RU2797562C1 - Method for applying layered coatings and device for its implementation (options) - Google Patents
Method for applying layered coatings and device for its implementation (options) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797562C1 RU2797562C1 RU2022125732A RU2022125732A RU2797562C1 RU 2797562 C1 RU2797562 C1 RU 2797562C1 RU 2022125732 A RU2022125732 A RU 2022125732A RU 2022125732 A RU2022125732 A RU 2022125732A RU 2797562 C1 RU2797562 C1 RU 2797562C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- fixed
- composite cathode
- ring
- composite
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанесения покрытий вакуумным испарением и может быть использовано для нанесения градиентных, двухслойных или многослойных металлических и металлокерамических покрытий для защиты поверхности от износа и коррозии.The invention relates to the field of coating by vacuum evaporation and can be used for applying gradient, two-layer or multi-layer metal and ceramic-metal coatings to protect the surface from wear and corrosion.
Аналогом предложенной группы изобретений является способ импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий и устройство для его осуществления [RU 2141004 C1, опублик. 10.11.1999], подразумевающий компактное размещения трех и более различных катодов в одной функциональной зоне вокруг окна ионного имплантора и их импульсное электропитание, позволяющее поджигать дуговой разряд на разных катодах с различной периодичностью, длительностью, скважностью импульсов, тем самым, управляя составом покрытия. An analogue of the proposed group of inventions is method of pulse-periodic vacuum coating and device for its implementation [RU 2141004 C1, publ. 11/10/1999], which implies a compact placement of three or more different cathodes in one functional zone around the ion implanter window and their pulsed power supply, which makes it possible to ignite an arc discharge on different cathodes with different periodicity, duration, pulse duty cycle, thereby controlling the composition of the coating.
Недостатком изобретения является сложность системы, состоящей из нескольких самостоятельных катодных испарителей, каждый из которых включает свой катод, анод и систему инициации, а также сложность коммутации импульсов. The disadvantage of the invention is the complexity of the system, consisting of several independent cathode evaporators, each of which includes its own cathode, anode and initiation system, as well as the complexity of switching pulses.
Аналогом предложенной группы изобретений является способ нанесения покрытия и электродуговой испаритель с вращающимся катодом для осуществления способа [RU 2399692 C2, опублик. 20.09.2010], использующий составные трубчатые катоды, состоящие из нескольких кольцевых сегментов, которые обеспечивают изменение состава испаряемого материала путем перемещения положения фиксатора катодного пятна с помощью магнитной системы, размещённой внутри трубчатого катода. An analogue of the proposed group of inventions is a coating method and an electric arc evaporator with a rotating cathode for implementing the method [EN 2399692 C2, published. 09/20/2010] using composite tubular cathodes consisting of several annular segments that provide a change in the composition of the evaporated material by moving the position of the cathode spot retainer using a magnetic system located inside the tubular cathode.
Недостатком данного изобретения является необходимость использования сложного дополнительного узла - подвижной магнитной системы для конструктивно сложных трубчатых катодов. The disadvantage of this invention is the need to use a complex additional node - a movable magnetic system for structurally complex tubular cathodes.
Аналогом предложенной группы изобретений является электродуговой испаритель с составным вращающимся катодом [RU 2420608 C1, опублик. 10.06.2011], который содержит цилиндрический охлаждаемый вращающийся катод, состоящий из набора колец, из элементов IVb, Vb, VIb групп периодической таблицы Менделеева и Аl, а также их сплавов. Кольца выполнены одинаковой толщины, в диапазоне от 8 мм до 400 мм, с торцами, образующими угол от 30 до 80 градусов с продольной осью цилиндрической обечайки. Кольца составного катода могут быть соединены между собой сваркой. Управление положением катодного пятна на поверхности катода осуществляется за счет использования управляемого магнитного фиксатора положения катодного пятна, расположенного во внутренней полости катода. Наклонное расположение колец обеспечивает нанесение слоистых покрытий. Толщины слоев покрытия, зависят от скорости вращения катода и соответственно частоты смены вида испаряемого металла, скорости вращения деталей вокруг собственной оси и скорости перемещения деталей относительно катодов. An analogue of the proposed group of inventions is an electric arc evaporator with a composite rotating cathode [RU 2420608 C1, publ. 06/10/2011], which contains a cylindrical cooled rotating cathode, consisting of a set of rings, from elements IVb, Vb, VIb of groups of the periodic table of Mendeleev and Al, as well as their alloys. The rings are made of the same thickness, in the range from 8 mm to 400 mm, with ends forming an angle of 30 to 80 degrees with the longitudinal axis of the cylindrical shell. The rings of the composite cathode can be interconnected by welding. The position of the cathode spot on the cathode surface is controlled by using a controlled magnetic fixation of the position of the cathode spot located in the inner cavity of the cathode. The inclined arrangement of the rings allows the application of layered coatings. The thickness of the coating layers depends on the speed of rotation of the cathode and, accordingly, the frequency of changing the type of evaporated metal, the speed of rotation of parts around their own axis and the speed of movement of parts relative to the cathodes.
Недостатком является отсутствие возможности испарения только одного материала необходимого, например, для формирования подслоя, а также невозможность изменения соотношения толщин слоев во время осаждения покрытия, так как этот параметр жестко задан геометрией колец.The disadvantage is the impossibility of evaporation of only one material necessary, for example, for the formation of a sublayer, as well as the impossibility of changing the ratio of layer thicknesses during coating deposition, since this parameter is rigidly specified by the geometry of the rings.
Прототипом предложенной группы изобретений является устройство для ионной имплантации поверхности деталей из конструкционных материалов [RU 172049 U1, опублик. 27.06.2017], которое содержит дуговой катод в составе ионного имплантора, выполненный в виде диска из монотектического сплава меди со свинцом с чередующимися несквозными кольцевыми канавками, которые заполнены свинцом и оловом. При работе устройства проводят внешний кольцевой поджиг разряда на катоде, а движение катодного пятна к центру обеспечивается снижением потенциала ионизации каждой последующей вставки. Поэтому канавки выполнены в следующей последовательности материалов в направлении от периферии к центру диска -монотектический сплав меди со свинцом - свинец – олово. Катод обеспечивает увеличение содержания свинца в плазме и затем в потоке по сравнению с монотектическим сплавом меди со свинцом, где максимальное содержание свинца составляет 36%. Увеличение концентрации ионов свинца в потоке, а также введение в него ионов олова возможно только за счет создания канавок в катоде, заполненных указанными элементами. Изменяя ширину канавок, можно регулировать сортовой состав ионного пучка. Апробирован катод имплантора в виде диска диаметром 30 мм с канавками шириной 0,8-1,4 мм, заполненными свинцом и медью.The prototype of the proposed group of inventions is a device for ion implantation of the surface of parts made of structural materials [RU 172049 U1, publ. 06/27/2017], which contains an arc cathode as part of an ion implantor, made in the form of a disk made of a monotectic copper-lead alloy with alternating non-through annular grooves filled with lead and tin. During operation of the device, an external ring ignition of the discharge on the cathode is carried out, and the movement of the cathode spot towards the center is ensured by a decrease in the ionization potential of each subsequent insert. Therefore, the grooves are made in the following sequence of materials in the direction from the periphery to the center of the disk - a monotectic alloy of copper with lead - lead - tin. The cathode provides an increase in the content of lead in the plasma and then in the flow compared to a monotectic copper-lead alloy, where the maximum lead content is 36%. An increase in the concentration of lead ions in the flow, as well as the introduction of tin ions into it, is possible only by creating grooves in the cathode filled with the indicated elements. By changing the width of the grooves, it is possible to control the varietal composition of the ion beam. An implantor cathode was tested in the form of a disk 30 mm in diameter with grooves 0.8–1.4 mm wide filled with lead and copper.
Недостаток устройства заключается в снижении напряжения по мере прохождения импульса, поэтому может быть использована только определенная последовательность материалов, заполняющих канавки в направлении уменьшения потенциала ионизации и определяющих направление движения катодного пятна.The disadvantage of the device is that the voltage decreases as the pulse passes, so only a certain sequence of materials can be used to fill the grooves in the direction of decreasing ionization potential and determine the direction of movement of the cathode spot.
Технический результат, достигаемый во всех объектах данной группы изобретений, заключается в повышении износостойкости и коррозионной стойкости обрабатываемых поверхностей путем формирования на них слоев покрытия, различающихся по составу и функциональному назначению.The technical result achieved in all objects of this group of inventions is to increase the wear resistance and corrosion resistance of the treated surfaces by forming coating layers on them that differ in composition and functionality.
В первом объекте изобретения технический результат достигается следующим образом.In the first object of the invention, the technical result is achieved as follows.
Способ получения многослойного градиентного износо- и коррозионностойкого покрытия включает размещение деталей в вакуумной камере на держателях и нанесение на них покрытия путем импульсного катодно-дугового испарения составного катода.The method for producing a multilayer gradient wear and corrosion resistant coating includes placing parts in a vacuum chamber on holders and coating them by pulsed cathode-arc evaporation of a composite cathode.
Отличие способа заключается в том, что используют составной катод с аксиальной инициацией, состоящий как минимум из двух частей, выполненных из материалов различною состава, при этом первая из указанных двух частей представляет собой основное тело катода, а вторая часть выполнена в форме кольца, прикрепленною к упомянутой первой части, при этом проводят поочередное раздельное испарение каждой выбранной части составною катода путём модулирования импульсов по напряжению в диапазоне 50-300 В и длительности в диапазоне 20-l000 мкс.The difference of the method lies in the fact that a composite cathode with axial initiation is used, consisting of at least two parts made of materials of different composition, while the first of these two parts is the main body of the cathode, and the second part is made in the form of a ring attached to of the mentioned first part, while alternately separate evaporation of each selected part of the composite cathode is carried out by modulating voltage pulses in the range of 50-300 V and duration in the range of 20-l000 μs.
Кроме того, отличие способа заключается в том, что при модулировании импульсов используют ступенчатое повышение напряжения в пределах импульса, характеризующегося указанными диапазонами напряжения и длительности. In addition, the difference of the method lies in the fact that when modulating the pulses, a stepwise increase in voltage is used within the pulse, characterized by the specified voltage and duration ranges.
Во втором объекте изобретения технический результат достигается следующим образом.In the second object of the invention, the technical result is achieved as follows.
Устройство для получения многослойного градиентного износо- и коррозионностойкого покрытия импульсным катодно-дуговым испарением, содержащее вакуумную камеру с держателями деталей, анодом и составным катодом. A device for obtaining a multilayer gradient wear- and corrosion-resistant coating by pulsed cathode-arc evaporation, containing a vacuum chamber with part holders, an anode, and a composite cathode.
Отличие устройства заключается в том, что составной катод состоит из двух частей, выполненных из материалов различного состава, при этом первая часть, являющаяся основным телом катода, закреплена на охлаждаемом токоподводе, а вторая часть, выполненная в форме кольца, закреплена на внешней поверхности первой части, причем в основном теле составного катода аксиально установлен поджигающий электрод в керамическом изоляторе.The difference of the device lies in the fact that the composite cathode consists of two parts made of materials of different composition, while the first part, which is the main body of the cathode, is fixed on a cooled current lead, and the second part, made in the form of a ring, is fixed on the outer surface of the first part. , and in the main body of the composite cathode, an igniting electrode in a ceramic insulator is axially installed.
Кроме того, отличие устройства заключается в том, что упомянутое кольцо закреплено на внешней поверхности основного тела катода с помощью пайки или сварки, или наплавки.In addition, the difference of the device lies in the fact that the said ring is fixed on the outer surface of the main body of the cathode by soldering or welding, or surfacing.
В третьем объекте изобретения технический результат достигается следующим образом.In the third object of the invention, the technical result is achieved as follows.
Устройство для получения многослойного градиентного износо- и коррозионностойкого покрытия импульсным катодно-дуговым испарением, содержащее вакуумную камеру с держателями деталей, анодом и составным катодом. A device for obtaining a multilayer gradient wear- and corrosion-resistant coating by pulsed cathode-arc evaporation, containing a vacuum chamber with part holders, an anode, and a composite cathode.
Отличие устройства заключается в том, что составной катод состоит из двух частей, выполненных из материалов различного состава, при этом первая часть, являющаяся основным телом составною катода, закреплена на охлаждаемом токоподводе, при этом на нижнем торце указанной первой части закреплена вторая часть составного катода, выполненная в форме кольца, причем в теле составного катода аксиально установлен поджигающий электрод в керамическом изоляторе, выведенный в торец второй части составного катода.The difference of the device lies in the fact that the composite cathode consists of two parts made of materials of different composition, while the first part, which is the main body of the composite cathode, is fixed on a cooled current lead, while the second part of the composite cathode is fixed on the lower end of the said first part, made in the form of a ring, and in the body of the composite cathode, an igniting electrode is axially installed in a ceramic insulator, brought out to the end of the second part of the composite cathode.
Кроме того, отличие устройства заключается в том, упомянутое кольцо составною катода закреплено посредством резьбового соединения или пайки, или сварки.In addition, the difference of the device lies in the fact that the said ring of the composite cathode is fixed by means of a threaded connection or soldering or welding.
В четвертом объекте изобретения технический результат достигается следующим образом.In the fourth object of the invention, the technical result is achieved as follows.
Устройство для получения многослойного градиентного износо- и коррозионностойкою покрытия импульсным катодно-дуговым испарением, содержащее вакуумную камеру с держателями деталей, анодом и составным катодом.A device for obtaining a multilayer gradient wear and corrosion resistant coating by pulsed cathode-arc evaporation, containing a vacuum chamber with part holders, an anode and a composite cathode.
Отличие устройства заключается в том, что составной катод состоит из двух частей, выполненных из материалов различною состава, при этом первая часть в виде полого цилиндра, являющаяся основным телом катода, закреплена на охлаждаемом токоподводе, а вторая часть, выполненная в форме кольца, закреплена на внутренней поверхности первой части по ее внешней кромке, причем в центре упомянутого кольца аксиально установлен поджигающий электрод в керамическом изоляторе.The difference of the device lies in the fact that the composite cathode consists of two parts made of materials of different composition, while the first part in the form of a hollow cylinder, which is the main body of the cathode, is fixed on a cooled current lead, and the second part, made in the form of a ring, is fixed on the inner surface of the first part along its outer edge, and in the center of the said ring, an igniting electrode is axially installed in a ceramic insulator.
Также отличие устройства заключается в том, что упомянутое кольцо закреплено на внутренней поверхности основного тела катода с помощью резьбовою соединения или пайки, или сварки.Also, the difference of the device lies in the fact that the said ring is fixed on the inner surface of the main body of the cathode by means of a threaded connection or soldering or welding.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображены:The invention is illustrated by a drawing, which shows:
на фиг.1 составной катод, где кольцевая вставка из легирующего материала выполнена методом пайки или сварки, или наплавки непосредственно на теле основного катода;figure 1 composite cathode, where the annular insert of the alloying material is made by soldering or welding, or surfacing directly on the body of the main cathode;
фиг.2 составной катод, где части различного состава соединены посредством резьбового соединения или пайки, или сварки;figure 2 composite cathode, where parts of different composition are connected by threaded connection or soldering or welding;
фиг.3 цилиндрический составной катод, где кольцевая часть из одного материала закреплена в цилиндрической части из другого материала; Fig.3 cylindrical composite cathode, where the annular part of one material is fixed in the cylindrical part of another material;
фиг.4 поперечный шлиф двухслойного покрытия FeCrCoNi-Ag, полученного импульсным катодно-дуговым испарением конического катода с наплавленной кольцевой вставкой из серебра, а также профиль распределения элементов по толщине покрытия; Fig.4 cross section of a two-layer coating of FeCrCoNi-Ag, obtained by pulsed cathode-arc evaporation of a conical cathode with a deposited annular silver insert, as well as the profile of the distribution of elements over the thickness of the coating;
фиг.5 составной катод и поперечный шлиф многослойного покрытия, состоящий из чередующихся слоев CrBN и TiCrBN, полученный импульсным катодно-дуговым испарением цилиндрического полого титанового катода с центральной кольцевой вставкой из CrB2.Fig.5 composite cathode and transverse section of a multilayer coating, consisting of alternating layers of CrBN and TiCrBN, obtained by pulsed cathode-arc evaporation of a cylindrical hollow titanium cathode with a central annular insert of CrB 2 .
На фиг.1–4 показаны поджигающий электрод 1, полый цилиндрический анод 2, охлаждаемый токоподвод 3, кольцевая вставка 4, основное тело 5 катода, нижняя часть 6 тела катода, верхняя часть 7 тела катода, кольцевая часть катода 8, основное тело 9 цилиндрического составного катода, керамическое кольцо 10, нижний 11 и верхний легированный 12 слои покрытия.Figures 1–4 show an
Способ нанесения слоистых покрытий с помощью вариантов устройства для нанесения слоистых покрытий осуществляют следующим образом.The method of applying layered coatings using variants of the device for applying layered coatings is carried out as follows.
Трек катодного пятна в процессах катодно-дугового испарения, в отсутствии внешних магнитных полей, всегда направлен от точки инициации разряда к точке подключения катодного напряжения. В импульсных процессах длина трека катодного пятна зависит от напряжения и длительности импульса. При эксплуатации катодов с аксиальной инициацией (центральным поджигом) дугового разряда, избыточная длительность импульса дугового разряда приводит к тому, что трек катодного пятна достигает стойки крепления катода, приводя к его распылению и попаданию элементов стойки в покрытие.The track of the cathode spot in the processes of cathode-arc evaporation, in the absence of external magnetic fields, is always directed from the point of discharge initiation to the point of connection of the cathode voltage. In pulsed processes, the cathode spot track length depends on the voltage and pulse duration. When operating cathodes with axial initiation (central ignition) of the arc discharge, the excessive duration of the arc discharge pulse leads to the fact that the track of the cathode spot reaches the cathode mounting post, leading to its sputtering and the entry of the elements of the post into the coating.
Этот эффект был использован для целевого легирования покрытия путем установки между стойкой и телом катода кольцевых вставок из легирующего материала. В качестве испаряемых материалов катода и вставки используются металлические сплавы и металлокерамические материалы, обладающие электрической проводимостью, а также механической прочностью и температурой плавления, достаточной для проведения обработки при сопутствующем процессу нагреве. This effect was used for target doping of the coating by installing ring inserts made of doping material between the stand and the cathode body. As the evaporating materials of the cathode and the insert, metal alloys and metal-ceramic materials are used, which have electrical conductivity, as well as mechanical strength and a melting temperature sufficient for processing with accompanying heating.
Взаимное расположение вставок, как частей составного катода, выбирается из следующих соображений. Катодное пятно от точки поджога вначале будет двигаться по ближней к нему части катода. Для перехода катодного пятна на более удаленную часть, необходимо выполнение двух условий. Первое условие - это меньший потенциал ионизации второго материала при переходе на него катодного пятна. Второе условие, способствующее переходу катодного пятна, обусловлено снижением омического сопротивления и соответствующим повышением напряжения. The mutual arrangement of inserts, as parts of a composite cathode, is selected from the following considerations. The cathode spot from the ignition point will first move along the part of the cathode closest to it. For the transition of the cathode spot to a more remote part, two conditions must be met. The first condition is a lower ionization potential of the second material when the cathode spot passes to it. The second condition that promotes the transition of the cathode spot is due to a decrease in ohmic resistance and a corresponding increase in voltage.
Для различных комбинаций материалов были разработаны несколько вариантов составных катодов импульсного катодно-дугового испарения с различным способом крепления его частей. Для всех апробированных вариантов электродугового испарителя с составным катодом общими деталями являются: поджигающий электрод 1 в керамическом изоляторе, аксиально закрепленный в теле катода, полый цилиндрический анод 2, нижняя кромка которого расположена по высоте напротив середины тела катода, охлаждаемый токоподвод 3 катода, являющийся деталью, по которой подводится катодное напряжение. For various combinations of materials, several variants of composite cathodes for pulsed cathode-arc evaporation with different ways of fixing its parts were developed. For all tested versions of the electric arc evaporator with a composite cathode, the common parts are: an
В изобретении по первому варианту устройства конструкция катода для осаждения слоистых покрытий реализуется, если легирующая вставка имеет существенно меньший потенциал ионизации, чем материал основного катода. В этом случае легирующая вставка выполнена в виде кольца 4, сформированного методом пайки или сварки, или наплавки непосредственно на основном теле 5 катода.In the invention, according to the first variant of the device, the design of the cathode for the deposition of layered coatings is realized if the doping insert has a significantly lower ionization potential than the material of the main cathode. In this case, the alloying insert is made in the form of a
По второму варианту устройства используется конструкция составного катода, в случае, когда материалы составного катода имеют близкие потенциалы ионизации, и включает нижнюю часть 6 катода, в торец которой соосно выведен поджигающий электрод 1, и верхнюю часть 7 катода, закрепленную на охлаждаемом токоподводе 3. Соединение частей катода может быть выполнено через резьбовое соединение, аналогичное показанному на чертеже креплению верхней части катода к стойке, или выполнено методом высокотемпературной пайки или контактной сварки, в том числе сварке трением. Метод пайки или сварки, показанный на чертеже, предпочтителен, так как обеспечивает меньшее переходное омическое сопротивление. Такое расположение частей составного катода обеспечивает скачкообразное снижение омического сопротивления и соответствующее повышение напряжения при переходе катодного пятна через линию сопряжения, тем самым задавая направление движения катодного пятна. According to the second variant of the device, the design of a composite cathode is used, in the case when the materials of the composite cathode have close ionization potentials, and includes the
Конструкция составного катода для третьего варианта, когда часть, на которой инициируется дуговой разряд имеет существенно больший потенциал ионизации, чем часть катода, закрепленная на токоподводящем охлаждаемом токоподводе 3, включает кольцевую вставку 8, в центре которой соосно закреплен поджигающий электрод, а сама вставка закреплена по внешней кромке цилиндрического или конического основного тела 9 составного катода, которое, в свою очередь, закреплено на охлаждаемом токоподводе 3. В конструкции может быть использовано керамическое кольцо 10, необходимое для обеспечения натяга в приведенной конструкции с резьбовым соединением, которое, однако, может быть упразднено при использовании крепления частей катода методом пайки или сварки. Данная конструкция обеспечивает максимальный градиент снижения омического сопротивления по пути движения катодного пятна, в том числе и в точке сопряжения материалов. Это обеспечивается тем, что и толщина стенок вставки и полого цилиндра меньше, чем у сплошного тела катода, а также отсутствует возможность распределения потенциалов и токов по центральной части катодов, как например в вышеописанных вариантах.The design of the composite cathode for the third option, when the part on which the arc discharge is initiated has a significantly higher ionization potential than the part of the cathode fixed on the current-carrying cooled
Снижения омического сопротивления на границе частей составного катода с сильно отличающимся потенциалом ионизации может оказаться недостаточно для обеспечения перехода катодного пятна. В этом случае в способе используют изменение напряжения импульса в момент перехода катодного пятна. Современные импульсные блоки электропитания позволяют сформировать любую форму кривой изменения напряжения и тока во времени в пределах одного импульса. Для материала каждой части катода, учитывая электрофизические свойства материала, можно индивидуально подобрать напряжение разряда, обеспечивающее оптимальную скорость прохождения катодного пятна по его поверхности. Таким образом, разделив каждый импульс на временные части, по напряжению, можно контролировать время нахождения катодного пятна на поверхности каждой части катода и обеспечить переход катодного пятна с одной части на другую. Ограничив время импульса, можно обеспечить испарение только части катода, расположенной ближе к точке поджога. В то же время, уменьшив напряжение и ток при пробеге катодного пятна по поверхности катода, можно минимизировать вклад этой части катода в состав покрытия, а затем, скачкообразно подняв напряжение на втором этапе того же импульса, обеспечить преимущественное испарение дальней от точки инициации части катода. Управляя формой и длительностью импульса можно формировать подслой, получать градиентные по составу и многослойные покрытия.A decrease in ohmic resistance at the interface between parts of a composite cathode with a very different ionization potential may not be enough to ensure the transition of the cathode spot. In this case, the method uses the change in the pulse voltage at the moment of cathode spot transition. Modern switching power supplies allow you to form any shape of the voltage and current change curve over time within one pulse. For the material of each part of the cathode, taking into account the electrical properties of the material, it is possible to individually select the discharge voltage that ensures the optimal speed of the cathode spot passing over its surface. Thus, by dividing each pulse into time parts, by voltage, it is possible to control the time spent by the cathode spot on the surface of each part of the cathode and to ensure the transition of the cathode spot from one part to another. By limiting the pulse time, it is possible to ensure the evaporation of only the part of the cathode located closer to the ignition point. At the same time, by reducing the voltage and current during the run of the cathode spot over the cathode surface, it is possible to minimize the contribution of this part of the cathode to the coating composition, and then, by abruptly raising the voltage at the second stage of the same pulse, the preferential evaporation of the part of the cathode farthest from the point of initiation can be ensured. By controlling the shape and duration of the pulse, it is possible to form a sublayer, to obtain gradient in composition and multilayer coatings.
Обоснование выбора общей длительности импульса в диапазоне 20-1000 мкс и уровней напряжения из диапазона 50-300 В связано с наблюдаемыми зависимостями скорости движения катодных пятен от типа материала. Ограничение времени с меньшей стороны, связано со временем формирования статичного катодного пятна, обычно не менее 10 мкс. За оставшееся от времени импульса катодное пятно успевает сместится на дистанцию порядка нескольких миллиметров. Уменьшение времени разряда привело бы к распылению материала только у поверхности инициирующего электрода, что со временем привело бы к формированию глубокой щели между керамикой и испаряемым материалом и невозможности поджога разряда. Максимальное время импульса 1000 мкс связано с максимальной дистанцией смещения катодного пятна. Для большинства материалов эта длительность импульса обеспечит смещение катодного пятна на дистанцию порядка 40-50 мм. Предложенный способ ориентирован на формирование потока испаряемого материала из определенной локальной зоны. При увеличении области испарения (размера катода) до размера более 100 мм уже целесообразно использовать многокатодные узлы испарения. Величина напряжения из диапазона 50-300 В выбирается из необходимости поддержания стабильного катодно-дугового разряда для большинства используемых материалов. Уровень напряжения согласуется с длительностью каждой ступени модулированного импульса. The rationale for choosing the total pulse duration in the range of 20–1000 μs and voltage levels in the range of 50–300 V is related to the observed dependences of the cathode spot velocity on the type of material. The time limit on the smaller side is associated with the time of formation of a static cathode spot, usually not less than 10 µs. During the remaining time of the pulse, the cathode spot has time to shift to a distance of the order of several millimeters. A decrease in the discharge time would lead to sputtering of the material only at the surface of the initiating electrode, which would eventually lead to the formation of a deep gap between the ceramics and the evaporated material and the impossibility of igniting the discharge. The maximum pulse time of 1000 µs is related to the maximum displacement distance of the cathode spot. For most materials, this pulse duration will provide a displacement of the cathode spot by a distance of about 40–50 mm. The proposed method is focused on the formation of a stream of evaporating material from a certain local area. With an increase in the evaporation region (cathode size) to a size of more than 100 mm, it is already advisable to use multi-cathode evaporation units. The voltage value from the range of 50-300 V is selected from the need to maintain a stable cathode-arc discharge for most of the materials used. The voltage level is consistent with the duration of each step of the modulated pulse.
Пример 1Example 1
Двухслойное покрытие FeCrCoNi – FeCrCoNiAg, полученное импульсным катодно-дуговым испарением конического катода с наплавленной кольцевой вставкой из серебра (фиг. 4). Конструкция катода выполнена согласно фиг.1. Катод в виде усеченного конуса, размером у основания 30 мм и верхушки 15 мм и высотой 40 мм был изготовлен методом индукционного плавления эквиатомного сплава FeCrCoNi с последующей механической обработкой. В катоде было выполнено соосное отверстие для поджигающего электрода и резьбовое крепление к водоохлаждаемой стойке на большем основании. На расстоянии 20 мм от нижнего основания (по центру боковой стенки) конусного катода была выполнена кольцевая проточка глубиной 4 мм и шириной 8 мм. В проточку была навита проволока из серебра. Затем проволока была оплавлена методом аргонно-дуговой сварки до полного заполнения проточки. Осаждение покрытия проводилось в аргоне при давлении 0,2 Па. Дистанция до подложки от катода составляла 100 мм. На подложку подавалось отрицательное напряжение смещения 50 В. Инициация дуговых разрядов осуществлялась подачей на центральный поджигающий электрод коротких импульсов напряжением 10 кВ, длительностью 5 мкс, с частотой 20 Гц. Осаждение нижнего слоя 11 покрытия FeCrCoNi проводили в течение 10 минут при напряжении разряда 90 В и длительности импульса 300 мкс. При этом длина трека катодного пятна не превышала 15 мм и не достигала наплавленного кольца из серебра. Нанесение финишного слоя, легированного серебром 12, осуществлялось при увеличении длительности импульсов до 500 мкс, что обеспечило увеличение средней длины треков катодных пятен до 25 мм и их перемещение в зону распыления наплавленного серебряного кольца. Время осаждения легированного серебром слоя составляло 5 мин. Методом оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда на приборе Profiler-2 (HORIBA, Jobin Yvon) были определены профили распределения элементов по толщине покрытия. Показано, что в верхнем слое покрытия толщиной 2 мкм содержание серебра составило 10 ат%. В сравнении с покрытием FeCrCoNi, двухслойное покрытие с верхним слоем, легированным серебром, обеспечило снижение плотности тока коррозии с 0,3 мкА/см2 до 0,1 мкА/см2 в 0,9% NaCl. Также легирование поверхностного слоя покрытия серебром обеспечило 99,99% антибактериальную активность в отношении штаммов E. coli и S. Aureus, определенную по изменению количества колоний-образующих элементов (КОЕ) после 24 ч инкубирования.A two-layer coating of FeCrCoNi - FeCrCoNiAg, obtained by pulsed cathode-arc evaporation of a conical cathode with a deposited annular silver insert (Fig. 4). The design of the cathode is made according to Fig.1. A cathode in the form of a truncated cone with a size of 30 mm at the base and 15 mm at the top and a height of 40 mm was fabricated by induction melting of an equiatomic FeCrCoNi alloy followed by mechanical processing. The cathode had a coaxial hole for the ignition electrode and a threaded fastening to a water-cooled stand on a larger base. An
Пример 2 Example 2
Многослойное покрытие, состоящее из чередующихся слоев CrBN и TiCrBN, полученное импульсным катодно-дуговым испарением цилиндрического полого титанового катода с центральной кольцевой вставкой из CrB2 (фиг. 5). Конструкция катода выполнена согласно фиг. 3. Центральная кольцевая вставка диаметром 22 мм и толщиной 6 мм изготовлена из керамики CrB2 и впаяна высокотемпературным припоем своей внешней кромкой в цилиндрический полый катод из титана ВТ1-0. В осевом отверстии этой вставки закреплен керамический изолятор с электродом аксиальной инициации дугового разряда Размеры титановой части катода: высота 40 мм, внешний диаметр 40 мм, диаметр внутреннего отверстия 21,5 мм. Верхняя часть титанового катода при помощи внутренней резьбы закреплялась на медной водоохлаждаемой стойке катода. Осаждение покрытия проводилось в газовой смеси Ar+15 об. % N2 при давлении 0,2 Па. Дистанция до подложек составляла 70 мм. На подложки подавалось отрицательное напряжение смещения 30 В. Инициация дуговых разрядов осуществлялась подачей на центральный поджигающий электрод коротких импульсов напряжением 10 кВ, длительностью 5 мкс, с частотой 10 Гц. Пробой по керамической вставке приводил к формированию катодного пятна на прилегающей поверхности вставки из CrB2, после чего катодное пятно начинало движение в радиальном направлении. Длина трека катодного пятна регулировалась путем изменения напряжения и длительности импульсов, прикладываемых к разрядному промежутку между катодом и кольцевым анодом. Осаждение слоев покрытия CrBN проводили при напряжении разряда 90 В и длительность импульса 200 мкс. При этом длина трека катодного пятна не превышала 6 мм и не выходила за границу центральной вставки. Слои покрытия TiCrBN формировали за счет перехода катодного пятна на титановую часть катода при увеличении длительности импульса до 500 мкс. При этом использовалась сложная форма импульса по напряжению. В первые 300 мкс напряжение составляло 90 В, а на следующем участке, длительностью 200 мкс, напряжение увеличивалось до 120 В. Повышение напряжения в момент перехода катодного пятна на титановую часть катода позволило увеличить долю титана в слоях TiCrBN покрытия. Время осаждения каждого слоя CrBN составляло 1 мин, а каждого слоя TiCrB – 15 секунд. Суммарное время осаждения покрытия составило 10 мин. Всего в многослойном покрытии было сформировано 8 пар слоев (16 отдельных слоев) с поверхностным слоем TiCrBN. Суммарная толщина покрытия составила 1,8 мкм. Формирование многослойного покрытия позволило подавить формирование столбчатой структуры и сформировать равноосную нанокристаллическую структуру в обоих слоях. Твердость покрытия, измеренная методом наноиндентирования при нагрузке 10 мН, составила 30 ГПа. Трибологические испытания покрытия в паре с контр-телом в виде шарика диаметром 6 мм из стали 95Х18, проведенные при нагрузке 5 H, линейной скорости 10 см/с и дистанции 1000 м, показали, что коэффициент трения покрытия составляет 0,35, а приведенная скорость износа 2×10-6 мм3/Н·м. Multilayer coating consisting of alternating layers of CrBN and TiCrBN obtained by pulsed cathode-arc evaporation of a cylindrical hollow titanium cathode with a central annular CrB insert2 (Fig. 5). The design of the cathode is made according to Fig. 3. The central ring insert with a diameter of 22 mm and a thickness of 6 mm is made of CrB ceramic2And soldered with high-temperature solder with its outer edge into a cylindrical hollow cathode made of titanium VT1-0. A ceramic insulator with an electrode for axial initiation of the arc discharge is fixed in the axial hole of this insert. The dimensions of the titanium part of the cathode are:
Claims (8)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2797562C1 true RU2797562C1 (en) | 2023-06-07 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2379378C2 (en) * | 2006-07-26 | 2010-01-20 | Дмитрий Давидович Спиваков | Method of ion-plasma spraying coating of multicomponent film coatings and installation for its implementation |
| RU2607398C2 (en) * | 2015-06-17 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Плазма-Пактер" | Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation |
| RU172049U1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" | CATHODE FOR ION IMPLANTATION OF THE SURFACE OF PARTS FROM STRUCTURAL MATERIALS |
| RU2644094C1 (en) * | 2016-12-13 | 2018-02-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | METHOD OF OBTAINING ADAPTIVE WEAR-RESISTANT Ti-Al-Mo-N COATING FOR PROTECTING FROM WEARING IN VARIABLE FREQUENCY CONDITIONS |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2379378C2 (en) * | 2006-07-26 | 2010-01-20 | Дмитрий Давидович Спиваков | Method of ion-plasma spraying coating of multicomponent film coatings and installation for its implementation |
| RU2607398C2 (en) * | 2015-06-17 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Плазма-Пактер" | Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation |
| RU172049U1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" | CATHODE FOR ION IMPLANTATION OF THE SURFACE OF PARTS FROM STRUCTURAL MATERIALS |
| RU2644094C1 (en) * | 2016-12-13 | 2018-02-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | METHOD OF OBTAINING ADAPTIVE WEAR-RESISTANT Ti-Al-Mo-N COATING FOR PROTECTING FROM WEARING IN VARIABLE FREQUENCY CONDITIONS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE3513014C2 (en) | Process for treating the surface of workpieces | |
| EP0508612B1 (en) | Apparatus and method for coating a substrate using vacuum arc evaporation | |
| US5317235A (en) | Magnetically-filtered cathodic arc plasma apparatus | |
| US4563262A (en) | Consumable cathode for electric-arc metal vaporizer | |
| US7867366B1 (en) | Coaxial plasma arc vapor deposition apparatus and method | |
| US5744017A (en) | Vacuum arc deposition apparatus | |
| WO2006099754A1 (en) | Hard material layer | |
| KR20160003045A (en) | Method of producing an anti-wear layer and anti-wear layer produced by means of said method | |
| RU2797562C1 (en) | Method for applying layered coatings and device for its implementation (options) | |
| JP2013509500A (en) | Method for manufacturing a plain bearing element | |
| DE3901401C2 (en) | Process for controlling a vacuum arc discharge | |
| US6936145B2 (en) | Coating method and apparatus | |
| RU2153782C1 (en) | Pulse source of carbon plasma | |
| DE19924094A1 (en) | Vacuum arc evaporator, for coating substrates with electrical, electronic or optical metal or metal compound layers, has an insulated anode surrounded on all sides by evaporated cathode material | |
| WO2008013469A1 (en) | Method for ion-plasma application of film coatings and a device for carrying out said method | |
| US5302271A (en) | Anodic vacuum arc deposition system | |
| EP0444538B1 (en) | Device and procedure for vacuum evaporation of a material and utilisation of the procedure | |
| US4054500A (en) | Method of making refractory metal-ceramic crucible | |
| RU2797563C1 (en) | Method for vacuum deposition of layered coatings by a combination of methods of electro-spark alloying and cathode-arc evaporation and a device for its implementation (options) | |
| CA3114863C (en) | Coating apparatus and method for use thereof | |
| RU179881U1 (en) | ARC EVAPORATOR | |
| DE102019135749B4 (en) | Arc coating assembly and method | |
| RU2816469C1 (en) | Extended electric arc evaporator of current-conducting materials | |
| EP0548032A2 (en) | Electric arc evaporator | |
| WO2003057939A2 (en) | Cathode for vacuum arc evaporators |