface, react with the atoms of the substrate and form a surface layer saturated with atoms of the active gas. Thus, the source provides coatings with a sublayer saturated with active gas on the surface of the substrate. The operational characteristics of such coatings can be significantly higher than the characteristics of coatings deposited on the initial surface.

В-третьих, высокая степень ионизации как металлической, так и газовой компоненты, и отсутствие в потоке нейтральной металлической компоненты и макрочастиц позволяют контролировать и управлять энергией частиц, приходящих на подложку, и повышает реакционность при формировании соединений как испаренного материала с реакционным газом, так и непосредственно с материалом подложки. Хорошая управляемость параметрами потока плазмы дает возможность обеспечить различный комплекс свойств покрытий в зависимости от их целевого назначения. В частности, наносить покрытия с высокой дисперсностью. Высокая дисперсность определяет высокие прочностные свойства покрытий, в том числе большую пластичность при высокой микротвердости и больших сжимающих напряжениях. Thirdly, the high degree of ionization of both the metal and gas components, and the absence of a neutral metal component and particulate in the flow, make it possible to control and control the energy of particles arriving at the substrate and increase the reactivity in the formation of compounds of both the vaporized material with the reaction gas and directly with the backing material. Good controllability of plasma flow parameters makes it possible to provide a different set of coating properties depending on their intended purpose. In particular, coatings with high dispersion. High dispersion determines the high strength properties of coatings, including greater ductility at high microhardness and high compressive stresses.

Таким образом, преимуществом настоящего изобретения является создание высокоэффективного потока сепарированной газометаллической плазмы, в которой сильноионизованной являются как металлическая, так и газовая компоненты со сравнительно высоким коэффициентом использования плазмообразующего материала и большой производительностью. Это приводит к возможности промышленного применения потока сепарированной электродуговой плазмы и реализации новых технологических процессов. Thus, an advantage of the present invention is the creation of a highly efficient stream of separated gas-metal plasma, in which both metal and gas components with a relatively high coefficient of utilization of the plasma-forming material and high productivity are highly ionized. This leads to the possibility of industrial application of the flow of separated electric arc plasma and the implementation of new technological processes.

Краткое описание чертежей. A brief description of the drawings.

Далее изобретение будет раскрыто на примерах осуществления со ссылками на иллюстрации, где
На фиг. 1 представлено устройство для получения плазмы согласно настоящему изобретению с источниками его питания.
The invention will now be described in exemplary embodiments with reference to illustrations, wherein
In FIG. 1 shows a device for producing plasma according to the present invention with its power sources.

На фиг. 2 представлен увеличенный вид плазмовода с обозначением радиусов его поворота. In FIG. 2 shows an enlarged view of the plasma duct with the designation of the radii of its rotation.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения. A preferred embodiment of the invention.

Устройство, осуществляющее получение плазмы, в общем случае состоит из криволинейного плазмовода с расположенной на нем катушкой, создающей магнитное поле, катодного узла, расположенного на входе плазмовода, анода, расположенного на выходе плазмовода, и системы электропитания. A device for producing a plasma generally consists of a curved plasma duct with a coil creating a magnetic field on it, a cathode assembly located at the input of the plasma duct, an anode located at the output of the plasma duct, and a power supply system.

Криволинейный плазмовод представляет собой часть тороида, изготовлен из немагнитного материала с водоохлаждаемыми стенками. Угол разворота плазмовода определяется из условия отсутствия прямой видимости выхода плазмовода из его входа, т.е. точки A, B и C должны располагаться на одной прямой (см. фиг. 2), и равен
α = ArcCos(2r2-R2)/R2,
где α - угол разворота, r - малый, a R - большой радиусы стенок плазмовода. Плазмовод может заканчиваться цилиндрической частью, как это показано на фиг. 1.
A curved plasma duct is a part of a toroid made of a non-magnetic material with water-cooled walls. The angle of rotation of the plasma duct is determined from the condition that there is no direct visibility of the exit of the plasma duct from its entrance, i.e. points A, B and C should be located on one straight line (see Fig. 2), and is equal to
α = ArcCos (2r 2 -R 2 ) / R 2 ,
where α is the turning angle, r is small, and R is the large radius of the walls of the plasma duct. The plasma duct can end with a cylindrical part, as shown in FIG. 1.

На внешней поверхности плазмовода 1 расположена электромагнитная катушка 2 с равномерным количеством витков на единицу длины. On the outer surface of the plasma duct 1 is an electromagnetic coil 2 with a uniform number of turns per unit length.

На входе плазмовода на фланце 3 смонтирован катодный узел. Фланец изготовлен из немагнитного материала и может быть как электрически изолирован от корпуса плазмовода, так и нет. Катодный узел состоит из следующих элементов:
- водоохлаждаемого катододержателя 4, электрически изолированного от входного фланца;
- конусного катода 5, угол конусности которого составляет 8-10o;
- металлической юбки 6, которая является продолжением катода;
- защитного экрана 7, который монтируется на катододержателе через изолятор и электрически изолирован как от катода, так и от корпуса плазмовода;
- поджигающего электрода 8 с изолятором, расположенным между электродом и юбкой 6.
At the inlet of the plasma duct, a cathode assembly is mounted on the flange 3. The flange is made of non-magnetic material and can be either electrically isolated from the plasma duct body or not. The cathode assembly consists of the following elements:
- water-cooled cathode holder 4, electrically isolated from the inlet flange;
- conical cathode 5, the taper angle of which is 8-10 o ;
- metal skirt 6, which is a continuation of the cathode;
- a protective screen 7, which is mounted on the cathode holder through an insulator and is electrically isolated from both the cathode and the plasma duct body;
- an igniting electrode 8 with an insulator located between the electrode and the skirt 6.

Другим концом плазмовод монтируется через изолятор на вакуумную камеру 9. Между плазмоводом и камерой может быть расположен изолированный электрод 10, который может являться анодом дугового разряда. At the other end, the plasma duct is mounted through an insulator on the vacuum chamber 9. An insulated electrode 10 can be located between the plasma duct and the chamber, which can be an anode of an arc discharge.

Система электропитания состоит из следующих источников:
- источник питания 11 дугового разряда, отрицательный полюс которого соединен с катодом, а положительный - с анодом 10 или корпусом камеры 9;
- источник питания 12 электромагнитной катушки;
- двухполярный источник питания 13 корпуса плазмовода;
- источник 14, формирующий высоковольтный импульс поджига дугового разряда.
The power supply system consists of the following sources:
- power source 11 of the arc discharge, the negative pole of which is connected to the cathode, and the positive one - with the anode 10 or the camera body 9;
- power source 12 of the electromagnetic coil;
- bipolar power source 13 of the plasma duct body;
- source 14, forming a high voltage pulse ignition arc discharge.

В камере установки располагается подложка 15. На подложку может подаваться ускоряющее напряжение от источника питания 16 подложки. The substrate 15 is located in the installation chamber. Accelerating voltage from the substrate power source 16 can be applied to the substrate.

На стенке плазмовода по большому радиусу расположена съемная решетка 17. On the wall of the plasma duct along a large radius is a removable grill 17.

Магнитное поле в плазмоводе, имеющем форму тороида, неоднородно по радиусу и изменяется пропорционально 1/Ri, где Ri - расстояние от центра тороида до соответствующей точки внутри плазмовода. Для того чтобы центр рабочей поверхности катода и эмитируемый поток плазмы находился в равнозначном положении относительно стенок плазмовода, катод должен быть смещен к стенке с меньшим радиусом. Величина смещения катода определяется из условия равенства магнитных потоков через сечения от центра указанной поверхности катода до стенки с меньшим радиусом и от центра этой поверхности катода до стенки с большим радиусом. Из этого условия вытекает, что центр поверхности катода должен быть расположен относительно центра тороида на радиусе

Figure 00000004
,
где r и R малый и большой радиусы стенок плазмовода.The magnetic field in a toroid-shaped plasma duct is nonuniform in radius and varies in proportion to 1 / R i , where R i is the distance from the center of the toroid to the corresponding point inside the plasma duct. In order for the center of the working surface of the cathode and the emitted plasma stream to be in an equal position relative to the walls of the plasma duct, the cathode must be shifted to the wall with a smaller radius. The magnitude of the cathode displacement is determined from the condition of equality of magnetic fluxes through cross sections from the center of the indicated cathode surface to the wall with a smaller radius and from the center of this cathode surface to the wall with a large radius. From this condition it follows that the center of the cathode surface must be located relative to the center of the toroid at a radius
Figure 00000004
,
where r and R are the small and large radii of the walls of the plasma duct.

Для того чтобы обеспечить перпендикулярность рабочей поверхности катода силовым линиям магнитного поля, рабочая торцевая поверхность катода скошена по отношению к поперечному сечению входной части плазмовода. Угол скоса равен γArcsinl/Ro, где l - расстояние от начала тороидальной части плазмовода до поверхности катода. Отметим, что по мере вырабатывания катода соответствующий угол выдерживается автоматически, поскольку поверхность вырабатывается перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. In order to ensure the perpendicularity of the working surface of the cathode to the magnetic field lines, the working end surface of the cathode is beveled with respect to the cross section of the input part of the plasma duct. The bevel angle is γArcsinl / Ro, where l is the distance from the beginning of the toroidal part of the plasma duct to the cathode surface. Note that as the cathode is generated, the corresponding angle is maintained automatically, since the surface is produced perpendicular to the lines of force of the magnetic field.

Источник плазмы работает следующим образом. На электромагнитную катушку 2 подается напряжение. Внутри плазмовода 1 создается непрерывное продольное магнитное поле, параллельное оси плазмовода, равномерное по длине. Между поджигающим электродом и юбкой 6 катода 5 подается высоковольтный импульс, в результате которого происходит электрический пробой по поверхности изолятора и возникает электрическая искра. Электрическая искра инициирует поджиг дугового разряда между катодом 5 и анодом 10. Анодом может служить как стенка вакуумной камеры 9, так и специальный электрод 10 - анод. The plasma source works as follows. A voltage is applied to the electromagnetic coil 2. Inside the plasma duct 1, a continuous longitudinal magnetic field is created, parallel to the axis of the plasma duct, uniform in length. A high-voltage pulse is applied between the ignition electrode and the skirt 6 of the cathode 5, as a result of which an electrical breakdown occurs on the surface of the insulator and an electric spark occurs. An electric spark initiates ignition of an arc discharge between the cathode 5 and the anode 10. The wall of the vacuum chamber 9 and a special electrode 10, the anode, can serve as the anode.

Поскольку магнитное поле параллельно оси плазмовода 1 и перпендикулярно рабочей поверхности катода, то силовые линии образуют острый угол с боковой поверхностью катода 5. Известно, что катодные пятна дуги перемещаются в направлении острого угла, образованного силовыми линиями магнитного поля с поверхностью катода. Таким образом, катодные пятна перемещаются с боковой поверхности на рабочую торцевую поверхность катода и удерживаются там. Юбка 6, которая является продолжением катода 5, служит для более полного использования материала катода. В приведенной конструкции катод может вырабатываться до толщины порядка миллиметра. Защитный экран 7 служит для защиты катододержателя и от повреждений при сбегании дуги в случае аварийной работы источника плазмы. Since the magnetic field is parallel to the axis of the plasma duct 1 and perpendicular to the working surface of the cathode, the lines of force form an acute angle with the lateral surface of the cathode 5. It is known that the cathode spots of the arc move in the direction of the acute angle formed by the lines of force of the magnetic field with the surface of the cathode. Thus, the cathode spots move from the side surface to the working end surface of the cathode and are held there. The skirt 6, which is a continuation of the cathode 5, serves to make fuller use of the cathode material. In the above construction, the cathode can be produced up to a thickness of the order of a millimeter. The protective screen 7 serves to protect the cathode holder and from damage during arc runoff in case of emergency operation of the plasma source.

Поток плазмы эмитируется непосредственно в области равномерного магнитного поля и транспортируется вдоль магнитных линий к выходу из плазмовода. The plasma stream is emitted directly in the region of a uniform magnetic field and transported along the magnetic lines to the exit of the plasma duct.

Для выравнивания плотности потока по радиальному сечению плазмовод 1 может заканчиваться цилиндрической частью с электромагнитной катушкой, создающей равномерное по сечению магнитное поле. To equalize the flux density over the radial section, the plasma duct 1 can end with a cylindrical part with an electromagnetic coil that creates a magnetic field uniform in cross section.

Для того чтобы увеличить или уменьшить дрейф ионов от стенок плазмовода или к стенкам плазмовода на корпус плазмовода 1 подается положительное или отрицательное напряжение. Для уменьшения искажения электрического поля, создаваемого приложенным напряжением, входной фланец 3 плазмовода может быть изолирован от стенок. In order to increase or decrease the drift of ions from the walls of the plasma duct or to the walls of the plasma duct, a positive or negative voltage is applied to the body of the plasma duct 1. To reduce the distortion of the electric field created by the applied voltage, the input flange 3 of the plasma duct can be isolated from the walls.

Нейтральная компонента плазмы и макрочастицы движутся по прямолинейным траекториям и осаждаются на стенках плазмовода. Для уменьшения отражения макрочастиц на стенке с большим радиусом размещена решетка 17. Для удобства обслуживания и чистки источника решетка 17 выполнена съемной. The neutral plasma component and the particles move along rectilinear trajectories and are deposited on the walls of the plasma duct. To reduce the reflection of particulates, a lattice 17 is placed on a wall with a large radius. For the convenience of maintenance and cleaning of the source, the lattice 17 is removable.

После выхода потока плазмы из источника он направляется на подложку 15, к которой может прикладываться ускоряющее напряжение. After the plasma stream leaves the source, it is directed to the substrate 15, to which an accelerating voltage can be applied.

При нанесении изоляционных покрытий, например, на основе Al2O3 в качестве анода дугового разряда может использоваться не стенка камеры 9, а специальный горячий электрод 10. Электрод нагревается за счет тока дуги и на нем не происходит формирование изоляционного покрытия, которое препятствует горению дугового разряда.When applying insulation coatings, for example, based on Al 2 O 3 , not the chamber wall 9, but a special hot electrode 10 can be used as the anode of the arc discharge. The electrode is heated by the arc current and there is no formation of an insulation coating on it that prevents the burning of the arc discharge.

Технологический процесс нанесения покрытий происходит следующим образом. В вакуумную камеру установки подают инертный газ, например аргон. На корпусе плазмовода 1 устанавливают нулевой или отрицательный потенциал, так что плазмовод "заперт" для ионов материала катода. В этом случае на выходе источника формируется поток газовой плазмы. На подложку 15 подается ускоряющее напряжение. Ионы плазмы бомбардируют поверхность подложки, приводя к ее распылению. Таким образом происходит очистка поверхности подложки 15 от загрязнений и ее активация. Для уменьшения вероятности возникновения микродуг на поверхности подложки ионную очистку начинают при малых ускоряющих напряжениях и постепенно поднимают его от требуемой величины. The technological process of coating is as follows. An inert gas, such as argon, is fed into the vacuum chamber of the installation. The potential of the plasma duct 1 is set to zero or negative, so that the plasma duct is "locked" to the ions of the cathode material. In this case, a gas plasma flow is formed at the source output. An accelerating voltage is applied to the substrate 15. Plasma ions bombard the surface of the substrate, leading to its dispersion. Thus, the surface of the substrate 15 is cleaned of contaminants and activated. To reduce the likelihood of microarcs on the surface of the substrate, ion cleaning begins at small accelerating voltages and gradually raise it from the desired value.

После проведения ионной очистки инертный газ заменяют на реакционный. На выходе источника формируется поток плазмы реакционного газа. Ионы газа, приходящие на поверхность, диффундируют в приповерхностный слой подложки 15. При этом процесс диффузии активирован ионной бомбардировкой. При получении диффузионного подслоя устанавливаются такие технологические параметры, чтобы концентрация ионов газа на поверхности не превышала предела растворимости данного газа в материале подложки 15. В этом случае образуется твердый раствор газа в материале подложки и не образуется на поверхности слой химических соединений ионов газа с атомами подложки, который как препятствует диффузии частиц внутрь подложки 15, так и ухудшает адгезию далее наносимого покрытия к подложке. After ion cleaning, the inert gas is replaced by a reaction gas. At the source output, a plasma flow of the reaction gas is formed. Gas ions arriving at the surface diffuse into the surface layer of the substrate 15. In this case, the diffusion process is activated by ion bombardment. Upon receipt of the diffusion sublayer, technological parameters are set such that the concentration of gas ions on the surface does not exceed the solubility limit of this gas in the substrate material 15. In this case, a solid gas solution is formed in the substrate material and a layer of chemical compounds of gas ions with substrate atoms is not formed on the surface, which both prevents the diffusion of particles into the substrate 15 and impairs the adhesion of the further coating to the substrate.

После проведения процесса формирования диффузионного слоя, как правило, проводят кратковременную ионную очистку с целью убрать с поверхности следы химических соединений реакционного газа с материалом подложки. After the process of forming a diffusion layer, as a rule, a short-term ionic purification is carried out in order to remove traces of chemical compounds of the reaction gas from the substrate material from the surface.

Затем на корпусе плазмовода устанавливают положительный потенциал, "открывая" плазмовод 1 для ионов металла. Снижают потенциал на подложке 15 до требуемой величины. Поток газометаллической плазмы, приходя на подложку, конденсируется и образует покрытие. Then, a positive potential is established on the plasma duct body, “opening” the plasma duct 1 for metal ions. Reduce the potential on the substrate 15 to the desired value. The flow of gas-metal plasma, coming to the substrate, condenses and forms a coating.

Таким образом происходит подготовка поверхности перед нанесением покрытия и формирование покрытия с диффузионным подслоем. Thus, the surface is prepared before coating and the coating is formed with a diffusion sublayer.

Сечение потока плазмы, который был получен в источнике, составляет 600 см2. При работе источника в режиме газовой плазмы при нулевом потенциале на корпусе плазмовода и использовании газа аргон были получены результаты по травлению подложки из стали 40Х (приведены в таблице 1).The plasma flow cross section that was obtained in the source is 600 cm 2 . When the source was operating in gas plasma mode at zero potential on the plasma duct body and using argon gas, etching of a 40X steel substrate was obtained (see Table 1).

Таким методом травления с использованием масок (закрытия масками части поверхности подложки) получены газодинамические канавки на рабочих поверхностях газодинамических подшипников. Using this method of etching using masks (masking part of the substrate surface), gas-dynamic grooves were obtained on the working surfaces of gas-dynamic bearings.

Для насыщения поверхности подложки реакционным газом использовался газ азот. При давлении азота 5•10-3 мм рт.ст. и напряжении на подложке 350В за 20 мин был получен азотированный слой на стали 40Х величиной в 60 мкм, а на стали Р6М5 величиной 40 мкм. При увеличении давления азота на поверхности подложки начинает образовываться слой нитридов легирующих элементов - "белый слой", который как препятствует поступлению азота внутрь подложки, так и ухудшает адгезию покрытия к подложке. Поэтому после процесса насыщения подложки азотом - азотирования проводили кратковременную ионную очистку, с целью стравить "белый слой".Nitrogen gas was used to saturate the surface of the substrate with reaction gas. At a nitrogen pressure of 5 • 10 -3 mm Hg and the voltage on the 350V substrate for 20 min, a nitrided layer was obtained on steel 40X with a size of 60 μm, and on steel P6M5 with a value of 40 μm. With increasing nitrogen pressure on the surface of the substrate, a layer of nitrides of alloying elements begins to form - the “white layer”, which both prevents the flow of nitrogen into the substrate and worsens the adhesion of the coating to the substrate. Therefore, after the process of saturation of the substrate with nitrogen — nitriding, a short-term ionic purification was performed in order to etch the “white layer”.

Ниже приведены характеристики покрытий из нитрида титана, полученные на предлагаемом устройстве. Для сравнения в табл. 2 приведены характеристики покрытий, полученные на традиционных источниках плазмы. Below are the characteristics of titanium nitride coatings obtained on the proposed device. For comparison, in table. 2 shows the characteristics of coatings obtained on traditional plasma sources.

Особенностью структуры покрытий, нанесенных с использованием патентуемого источника, является ее высокая дисперсность. Дисперсность и отсутствие макрочастиц определяют высокие прочностные свойства покрытий, в частности большую пластичность при высокой микротвердости и больших сжимающих напряжениях. Травление подложки перед нанесением покрытия обеспечивает высокую адгезию между покрытием и подложкой. Кроме того, покрытие практически беспористое. A feature of the structure of coatings applied using a patentable source is its high dispersion. Dispersion and the absence of particulate matter determine the high strength properties of the coatings, in particular the high ductility at high microhardness and high compressive stresses. Etching of the substrate before coating provides high adhesion between the coating and the substrate. In addition, the coating is almost non-porous.

На предлагаемом источнике были получены покрытия на основе алюминия типа AlN и A2 O2. Покрытия являются хорошими диэлектриками с однородной структурой без инородных включений.At the proposed source, coatings based on aluminum of the AlN and A 2 O 2 types were obtained. Coatings are good dielectrics with a uniform structure without foreign inclusions.

Кроме того, с использованием нескольких источников получены как многослойные системы типа TiN(C) - Al2O3 - TiN(C), так и композиционные покрытия типа (Zr - Al)N, (Mo-Al)N, (Zr-Mo)N. Отметим, что ни те, ни другие покрытия на традиционных источниках получить невозможно.In addition, using several sources, both multilayer systems of the type TiN (C) - Al 2 O 3 - TiN (C) and composite coatings of the type (Zr - Al) N, (Mo-Al) N, (Zr-Mo ) N. Note that neither one nor the other coatings from traditional sources can be obtained.

Нанесение покрытий на высокоточный и острозаточной инструмент, мелкоразмерный инструмент показало, что покрытие практически не изменяет геометрию инструмента и не нарушает заточку его кромок. Отметим, что наличие макрочастиц в потоках плазмы традиционных источников делает практически невозможным нанесение покрытий на такой инструмент. Coating a high-precision and sharpening tool, a small-sized tool showed that the coating practically does not change the geometry of the tool and does not violate the sharpening of its edges. Note that the presence of particulates in the plasma flows of traditional sources makes it practically impossible to coat such an instrument.

Нанесение покрытий на детали машин с высоким классом чистоты поверхности, в частности плунжера топливных насосов, позволило повысить ресурс их работы в 6 раз без ухудшения рабочих характеристик. Coating parts of machines with a high class of surface cleanliness, in particular the plunger of fuel pumps, allowed them to increase their service life by 6 times without compromising performance.

Испытание инструмента с комбинированными слоями - диффузионный слой (азотированный) + покрытие (нитрид титана) показало, что такие слои имеют износостойкость в 2-3 раза выше, чем аналогичные покрытия без диффузионного подслоя. Testing a tool with combined layers — a diffusion layer (nitrided) + a coating (titanium nitride) showed that such layers have a wear resistance of 2–3 times higher than similar coatings without a diffusion sublayer.

Покрытия, полученные на патентуемом источнике, имеют высокую антикоррозионную стойкость. После испытаний покрытий из нитрида титана в климатических камерах в среде морского воздуха и соляных растворов следов коррозии обнаружено не было. Отметим, что покрытия, полученные на традиционных источниках, имеют поры и корродируют в среде влажного воздуха. Coatings obtained on a patentable source have high corrosion resistance. After testing titanium nitride coatings in climatic chambers in the atmosphere of sea air and saline solutions, no traces of corrosion were found. Note that coatings obtained from traditional sources have pores and corrode in a humid air environment.

При использовании катода из высокопрочного графита на патентуемом источнике были получены алмазоподобные покрытия толщиной 1,2 мкм. Испытания показали высокую эффективность такой пленки для защиты поверхности деталей от внешних воздействий, в частности для защиты поверхности деталей из бериллия. When using a cathode of high-strength graphite on a patented source, diamond-like coatings with a thickness of 1.2 μm were obtained. Tests have shown the high efficiency of such a film to protect the surface of parts from external influences, in particular to protect the surface of parts from beryllium.

Таким образом? предлагаемый источник формирует поток сепарированной электродуговой газометаллической плазмы с высокой степенью ионизации металлической и газовой компоненты, имеет большую производительность и более широкие технологические возможности по сравнению с существующими электродуговыми источниками плазмы. Thus? the proposed source forms a stream of separated electric-arc gas-metal plasma with a high degree of ionization of the metal and gas components, has greater productivity and wider technological capabilities compared to existing electric-arc plasma sources.

Claims (12)

1. Способ получения электродуговой сепарированной плазмы, заключающийся в получении плазмы с помощью вакуумного электродугового разряда на холодном катоде с пропусканием ее через криволинейный плазмовод, отличающийся тем, что электродуговую плазму создают внутри криволинейного плазмовода и пропускают через нее в продольном направлении электрический ток с образованием продольного, непрерывного и равномерного по всей длине плазмовода между катодом и анодом магнитного поля и электрического поля, направленного к стенкам или от стенок плазмовода. 1. A method of obtaining an separated electric arc plasma, which consists in obtaining a plasma using a vacuum electric arc discharge on a cold cathode by passing it through a curved plasma duct, characterized in that the electric arc plasma is created inside a curved plasma duct and an electric current is passed through it in the longitudinal direction with the formation of a longitudinal continuous and uniform along the entire length of the plasma duct between the cathode and the anode of the magnetic field and the electric field directed to the walls or from the walls lasovoda. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плазмовод выполнен в виде части тороида с углом поворота
α = Arccos(2r2-R2)/R2,
где r и R - соответственно малыи и большой радиусы тороида,
а катод размещают внутри плазмовода со смещением от продольной оси плазмовода к его стенке с меньшим радиусом так, что центр рабочей поверхности катода располагается на радиусе
Figure 00000005
от центра плазмовода, при этом анод размещают на выходе из плазмовода, а рабочую поверхность катода устанавливают параллельно поперечному сечению плазмовода в месте установки катода.
2. The method according to claim 1, characterized in that the plasma duct is made in the form of a part of a toroid with an angle of rotation
α = Arccos (2r 2 -R 2 ) / R 2 ,
where r and R are respectively small and large radii of the toroid,
and the cathode is placed inside the plasma duct with an offset from the longitudinal axis of the plasma duct to its wall with a smaller radius so that the center of the working surface of the cathode is located at a radius
Figure 00000005
from the center of the plasma duct, while the anode is placed at the exit of the plasma duct, and the working surface of the cathode is set parallel to the cross section of the plasma duct at the installation site of the cathode.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический ток представляет собой электронный ток дугового разряда, используемого для генерации плазмы. 3. The method according to claim 1, characterized in that the electric current is an electronic arc current used to generate plasma. 4. Устройство для получения потока электродуговой сепарированной плазмы, содержащее холодный катод, выполненный из испаряемого материала, анод, криволинейный плазмовод, выполненный в виде части тороида, электромагнитную катушку, охватывающую плазмовод, а также источники питания корпуса плазмовода, дугового разряда и электромагнитной катушки, отличающееся тем, что тороидальный плазмовод выполнен с углом поворота
α = Arccos(2r2-R2)/R2,
где r и R - соответственно, малый и большой радиусы тороида,
катод установлен внутри плазмовода, а его рабочая поверхность параллельна поперечному сечению плазмовода в месте установки катода, смещенного от продольной оси плазмовода к его стенке с меньшим радиусом так, что центр его рабочей поверхности расположен на радиусе
Figure 00000006
от центра тороида, причем анод установлен на выходе из плазмовода.
4. A device for producing a stream of separated electric arc plasma containing a cold cathode made of vaporized material, an anode, a curved plasma duct made in the form of a part of a toroid, an electromagnetic coil enclosing the plasma duct, as well as power sources for the plasma duct body, arc discharge and electromagnetic coil, different the fact that the toroidal plasma duct is made with an angle of rotation
α = Arccos (2r 2 -R 2 ) / R 2 ,
where r and R are, respectively, the small and large radii of the toroid,
the cathode is installed inside the plasma duct, and its working surface is parallel to the cross section of the plasma duct at the installation site of the cathode, offset from the longitudinal axis of the plasma duct to its wall with a smaller radius so that the center of its working surface is located at a radius
Figure 00000006
from the center of the toroid, and the anode is installed at the exit of the plasma duct.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что рабочая поверхность катода выполнена скошенной по отношению к поперечному сечению входной части плазмовода с углом скоса
γ = Arcsin l/Ro,
где l - растояние от начала тороидальной части плазмовода до рабочей поверхности катода,
а входной фланец плазмовода, на котором закреплен катод, изолирован от корпуса плазмовода.
5. The device according to claim 4, characterized in that the working surface of the cathode is made beveled with respect to the cross section of the inlet part of the plasma duct with a bevel angle
γ = Arcsin l / Ro,
where l is the distance from the beginning of the toroidal part of the plasma duct to the working surface of the cathode,
and the inlet flange of the plasma duct, on which the cathode is mounted, is isolated from the plasma duct body.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что анод представляет собой стенки расположенной за плазмоводом вакуумной камеры или горячий кольцевой электрод, размещенный между плазмоводом и вакуумной камерой. 6. The device according to p. 4, characterized in that the anode is the wall located behind the plasma duct of the vacuum chamber or a hot ring electrode located between the plasma duct and the vacuum chamber. 7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что электромагнитная катушка намотана по плазмоводу равномерно по количеству витков на единицу длины, а источник питания корпуса плазмовода имеет положительную или отрицательную полярность. 7. The device according to claim 4, characterized in that the electromagnetic coil is wound along the plasma duct uniformly in the number of turns per unit length, and the power source of the plasma duct body has a positive or negative polarity. 8. Способ получения покрытия на подложке, проводимый посредством криволинейного плазмовода с помощью плазмы электродугового разряда, заключающийся в ионной очистке поверхности подложки, насыщении этой поверхности реакционным газом и нанесении покрытия на основе материала катода, отличающийся тем, что электродуговую плазму создают внутри криволинейного плазмовода и пропускают через нее в продольном направлении электрический ток с образованием продольного, непрерывного и равномерного по всей длине плазмовода между катодом и анодом магнитного поля и электрического поля, направленного к стенке или от стенок плазмовода, при этом ионную очистку проводят в среде инертного газа при нулевом или отрицательном потенциале на корпусе плазмовода и напряжении на подложке, расположенной со стороны выхода плазмовода, насыщение поверхности подложки проводят при указанных потенциалах в среде реакционного газа или смеси реакционного и инертного газов, а при нанесении покрытия на корпус плазмовода подают положительный потенциал. 8. The method of obtaining a coating on a substrate, carried out by means of a curved plasma duct using plasma of an electric arc discharge, which consists in ionically cleaning the surface of the substrate, saturating this surface with a reaction gas and applying a coating based on the cathode material, characterized in that the arc plasma is created inside a curved plasma duct and passed through it in the longitudinal direction, an electric current with the formation of a longitudinal, continuous and uniform along the entire length of the plasma duct between the cathode and anode m the magnetic field and the electric field directed to the wall or from the walls of the plasma duct, while ion cleaning is carried out in an inert gas at zero or negative potential on the plasma duct body and voltage on the substrate located on the outlet side of the plasma duct, the substrate surface is saturated at the indicated potentials in the environment of the reaction gas or a mixture of reaction and inert gases, and when coating is applied to the plasma duct body, a positive potential is supplied. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что плазмовод выполнен в виде части тороида с углом поворота
α = Arccos(2r2-R2)/R2,
где r и R - соответственно малый и большой радиусы тороида,
а катод размещен внутри плазмовода со смещением от продольной оси плазмовода к его стенке с меньшим радиусом так, что центр рабочей поверхности катода располагается на радиусе
Figure 00000007
от центра плазмовода, при этом анод размещают на выходе из плазмовода, а рабочую поверхность катода устанавливают параллельно поперечному сечению плазмовода в месте установки катода.
9. The method according to claim 8, characterized in that the plasma duct is made in the form of a part of a toroid with an angle of rotation
α = Arccos (2r 2 -R 2 ) / R 2 ,
where r and R are the small and large radii of the toroid, respectively
and the cathode is placed inside the plasma duct with an offset from the longitudinal axis of the plasma duct to its wall with a smaller radius so that the center of the working surface of the cathode is located at a radius
Figure 00000007
from the center of the plasma duct, while the anode is placed at the exit of the plasma duct, and the working surface of the cathode is set parallel to the cross section of the plasma duct at the installation site of the cathode.
10. Способ по п.8, отличающийся тем, что ионную очистку начинают при нулевом напряжении на подложке и постоянно поднимают его до требуемой величины. 10. The method according to claim 8, characterized in that the ion cleaning begins at zero voltage on the substrate and constantly raise it to the desired value. 11. Способ по п.8, отличающийся тем, что при насыщении подложки реакционным газом концентрацию атомов реакционного газа на поверхности подложки поддерживают не выше предела растворимости данного газа в материале подложки. 11. The method according to claim 8, characterized in that when the substrate is saturated with a reaction gas, the concentration of reaction gas atoms on the surface of the substrate is maintained no higher than the solubility limit of this gas in the substrate material. 12. Способ по п.8, отличающийся тем, что после насыщения поверхности подложки реакционным газом проводят кратковременную ионную очистку в среде инертного газа. 12. The method according to claim 8, characterized in that after saturation of the surface of the substrate with reaction gas, a short-term ionic purification is carried out in an inert gas medium.
RU99123361/09A 1997-04-04 1997-04-04 Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure RU2173911C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99123361/09A RU2173911C2 (en) 1997-04-04 1997-04-04 Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99123361/09A RU2173911C2 (en) 1997-04-04 1997-04-04 Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99123361A RU99123361A (en) 2001-07-27
RU2173911C2 true RU2173911C2 (en) 2001-09-20

Family

ID=36116229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99123361/09A RU2173911C2 (en) 1997-04-04 1997-04-04 Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2173911C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA016703B1 (en) * 2008-11-14 2012-06-29 Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси" Device for cleaning of arc evaporator plasma from uncharged micro- and macro- particles
RU2470407C2 (en) * 2006-08-03 2012-12-20 Крипсервис Сарл Method and device for surface modification
RU2656480C1 (en) * 2017-09-11 2018-06-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Device for coating deposition
CN114086104A (en) * 2021-11-21 2022-02-25 罗海蓉 Negative ion coating spraying system and spraying method thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Физика плазмы 1978 4(4), с. 425-428. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2470407C2 (en) * 2006-08-03 2012-12-20 Крипсервис Сарл Method and device for surface modification
EA016703B1 (en) * 2008-11-14 2012-06-29 Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси" Device for cleaning of arc evaporator plasma from uncharged micro- and macro- particles
RU2656480C1 (en) * 2017-09-11 2018-06-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") Device for coating deposition
CN114086104A (en) * 2021-11-21 2022-02-25 罗海蓉 Negative ion coating spraying system and spraying method thereof
CN114086104B (en) * 2021-11-21 2024-04-19 湖南兆益热喷涂材料有限公司 Negative ion coating spraying system and spraying method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6635156B1 (en) Producing electric arc plasma in a curvilinear plasmaguide and substrate coating
US7381311B2 (en) Filtered cathodic-arc plasma source
US5458754A (en) Plasma enhancement apparatus and method for physical vapor deposition
US5580429A (en) Method for the deposition and modification of thin films using a combination of vacuum arcs and plasma immersion ion implantation
US5279723A (en) Filtered cathodic arc source
EP2788522B1 (en) Filtered cathodic arc deposition apparatus and method
EP0758408B1 (en) Rectangular vacuum-arc plasma source
US20160326635A1 (en) Remote Arc Discharge Plasma Assisted Processes
US5468363A (en) Magnetic-cusp, cathodic-arc source
EP3091560A1 (en) Remote arc discharge plasma assisted system
JPH01272765A (en) Sputtering coating apparatus and method
CZ293994B6 (en) Razor blade, process for its manufacture and shaving unit
JPS6036468B2 (en) Vacuum arc plasma equipment
Coll et al. Design of vacuum arc-based sources
US20070034501A1 (en) Cathode-arc source of metal/carbon plasma with filtration
Gorokhovsky et al. Characterization of large area filtered arc deposition technology: Part I—Plasma processing parameters
Aksenov et al. Transformation of axial vacuum-arc plasma flows into radial streams and their use in coating deposition
RU2173911C2 (en) Production of electric-arc plasma in curvilinear plasma guide and application of coating on supporting structure
US20140034484A1 (en) Device for the elimination of liquid droplets from a cathodic arc plasma source
KR20010021341A (en) Arc type ion plating apparatus
Sanders et al. Magnetic enhancement of cathodic arc deposition
Zhitomirsky et al. Transport of a vacuum-arc produced plasma beam in a magnetized cylindrical duct
EP0972298A1 (en) Producing electric arc plasma in a curvilinear plasmaguide and substrate coating
Aksenov et al. Two-cathode filtered vacuum-arc plasma source
RU2039849C1 (en) Vacuum arc unit

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050405