RU2637455C1 - Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product - Google Patents

Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product Download PDF

Info

Publication number
RU2637455C1
RU2637455C1 RU2016139875A RU2016139875A RU2637455C1 RU 2637455 C1 RU2637455 C1 RU 2637455C1 RU 2016139875 A RU2016139875 A RU 2016139875A RU 2016139875 A RU2016139875 A RU 2016139875A RU 2637455 C1 RU2637455 C1 RU 2637455C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
product
pulse
plasma
coating
molybdenum
Prior art date
Application number
RU2016139875A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Аркадьевич Лисенков
Дмитрий Константинович Кострин
Мария Игоревна Пикус
Сергей Александрович Трифонов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)"
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)"
Priority to RU2016139875A priority Critical patent/RU2637455C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2637455C1 publication Critical patent/RU2637455C1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of pulse-periodic plasma coating formation with a diffusion layer of molybdenum carbide on a molybdenum product includes the generation of plasma by a continuous vacuum arc discharge and the formation of a diffusion layer in the pulse-periodic acceleration of ions from the plasma flow. The formation of the said coating on the workpiece is carried out by successive applying pulses of variable polarity voltage forming pulse currents of accelerated ions and electrons while providing heating of the product to a temperature of 700-1000 K over a time interval (te34) corresponding to the duration of the pulses of the electron current arriving at the product and the deposition of accelerated ions of the plasma flow over a time interval (ti12) corresponding to the duration of the ion current pulses delivered to the product, while setting the ratio (te34)≥ (ti12).
EFFECT: production of coatings of high quality with the achievement of a high growth rate of the formed coating and, as a result, an increase in the operational properties of the products to be processed.
3 dwg

Description

Способ импульсно-периодического плазменного формирования покрытия с диффузионным слоем на изделии из молибдена относится к области технической физики и может быть использован для формирования покрытий при импульсно-периодическом плазменном осаждении с изменением механических, химических, электрофизических свойств приповерхностных слоев материалов.The method of pulsed-periodic plasma coating formation with a diffusion layer on a molybdenum product belongs to the field of technical physics and can be used to form coatings in pulsed-periodic plasma deposition with a change in the mechanical, chemical, electrophysical properties of the surface layers of materials.

Процесс нанесения покрытия из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда включает в себя: процессы, протекающие на катоде, связанные с эмиссией из области катодного пятна электронов и испарения атомов материала катода; формирования плазменного потока и транспортировки его в рабочем объеме; осаждение заряженных и нейтральных частиц [Современные технологические процессы в производстве мощных генераторных ламп / под ред. Быстрова Ю.А. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ»: СПб, 2009. 213 с.].The process of applying a vacuum-arc discharge from a metal plasma includes: processes occurring at the cathode associated with the emission of electrons from the region of the cathode spot and the evaporation of atoms of the cathode material; formation of a plasma stream and its transportation in the working volume; deposition of charged and neutral particles [Modern technological processes in the production of powerful generator lamps / ed. Bystrova Yu.A. Publishing House of St. Petersburg Electrotechnical University "LETI": St. Petersburg, 2009. 213 p.].

В процессе осаждения из металлической плазмы вакуумно-дугового разряда определяющее значение имеет энергия конденсирующихся частиц, влияющая как на адгезию формируемого покрытия с подложкой, так и на его структуру, состав и наличие образующихся дефектов.In the process of deposition of a vacuum-arc discharge from a metal plasma, the energy of condensing particles, which affects both the adhesion of the formed coating with the substrate and its structure, composition and the formation of defects, is of decisive importance.

При попадании частиц на поверхность происходят взаимодействия, зависящие от энергии химических связей между атомами обрабатываемой поверхности; величины поверхностных электрических полей, возникающих вследствие асимметрии кристаллической решетки на поверхности; постоянных решетки и температуры подложки [Барченко В.Т., Ветров Н.З., Лисенков А.А. Технологические вакуумно-дуговые источники плазмы. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ»: СПб, 2013. 243 с.].When particles hit the surface, interactions occur that depend on the energy of chemical bonds between the atoms of the treated surface; the magnitude of the surface electric fields arising due to the asymmetry of the crystal lattice on the surface; lattice constants and substrate temperatures [Barchenko V.T., Vetrov N.Z., Lisenkov A.A. Technological vacuum arc plasma sources. Publishing House of St. Petersburg Electrotechnical University "LETI": St. Petersburg, 2013. 243 p.].

Энергию ионов Wi, попадающих на поверхность, разделяют на начальную энергию

Figure 00000001
, определяющуюся скоростью направленного движения (ϑпп≈104 м/с), и энергию, приобретенную в дебаевском слое (еξUсм), примыкающем к подложке, при условии, что на нее задан ускоряющий отрицательный потенциал (-Uсм): Wi=Wi0+|eξUсм|.The energy of the ions W i falling on the surface is divided into the initial energy
Figure 00000001
determined by the speed of directional motion (ϑ pp ≈10 4 m / s) and the energy acquired in the Debye layer (eξU cm ) adjacent to the substrate, provided that it has an accelerating negative potential (-U cm ): W i = W i0 + | eξU cm |.

Изменение ускоряющего потенциала Uсм позволяет регулировать энергию осаждающихся ионов, а следовательно, и управлять протеканием технологического процесса, переводя его из режима разогрева, распыления и модифицирования поверхностного слоя - в режим формирования покрытия.Changing the accelerating potential U cm allows you to control the energy of the deposited ions, and therefore, to control the flow of the process, transferring it from the heating, spraying and surface layer modification to the coating formation mode.

При условии, если взаимодействующие с поверхностью образца ионы обладают достаточно большой энергией, то наблюдаются процессы как ионной имплантации, когда ионы проникают вглубь кристаллической решетки и остаются в ней, полностью израсходовав свою энергию [Bystrov Yu.A., Vetrov N.Z., Lisenkov A.A. Plasmachemical Synthesis of Titanium Carbide on Copper Substrates // Technical physics Letters. 2011. Vol. 37. №8. C. 707-709], так и физического распыления поверхности, когда один или несколько атомов полностью освобождаются от внутренних связей. Коэффициент распыления (Spac), в этом случае, определяется числом нейтральных атомов, выбиваемых с поверхности одним падающим ионом.Provided that the ions interacting with the surface of the sample have a sufficiently high energy, then processes like ion implantation are observed when the ions penetrate deep into the crystal lattice and remain in it, having completely consumed their energy [Bystrov Yu.A., Vetrov NZ, Lisenkov AA Plasmachemical Synthesis of Titanium Carbide on Copper Substrates // Technical physics Letters. 2011. Vol. 37. No. 8. C. 707-709], and physical spraying of the surface when one or more atoms are completely freed from internal bonds. The sputtering coefficient (S pac ), in this case, is determined by the number of neutral atoms knocked out of the surface by a single incident ion.

В режиме осаждения, при столкновении с поверхностью, частицы отдают ей свою избыточную энергию, основная часть которой превращается в тепловую, вызывая ее разогрев, и переходят в адсорбированное состояние. При этом на поверхности подложки они обладают достаточно большой диффузионной подвижностью, что и определяет дальнейший процесс образования конденсата. Скорость роста толщины формируемого покрытия ϑp=(ma/ρ)[∂2n/(∂S⋅∂t)] связана с плотностью потока частиц (∂2n/(∂S⋅∂t)), поступающих на обрабатываемую поверхность, и зависящую от плотности ионного тока (ji), определяемого экспериментально: ∂2n/(∂S⋅∂t)=ji/(ξen).In the deposition mode, in a collision with a surface, the particles give it their excess energy, the bulk of which is converted into heat, causing it to heat up, and go into an adsorbed state. Moreover, on the surface of the substrate they have a sufficiently large diffusion mobility, which determines the further process of condensate formation. The growth rate of the thickness of the formed coating ϑ p = (m a / ρ) [∂ 2 n / (∂S⋅∂t)] is related to the particle flux density (∂ 2 n / (∂S⋅∂t)) entering the surface to be treated , and depending on the ion current density (j i ) determined experimentally: ∂ 2 n / (∂S⋅∂t) = j i / (ξen).

При формировании покрытия различают три типа сцепления: механическое - образуется из-за наличия сил Ван-дер-Ваальса; химическое - возникает с образованием на границе раздела новых фаз, и прочность ее тем выше, чем больше химическое сродство между взаимодействующими материалами покрытия и подложки; диффузное - возникает при относительно высокой температуре подложки, при которой наблюдаются процессы встречной диффузии материалов.When forming the coating, three types of adhesion are distinguished: mechanical - is formed due to the presence of Van der Waals forces; chemical - occurs with the formation of new phases at the interface, and its strength is the higher, the greater the chemical affinity between the interacting materials of the coating and the substrate; diffuse - occurs at a relatively high temperature of the substrate, at which the processes of counter diffusion of materials are observed.

Таким образом, процесс формирования покрытия из плазмы вакуумно-дугового разряда включает в себя две стадии: 1. - разогрев детали и структурное и фазовое модифицирование приповерхностного слоя; 2. - конденсация рабочего вещества из плазменного потока. Протекание каждого из процессов определяется энергией осаждающихся ионов и плотностью плазменного потока на деталь [Фролов В.Я., Лисенков А.А., Барченко В.Т. Физические основы применения низкотемпературной плазмы. Учебное пособие. Изд-во СПГПУ: СПб, 2010. 221 с.].Thus, the process of forming a coating from a vacuum-arc discharge plasma includes two stages: 1. - heating of the part and structural and phase modification of the surface layer; 2. - condensation of the working substance from the plasma stream. The course of each of the processes is determined by the energy of the deposited ions and the density of the plasma flow to the part [Frolov V.Ya., Lisenkov AA, Barchenko VT Physical basis for the use of low-temperature plasma. Tutorial. Publishing House of St. Petersburg State Pedagogical University: St. Petersburg, 2010. 221 pp.].

Наиболее близким по совокупности явлений является [Патент РФ №2238999. МПК С23С 14/48, H01J 37/317. Рябчиков А.Н., Рябчиков И.А., Степанов И.Б. Заявка 2003104995/02, 19.02.2003. Опубл. 27.10.2004], в котором предложен способ формирования покрытий путем импульсно-периодического плазменного осаждения покрытий из плазмы, генерируемой вакуумно-дуговым разрядом в стационарном режиме.The closest in the aggregate of phenomena is [RF Patent No. 2238999. IPC C23C 14/48, H01J 37/317. Ryabchikov A.N., Ryabchikov I.A., Stepanov I.B. Application 2003104995/02, 02.19.2003. Publ. 10.27.2004], in which a method of coating formation by means of a pulse-periodic plasma deposition of coatings from a plasma generated by a vacuum-arc discharge in a stationary mode is proposed.

За счет очистки и ослабления плазменного потока удается обеспечить подачу отрицательного импульсного высоковольтного напряжения (-Uсм) разной периодичности. Ионы из плазменного потока или ускоряются и осуществляют бомбардировку поверхности обрабатываемых деталей, или, при уменьшении задаваемого потенциала на детали, протекает процесс осаждения покрытия, тем самым обеспечивается регулировка соотношения доз облучения ускоренными ионами (модифицирование поверхности) и плазмой (осаждение покрытия).By cleaning and attenuating the plasma stream, it is possible to supply a negative pulse high-voltage voltage (-U cm ) of different periodicities. Ions from the plasma flow either accelerate and bombard the surface of the workpieces, or, when the specified potential decreases on the parts, the coating deposition process proceeds, thereby adjusting the dose ratio of accelerated ions (surface modification) and plasma (coating deposition).

Частоту следования импульсов ионного облучения (при любых вариантах импульсно-периодического формирования ионных потоков) выбирают из условия равенства скоростей плазменного осаждения покрытий и ионного распыления поверхности.The pulse repetition rate of ion irradiation (for any variant of pulse-periodic formation of ion fluxes) is selected from the condition of equality of the rates of plasma deposition of coatings and ion sputtering of the surface.

При этом следует отметить, что имплантация материала достигается за счет высокого отрицательного потенциала, задаваемого на обрабатываемое изделие, при условии очистки плазменного потока от капельных образований. В свою очередь очистка плазменного потока приводит к существенному его ослаблению, что снижает скорость роста формируемого покрытия.It should be noted that implantation of the material is achieved due to the high negative potential assigned to the workpiece, provided that the plasma stream is cleaned of droplets. In turn, the purification of the plasma stream leads to its significant weakening, which reduces the growth rate of the formed coating.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание покрытий высокого качества, с достижением высокой скорости роста формируемого покрытия, и, как следствие, повышение эксплуатационных свойств обрабатываемых изделий.The technical result of the claimed invention is the creation of high quality coatings, with the achievement of a high growth rate of the formed coating, and, as a result, increase the operational properties of the processed products.

Способ импульсно-периодического плазменного формирования покрытия с диффузионным слоем карбида молибдена на изделии из молибдена, включающий генерирование плазмы непрерывным вакуумно-дуговым разрядом и формирование диффузионного слоя при импульсно-периодическом ускорении ионов из плазменного потока,A method of pulse-periodic plasma coating formation with a diffusion layer of molybdenum carbide on a molybdenum product, comprising generating a plasma by a continuous vacuum-arc discharge and forming a diffusion layer during pulse-periodic acceleration of ions from a plasma stream,

отличающийся тем, что формирование упомянутого покрытия на обрабатываемом изделии осуществляют путем последовательной подачи импульсов напряжения переменной полярности, формирующих импульсные потоки ускоренных ионов и электронов, при этом обеспечивают разогрев изделия до температуры 700-1000 К за интервал времени (te34), соответствующий длительности импульсов электронного тока, поступающего на изделие, и осаждение ускоренных ионов плазменного потока за интервал времени (ti12), соответствующий длительности импульсов ионного тока, поступающего на изделие, при этом устанавливают соотношение (te34)≥(ti12).characterized in that the formation of the said coating on the workpiece is carried out by sequentially supplying voltage pulses of variable polarity, forming pulse flows of accelerated ions and electrons, while ensuring the product is heated to a temperature of 700-1000 K for a time interval (t e34 ) corresponding to the duration of the electronic pulses the current entering the product, and the deposition of accelerated ions of the plasma stream over a time interval (t i12 ), corresponding to the pulse duration of the ion current pressure on the product, while setting the ratio (t e34 ) ≥ (t i12 ).

Предлагаемое решение позволяет обеспечить:The proposed solution allows you to provide:

- протекание процессов диффузии атомов углерода в образец;- the occurrence of diffusion of carbon atoms in the sample;

- получение диффузионных слоев обрабатываемого изделия, состоящих, из слоев объемного (Ме2С) и поверхностного (МеС) карбида металла;- obtaining diffusion layers of the workpiece, consisting of layers of bulk (Me 2 C) and surface (MeC) metal carbide;

- формирование покрытия на основе углерода.- carbon based coating formation.

Изобретение поясняется графическими материалами:The invention is illustrated by graphic materials:

Фиг. 1. Конструкция вакуумно-дугового источника плазмы.FIG. 1. Design of a vacuum-arc plasma source.

Фиг. 2. Форма импульсов напряжения, задаваемых на обрабатываемое изделие в процессе формирования покрытия, во времени.FIG. 2. The shape of the voltage pulses set on the workpiece in the process of coating formation, in time.

Фиг. 3. Рентгеновская дифрактограмма карбида димолибдена (Мо2С) на молибденовой подложке (CuKα-излучение).FIG. 3. X-ray diffraction pattern of dimolybdenum carbide (Mo 2 C) on a molybdenum substrate (Cu Kα radiation).

Вакуумно-дуговое устройство, реализующее способ формирования покрытия, представлено на фиг. 1 и состоит из водоохлаждаемого цилиндрического анода 1 с магнитной системой, включающей стабилизирующий 2 и фокусирующий 3 соленоиды. На оси анода 1 расположен распыляемый цилиндрический катод 4, формирующий плазменный поток. Инициирующий электрод 5 упирается в боковую поверхность катода 4. Нерабочая поверхность катода 4 окружена экраном 6. Катод 4 крепится на фланце 7, на котором располагается ввод, обеспечивающий подачу рабочего газа через натекатель 8. Контроль рабочего давления в вакуумной камере 9 осуществляют с помощью ионизационного датчика РА.The vacuum arc device implementing the coating forming method is shown in FIG. 1 and consists of a water-cooled cylindrical anode 1 with a magnetic system, including stabilizing 2 and focusing 3 solenoids. On the axis of the anode 1 is a sprayed cylindrical cathode 4, forming a plasma stream. The initiating electrode 5 abuts against the side surface of the cathode 4. The non-working surface of the cathode 4 is surrounded by a screen 6. The cathode 4 is mounted on a flange 7, on which there is an inlet providing the supply of working gas through the leak 8. The working pressure in the vacuum chamber 9 is controlled using an ionization sensor RA.

В рабочем объеме вакуумной камеры 9 установлены обрабатываемые изделия 10, располагающиеся на планетарном механизме 11. Узлы вращения и планетарный механизм 11, закрыты экраном 12. Вращение планетарного механизма 11 осуществляется от электродвигателя 13.In the working volume of the vacuum chamber 9, workpieces 10 are installed located on the planetary mechanism 11. The rotation units and the planetary mechanism 11 are closed by a screen 12. The planetary mechanism 11 is rotated from the electric motor 13.

Вакуумная камера 9 выполняет функции анода и заземлена.The vacuum chamber 9 performs the functions of the anode and is grounded.

Коммутатор 14 обеспечивает последовательное подключение источников 15 и 16 к обрабатываемым деталям 10.The switch 14 provides a serial connection of sources 15 and 16 to the workpiece 10.

При подключении управляемого источника 15, обрабатываемые изделия 10 находятся под отрицательным потенциалом (-Uсм), и ток, протекающий в электрической цепи, обеспечивается за счет ионов (Ii - фиг. 2), поступающих из плазмы дугового разряда. Конечная энергия ионов зависит от величины установленного отрицательного потенциала - (100…500) В.When connecting a controlled source 15, the processed products 10 are at a negative potential (-U cm ), and the current flowing in the electric circuit is provided by ions (I i - Fig. 2) coming from the plasma of the arc discharge. The final energy of ions depends on the value of the established negative potential - (100 ... 500) V.

Подключение источника 16 обеспечивает подачу на детали потенциала анода, и ток, протекающий в электрической цепи, обеспечивается за счет электронов (Ie - фиг. 2), поступающих из плазменного потока.The connection of the source 16 provides the supply to the details of the potential of the anode, and the current flowing in the electric circuit is provided by electrons (I e - Fig. 2) coming from the plasma stream.

Пример реализации предлагаемого способа для нанесения покрытия на основе углерода, обладающего высокой работой выхода 4.7 эВ и спектром излучения близким к спектру абсолютно черного тела.An example of the implementation of the proposed method for coating on the basis of carbon having a high work function of 4.7 eV and a radiation spectrum close to the spectrum of a black body.

Специфика подобных покрытий такова, что в зависимости от условий и методов их получения, они существенно различаются как по составу, так и по структуре, что определяется состоянием обрабатываемой поверхности и удельной долей атомов углерода, поступающих на поверхность в единицу времени и вступающих с ней в химическое взаимодействие, что и определяет последующую конфигурацию формируемого покрытия.The specifics of such coatings are such that, depending on the conditions and methods for their preparation, they vary significantly both in composition and in structure, which is determined by the state of the surface being treated and the specific fraction of carbon atoms entering the surface per unit time and entering into chemical interaction, which determines the subsequent configuration of the formed coating.

Катод 4 выполнен из графитового мелкодисперсного порошка МПГ-6. Для обеспечения герметичности системы и достижения рабочего вакуума катод 4 через резьбовое соединение крепится к титановому водоохлаждаемому основанию.The cathode 4 is made of graphite fine powder MPG-6. To ensure the tightness of the system and achieve a working vacuum, the cathode 4 is attached to a water-cooled titanium base through a threaded connection.

После откачки вакуумной камеры 9 и достижения рабочего вакуума между расходуемым катодом 4 и анодом 1, при помощи инициирующего электрода 5, возбуждается вакуумно-дуговой разряд, существующий на интегрально-холодном катоде. Скорость перемещения катодного пятна по графитовому катоду невелика и составляет всего несколько сантиметров в минуту. При этих условиях значимую роль на процесс распыления оказывает температура катода и температура в области катодного пятна.After pumping out the vacuum chamber 9 and reaching a working vacuum between the sacrificial cathode 4 and the anode 1, using the initiating electrode 5, a vacuum-arc discharge existing on the integral-cold cathode is excited. The speed of movement of the cathode spot along the graphite cathode is low and is only a few centimeters per minute. Under these conditions, the cathode temperature and the temperature in the region of the cathode spot play a significant role in the sputtering process.

При распылении графита катодным пятном вакуумно-дугового разряда (Iраз=80 А, р=7.8⋅10-3 Па), в продуктах эрозии фиксировались как положительно заряженные ионы (С+, С++), возбужденные (С*) и нейтральные атомы (С) углерода, так и углеродные конгломераты материала и сложные частицы, образовавшиеся в результате соединения нескольких частиц.When graphite was sprayed with a cathode spot of a vacuum-arc discharge (I time = 80 A, p = 7.8 × 10 -3 Pa), erosion products were recorded as positively charged ions (C +, C ++), excited (C *) and neutral carbon atoms (C), and carbon conglomerates of the material and complex particles resulting from the combination of several particles.

Углеродные конгломераты - кластеры существуют в виде множества структурных групп, представляющих собой линейные цепи, моно- и плоские структуры. Каждая структурная группа может состоять из большого числа изомеров, отличающихся как по форме, так и по числу межатомных и оборванных связей, степени возбуждения многочисленных колебательных состояний.Carbon conglomerates - clusters exist in the form of many structural groups, which are linear chains, mono- and planar structures. Each structural group can consist of a large number of isomers, differing both in form and in the number of interatomic and dangling bonds, the degree of excitation of numerous vibrational states.

Формируемый плазменный поток выводится в рабочий объем камеры 9, где находятся обрабатываемые изделия 10. Углеродные конгломераты с температурой катодного пятна, имеют прямолинейные траектории движения. Заряженные частицы, за счет наличия внешнего магнитного поля В, движутся по силовым линиям, имея при этом сложные траектории.The formed plasma stream is discharged into the working volume of the chamber 9, where the processed products are located 10. Carbon conglomerates with a cathode spot temperature have rectilinear motion paths. Charged particles, due to the presence of an external magnetic field B, move along the lines of force, while having complex trajectories.

В момент времени t1, при подключении источника 15, на обрабатываемое изделие 10 подается отрицательный импульс (-Uсм), и в зависимости от его амплитуды, в интервале времени t1-2, за счет тока ионов (ионный ток составляет 6…10% от величины разрядного тока, поэтому можно считать, что Ii=0.08⋅Iраз), поступающих из плазмы дугового разряда, обеспечиваются условия для разогрева и распыления поверхности, или для осаждения покрытия.At time t 1 , when the source 15 is connected, a negative pulse (-U cm ) is supplied to the workpiece 10, and depending on its amplitude, in the time interval t 1-2 , due to the ion current (ion current is 6 ... 10 % of the magnitude of the discharge current, therefore, we can assume that I i = 0.08⋅I times ) coming from an arc discharge plasma, conditions are provided for heating and spraying the surface, or for coating deposition.

В момент времени (t2), при отключении источника (-Uсм), на обрабатываемой детали устанавливается величина плавающего потенциал (Uпп), зависящая от условий существования разряда, при котором потоки ионов (Ii) и электронов (Ie), поступающих на деталь 10, уравновешивают друг друга, а общий ток равен нулю: Ie+Ii=0.At time (t 2 ), when the source is turned off (-U cm ), the value of the floating potential (U pp ) is set on the workpiece, depending on the conditions for the existence of the discharge, in which the flows of ions (I i ) and electrons (I e ), arriving at part 10, balance each other, and the total current is zero: I e + I i = 0.

Источники 15 и 16 коммутируются с применением твердотельных реле, управляемых микропроцессорным устройством. Длительности импульсов ti12 (режим напыления) и te34 (режим разогрева) выбираются из условий формируемого покрытия и типа обрабатываемого изделия и составляют 5…100 мс. Установленные длительности импульсов сохраняются в энергонезависимой памяти микропроцессорного устройства управления.Sources 15 and 16 are switched using solid state relays controlled by a microprocessor device. The pulse durations t i12 (spraying mode) and t e34 (heating mode) are selected from the conditions of the formed coating and the type of workpiece and are 5 ... 100 ms. The set pulse durations are stored in the non-volatile memory of the microprocessor control device.

Для защиты от сквозного пробоя программно устанавливаются паузы t23 и t41 длительностью не менее 2…5 мс между отключением одного источника (15) и подключением другого (16). В течение данных промежутков времени деталь находится под плавающим потенциалом (Uпп).To protect against end-to-end breakdown, pauses t 23 and t 41 are set programmatically for a duration of at least 2 ... 5 ms between disconnecting one source (15) and connecting another (16). During these periods of time, the part is at a floating potential (U pp ).

В момент времени t3, при подключении источника 16, деталь приобретает потенциал анода (фиг. 2) или может находиться при более положительном значении. Электронный ток, замыкающийся в интервале времени te34, зависит от площади обрабатываемой поверхности (S), величины разрядного тока (Iраз), и достигает несколько десятков ампер, что, при указанных условиях, обеспечивает интенсивный разогрев детали и повышение ее температуры, которая за короткий промежуток времени достигает 700…1000 K.At time t 3 , when connecting the source 16, the part acquires the potential of the anode (Fig. 2) or may be at a more positive value. The electron current that closes in the time interval t e34 depends on the surface area to be treated (S), the discharge current (I times ), and reaches several tens of amperes, which, under these conditions, provides intensive heating of the part and an increase in its temperature, which a short period of time reaches 700 ... 1000 K.

Таким образом, на фоне накопления электрически нейтральных частиц на подложке, в интервал времени ti12 - отрицательный импульс, обеспечивается осаждение, ускоренных заряженных частиц плазменного потока - ионов (Ii - фиг. 2).Thus, against the background of accumulation of electrically neutral particles on the substrate, in the time interval t i12 - a negative pulse, the deposition of accelerated charged particles of the plasma stream - ions (I i - Fig. 2) is ensured.

В интервал времени te34 - обеспечивается разогрев детали электронным током (Ie - фиг. 2), и, как следствие, создаются условия для диффузии атомов углерода в подложку и протекание химических процессов образования карбидного соединения, процессам объединения элементов в единую систему и кристаллизации формируемого слоя.In the time interval t e34 -, the part is heated by electron current (I e - Fig. 2), and, as a result, conditions are created for the diffusion of carbon atoms into the substrate and the occurrence of chemical processes of the formation of a carbide compound, the processes of combining elements into a single system, and crystallization of the formed layer.

При нанесении покрытия, в первый момент времени за счет согласования процессов распыления графитового катода катодным пятном вакуумно-дугового разряда; формирования, транспортировки и выделения заряженной компоненты плазменного потока; ускорения и осаждения положительных ионов углерода на тугоплавкую основу (температура подложки варьировалась от 300 до 1000 К) при условии разогрева детали удается модифицировать поверхностный слой материала подложки (Мо, молибден).When applying the coating, at the first time due to the coordination of the sputtering of the graphite cathode with a cathode spot of a vacuum-arc discharge; the formation, transportation and separation of the charged components of the plasma stream; acceleration and deposition of positive carbon ions on a refractory base (substrate temperature ranged from 300 to 1000 K), subject to heating of the part, it is possible to modify the surface layer of the substrate material (Mo, molybdenum).

При условии равновесия поступления частиц углерода (dnC/dt) на обрабатываемую поверхность с процессом переноса вещества в глубь подложки (dnдиф/dt), для многокомпонентных систем, выгодным, оказывается сосуществование не элементов, а химических соединений. В этом случае, одновременно с насыщением поверхностного слоя углеродом (диаметры атомов углерода и молибдена соответственно равны 0.15 нм и 0.28 нм), протекает реакция образования поверхностного

Figure 00000002
карбидного соединения.Given the equilibrium of the arrival of carbon particles (dn C / dt) on the surface to be processed with the process of transferring the substance deeper into the substrate (dn diff / dt), for multicomponent systems, the coexistence of chemical compounds rather than elements turns out to be advantageous. In this case, simultaneously with the saturation of the surface layer with carbon (the diameters of the carbon and molybdenum atoms are 0.15 nm and 0.28 nm, respectively), the surface
Figure 00000002
carbide compound.

Растворимость углерода в молибдене в интервале температур 500…1100 К определяется примерно как 0.3% по массе, а при температуре выше 1770 К резко увеличивается. Поэтому дальнейшее проникновение углерода в приповерхностную область сопровождается образованием в ней объемного карбида молибдена (Мо2С - фиг. 3). Карбид обладает решеткой гексагональной структуры Bh, а из зафиксированных на дифрактограммах линий следует отметить присутствие линий: (101), (100) и (002), а также (102), (110) и (103). Толщина формируемого карбида определяется температурой подложки и энергией частиц, и составляла 2…5 мкм. При увеличении времени обработки или увеличении притока заряженных частиц углерода (dnC/dt>dдиф/dt) на поверхности подложки формируется слой углеродного покрытия.The solubility of carbon in molybdenum in the temperature range 500 ... 1100 K is determined to be approximately 0.3% by mass, and at a temperature above 1770 K it increases sharply. Therefore, the further penetration of carbon into the surface region is accompanied by the formation of bulk molybdenum carbide in it (Mo 2 C - Fig. 3). Carbide has a lattice of the hexagonal structure Bh, and from the lines recorded on the diffractograms, the presence of the lines: (101), (100) and (002), as well as (102), (110) and (103), should be noted. The thickness of the formed carbide is determined by the temperature of the substrate and the energy of the particles, and amounted to 2 ... 5 microns. By increasing the processing time or increasing the inflow of charged carbon particles (dn C / dt> d dif / dt) is formed on the substrate surface of the carbon coating layer.

Во всех случаях структура пленки обусловлена спецификой химической реакции, ее эндо- и экзотермичностью, конечными возбужденными состояниями металла и продуктов реакции, адсорбцией и устойчивостью продуктов распада.In all cases, the film structure is determined by the specificity of the chemical reaction, its endo- and exothermicity, the final excited states of the metal and reaction products, the adsorption and stability of the decomposition products.

Данный способ формирования покрытий с использованием импульсно-периодического плазменного осаждения заряженных частиц был применен для получения антиэмиссионного покрытия сеточных электродов мощных генераторных ламп с уровнем выходной мощности, превышающей сотни киловатт.This method of coating formation using a periodic repetitively pulsed plasma deposition of charged particles was used to obtain anti-emission coating of grid electrodes of powerful generator lamps with an output power level exceeding hundreds of kilowatts.

Claims (1)

Способ импульсно-периодического плазменного формирования покрытия с диффузионным слоем карбида молибдена на изделии из молибдена, включающий генерирование плазмы непрерывным вакуумно-дуговым разрядом и формирование диффузионного слоя при импульсно-периодическом ускорении ионов из плазменного потока, отличающийся тем, что формирование упомянутого покрытия на обрабатываемом изделии осуществляют путем последовательной подачи импульсов напряжения переменной полярности, формирующих импульсные потоки ускоренных ионов и электронов, при этом обеспечивают разогрев изделия до температуры 700-1000 K за интервал времени (te34), соответствующий длительности импульсов электронного тока, поступающего на изделие, и осаждение ускоренных ионов плазменного потока за интервал времени (ti12), соответствующий длительности импульсов ионного тока, поступающего на изделие, при этом устанавливают соотношение (te34)≥(ti12).The method of pulse-periodic plasma coating formation with a diffusion layer of molybdenum carbide on a molybdenum product, comprising generating a plasma by a continuous vacuum-arc discharge and forming a diffusion layer during pulse-periodic acceleration of ions from a plasma stream, characterized in that the formation of said coating on the workpiece is carried out by sequentially supplying voltage pulses of variable polarity, forming pulse flows of accelerated ions and electrons, When this product to provide a heating temperature of 700-1000 K for the time interval (t e34), corresponding to the electron current pulse duration supplied to the product and the precipitation of accelerated ions of the plasma stream over a time interval (t i12), corresponding to the duration of the ion current pulses coming on the product, while setting the ratio (t e34 ) ≥ (t i12 ).
RU2016139875A 2016-10-10 2016-10-10 Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product RU2637455C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016139875A RU2637455C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016139875A RU2637455C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2637455C1 true RU2637455C1 (en) 2017-12-04

Family

ID=60581226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016139875A RU2637455C1 (en) 2016-10-10 2016-10-10 Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2637455C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716694C1 (en) * 2019-05-24 2020-03-13 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Device for production of powder containing molybdenum carbide

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2113538C1 (en) * 1996-07-09 1998-06-20 Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization
RU2238999C1 (en) * 2003-02-19 2004-10-27 Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете" Method of pulse-periodic implantation of ions and plasma precipitation of coatings
RU2316613C1 (en) * 2006-04-19 2008-02-10 Институт сильноточной электроники СО РАН Zinc oxide films deposition method
DE102008021912A1 (en) * 2008-05-01 2009-11-05 Cemecon Ag Pretreating and/or coating bodies with high power impulse magnetron sputtering-power supplies in metallic coating chamber, comprises synchronizing pulses of power supplies to each other, and producing gas- and metal ions by power supplies
RU2382116C2 (en) * 2008-03-31 2010-02-20 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Method of depositing amorphous hydrocarbon coatings

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2113538C1 (en) * 1996-07-09 1998-06-20 Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization
RU2238999C1 (en) * 2003-02-19 2004-10-27 Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете" Method of pulse-periodic implantation of ions and plasma precipitation of coatings
RU2316613C1 (en) * 2006-04-19 2008-02-10 Институт сильноточной электроники СО РАН Zinc oxide films deposition method
RU2382116C2 (en) * 2008-03-31 2010-02-20 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Method of depositing amorphous hydrocarbon coatings
DE102008021912A1 (en) * 2008-05-01 2009-11-05 Cemecon Ag Pretreating and/or coating bodies with high power impulse magnetron sputtering-power supplies in metallic coating chamber, comprises synchronizing pulses of power supplies to each other, and producing gas- and metal ions by power supplies

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716694C1 (en) * 2019-05-24 2020-03-13 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Device for production of powder containing molybdenum carbide

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2846177C (en) Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment
US10056237B2 (en) Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment
CA2867451C (en) Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment
JP6101238B2 (en) Coating apparatus for coating a substrate and method for coating a substrate
CA2928389A1 (en) Remote arc discharge plasma assisted processes
EP3091560A1 (en) Remote arc discharge plasma assisted system
WO1999014390A2 (en) Method for sputter coating surfaces
RU2632210C2 (en) Method of reactive spray
RU2637455C1 (en) Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product
CN104004997A (en) Cylindrical evaporation source
JP2018040057A (en) Method for depositing layer using magnetron sputtering device
RU2238999C1 (en) Method of pulse-periodic implantation of ions and plasma precipitation of coatings
Tochitsky et al. Electrical erosion pulsed plasma accelerators for preparing diamond-like carbon coatings
RU2395620C1 (en) Procedure for fabrication of coating and facility for implementation of this procedure
JP2008280579A (en) Electron-beam sputtering device
RU2339735C1 (en) Method for film coating
RU2478141C2 (en) Modification method of material surface by plasma treatment
RU2463382C2 (en) Method and device to produce multilayer composite nanostructured coatings and materials
Zhukeshov et al. The vacuum system for technological unit development and design
RU2658623C1 (en) Device for synthesis of coatings on dielectric products
JP2012092380A (en) Vacuum arc deposition method
DE102008060838A1 (en) Coating substrates, comprises generating plasma with positively charged ion that is accelerated on substrate by negative bias potential, and reducing and/or compensating positive loading of substrate by irradiating substrate with electron
McLain Linear magnetron high deposition rate magnet pack for high power impulse magnetron sputtering
PL239275B1 (en) Method of applying to the substrate ultrathin functional coatings with increased physical and chemical resistance by magnetronic method and substrates with functional coatings obtained by this method
RU2599587C1 (en) Device for application of diffusion coatings