Способ плазменно-дугового нанесения покрытий в вакууме

 

Изобретение относится к нанесению тонкопленочных покрытий в вакууме, в частности защитных, износостойких и декоративных покрытий на изделия из различных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что на плазму электродугового источника пара воздействуют путем подогрева ее до наведения плавающего потенциала на подложке. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к нанесению тонкопленочных покрытий в вакууме, в частности к способам электродугового нанесения защитных, износостойких и декоративных покрытий на изделия из различных материалов и может быть использовано в машиностроении, строительстве и для производства товаров народного потребления.

Известны способы нанесения нитрида титана в вакууме электродуговым напылением на изделия из металла - это режущий инструмент, детали машин, зубные протезы и т.д. Такие покрытия широко применяются во всем мире с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости изделий и для придания им декоративных свойств или замены золота на зубных протезах.

Сущность этих способов нанесения покрытия заключается в том, что на изделия от дополнительного источника тока прикладывают отрицательное напряжение и под действием его вытягивают ионы из плазмы дугового разряда, которые бомбардируют поверхность изделия, формируя покрытие [1].

Недостатками способов являются невозможность нанесения неэлектропроводящих покрытий, покрытий на изделия из диэлектрических материалов и низкое декоративное качество изделий из-за наличия "микрокапельной фазы" в структуре покрытия.

Известен также способ плазменно-дугового нанесения покрытия в вакууме на стеклянную подложку, заключающийся в том, что в вакуумной камере подложку в горизонтальном направлении линейно перемещают так, что она проходит под источником для электродугового осаждения из паровой фазы, а со стороны задней поверхности подложки располагают электродную пластину и, прикладывая к ней высокое отрицательное напряжение от дополнительного источника, обеспечивают ускорение ионов электродуговой плазмы, формируя покрытие [2].

Недостатком этого способа является низкая адгезия покрытия вследствие снижения действия электрического поля из-за поляризации материала подложки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ плазменно-дугового нанесения проводящего покрытия в вакууме на стеклянную или керамическую подложку, включающий испарение материала катода с помощью дугового испарителя и последующую конденсацию полученных паров на очищенной подложке с бомбардировкой поверхности подложки ускоренными ионами от дополнительного ионного источника. Таким образом формируют первое проводящее покрытие. Затем прикладывают отрицательное напряжение к первому проводящему покрытию и формируют второе проводящее покрытие с помощью второго дугового испарителя [3].

Недостатками указанного способа являются сложность технологического процесса и ограниченность его возможностью нанесения только проводящего покрытия.

Способ нанесения покрытий, в котором использовалось бы воздействие на плазму плазменно-дугового испарителя, авторам не известен. Одним из таких воздействий является дополнительный подогрев электродуговой плазмы до температуры, определяемой конкретным технологическим процессом.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создания способа плазменно-дугового нанесения покрытий в вакууме, который обладал бы простотой и универсальностью технологического процесса нанесения адгезионно-прочных покрытий с широкими декоративными свойствами и с заранее заданным цветовым оттенком, позволял бы наносить как электропроводящие, так и неэлектропроводящие покрытия как на металлические, так и на диэлектрические подложки с высокой производительностью процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе плазменно-дугового нанесения покрытия в вакууме, включающем плазменно-дуговое испарение материала катода и последующую конденсацию полученных паров на очищенной подложке с бомбардировкой поверхности подложки ускоренными ионами, согласно изобретению, исходную плазму дугового испарителя дополнительно подогревают потоком неравновесной плазмы инертного газа до наведения плавающего потенциала на подложке, проводимого технологического процесса, подложку в процессе нанесения покрытия поддерживают под плавающим потенциалом и, согласно изобретению, очистку поверхности подложки ведут ионами инертного газа, ускоренными плавающим потенциалом.

Сущность технологического процесса предлагаемого способа нанесения покрытий заключается в следующем. Известно, что при внесении в плазму любого изолированного тела на нем, вследствие различия в подвижностях ионов и электронов, наводится отрицательный относительно плазмы плавающий потенциал, величина которого зависит от температуры электронов плазмы и определяется выражением [4].

Ф = 1/2 ln(π/2·m_e/m_i)·kT_e/e, (1) где T_e - температура электронов плазмы, k - постоянная Больцмана, e - численное значение заряда электрона, m_e, m_i - массы электрона и иона соответственно.

В исходной плазме вакуумного электродугового испарителя температура электронов составляет 10000-15000 К. В этом случае наведенный на подложке плавающий потенциал составляет 5-7 В и оказывается недостаточным для обеспечения адгезии покрытия на подложке ионной бомбардировкой. Поэтому в способах [1-3] на подложку подают отрицательное напряжение для интенсификации ионной бомбардировки. При подогреве электронной компоненты плазмы до температуры 80000-100000 K величина плавающего потенциала, определенная из выражения (1), возрастает до 40:50 В. Под действием этого потенциала ионы из плазмы ускоряются в направлении подложки, бомбардируют ее, обеспечивая высокую адгезию покрытия. Вследствие того, что плавающий потенциал не зависит от материала подложки и покрытия, высокая адгезия достигается на подложках из любого материала независимо от структуры покрытия, включая неэлектропроводящие покрытия из химического соединения материала катода и реакционного газа.

Высокая производительность процесса достигается за счет дополнительной ионизации атомов пара в подогретой плазме и исключения из процесса, по сравнению с прототипом, времени, необходимого для создания первого проводящего покрытия.

В подогретой плазме высокий плавающий потенциал одновременно наводится и на микрокаплях, сопровождающих плазму дугового испарителя. Этот потенциал приводит к возникновению электростатических сил отталкивания микрокапель от подложки, т.е. автоматически возникает механизм объемной сепарации микрокапельной фазы от паровой, что существенно повышает декоративное качество покрытия (зеркальный блеск).

Универсальность способа позволяет наносить покрытия из любых химических соединений материала катода и реакционного газа, вводимого в вакуумную камеру. Это дает возможность получать практически неограниченную цветовую гамму декоративных покрытий.

Предлагаемый способ реализован на промышленной установке "ННВ" (г. Новосибирск), оборудованной плазменно-дуговыми испарителями металлического катода и системой подачи реакционного газа в вакуумную камеру. Для подогрева дуговой плазмы установка дооборудована источником неравновесной плазмы. Для этой цели использован известный источник на основе сильноточной дуги с горячим полым плазменным катодом [5]. С использованием этого источника установление требуемой температуры, зависящей от материала и свойств подложки, осуществлялось изменением тока плазменного источника и контролировалось по величине плавающего потенциала зонда, из которой по выражению [1] рассчитывалась температура электронной компоненты плазмы.

Способ плазменно-дугового нанесения покрытий в вакууме осуществляют следующим образом.

Пример 1. Нанесение декоративного двухслойного покрытия на плоские стеклянные заготовки: первый слой - окись титана, второй слой - нитрид титана.

Заготовки размером 200·200 мм в количестве 24 шт. после промывки и сушки загружают в вакуумную камеру. Камеру откачивают до давления, равного 5·10^-5 мм рт.ст. Подают расход плазмообразующего инертного газа, в частности аргона, через полость катода и запускают плазменный источник. Устанавливают ток плазменного источника, равный 25 А и рабочее давление в камере, равное 1,5·10^-3 мм рт. ст. и производят плазменную очистку подложек от адсорбата ионами, ускоренными плавающим потенциалом, в течение 3 мин, после чего через систему регулирования расхода в камеру подают кислород, доводят давление до рабочего уровня, равного 2·10^-3 мм рт.ст. и включают дуговой испаритель. Устанавливают рабочий ток, равный 80 А и производят нанесения оксидного слоя титана в течение 2 мин, после чего дуговой испаритель выключают, кислород заменяют на азот с тем же рабочим давлением, без выключения плазменного источника, и включают дуговой испаритель. Через 3 мин нанесения слоя нитрида титана дуговой испаритель и плазменный источник выключают, камеру разгерметизируют и загружают следующей партией изделий.

Получено покрытие с зеркальным блеском с двусторонней окраской. Одна сторона сине-голубая, а другая - золотистая. Суммарное время технологического процесса, включая откачку камеры до требуемого вакуума, составляет 30 мин.

Аналогично этому производят нанесение двухслойного покрытия из окиси титана и чистого титана, с той лишь разницей, что кислород заменяют на аргон. Получают покрытие с белым зеркальным блеском с одной стороны и сине-голубое с другой.

Пример 2. Нанесение покрытий из нитрида титана на стальные изделия.

Стальные изделия круглой формы диаметром 200 мм в количестве 36 штук после промывки и сушки загружают в вакуумную камеру на изолированных подставках. Камеру откачивают до давления, равного 5·10^-5 мм рт.ст., подают расход плазмообразующего инертного газа, в частности аргона, через полость катода, и запускают плазменный источник. Устанавливают ток плазменного источника, равный 45-50 А и рабочее давление в камере, равное 1,5·10^-3 мм рт.ст. и производят плазменную очистку изделий ионами, ускоренными плавающими потенциалом, от адсорбента в течение 20 мин, затем через систему регулирования расхода в камеру подают азот, доводят давление до 2·10^-3 мм рт.ст. и включают дуговой испаритель, устанавливают рабочий ток, равный 100 А и производят нанесение покрытия из нитрида титана в течение 20 мин, после чего испаритель и плазменный источник выключают.

Получено защитно-декоративное покрытие по спектральной характеристике отражения близкое к цвету чистого золота.

Пример 3. Нанесение покрытия из нитрида титана на фарфоровые изделия (чайно-кофейные сервизы).

Нанесение покрытия осуществляют аналогично примеру 2, только ток плазменного источника устанавливают равный 30 А, а время нанесения покрытия составляет 8 мин.

Получено покрытие нитрида титана с декоративным свойством "под золото" с зеркальным блеском.

Испытания полученных покрытий на адгезионную прочность показали, что адгезия покрытия соизмерима с прочностью материала подложки и не изменяется после пребывания в воде в течение тридцати суток или в 1% растворе уксусной кислоты 80^oC в течение трех суток.

Таким образом, использование предлагаемого способа плазменно-дугового нанесения покрытия в вакууме по сравнению с существующим обеспечивает простоту, универсальность и производительность технологического процесса, позволяет достигнуть высокого качества покрытия, широкого декоративного свойства при одновременной загрузке большого количества изделий, позволяет получать практически неограниченную гамму цветовых оттенков экологически чистого покрытия, что подтверждено сертификатом качества.

Источники информации 1. Ховсепян П.Е., Букев А.И., Кынев М.И. Серия установок для нанесения покрытий методом электродугового ионно-плазменного испарения в вакууме. // Новые процессы и оборудование для газотермического и вакуумного покрытия. - Киев, 1990, с.101-105.

2. Заявка. Япония, N 63-203760, кл. C 23 C 14/06, C 23 C 14/24.

3. Заявка. Япония, N 63-255366, кл. C 23 C 14/32, C 23 C 14/24.

4. Диагностика плазмы. Под ред. Хаддлстоуна Р. и Леонарда С. М.: Мир, 1967.

5. Чередниченко В. С. , Галкин С.Г., Косинов В.А. Сильноточные дуги с полым катодом. // Сб. Генерация потоков электродуговой плазмы. Под ред. В.Е. Накорякова. Новосибирск, 1987, с.306-322.

Формула изобретения

1. Способ плазменно-дугового нанесения покрытия в вакууме, включающий плазменно-дуговое испарение материала катода и последующую конденсацию полученных паров на очищенной подложке с бомбардировкой поверхности подложки ускоренными ионами, отличающийся тем, что исходную плазму дугового испарителя дополнительно подогревают потоком неравновесной плазмы инертного газа до наведения плавающего потенциала на подложке проводимого технологического процесса и подложку в процессе нанесения покрытия поддерживают под плавающим потенциалом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку поверхности подложки ведут ионами инертного газа, ускоренными плавающим потенциалом.