Устройство для нанесения диффузионных покрытий
Владельцы патента RU 2599587:
Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)
Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий на изделия и может быть использовано для вакуумно-плазменной обработки изделий, в том числе оснастки, инструмента и деталей в машиностроении, деревообработке, теплоэнергетике, приборостроении и других областях. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет создания условий для нанесения многокомпонентных (однофазных или многофазных) и/или многослойных покрытий, а также переходных слоев на обрабатываемые изделия. Камера источника ионов устройства сформирована двумя коаксиальными цилиндрами, ограниченными с одной стороны кольцевым участком стенки вакуумной камеры, а с другой стороны - прикрепленной через изоляторы к коаксиальным цилиндрам кольцевой пластиной, выполняющей роль анода источника ионов и имеющей по меньшей мере одно кольцевое щелевое отверстие, соосное с цилиндрическими стенками камеры источника ионов. Мишень расположена вне камеры источника ионов и закреплена параллельно аноду соосно с кольцевым отверстием. Держатель обрабатываемого изделия имеет цилиндрическую форму и установлен внутри меньшего из цилиндров камеры источника ионов вдоль оси источника ионов. На торце держателя обрабатываемых изделий закреплен узел фиксации обрабатываемых изделий, расположенный на уровне анода и параллельно ему. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
°°°°°°°Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий на изделия и может быть использовано для вакуумно-плазменной обработки изделий, в том числе оснастки, инструмента и деталей в машиностроении, деревообработке, теплоэнергетике, приборостроении и других областях.
Известна установка «Булат-6», которая предназначена для синтеза твердых материалов из дугового разряда и нанесения их в виде диффузионных покрытий на горячие детали инструментальной оснастки и детали машин. Она содержит вакуумную камеру, блок управления, высоковольтный выпрямитель и электрические источники питания дуговых испарителей. Установка снабжена системой подачи плазмообразующего газа с автоматическим поддержанием давления в камере в диапазоне от 0,1 до 15 Па. [Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме / А.И. Костржицкий, в. Ф. Карпов, М.П. Кабанченко и др. - М.: Машиностроение, 1991. - 176 с.]. Недостатком установки является то, что адгезионная связь образованных покрытий не обеспечивает прочную связь покрытия с поверхностью изделия, что приводит к отслоению покрытий в процессе эксплуатации изделия, а также то, что при нанесении покрытия деталь должна иметь температуру поверхности порядка 800 градусов Цельсия, необходимую для диффузионного нанесения покрытия.
Наиболее близким к изобретению является "Устройство для распыления материалов в вакууме" (RU №2049152, С23С 14/46). Устройство состоит из вакуумной камеры, внутри которой размещены источник ионов, распыляемая ионами мишень и обрабатываемое изделие, на которое происходит нанесение покрытия из материала мишени. Ионы из источника фокусируются на мишень различной формы, а распыляемый материал осаждается на поверхность обрабатываемого изделия. Смена распыляемого участка мишени осуществляется за счет перемещения мишени или источника ионов.
Основным недостатком вышеописанного устройства является невозможность фокусировки пучка ионов одновременно на несколько участков мишени, состоящих из разных материалов. Данный недостаток не позволяет наносить на изделия многокомпонентные и/или многослойные покрытия.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей напылительного устройства за счет создания условий для нанесения многокомпонентных (однофазных или многофазных) и/или многослойных покрытий, а также переходных слоев на обрабатываемые изделия.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем вакуумную камеру, источник ионов, систему откачки, мишень, систему напуска рабочих газов, держатель обрабатываемого изделия, камера источника ионов сформирована двумя коаксиальными цилиндрами, ограниченными с одной стороны кольцевым участком стенки вакуумной камеры, а с другой стороны - прикрепленной через изоляторы к коаксиальным цилиндрам кольцевой пластиной, выполняющей роль анода источника ионов и имеющей, как минимум, одно кольцевое щелевое отверстие, соосное с цилиндрическими стенками камеры источника ионов, а мишень расположена вне камеры источника ионов и закреплена параллельно аноду соосно с кольцевым отверстием, кроме того, держатель обрабатываемого изделия имеет цилиндрическую форму и установлен внутри меньшего из цилиндров камеры источника ионов вдоль оси источника ионов, а на торце держателя обрабатываемых изделий закреплен узел фиксации обрабатываемых изделий, расположенный на уровне анода и параллельно ему.
Аксиальная симметрия источника ионов позволяет получать равномерные потоки распыленного с мишени материала на обрабатываемое изделие, а анод, выполненный, как минимум, с одним кольцевым щелевым отверстием, позволяет производить смену распыляемого участка мишени без перемещения источника ионов и мишени, кроме того, узел фиксации обрабатываемых изделий, расположенный на уровне анода и параллельно ему, позволяет осаждать наибольшее количество атомов, распыленных с мишени, на обрабатываемом изделии.
В частном случае мишень может быть выполнена в виде коаксиальных колец из различных по отношению друг к другу материалов так, что внешний диаметр меньшего по размерам из двух соседних колец меньше, чем внутренний диаметр большего по размерам из двух соседних колец, что позволяет эффективно использовать площадь мишени, т.е. не образуется участков мишени, затеняющих друг друга.
В другом частном случае распыляемые поверхности каждого из коаксиальных колец мишени могут иметь форму усеченного прямого кругового конуса с таким углом наклона, что перпендикуляр, проведенный через середину образующей конуса, пересекает поверхность обрабатываемого изделия, что дает возможность более эффективно расходовать материал мишени, а также увеличить скорость напыления.
Кроме того, источник ионов может быть дополнен, как минимум, одним накальным катодом, закрепленным на стенке вакуумной камеры внутри пространства камеры источника ионов, что позволяет более гибко варьировать процесс обработки изделия.
На фиг. 1 представлена общая схема устройства, на фиг. 2 - схема устройства с мишенью, выполненной в виде коаксиальных колец, а на фиг. 3 - схема устройства с мишенью, выполненной в виде коаксиальных колец, с распыляемыми поверхностями, имеющими форму усеченных конусов, где 1 - вакуумная камера, 2 - источник ионов, 3 - система напуска рабочих газов, 4 - система вакуумной откачки, 5 - мишень, 6 - держатель обрабатываемого изделия, 7 - анод источника ионов, 8 - катод источника ионов, 9 - узел фиксации обрабатываемых изделий, 10 - система питания мишени, 11 - система питания источника ионов, 12 - обрабатываемое изделие.
Внутри вакуумной камеры 1 закреплен источник ионов 2. Камера источника ионов 2 сформирована двумя коаксиальными цилиндрами, ограниченными с одной стороны кольцевым участком стенки вакуумной камеры, а с другой стороны - прикрепленной через изоляторы к коаксиальным цилиндрам кольцевой пластиной, выполняющей роль анода 7 источника ионов и имеющей, как минимум, одно кольцевое щелевое отверстие, соосное с цилиндрическими стенками камеры источника ионов. Катоды 8 закреплены на стенке вакуумной камеры 1 внутри пространства камеры источника ионов 2 через изоляторы. Мишень 5, выполненная в виде коаксиальных колец из различных по отношению друг к другу материалов так, что внешний диаметр меньшего по размерам из двух соседних колец меньше, чем внутренний диаметр большего по размерам кольца, расположена вне камеры источника ионов 2 и закреплена параллельно аноду 7 источника ионов 2 соосно с кольцевым отверстием. Держатель обрабатываемого изделия 6 имеет цилиндрическую форму и установлен внутри меньшего из цилиндров камеры источника ионов 2 вдоль оси источника ионов, а на торце держателя обрабатываемых изделий закреплен узел фиксации обрабатываемых изделий 9, расположенный на уровне анода 7 источника ионов 2 и параллельно ему
Устройство работает следующим образом.
Обрабатываемое изделие 12 крепится в узле фиксации обрабатываемых изделий 9. Вакуумная камера 1 откачивается до давления 10-4…10-6 Па с помощью системы вакуумной откачки 4. В камеру ионного источника 2 с помощью системы напуска рабочих газов 3 напускается рабочий газ до давления 1…10-3 Па, один из катодов 8 накаляется электрическим током до температуры 1700-1800°С, на анод 7 источника ионов 2 подается напряжение +100…200 В относительно катода, в результате чего внутри камеры источника ионов 2 зажигается несамостоятельный газовый разряд с накальным катодом 8. На распыляемую мишень 5 подается напряжение 10…25 кВ относительно анода. Электроны плазмы отталкиваются от мишени 5, плазма «задавливается» внутрь плазменной камеры 2, граница плазмы отодвигается от анода и принимает форму вогнутого внутрь плазменной камеры мениска. Таким образом, положительно заряженные ионы, бомбардирующие мишень, вытягиваются с вогнутой границы плазмы, в результате чего происходит фокусировка ионного пучка на мишени. Изменения потенциала мишени, мощности разряда, а также взаимного расположения частей мишени и анода источника ионов позволяют обеспечить заданную скорость напыления, заданный состав и структуру покрытия. Регулируя параметры импульсов высокого напряжения на мишени такие, как величина импульса, его периодичность и скважность можно добиться облучения разных участков мишени и, как следствие, формирования однокомпонентных, многокомпонентных (однофазных или многофазных) и/или многослойных покрытий, переходных слоев на обрабатываемом изделии. При импульсном изменении потенциалов на мишени место фокусировки пучка ионов, бомбардирующих мишень, меняется, чем обеспечивается ввод примесей в покрытие. Равномерность покрытия по толщине обеспечивается аксиальной симметрией системы «источник ионов-мишень».
Ниже приведен пример формирования на поверхности изделия покрытия из карбида бора с использованием устройства для получения комбинированного стационарного и импульсного потока частиц.
Мишень состоит из двух соосных колец, выполненных соответственно из графита МПГ-8 и спеченного порошка бора. Вакуумная камера откачивается до давления 1×10-5 Па. В камеру источника ионов напускается аргон до давления 4×10-2 Па. Зажигается разряд со следующими параметрами: ток разряда 6 А, смещение анода относительно катода 100 В. Подается смещение на мишени относительно анода: на углеродное кольцо мишени - 4 кВ, на борное кольцо мишени - 15 кВ. Распыление мишени длится 1 ч. Толщина покрытия составляет 1 мкм. После остывания обрабатываемого изделия в течение 30 мин изделие удаляется из камеры.
Таким образом, из вышеуказанного следует, что предлагаемое устройство позволяет наносить на изделия покрытия с заданным составом, который определяется материалом, из которого выполнена мишень, структурой и толщиной, в том числе однослойные покрытия, многослойные покрытия, многокомпонентные однофазные и многофазные покрытия.
1. Устройство для нанесения диффузионных покрытий, содержащее вакуумную камеру, источник ионов, систему откачки, мишень, систему напуска рабочих газов, держатель обрабатываемого изделия, отличающееся тем, что источник ионов содержит камеру, которая сформирована двумя коаксиальными цилиндрами, которые ограничены с одной стороны кольцевым участком стенки вакуумной камеры, а с другой стороны прикреплены через изоляторы к коаксиальным цилиндрам кольцевой пластиной, выполняющей роль анода источника ионов и имеющей по меньшей мере одно кольцевое щелевое отверстие, соосное с цилиндрическими стенками камеры источника ионов, при этом мишень расположена вне камеры источника ионов и закреплена параллельно аноду соосно с кольцевым отверстием, а держатель обрабатываемого изделия выполнен цилиндрической формой и установлен внутри меньшего из цилиндров камеры источника ионов вдоль оси источника ионов, а на торце держателя обрабатываемого изделия закреплен узел фиксации обрабатываемого изделия, расположенный на уровне анода источника ионов и параллельно ему.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде коаксиальных колец из различных по отношению друг к другу материалов, при этом внешний диаметр меньшего по размерам кольца из двух соседних колец меньше, чем внутренний диаметр большего по размерам кольца из двух соседних колец.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что распыляемые поверхности каждого из коаксиальных колец мишени имеют форму усеченного прямого кругового конуса с углом наклона , при котором перпендикуляр, проведенный через середину образующей конуса, пересекает поверхность обрабатываемого изделия.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник ионов дополнительно содержит по меньшей мере один накальный катод , закрепленный на стенке вакуумной камеры внутри пространства камеры источника ионов.
