RU81730U1

RU81730U1 - INSTALLATION FOR COATING

Info

Publication number: RU81730U1
Application number: RU2008140280/22U
Authority: RU
Inventors: Борис Викторович Бушмин; Юрий Владимирович Дубровский; Александр Яковлевич Колпаков; Людмила Владимировна Селезнёва; Иолий Александрович Хазов; Марина Евгеньевна Галкина
Original assignee: Борис Викторович Бушмин; Юрий Владимирович Дубровский; Александр Яковлевич Колпаков; Людмила Владимировна Селезнёва; Иолий Александрович Хазов; Марина Евгеньевна Галкина
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2009-03-27

Abstract

Полезная модель относится к области нанесения защитных покрытий на конструкционные элементы установок, работающих в агрессивных средах, и детали машин в атомном, химическом, электронном, общем машиностроении и направлена на повышение качества покрытий. Технический результат достигается тем, что в одной вакуумной камере с откачкой воздуха и подачей азота и инертного газа объединены дуговой испаритель, в состав которого входит катод из одного материала покрытия, и магнетронный распылитель с мишенью из того же материала покрытия, а перед катодом дугового источника установлен выдвижной металлический экран для обеспечения сепарации ионного потока и уменьшения ионного тока в режимах очистки, в том числе в импульсных режимах, обеспечиваемых емкостью, питающей дуговой источник в импульсном режиме. В процессе ионной очистки подложек из химически активных металлов и сплавов обеспечивается снижение ионного потока, позволяющее исключить дефекты, связанные с осаждением кластеров и капель, повреждения паразитными микродугами, подавать на подложку высокое напряжение, необходимое для разрушения ионной бомбардировкой прочных окисных слоев на ее поверхности. При этом на подложке в ходе очистки формируется дуговым методом тонкий переходный слой из материала катода, обладающего лучшими адгезионными свойствами к материалу покрытия, чем материал подложки. В ходе последующего осаждения покрытия на подложку, последнее формируется более однородным за счет использования магнетронного метода, но с высокой адгезией, характерной для дугового способа. Дуговой источник используется в одном из следующих режимов: - включается с закрытым экраном только для очистки; - включается с закрытым экраном для очистки и с закрытым или открытым экраном в ходе напыления - многокомпонентные покрытия, как в прототипе, причем, положение экрана, наряду с остальными параметрами, влияет на величину потока ионов с дугового источника и, соответственно, на элементный состав покрытия.The utility model relates to the field of applying protective coatings on the structural elements of plants operating in aggressive environments, and machine parts in nuclear, chemical, electronic, general engineering and is aimed at improving the quality of coatings. The technical result is achieved by the fact that in one vacuum chamber with air evacuation and nitrogen and inert gas supply, an arc evaporator is combined, which includes a cathode of the same coating material, and a magnetron atomizer with a target of the same coating material, and an arc source is installed in front of the cathode of the arc source retractable metal screen to ensure separation of the ion flux and reduce ion current in cleaning modes, including in pulsed modes, provided by the capacitance supplying the arc source in pulsed Mode. In the process of ionic cleaning of substrates of chemically active metals and alloys, a decrease in the ion flux is ensured, which allows eliminating defects associated with the deposition of clusters and droplets, damage by parasitic microarcs, applying a high voltage to the substrate necessary for ionic bombardment of strong oxide layers on its surface. In this case, a thin transition layer of cathode material is formed on the substrate during cleaning by the arc method, which has better adhesive properties to the coating material than the substrate material. During the subsequent deposition of the coating on the substrate, the latter is formed more uniform due to the use of the magnetron method, but with high adhesion characteristic of the arc method. The arc source is used in one of the following modes: - turns on with the screen closed for cleaning only; - turns on with a closed screen for cleaning and with a closed or open screen during spraying - multicomponent coatings, as in the prototype, moreover, the position of the screen, along with other parameters, affects the amount of ion flux from the arc source and, accordingly, the elemental composition of the coating .

Description

Полезная модель относится к области нанесения защитных покрытий на конструкционные элементы установок, работающих в агрессивных средах, и детали машин в атомном, химическом, электронном, общем машиностроении и направлена на повышение качества покрытий.The utility model relates to the field of applying protective coatings on the structural elements of plants operating in aggressive environments, and machine parts in nuclear, chemical, electronic, general engineering and is aimed at improving the quality of coatings.

Известны способы нанесения покрытий на инструменты и детали машин с помощью вакуумно-дуговых методов (конденсация при ионной бомбардировке КИБ) и установки, реализующие эти способы («Булат», «Пуск» и др.), описанные в кн. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. T.III - 8 / Ю.В.Панфилов, Л.К.Ковалев, В.А.Блохин и др.; Под общ. Ред. Ю.В.Панфилова. 2000. 744 с., ил.Known methods of coating on tools and machine parts using vacuum-arc methods (condensation during ion bombardment of CIB) and installations that implement these methods ("Bulat", "Start", etc.), described in the book. Engineering. Encyclopedia / Ed. Advice: K.V. Frolov (previous) and others. - M.: Mechanical Engineering. Technologies, equipment and control systems in electronic engineering. T.III - 8 / Yu.V. Panfilov, L.K. Kovalev, V.A. Blokhin and others; Under the total. Ed. Yu.V. Panfilova. 2000.744 pp., Ill.

Недостатком способа и установки для его реализации является наличие капельной фазы в покрытии, что приводит к ухудшению сплошности и коррозионных свойств покрытия.The disadvantage of the method and installation for its implementation is the presence of a droplet phase in the coating, which leads to a deterioration in the continuity and corrosion properties of the coating.

Известна установка, опубликованная в кн. Сушенцов Н.И., Филимонов В.Е. Основы технологии микроэлектроники: Лабораторный практикум. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 156 с. Установка содержит источник питания катода и размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки и подложку, на которую наносится покрытие.Known installation published in the book. Sushentsov N.I., Filimonov V.E. Fundamentals of microelectronics technology: Laboratory workshop. - Yoshkar-Ola: MarSTU, 2004 .-- 156 p. The installation contains a cathode power source and an arc evaporator consisting of a cathode of the evaporated coating material and a stabilizing coil and a substrate on which the coating is applied, placed in a vacuum chamber with nitrogen supply and pumping.

Недостатком установки также является наличие капельной фазы в наносимом покрытии.The disadvantage of the installation is the presence of a drop phase in the applied coating.

Наиболее близким техническим решением является установка для нанесения покрытий, содержащая размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки, и подложки, на которую наносится покрытие, а также источник питания катода, при этом в вакуумную камеру введен магнетронный распылитель с мишенью из другого материала покрытия и источником питания магнетрона (Заявка №2005121948/22 от 11.07.2005)The closest technical solution is the installation for coating, containing placed in a vacuum chamber with the supply and pumping of nitrogen arc evaporator, consisting of a cathode of the evaporated coating material and a stabilizing coil, and the substrate on which the coating is applied, as well as the cathode power source, A magnetron sprinkler with a target from a different coating material and a magnetron power source was introduced into the vacuum chamber (Application No. 2005121948/22 of 07/11/2005)

Недостатком данного технического решения является то, что при работе с подложками из химически активных конструкционных материалов, например, сплавами циркония, невозможно данным способом обеспечить эффективную очистку подложки от стойких окислов, что приводит к нарушению адгезии и коррозионных свойств покрытий при обеспечении высокой однородности покрытий, характерной для магнетронного напыления.The disadvantage of this technical solution is that when working with substrates of chemically active structural materials, for example, zirconium alloys, it is impossible in this way to ensure effective cleaning of the substrate from stable oxides, which leads to a violation of the adhesion and corrosion properties of the coatings while ensuring high uniformity of coatings characteristic for magnetron sputtering.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что в известную совокупность существенных признаков «содержащая размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки, подложки, на которую наносится покрытие, а также источник питания катода, при этом в вакуумную камеру введен магнетронный распылитель с мишенью из другого материала покрытия и The essence of the proposed technical solution lies in the fact that in a known set of essential features "containing an arc evaporator located in a vacuum chamber with nitrogen supply and pumping out, consisting of a cathode of an evaporated coating material and a stabilizing coil, a substrate on which the coating is applied, as well as a power source the cathode, while a magnetron sputter with a target from a different coating material is introduced into the vacuum chamber and

источником питания магнетрона» вводятся признаки «перед катодом дугового источника установлен выдвижной металлический экран для обеспечения сепарации ионного потока и уменьшения ионного тока в режимах очистки», а также «система подачи газа снабжена системой подачи инертного газа, а источник питания катода содержит накопительную емкость для реализации импульсного режим работы». Полученная таким образом новая совокупность существенных признаков обуславливает соответствие технического решения критерию «новизна» иmagnetron power source "signs are introduced" a retractable metal screen is installed in front of the cathode of the arc source to ensure separation of the ion flux and reduce the ion current in the cleaning modes ", as well as" the gas supply system is equipped with an inert gas supply system, and the cathode power supply contains a storage tank for pulse mode of operation. " Thus obtained a new set of essential features determines the conformity of the technical solution to the criterion of "novelty" and

обнаруживает при этом новые свойства, присущие данному решению в отличие от ранее известных:in this case, it reveals new properties inherent in this solution, in contrast to previously known:

- наличие экрана обеспечивает малые величины ионного тока, практически исключает капельную составляющую ионного потока при очистке, а также практически исключает вероятность возникновения паразитных микродуг на поверхности подложки при высоких напряжениях на подложке, что обеспечивает возможность подачи на подложку высокого напряжения, достаточного для разрушения прочных окисных пленок бомбардировкой ионами дугового источника;- the presence of the screen provides small values of the ion current, virtually eliminates the droplet component of the ion flux during cleaning, and almost eliminates the likelihood of spurious microarcs on the surface of the substrate at high voltages on the substrate, which makes it possible to supply a high voltage sufficient for the destruction of strong oxide films to the substrate ion bombardment of an arc source;

- наличие системы подачи инертного газа обеспечивает возможность проведения очистки в тлеющем разряде инертного газа перед ионной бомбардировкой, что обеспечивает более эффективную очистку поверхности - переходный слой металла формируется на уже очищенной тлеющим разрядом поверхности химически активного материала подложки;- the presence of an inert gas supply system enables the inert gas to be cleaned in a glow discharge before ion bombardment, which provides a more effective surface cleaning - a transition metal layer is formed on the surface of the chemically active substrate material that has already been cleaned with a glow discharge;

- наличие емкости для работы в импульсном режиме обеспечивает возможность работы с изделиями, недопускающими перегрева, используя достаточные для очистки поверхности химически активного материала подложки, энергии ионного потока.- the presence of a tank for operation in pulsed mode provides the ability to work with products that do not allow overheating, using sufficient ion surface energy to clean the surface of the chemically active substrate material.

На рисунке представлена схема установки для нанесения покрытий.The figure shows the installation diagram for coating.

Основу установки составляет вакуумная камера 1, с откачкой и подачей азота N₂ и инертного газа, внутри которой находятся дуговой испаритель, состоящий из катода 2 из испаряемого материала и стабилизирующей катушки 3, а также магнетронный распылитель 4 с мишенью 5 и источником питания магнетрона 6. Внутри камеры располагается подложка 7, на которую наносится покрытие 8. Перед катодом 2 расположен выдвижной металлический экран 10, имеющий два положения: «открыт» и «закрыт». Вне камеры расположен источник питания катода 9, обеспечивающий дуговой разряд. Источник питания катода 9 снабжен емкостью 11 для обеспечения импульсного режима дугового источника, а также содержит другие вспомогательные устройства, обеспечивающие работу установки (вращение подложки, откачку воздуха и др.) Напряжение на подложку подается источником питания 12.The installation is based on a vacuum chamber 1, with the pumping and supply of nitrogen N ₂ and an inert gas, inside of which there is an arc evaporator consisting of a cathode 2 of the evaporated material and a stabilizing coil 3, as well as a magnetron atomizer 4 with a target 5 and a magnetron 6 power source. Inside the chamber there is a substrate 7, on which a coating is applied 8. In front of the cathode 2 there is a retractable metal screen 10 having two positions: “open” and “closed”. Outside the chamber, there is a cathode 9 power supply providing an arc discharge. The power source of the cathode 9 is equipped with a capacitance 11 to provide a pulsed mode of the arc source, and also contains other auxiliary devices that ensure the operation of the installation (rotation of the substrate, pumping air, etc.). The voltage to the substrate is supplied by the power source 12.

Работает установка следующим образом. При достижении в рабочей камере необходимого вакуума в камеру 1 подается инертный газ, в промежутке между камерой 1 и подложкой 7 зажигают, при необходимости, тлеющий разряд, после очистки тлеющим разрядом инертный газ откачивают, а в промежутке между катодом 2 и вакуумной камерой 1 за счет источника питания катода 9 получают дуговой разряд, который может реализовываться в стационарном, или, за счет емкости 11, в импульсном режиме. При этом частицы материала катода 2 под влиянием поля стабилизирующей катушки 3 летят в направлении подложки 7, образуя сначала промежуточный слой, а затем основное покрытие 8, в зависимости от напряжения на подложке 7, подаваемого источником 12. При этом экран 10 обеспечивает сепарацию капель и снижение ионного потока на этапе The installation works as follows. When the necessary vacuum is reached in the working chamber, inert gas is supplied to chamber 1, a glow discharge is ignited in the gap between chamber 1 and substrate 7, if necessary, after cleaning by a glow discharge the inert gas is pumped out, and in the gap between the cathode 2 and vacuum chamber 1 due to the cathode power source 9 receive an arc discharge, which can be implemented in a stationary, or, due to the capacity of 11, in a pulsed mode. In this case, particles of the material of the cathode 2 under the influence of the field of the stabilizing coil 3 fly in the direction of the substrate 7, forming first an intermediate layer, and then the main coating 8, depending on the voltage on the substrate 7 supplied by the source 12. In this case, the screen 10 provides for the separation of drops and decrease ion flow in stage

очистки-формирования промежуточного слоя, обеспечивая возможность подачи высокого напряжения от источника 12 на подложку 7, формируя плотный слой с хорошей адгезией между химически активной подложкой 7 и покрытием 8. При подаче напряжения от источника питания магнетрона 6 на мишень 5 магнетронного распылителя 4, начинается распыление мишени 5, причем ионами, распыляющими мишень 5 могут являться ионы материала катода 2, если дуговой источник продолжает работать, и формируется многокомпонентное покрытие и азота N₂. Распыленный материал мишени 5 также осаждается на подложке 7 через сформированный катодом 2 ранее переходный слой, образуя плотное покрытие 8, причем, так как адгезия переходного слоя к подложке обеспечена высоким напряжением в ходе очистки, а материалы катода 2 и мишени 5 идентичны или обладают хорошей взаимной адгезией, то покрытие получается однородным и с хорошей адгезией к химически активному материалу подложки. В результате на подложке 7 из химически активного металла наносится покрытие с высокой степенью адгезии, сочетающее высокую способность дугового источника к очистке поверхности от окислов и однородное покрытие, обеспечиваемое магнетронным источником.cleaning-forming the intermediate layer, providing the possibility of applying a high voltage from the source 12 to the substrate 7, forming a dense layer with good adhesion between the reactive substrate 7 and the coating 8. When voltage is applied from the power source of the magnetron 6 to the target 5 of the magnetron atomizer 4, sputtering target 5, moreover, ions of the cathode 2 material can be ions sputtering the target 5, if the arc source continues to work, and a multicomponent coating and nitrogen N _{2 are formed} . The sprayed target material 5 also deposits on the substrate 7 through the transition layer previously formed by the cathode 2, forming a dense coating 8, moreover, since the adhesion of the transition layer to the substrate is ensured by high voltage during cleaning, and the materials of the cathode 2 and target 5 are identical or have good mutual adhesion, the coating is uniform and with good adhesion to the chemically active substrate material. As a result, a coating with a high degree of adhesion is applied to a substrate 7 of a reactive metal, combining the high ability of the arc source to clean the surface of oxides and a uniform coating provided by a magnetron source.

Claims

1. Installation for coating, containing placed in a vacuum chamber with the supply and pumping of nitrogen arc evaporator, consisting of a cathode of the evaporated coating material and a stabilizing coil, the substrate, which is coated, a cathode power source, a magnetron atomizer with a target and a magnetron power source and also a gas-nitrogen supply system, characterized in that a retractable metal screen is installed in front of the cathode of the arc source to ensure separation of the ion flux and reduce the ion current in cleaning modes, and the cathode and target are made of the same material, for example titanium.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the gas supply system is equipped with an inert gas supply system, and the cathode power supply contains a storage capacitance for implementing a pulsed operation mode.