RU2272088C1

RU2272088C1 - Method of the vacuum-ionic-plasmic deposition of the multilayered composites, containing the complex carbides

Info

Publication number: RU2272088C1
Application number: RU2004121288/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Будилов (RU); Владимир Васильевич Будилов; Семен Романович Шехтман (RU); Семен Романович Шехтман; Надежда Александровна Сухова (RU); Надежда Александровна Сухова
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-03-20
Also published as: RU2004121288A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; electronic industry; optical industry; other industries; methods of spraying of the vacuum-plasma coatings.

SUBSTANCE: the invention pertaining to the field of mechanical engineering and may be used for a spraying of the vacuum-plasma coatings in electron, optical and other industries. The method provides for deposition of the multilayered composites containing the complex carbides. Deposition of the layers with the width less than 100 nanometers is conducted out of plasma generated by the electric arc evaporators arranged in the vacuum chamber. The deposition of the layers is conducted in the additional ionic bombardment by ions of argon using the electric arc evaporators containing cathodes made out of titanium and black lead alloyed by silicon. The cathodes are placed on the side surface of the vacuum chamber at an angle of 120°C to each other. In the process of deposition of the layers the working tool with the fixed on it the treated details is uniformly rotating around its axis with the a simultaneous rotation around the axis of the support. The technical result of the invention is an increase of the operational properties of the details, such as the corrosion resistance and the microhardness of the details surfaces.

EFFECT: the invention ensures an increase of the details operational properties - the corrosion resistance and the microhardness of the details surfaces.

1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для напыления вакуумно-плазменных покрытий в электронной, оптической и других отраслях промышленности.The invention relates to mechanical engineering and can be used for spraying vacuum-plasma coatings in the electronic, optical and other industries.

Известен способ создания пленки алмазоподобного углерода на подложке (Патент РФ №2205894, С 23 С 16/26, 11.06.1998), включающий воздействие на подложку среды газообразного углеводорода и генерирование плазмы в упомянутой среде, по которому используют плазму с плотностью электронов, превышающей 5×10¹⁰ на 1 см³ и толщиной оболочки меньшей 2 мм при условии высокой плотности тока ионов и бомбардировки ионами управляемой низкой энергии, при этом выбирают значение плотности ионного тока более 20 А/м² и напряжения смещения на подложке - в диапазоне от 100 до 1000 В.A known method of creating a film of diamond-like carbon on a substrate (RF Patent No. 2205894, C 23 C 16/26, 06/11/1998), comprising exposing the substrate to a gaseous hydrocarbon medium and generating a plasma in said medium, using a plasma with an electron density exceeding 5 × 10 ¹⁰ per 1 cm ³ and a shell thickness of less ^than 2 mm under the condition of a high ion current density and bombardment by controlled low-energy ions, the ion current density of more than 20 A / m ² and bias voltage on the substrate in the range from 100 to 1000 V.

Известен способ ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку в вакуумированной среде инертного газа (Заявка №2000109697/02, С 23 С 14/02, 14/46 20.04.2000), включающий очистку поверхности подложки ионным потоком за счет создания разности электрических потенциалов между подложкой и катодом, нанесения покрытия при заданной выдержке после снижения разности потенциалов между ними с последующим повышением разности потенциалов с целью отжига покрытия, по которой при очистке поверхности подложки ионный поток и поток испаряющегося материала от катода к подложке экранируют, очищают поверхность подложки ионами инертного газа, а нанесение покрытия с последующим отжигом осуществляют неоднократно до получения слоя требуемой толщины.A known method of ion-plasma coating on a substrate in a vacuum inert gas medium (Application No. 2000109697/02, C 23 C 14/02, 14/46 04/20/2000), including cleaning the surface of the substrate with an ion stream by creating a difference in electric potentials between the substrate and the cathode, coating at a given exposure after reducing the potential difference between them, followed by increasing the potential difference in order to anneal the coating, according to which, when cleaning the surface of the substrate, the ion flow and the flow of evaporating material from the cathode to dlozhke shield purified surface of the substrate by ions of an inert gas, and coating with subsequent annealing is carried out repeatedly until a desired layer thickness.

Общим недостатком аналогов является сложность оборудования, сложность проведения технологического процесса, низкая адгезионная прочность.A common disadvantage of analogues is the complexity of the equipment, the complexity of the process, low adhesive strength.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ вакуумного ионно-плазменного получения многослойных композитов, содержащих сложные карбиды, (US 5700551 А, МПК 7 С 22 С 14/06, 23.12.1997), включающий осаждение слоев толщиной менее 100 нм из плазмы, генерируемой электродуговым испарителями.The closest in technical essence to the claimed is a method of vacuum ion-plasma production of multilayer composites containing complex carbides (US 5700551 A, IPC 7 C 22 C 14/06, 12/23/1997), including the deposition of layers with a thickness of less than 100 nm from plasma, generated by electric arc evaporators.

Недостатками прототипа являются сложность реализации технологического процесса.The disadvantages of the prototype are the complexity of the process.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эксплуатационных свойств деталей за счет образования в поверхностном слое карбидов и карбосилицидов титана по предлагаемой вакуумной ионно-плазменной технологии осаждения многослойных покрытий системы Ti-C-Si в условиях дополнительной бомбардировки ионами инертного газа.The problem to which the invention is directed, is to increase the operational properties of parts due to the formation of titanium carbides and carbosilicides in the surface layer according to the proposed vacuum ion-plasma technology of deposition of multilayer coatings of the Ti-C-Si system under conditions of additional bombardment with inert gas ions.

Задача решается тем, что в предлагаемом способе вакуумного ионно-плазменного нанесения многослойных покрытий в отличие от прототипа осаждение покрытий осуществляют из плазмы, генерируемой электродуговыми испарителями, с катодами из титана и графита, легированного кремнием в условиях дополнительной бомбардировки ионами инертного газа, при толщине чередующихся слоев менее 100 нм, вследствие чего создают условия для формирования многослойного композита, содержащего карбиды и карбосилициды титана.The problem is solved in that in the proposed method of vacuum ion-plasma deposition of multilayer coatings, in contrast to the prototype, the deposition of coatings is carried out from plasma generated by electric arc evaporators, with cathodes made of titanium and graphite doped with silicon under conditions of additional bombardment with inert gas ions, with the thickness of alternating layers less than 100 nm, which creates the conditions for the formation of a multilayer composite containing titanium carbides and carbosilicides.

Осаждение многослойного композита по предлагаемой технологии осуществлялось на модернизированной установке ННВ 6,6-И1, предусматривающей совмещение дугового разряда с плазменным источником «ПИНК» и позволяющей в одном вакуумном цикле проводить предварительную ионную очистку поверхности подложек и нанесение многослойных покрытий.The multilayer composite according to the proposed technology was deposited on the modernized NNV 6.6-I1 installation, which provided for combining an arc discharge with a PINK plasma source and allowing preliminary ion cleaning of the substrate surface and multilayer coatings in one vacuum cycle.

Сущность способа поясняется чертежом.The essence of the method is illustrated in the drawing.

На чертеже изображена схема установки для реализации способа вакуумного ионно-плазменного нанесения многослойных покрытий системы Ti-C-Si. Установка содержит вакуумную камеру 1, в которой расположены стол 2, охлаждаемые катоды, выполненные из титана и графита, легированного кремнием, соответственно 3, анод 4, электродуговые испарители 5 с катодами из напыляемого материала, приспособление для крепления образцов 6 и плазменный источник «ПИНК» 7.The drawing shows a diagram of an installation for implementing the method of vacuum ion-plasma deposition of multilayer coatings of the Ti-C-Si system. The installation contains a vacuum chamber 1, in which there is a table 2, cooled cathodes made of titanium and graphite doped with silicon, respectively 3, anode 4, electric arc evaporators 5 with cathodes from the sprayed material, a device for attaching samples 6 and a plasma source “PINK” 7.

Пример конкретной реализации способа.An example of a specific implementation of the method.

Способ вакуумного ионно-плазменного нанесения многослойных композитов включал следующие этапы: предварительную подготовку поверхности, предварительную очистку поверхности источником «ПИНК»; активацию; нанесение многослойного покрытия на основе композиции Ti-C-Si в условиях дополнительной бомбардировки ионами аргона.The method of vacuum ion-plasma deposition of multilayer composites included the following steps: preliminary surface preparation, preliminary surface cleaning with a PINK source; activation; applying a multilayer coating based on the Ti-C-Si composition under conditions of additional bombardment by argon ions.

Травление поверхности образцов с целью ее очистки проводилось бомбардировкой ионами аргона при давлении 10^-1 Па при отрицательном смещении (1100В) на образцах. Такой режим аргонного травления позволил избежать внедрения ионов металлической плазмы на стадии предварительной очистки, исключить привязывание микродуг к поверхности, снизить температуру предварительного нагрева.Etching of the surface of the samples with the aim of cleaning it was carried out by bombardment with argon ions at a pressure of 10 ^-1 Pa at a negative bias (1100V) on the samples. This mode of argon etching made it possible to avoid the introduction of metal plasma ions at the pre-treatment stage, to exclude the attachment of microarcs to the surface, and to reduce the pre-heating temperature.

Нанесение многослойных покрытий происходило в процессе последовательного осаждения слоев из плазмы, генерируемой электродуговыми испарителями, с катодами из титана и графита, легированного кремнием, расположенными на боковой поверхности цилиндрической камеры под углом 120°С друг к другу. Осаждение покрытий осуществлялось при одновременном воздействии плазменного источника «ПИНК». В процессе осаждения покрытий приспособление с закрепленными на нем обрабатываемыми деталями равномерно вращается вокруг своей оси, одновременно осуществляя вращение вокруг оси стола, благодаря чему обеспечивалась равномерность распределения толщины формируемых покрытий.The multilayer coatings were applied in the process of sequential deposition of layers from a plasma generated by electric arc evaporators with cathodes made of titanium and graphite doped with silicon located on the side surface of a cylindrical chamber at an angle of 120 ° С to each other. The deposition of coatings was carried out under the simultaneous action of the PINK plasma source. In the process of coating deposition, the device with the workpieces fixed on it rotates uniformly around its axis, while simultaneously rotating around the table axis, which ensures uniform distribution of the thickness of the formed coatings.

Осаждение многослойного вакуумного ионно-плазменного композита системы Ti-C-Si проводилось по следующим режимам: давление в камере 0,266 Па, потенциал на подложке 200 В, токе дуги для графитового катода 50 А, для титанового - 120 А. Время осаждения покрытия составляло 60 минут.The Ti-C-Si system multilayer vacuum ion-plasma composite was deposited according to the following modes: chamber pressure 0.266 Pa, potential on the substrate 200 V, arc current for the graphite cathode 50 A, for titanium - 120 A. Coating deposition time was 60 minutes .

Нанесение покрытий производилось с одновременной бомбардировкой ионами аргона. Полученное покрытие состояло из фаз Ti, С, Si, SiC, TiC, TiC₂, Ti₂C, Ti₆₆С Ti₃SiC₂, Ti₅Si₃C и обеспечивало повышение коррозионной стойкости на 15-20%. и микротвердости поверхности на 60-65%.Coating was carried out with simultaneous bombardment by argon ions. The resulting coating consisted of the phases Ti, C, Si, SiC, TiC, TiC ₂ , Ti ₂ C, Ti ₆₆ C Ti ₃ SiC ₂ , Ti ₅ Si ₃ C and provided an increase in corrosion resistance by 15-20%. and surface microhardness by 60-65%.

Таким образом, заявляемое изобретение позволило впервые осуществить синтез многослойного композита с толщиной слоев менее 100 нм, содержащего в своем составе карбид кремния до 20%, карбосилицид титана до 7% и обеспечивающего высокие эксплуатационные свойства поверхностей деталей.Thus, the claimed invention allowed for the first time to synthesize a multilayer composite with a layer thickness of less than 100 nm, containing silicon carbide up to 20%, titanium carbosilicide up to 7% and providing high performance properties of the surfaces of the parts.

Claims

The method of vacuum ion-plasma deposition of multilayer composites containing complex carbides, including the deposition of layers with a thickness of less than 100 nm from plasma generated by electric arc evaporators located in a vacuum chamber, characterized in that the deposition of layers is carried out under conditions of additional ion bombardment with argon ions using electric arc evaporators containing cathodes of titanium and graphite doped with silicon, while the cathodes are placed on the side surface of the vacuum chamber at an angle of 120 From each other, and during the deposition of layers of the device with a workpiece fixed thereon is rotated uniformly about its axis with a simultaneous rotation about the axis of the table.