RU2708489C1

RU2708489C1 - Method for deposition of cadmium coating by precision vacuum spraying on part surface

Info

Publication number: RU2708489C1
Application number: RU2018102490A
Authority: RU
Inventors: Александр Львович Дмитриев; Илья Александрович Попов; Александр Сергеевич Синяков; Андрей Павлович Бесхмельницин; Николай Викентьевич Климин; Владимир Николаевич Макаров; Сергей Викторович Данилов; Сергей Авдеевич Статин; Артем Александрович Демченко; Марат Равильевич Валитов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2019-12-09

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to vacuum engineering, particularly, to vacuum spraying of coating on parts surface. Method of depositing a cadmium coating by precision vacuum sputtering on the surface of a part which is symmetrical about its own axis involves, by electron bombardment, heating the monolithic multi-crucible evaporator of cadmium and preheating the part to operating temperature, spraying the cadmium coating, at which the part is continuously rotated about its own axis, prior to evaporation of the sputtered cadmium from the crucibles, wherein arrangement of the crucibles in the evaporator and their filling with sputtered cadmium is carried out depending on the required distribution of the coating thickness on the sprayed surface of the part. Distance from evaporator to sprayed surface is equal to distance L between crucibles, defined by expression L = 1.2×D, where D is crucible diameter.

EFFECT: application of cadmium coating with controlled thickness by sectors of part ensuring high quality of sputtered layer on surface of critical part with minimum pollution of environment with cadmium in comparison with other methods.

1 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к вакуумному напылению деталей, и направлено на повышение точности получения толщины покрытия заданной геометрии на поверхности деталей симметричной формы. Изобретение может быть эффективно использовано в машиностроении, приборостроении, электронной промышленности, где предъявляются повышенные требования к деталям ответственного назначения.The invention relates to vacuum technology, in particular to vacuum spraying of parts, and is aimed at improving the accuracy of obtaining the coating thickness of a given geometry on the surface of parts of a symmetrical shape. The invention can be effectively used in mechanical engineering, instrumentation, and the electronics industry, where increased requirements are placed on parts for critical purposes.

Известен способ вакуумного напыления пленок и устройство для его осуществления (патент РФ №2190036, МПК⁷ С23С 14/30, публикация 27.09.2002), включающий формирование электронного пучка, испарение материала мишени электронным пучком и его осаждение на подложку, дополнительный нагрев материала мишени направленным тепловым излучением. Изобретение позволяет повысить качество напыления за счет снижения расхода испаряемого материала и увеличения скорости испарения. Недостатком способа является применение дорогостоящего оборудования и отсутствие управляемости для получения разнотолщинного покрытия.A known method of vacuum deposition of films and a device for its implementation (RF patent No. 2190036, IPC ⁷ C23C 14/30, publication September 27, 2002), including the formation of an electron beam, the evaporation of target material by an electron beam and its deposition on a substrate, additional heating of the target material with directed thermal radiation. The invention improves the quality of the spraying by reducing the consumption of evaporated material and increasing the evaporation rate. The disadvantage of this method is the use of expensive equipment and the lack of controllability to obtain a different thickness coating.

Существует метод гальванического цианистого кадмирования (держатель подлинника методики - завод «Авангард»), имеющий ряд недостатков:There is a method of galvanic cyanide cadmium (the holder of the original methodology is the Avangard plant), which has a number of disadvantages:

- необходимость выполнения специальных требований по организации рабочего места при работе с цианистым электролитом кадмирования;- the need to fulfill special requirements for the organization of the workplace when working with cadmium cyanide electrolyte cadmium;

- невозможность визуального контроля за процессом получения покрытия;- the impossibility of visual control over the process of obtaining coverage;

- вероятность получения пористого покрытия на границе электролит-воздух;- the probability of obtaining a porous coating at the electrolyte-air interface;

- значительная погрешность толщины кадмиевого покрытия.- significant error in the thickness of the cadmium coating.

Известен способ электронно-лучевого напыления слоя кадмия с заданным профилем на внутренней поверхности сферической оболочки, (О.В. Щедрин, Б.А. Власов «Нанесение разнотолщинной кадмиевой облицовки на внутреннюю сферическую поверхность оболочки методом электронно-лучевого напыления в вакууме» Препринт ВНИИЭФ-М.: ЦНИИатоминформ, 1992). Процесс включает: выбор геометрии расположения вкладыша относительно тигля с кадмием; отработку технологии электронно-лучевого напыления; отработку методики контроля толщины слоя кадмия на вкладыше; определение адгезионных свойств. К преимуществам электронно-лучевого метода нанесения покрытий относят возможность работы с изделиями из разнообразных материалов, высокую производительность и относительно небольшую трудоемкость. К недостаткам метода относят излишне сложное оборудование (электроннолучевая установка) и загрязнение установки парами кадмия, что делает неприемлемым использование метода в условиях серийного производства.A known method of electron beam sputtering of a cadmium layer with a given profile on the inner surface of a spherical shell, (O. V. Shchedrin, B. A. Vlasov "Application of different thickness cadmium cladding on the inner spherical surface of the shell by electron beam spraying in vacuum" Preprint VNIIEF- M .: TsNIIatominform, 1992). The process includes: choosing the geometry of the location of the liner relative to the crucible with cadmium; development of technology of electron beam spraying; development of methods for controlling the thickness of the cadmium layer on the liner; determination of adhesive properties. The advantages of the electron beam coating method include the ability to work with products from a variety of materials, high productivity and relatively low labor intensity. The disadvantages of the method include overly complex equipment (electron beam installation) and contamination of the installation with cadmium vapor, which makes it unacceptable to use the method in a batch production environment.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ изготовления слоя металла (RU 2190037 С2, МПК С23С 14/34 (2000.01) опубликовано 27.09.2002), заключающийся в том, что для получения слоя с требуемой плотностью по толщине вращение подложки осуществляют так, чтобы угол падения паров металла на подложку менялся в пределах от 0 до π/2 в произвольной точке поверхности. Вращательное движение плоских или цилиндрических поверхностей при этом осуществляют с периодическими колебаниями относительно оси, направленной перпендикулярно направлению потока пара. Перемещение подложки сферической формы осуществляют в виде планетарного вращения вокруг неподвижного центра сферы. Данный способ требует сложного технического оснащения в виде управляемых осей вращения и планетарных механизмов. Для получения требуемых свойств покрытия требуются многочисленные экспериментальные данные, зависящие от углов наклона поверхности к направлению потока пара.The closest analogue of the claimed invention is a method of manufacturing a metal layer (RU 2190037 C2, IPC C23C 14/34 (2000.01) published 09/27/2002), which consists in the fact that to obtain a layer with the desired density in thickness, the substrate is rotated so that the angle of incidence metal vapor on the substrate varied from 0 to π / 2 at an arbitrary point on the surface. The rotational movement of flat or cylindrical surfaces in this case is carried out with periodic oscillations about an axis directed perpendicular to the direction of steam flow. The movement of the substrate of a spherical shape is carried out in the form of planetary rotation around the fixed center of the sphere. This method requires complex technical equipment in the form of controlled axes of rotation and planetary mechanisms. To obtain the required properties of the coating, numerous experimental data are required, depending on the angles of inclination of the surface to the direction of vapor flow.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, и которая не могла быть решена при использовании аналогов изобретения, является разработка способа нанесения кадмиевого покрытия с управляемой контролируемой толщиной и плотностью по секторам детали. Основными требованиями, которые предъявляются к прецизионному покрытию, являются получение покрытия без отслоений, обеспечение требований по распределению толщины и плотности в заданных секторах поверхности детали с плавным переходом толщины от одного сектора в другой.A technical problem, the solution of which is ensured by the implementation of the claimed invention, and which could not be solved using analogues of the invention, is the development of a method for applying a cadmium coating with a controlled controlled thickness and density over the sectors of the part. The main requirements that apply to precision coating are to obtain a coating without delamination, to provide requirements for the distribution of thickness and density in predetermined sectors of the surface of the part with a smooth transition of thickness from one sector to another.

Одновременно способ обеспечивает наименьшее загрязнение окружающей среды кадмием по сравнению с другими способами нанесения.At the same time, the method provides the lowest environmental pollution with cadmium compared to other application methods.

Обозначенную проблему решают способом вакуумного напыления с использованием вакуумной камеры, вращателя, источника питания нагрева детали и испарителя. Для достижения требуемого распределения толщины покрытия по секторам применяют монолитный многотигельный испаритель.This problem is solved by the method of vacuum deposition using a vacuum chamber, a rotator, a power source for heating the part and an evaporator. To achieve the desired distribution of coating thickness across sectors, a monolithic multi-crucible evaporator is used.

Процесс происходит при непрерывном перемещении детали. Сначала деталь нагревают для очистки и активирования напыляемой поверхности, затем температуру снижают до значений, при которых происходит конденсация паров испаряемого металла. Одновременно осуществляется нагрев испарителя до температуры испарения. Процесс перемещения детали относительно испарителя продолжают таким образом, чтобы расстояние напыляемой поверхности от источников пара было неизменным. Нанесение покрытия на тела вращения, такие, как цилиндр, конус, сфера осуществляют при их вращении вокруг собственной оси. Распределение толщины покрытия по заданной геометрии достигают расположением тиглей в испарителе и дозировкой испаряемого металла в тиглях. По мере обезгаживания испаряемого металла в тиглях температуру испарителя увеличивают, не превышая температуру кипения с целью исключения точечных выбросов на напыляемую поверхность. Требуемые размеры покрытия получают по достижению полного испарения напыляемого материала из тиглей путем выдержки по времени.The process occurs with continuous movement of the part. First, the part is heated to clean and activate the sprayed surface, then the temperature is reduced to the values at which the vaporization of the vaporized metal occurs. At the same time, the evaporator is heated to the evaporation temperature. The process of moving the part relative to the evaporator is continued so that the distance of the sprayed surface from the steam sources is constant. The coating of bodies of revolution, such as a cylinder, cone, sphere, is carried out during their rotation around its own axis. The distribution of the coating thickness according to a given geometry is achieved by the location of the crucibles in the evaporator and the dosage of the evaporated metal in the crucibles. As the vaporized metal is degassed in the crucibles, the temperature of the evaporator is increased, not exceeding the boiling point in order to exclude point emissions to the sprayed surface. The required dimensions of the coating are obtained by achieving complete evaporation of the sprayed material from the crucibles by exposure to time.

Пример реализации способа нанесения кадмиевого покрытия на внутреннюю поверхность стальной сферической детали.An example implementation of the method of applying a cadmium coating on the inner surface of a steel spherical part.

Для обеспечения проведения эксперимента и организации рабочего места было предложено использовать имеющуюся в производстве экспериментальную установку Ж52А 3452.To ensure the experiment and the organization of the workplace, it was proposed to use the experimental installation Zh52A 3452 available in production.

Установка была оснащена электронными нагревателями, многотигельным испарителем, системой закрепления детали и ее вращения под заданным углом к горизонту.The installation was equipped with electronic heaters, a multi-core evaporator, a system for fixing the part and its rotation at a given angle to the horizon.

В связи с тем, что требуемая мощность нагрева для достижения температуры устойчивого испарения кадмия невелика и составляет не более 50 Вт., данную величину мощности обеспечивали и поддерживали с высокой стабильностью электронной бомбардировкой. В качестве материала испарителя выбран молибден, обладающий преимуществами: высокими теплопроводностью и термостойкостью; отсутствием взаимодействия с кадмием; возможностью изготовления многотигельного подогревателя с одним источником нагрева; более высокой эрозионной стойкостью при электронной бомбардировке и, следовательно, ресурсом работы.Due to the fact that the required heating power to achieve the temperature of stable evaporation of cadmium is small and is not more than 50 watts, this power value was provided and maintained with high stability by electronic bombardment. As the material of the evaporator, molybdenum is selected, which has the following advantages: high heat conductivity and heat resistance; lack of interaction with cadmium; the possibility of manufacturing a multi-crucible heater with one heating source; higher erosion resistance during electronic bombardment and, therefore, a resource of work.

В качестве метода нагрева детали использовалась электронная бомбардировка, так как осуществлять нагрев перемещающейся детали в вакууме с непосредственным контролем мощности другими способами невозможно. По сравнению с другими известными методами, например, резистивным, радиационным или нагревом током высокой частоты, она проще реализуется, обладает более высокой стабильностью, легче в управлении. Нагрев сферической детали осуществлялся снаружи.An electronic bombardment was used as a method of heating a part, since it is impossible to heat a moving part in vacuum with direct power control in other ways. Compared with other known methods, for example, resistive, radiation, or heating with a high-frequency current, it is easier to implement, has higher stability, and is easier to control. The heating of the spherical part was carried out outside.

Реализованным способом было предусмотрено, что распределение толщины покрытия по секторам будет обеспечено несколькими тиглями - испарителями кадмия. Причем, одновременно процесс испарения идет из нескольких тиглей. Для равномерного распределения покрытия по периметру детали осуществлялось ее вращение. Расположение тиглей было равноудаленным от напыляемой сферической поверхности.The implemented method provided that the distribution of the coating thickness by sectors would be ensured by several crucibles - cadmium vaporizers. Moreover, at the same time the evaporation process comes from several crucibles. For uniform distribution of the coating around the perimeter of the part, its rotation was carried out. The position of the crucibles was equidistant from the sprayed spherical surface.

На приведенной ниже схеме представлена форма одного испарителя кадмия для многотигельной конструкции.The diagram below shows the shape of a single cadmium vaporizer for a multi-crucible design.

Представленная конструкция тигля в испарителе отличается наличием верхней и нижней молибденовых пластин корпуса. В верхней пластине выполнено сопло для ограничения распространения паров кадмия и направления их преимущественно на подложку. Отверстие сопла выполнено меньше диаметра камеры тигля с целью управления процессом образования пара и направлением его потока. Расстояние от испарителя до напыляемой поверхности устанавливают по их соотношению: H=L,The presented design of the crucible in the evaporator is characterized by the presence of upper and lower molybdenum plates of the body. A nozzle is made in the upper plate to limit the distribution of cadmium vapor and direct them mainly onto the substrate. The nozzle opening is made smaller than the diameter of the crucible chamber in order to control the process of steam formation and the direction of its flow. The distance from the evaporator to the sprayed surface is determined by their ratio: H = L,

где L - расстояние между тиглями; L=1,2×D;where L is the distance between the crucibles; L = 1.2 × D;

D - диаметр тигля.D is the diameter of the crucible.

Для обеспечения равномерного нанесения покрытия кадмия на внутреннюю поверхность детали производилось вращение сферы вокруг собственной оси симметрии с применением внешнего привода; использовались экраны, предотвращающие напыление кадмия на другие поверхности, испаритель с тиглями, нагреватель испарителя в виде вольфрамовой спирали, имитирующий электроны, источник питания электронной бомбардировки.To ensure uniform cadmium coating on the inner surface of the part, the sphere was rotated around its own axis of symmetry using an external drive; screens were used to prevent cadmium deposition on other surfaces, an evaporator with crucibles, a tungsten spiral evaporator heater simulating electrons, and an electronic bombardment power supply.

Так как температура испарителя является важным параметром процесса напыления, то для измерения температуры нагрева испарителя применялся пирометр Impac. Температура детали также контролировалась на всех стадиях процесса, так как от ее стабильности зависит толщина нанесенного слоя. При реализации способа было определено, что оптимальная температура процесса нанесения находится вблизи значения температуры испарителя 420°С, а температуры детали 250°С. Увеличение температуры испаряемого кадмия выше 450°С вызывает кипение, возникновение капельного переноса и нарушение равномерность покрытия.Since the evaporator temperature is an important parameter of the spraying process, an Impac pyrometer was used to measure the heating temperature of the evaporator. The temperature of the part was also controlled at all stages of the process, since the thickness of the applied layer depends on its stability. When implementing the method, it was determined that the optimal temperature of the application process is near the temperature of the evaporator 420 ° C, and the temperature of the part 250 ° C. An increase in the temperature of evaporated cadmium above 450 ° C causes boiling, the occurrence of droplet transfer and a violation of the uniformity of the coating.

Ведение процесса при температурах детали ниже 250°С может приводить к отслоению покрытия.The process at temperatures below 250 ° C can lead to delamination of the coating.

Способ оптимален с экологической точки зрения, позволяя получать покрытия детали типа вкладыш с заданной контролируемой толщиной и требуемым распределением слоя по напыляемой поверхности. Поступление кадмия в вакуумную систему не превышает 2% (осаждается в вакуумной системе), КПД осаждения кадмия на рабочей поверхности составляет 70%. Остальные пары улавливаются экранами.The method is optimal from an environmental point of view, making it possible to obtain coatings of an insert type part with a given controlled thickness and the required distribution of the layer over the sprayed surface. The intake of cadmium in the vacuum system does not exceed 2% (deposited in the vacuum system), the efficiency of cadmium deposition on the working surface is 70%. The remaining pairs are captured by screens.

Предложенный способ нанесения кадмиевого покрытия методом прецизионного вакуумного напыления опробован в производстве, позволяет применять обычное оборудование, не требует переподготовки персонала.The proposed method for applying a cadmium coating by the method of precision vacuum spraying has been tested in production, allows the use of conventional equipment, does not require retraining of personnel.

Claims

A method of applying a cadmium coating with precision vacuum deposition on a part surface symmetrical about its own axis, characterized in that by means of electronic bombardment, a monolithic multi-crucible cadmium evaporator is heated and the part is preheated to operating temperature, a cadmium coating is sprayed, in which the part is continuously rotated around its own axis , before evaporation of the sprayed cadmium from the crucibles, while the location of the crucibles in the evaporator and their filling with sprayed to Admixture is carried out depending on the desired distribution of the coating thickness on the sprayed surface of the part, and the distance from the evaporator to the sprayed surface is equal to the distance L between the crucibles, defined by the expression L = 1.2 × D, where D is the diameter of the crucible.