Электродуговое нанесение покрытий

При электродуговом нанесении покрытия испарение металла осуществляется в зоне горения дуги вследствие эрозии электрода. Наиболее широкое применение находит дуговое испарение с холодного расходуемого катода. Схема устройства, с помощью которого оно производится, представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Схема электродугового испарения с магнитным удержанием катодных пятен:1–стенки камеры (анод); 2–соленоид; 3–катод; 4–поджигающий электрод; 5–покрытие; 6 – подложка; 7– зона горения дугового разряда

Генерация газовой фазы осуществляется в зоне действия на поверхность разряда, в локальных участках – катодных пятнах вакуумной дуги, которые представляют собой участки поверхности катода, имеющие размер ~10^-4…10^-2 мм. В катодных пятнах протекают также процессы интенсивной электронной эмиссии. В первом приближении считают, что число катодных пятен пропорционально силе тока дугового разряда. Для устойчивого горения дуги необходимо образование на катоде более двух пятен. В катодных пятнах плотность тока может достигать 10⁷ А/см² и выделяется мощность 10⁷…10⁸ Вт/см². В результате при горении дуги осуществляется быстрый нагрев материала, его плавление и испарение.

Характерным для электродугового испарения является наличие в газовой фазе большого количества капель и высокая степень ионизации атомов (до 90 %). Размер капель зависит от теплофизических свойств материала катода и режима горения дугового разряда и составляет от 1 до 50 мкм. При испарении тугоплавких катодов (вольфрама, молибдена, тантала и др.) в газовом потоке содержатся капли размером менее 10 мкм, при испарении легкоплавких – 25…50 мкм и их доля в потоке возрастает до10…30 %.

При работе электродугового испарителя катодные пятна вследствие взаимного отталкивания стремятся уйти на боковую поверхность катода, что является нежелательным, так как изменяется характер распределения газового потока. Для фиксации катодных пятен в центре катода используют внешнее магнитное поле (испаритель с магнитным удержанием катодных пятен) или экранирование боковых поверхностей катода (испарители с электростатическим удержанием пятен).

Содержание капельной фазы в потоке летучих частиц является одним их основных недостатков электродугового нанесения покрытий. До сих пор однозначно не определен механизм генерации этих капель. Наиболее вероятной причиной образования капель считают кипение в объеме расплавленной ванны и образование газовых пузырей из растворенных технологических газов, находящихся в объеме катода. При их интенсивном выходе на поверхность и происходит образование расплавленных микрочастиц. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что при снижении газосодержания в катоде менее 10^-6 % образование капель не происходит.

Характерные параметры дугового разряда имеют значения:

ток дуги –от10 до 10⁴ А;

напряжение между катодом и анодом (стенками камеры) U~10…30 В;

скорость осаждения покрытия ;

удельная испаряемость г/Дж.

Важным является то, что, как уже отмечалось, до 90 % атомов в газовой фазе являются ионизированными. При этом энергия частиц в газовом потоке составляет до 100 эВ. Данные особенности электродугового испарения позволяют достаточно эффективно управлять испаренными потоками и получать покрытия с высокими физико-механическими свойствами.

Электродуговое нанесение покрытия имеет следующие достоинства:

1) возможность совмещения в едином технологическом цикле процесса нагрева (ионной очистки) поверхности в результате воздействия ионов с процессом нанесения покрытия;

2) возможность регулирования в широких пределах скорости нанесения покрытий (путем изменения, например, тока дуги);

3) возможность нанесения сложных по химическому составу покрытий, например, реактивным электродуговым осаждением;

4) высокая производительность процесса, возможность автоматизации;

5) высокие адгезия и сплошность получаемых покрытий.

Основной недостатокрассматриваемого метода, как уже отмечалось, - наличие в газовом потоке капельной фазы. Микрокапли, осажденные на поверхности, определяют неоднородность покрытия, его шероховатость. Разрушение таких покрытий происходит вследствие выкрашивания микрочастиц. Для снижения содержания капельной фазы наиболее часто используют следующие технологические приемы:

1) проводят дегазацию катодов (используют катоды, полученные методом вакуумной плавки);

2) осуществляют сепарацию плазменного потока в электрическом или магнитном полях;

3) оптимизируют режимы испарения. При увеличении тока дуги повышается содержание капельной фазы, которая неблагоприятно сказывается на свойствах покрытия. Рекомендуется проводить испарение при минимальном токе дуги. Однако в этом случае значительно снижается скорость осаждения покрытия, поэтому для получения высокой производительности процесса осаждения установки комплектуются несколькими электродуговыми испарителями. При этом их размещение под разными углами к поверхности подложки позволяет значительно повысить однородность и равнотолщинность формируемых покрытий.

Технология нанесения покрытий электродуговым испарением включает следующие основные стадии:

1. Очистка, промывка детали. Наиболее эффективна очистка в ультразвуковой ванне.

2. Закрепление детали в вакуумной камере и создание необходимой степени вакуума.

3. Нагрев и очистка детали методом ионной бомбардировки (включается электродуговой испаритель и на деталь подается потенциал смещения ~1000 В).

4. После достижения необходимой температуры подача потенциала на деталь прекращается и проводится нанесение покрытия.

5. Разгерметизация вакуумной камеры, снятие деталей и контроль качества покрытия.