Вакуумно дъгово покритие

Вакуумно-дъгово нанасяне(катодно-дъгово отлагане) е физически метод за нанасяне на покритие (тънки филми) във вакуум, чрез кондензиране върху субстрат (продукт, част) на материал от плазмени потоци, генерирани върху целеви катод в катодно петно на вакуумна дъга на силнотоков разряд с ниско напрежение, развиващ се изключително в изпарения от електроден материал [1] .

Методът се използва за нанасяне на метални, керамични и композитни филми върху различни продукти.

Съдържание

Индустриалното използване на съвременните вакуумно-дъгови технологии произхожда от СССР. За първи път системни изследвания и разработки на вакуумно-дъговия метод и оборудване с цел адаптирането им към условията на промишленото производство бяха започнати от един от изследователските екипи на Харковския физико-технологичен институт (KIPT) още в края на 60-те години на XX век [3] (и продължават до днес [4]).

През 1976-1980 г. започва разработването на техники и технологии за нанасяне на различни втвърдяващи и защитни покрития по метода на вакуумната дъга. Инсталациите, разработени в ХИФТИ за нанасяне на такива покрития и довели до широко промишлено приложение на метода, бяха наречени „Булат“ [5] . Инсталацията е защитена с пет чуждестранни патента в САЩ, Великобритания, Франция, Германия, Япония, Италия във връзка с водените по това време преговори за продажба на лиценза.

В края на 70-те години на XX век съветското правителство реши да отвори тази технология за Запада. През 1979 г. Джоузеф Филнер (H. Joseph Filner) [6] , ръководител на американската компанияNoblemet International»[7] случайно научава за тази технология по време на командировката си в СССР, виждайки там нейното ефективно и успешно приложение в индустрията за закаляванеметалорежещ инструмент. В резултат на това тази компания подписва лицензионно споразумение с правителството на СССР и заедно с други инвеститори за промишлено внедряване на Запад специално създава компанията"Multi-Arc Vacuum Systems"(или"MAVS"), чийто годишен доход нараства от нула до 5 милиона щатски долара за две години [8] . На фирма"Мулти-Арк"беше продаден изключителен лиценз за оборудване и технология за нанасяне на TiN покрития върху режещи инструменти от бързорежещи стомани. Територията на споразумението беше повече от 40 страни от Северна Америка, Европа и Азия.

През 1981 г. е подписан лицензионен договор с VTP "Polytechna" (Чехословакия) за продажба на технология за закаляване на режещи инструменти по метода CIB.

През 1980-1985 г. са патентовани подобренията на инсталацията Булат, прехвърлени по лиценз. Бяха получени предпазни мерки за 36 патента в 15 страни [9] .

Процесът на вакуумно-дъгово изпаряване започва със запалване на вакуумна дъга (характеризираща се с висок ток и ниско напрежение), която образува върху повърхността на катода (мишената) една или повече точкови (размери от няколко микрона до десетки микрона) емисионни зони (така наречените "катодни петна"), в които е концентрирана цялата мощност на разряда. Локалната температура на катодното петно е изключително висока (около 15000 °C), което предизвиква интензивно изпарение и йонизация на катодния материал в тях и образуването на високоскоростни (до 10 km/s) плазмени потоци, разпространяващи се от катодното петно в околното пространство. Отделно катодно петно съществува само за много кратък период от време (микросекунди), оставяйки характерен микрократер върху повърхността на катода, след което то се самоизгасва и самоинициира ново катодно петно внова област на катода близо до предишния кратер. Визуално това се възприема като движение на дъгата по повърхността на катода.

Тъй като дъгата е по същество проводник с ток, тя може да бъде повлияна от налагането на електромагнитно поле, което се използва на практика за контролиране на движението на дъгата по повърхността на катода, за да се осигури нейната равномерна ерозия.

Във вакуумната дъга изключително висока плътност на мощността се концентрира в катодните петна, което води до високо ниво на йонизация (30–100%) на получените плазмени потоци, състоящи се от многозаредени йони, неутрални частици, клъстери (макрочастици, капки). Ако по време на изпаряване във вакуумната камера се въведе реактивен газ, взаимодействието му с плазмения поток може да доведе до неговата дисоциация, йонизация и възбуждане, последвано от плазмохимични реакции с образуването на нови химични съединения и отлагането им под формата на филм (покритие).

Забележителна трудност в процеса на вакуумно дъгово изпаряване е, че ако катодното петно остане в точката на изпарение твърде дълго, то ще отдели голямо количество частици или капкова фаза. Тези макровключвания намаляват характеристиките на покритията, тъй като имат лоша адхезия към основата и могат да надвишават дебелината на покритието по размер (стърчат през покритието). Още по-лошо е, ако целевият катоден материал има ниска температура на топене (например алуминий): в този случай целта под катодното петно може да се разтопи, в резултат на което или материалът на държача на катодната опора започва да се изпарява, или катодната охлаждаща вода започва да тече във вакуумната камера, което води до авария.

За да се реши този проблем, по един или друг начиннепрекъснато движение на катодното петно по голям и масивен катод, който има достатъчно големи линейни размери. По принцип, както бе споменато по-горе, магнитните полета се използват за контролиране на движението на катодните петна по повърхността на катода. За същата цел, когато се използват цилиндрични катоди, по време на работа (изпаряване) може да им се придаде въртеливо движение. Като не се позволява катодното петно да остане на едно място твърде дълго, могат да се използват метални катоди с ниска топимост и количеството нежелана капкова фаза може да бъде намалено.

Някои компании използват и така наречените филтрирани дъги (англ. filtered arcs), при които макро включенията се отделят от плазмения поток с помощта на магнитни полета (виж по-долу).

Катодно-дъговият източник, проектиран от Саблев (най-разпространеният на Запад), се състои от къс масивен цилиндричен мишенен катод, изработен от електропроводим материал и отворен в единия (работен) край. Този катод е заобиколен от плаващ потенциален пръстен (екран), който служи за защита на неработещите повърхности от образуване на дъга. Анодът за тази система може да бъде или стената на вакуумната камера, или отделен анод. Катодните петна се инициират чрез запалване на дъгата с помощта на механичен спусък (възпламенител) в отворения край на катода чрез късо съединение на веригата между катода и анода. След запалване на дъгата катодните петна се движат спонтанно хаотично по отворения край на катода или движението им се задава с помощта на външно магнитно поле.

Съществуват и многокатодни конструкции на катодно-дъгови източници, които позволяват нанасянето на комбинирани многослойни покрития и/или покрития от химични съединения в един технологичен цикъл.сложен състав [10] , където всеки катод е отговорен за отлагането на свой собствен материал или съединение на негова основа.

Има и други интересни дизайни на филтри, като например дизайн с прав канал с вграден катод под формата на пресечен конус, предложен от Д. А. Карпов през 90-те години на XX век [източникът не е посочен 1091 дни] . Този дизайн и до днес е доста популярен както сред предприятията, произвеждащи тънкослойни износоустойчиви покрития, така и сред изследователите в страните от бившия СССР [източникът не е посочен 1091 дни] . Съществуват и катодно-дъгови източници с разширени цилиндрични и правоъгълни катоди, но те са по-малко популярни.