Вакуумно-дугове нанесення покриттів
Вакуумно-дугове нанесення покриттів(катодно-дугове осадження) - це фізичний метод нанесення покриттів (тонких плівок) у вакуумі, шляхом конденсації на підкладку (виріб, деталь) матеріалу з плазмових потоків, що генеруються на катоді-мішені катодній плямі вакуумної дуги сильноточного низьковольтного розряду, що розвивається виключно в парах матеріалу електрода [1] .
Метод використовується для нанесення металевих, керамічних та композитних плівок на різні вироби.
Зміст
Промислове використання сучасних вакуумно-дугових технологій бере свій початок у СРСР. Вперше систематичні дослідження та розробки вакуумно-дугового методу та обладнання з метою їх адаптації до умов індустріального виробництва було розпочато одним із наукових колективів Харківського фізико-технічного інституту (ХФТІ) ще наприкінці 60-х років XX століття [3] (і продовжуються до теперішнього часу) час [4]).
У 1976-1980 роки почалася розробка техніки та технології нанесення різних зміцнювальних та захисних покриттів вакуумно-дуговим методом. Розроблені в ХФТІ установки для нанесення таких покриттів, які дали початок широкому промисловому застосуванню методу, отримали назву «Булат» [5] . Установка була захищена п'ятьма закордонними патентами в США, Великобританії, Франції, ФРН, Японії, Італії у зв'язку з переговорами, що ведуться в той період, з метою продажу ліцензії.
Наприкінці 70-х років XX століття Радянський уряд вирішив відкрити цю технологію для Заходу. У 1979 р. Джозеф Фільнер (H. Joseph Filner) [6] , голова американської фірми«Noblemet International»[7] , випадково дізнався про цю технологію під час своєї ділової поїздки в СРСР, побачивши там її ефективне та успішне застосування в промисловості для зміцненняметалорізального інструменту. У результаті цією фірмою з урядом СРСР було підписано ліцензійну угоду, і разом з іншими інвесторами для промислового впровадження на Заході їй було спеціально створено фірму«Multi-Arc Vacuum Systems»(або«MAVS»), річний дохід якої за два роки зріс з нуля до 5 млн. доларів США [8] . Фірмі«Multi-Arc»було продано виняткову ліцензію на обладнання та технологію осадження покриттів TiN на ріжучий інструмент із швидкорізальних сталей. Територія дії угоди склала понад 40 країн Північної Америки, Європи та Азії.
У 1981 році було підписано ліцензійну угоду з ВТП «Політехна» (ЧССР) на продаж технології зміцнення різального інструменту методом КІБ.
У 1980-1985 роки здійснювалося патентування удосконалень установки "Булат", переданої за ліцензією. Були отримані охоронні грамоти на 36 патентів у 15 країнах світу [9] .
Вакуумно-дуговий процес випаровування починається із запалювання вакуумної дуги (що характеризується високим струмом та низькою напругою), яка формує на поверхні катода (мішені) одну або кілька точкових (розмірами від одиниць мікрон до десятків мікрон) емісійних зон (так звані «катодні плями») , у яких концентрується вся потужність розряду Локальна температура катодної плями надзвичайно висока (близько 15000 °C), що викликає інтенсивне випаровування та іонізацію в них матеріалу катода та утворення високошвидкісних (до 10 км/с) потоків плазми, що поширюються з катодної плями до навколишнього простору. Окрема катодна пляма існує тільки протягом дуже короткого проміжку часу (мікросекунди), залишаючи на поверхні катода характерний мікрократер, потім відбувається його самозгасання та самоініціація нової катодної пляминової області на катоді, близькій до попереднього кратера. Візуально це сприймається як переміщення дуги поверхнею катода.
Так як дуга, по суті, є провідником зі струмом, на неї можна впливати накладання електромагнітного поля, що використовується на практиці для управління переміщенням дуги по поверхні катода, для забезпечення його рівномірної ерозії.
У вакуумній дузі в катодних плямах концентрується вкрай висока щільність потужності, результатом чого є високий рівень іонізації (30-100%) плазмових потоків, що утворюються, що складаються з багаторазово заряджених іонів, нейтральних частинок, кластерів (макрочастинок, крапель). Якщо в процесі випаровування у вакуумну камеру вводиться хімічно активний газ, при взаємодії з потоком плазми може відбуватися його дисоціація, іонізація та збудження з подальшим перебігом плазмохімічних реакцій з утворенням нових хімічних сполук та осадженням їх у вигляді плівки (покриття).
Помітна складність у процесі вакуумно-дугового випаровування полягає в тому, що якщо катодна пляма залишається в точці випаровування занадто довго, вона емітує велику кількість макрочастинок або краплинної фази. Ці макровключення знижують характеристики покриттів, оскільки вони мають погане зчеплення з підкладкою і можуть за розмірами перевищувати товщину покриття (проступати крізь покриття). Ще гірше, якщо матеріал катода-мішені має низьку температуру плавлення (наприклад, алюміній): у цьому випадку мішень під катодною плямою може проплавитися наскрізь, в результаті чого або почне випаровуватися матеріал опорного тримача катода, або охолоджує катод вода призводячи до виникнення аварійної ситуації.
Для вирішення цієї проблеми виробляють тим чи іншим способомбезперервне переміщення катодної плями по великому та масивному катоду, що має досить великі лінійні розміри. В основному, як згадувалося вище, для керованого переміщення катодних плям по поверхні катода використовуються магнітні поля. З цією ж метою, при застосуванні циліндричних катодів, під час роботи (випаровування) їм можна повідомляти обертальний рух. Не дозволяючи катодній плямі залишатися на одному місці занадто довго, можна використовувати катоди з легкоплавких металів і при цьому зменшити кількість небажаної краплинної фази.
Деякі компанії також використовують звані фільтровані дуги (англ. filtered arcs ), у яких макровключення відокремлюються від потоку плазми з допомогою магнітних полів (див. нижче).
Катодно-дуговий джерело конструкції Саблева (найпоширеніший у країнах) складається з короткого масивного катода-мишени циліндричної форми, виготовленого з електропровідного матеріалу, і з одного (робочого) кінця. Цей катод оточений кільцем (екраном), що знаходиться під плаваючим потенціалом, яке служить для захисту неробочих поверхонь від впливу дуги. Анодом для цієї системи може бути або стінка вакуумної камери, або окремий анод. Катодні плями ініціюються запаленням дуги за допомогою механічного тригера (підпалювального пристрою) на відкритому кінці катода шляхом короткочасного замикання ланцюга між катодом і анодом. Після запалення дуги катодні плями рухаються мимовільно хаотично по відкритому кінцю катода або рух задається за допомогою зовнішнього магнітного поля.
Існують також багатокатодні конструкції катодно-дугових джерел, що дозволяють в єдиному технологічному циклі наносити комбіновані багатошарові покриття та/або покриття з хімічних сполук.складного складу [10] де кожен катод відповідає за нанесення свого матеріалу або з'єднання на його основі.
Існують також інші цікаві конструкції фільтрів, такі, наприклад, як прямоканальна конструкція з вбудованим катодом у формі усіченого конуса, запропонована Д. А. Карповим в 90-х роках XX століття [джерело не вказано 1091 день] . Ця конструкція, до цього дня, досить популярна як серед підприємств, що виробляють нанесення тонкоплівкових зносостійких покриттів, так і серед дослідників у країнах колишнього СРСР [6] . Також існують катодно-дугові джерела з протяжними циліндричними та прямокутними катодами, але вони менш популярні.