Електродуговий випарник металів і сплавів

Изобретение относится к технике нанесения металлических и металлосодержащих покрытий и может найти применение в машиностроении при нанесении покрытий различного назначения на детали машин и инструмент. Известен электродуговой испаритель металлов, содержащий катод из испаряемого металла, экран, ограничивающий поверхность испарения катода и решетчатый анод, установленный вблизи поверхности испарения катода [1]. Дуговой разряд возбуждается между катодом и анодом и существует при сколь угодно низком давлении остаточных газов, поскольку положительный столб дугового разряда, сквозь который осуществляется перенос электронного тока с катода на анод, состоит из ионизованных паров металла, испаряемого с поверхности катода. Поскольку анод установлен на пути потока испаренного металла, то этот металл частично конденсируется на аноде, и, следовательно, не участвует в процессе осаждения на изделиях, установленных за анодом. Таким образом, коэффициент использования испаренного металла в таком испарителе меньше единицы. Прототипом предлагаемого устройства выбран электродуговой испаритель, описанный в [2]. Известный испаритель имеет цилиндрический катод, окруженный кольцевым изолятором, ограничивающим поверхность испарения катода. Снаружи изолятора установлен конусообразный анод, конусная часть которого выступает над катодом. Разряд возбуждается между катодом и анодом. Диапазон рабочих давлений разряда 1,33*10 Па и неограниченно ниже. Верхний предел рабочего диапазона давлений определяется появлением анодных пятен, разрушающи х анод. Нижний предел не ограничен, поскольку рабочая среда, необходимая для существования разряда, появляется при эрозии катода и состоит из ионизированных паров материала катода. Поскольку анод находится на пути потока металлической плазмы, то на нем задерживается часть испаренного металла. Как показала практика, максимально возможный коэффициент использования испаренного металла не превышает 0,6-0,7. Это является недостатком испарительного устройства, особенно существенного при испарении дорогостоящих материалов (молибден, тантал, ниобий и др.). В основу изобретения поставлена задача увеличения использования испаренного с поверхности катода металла. Поставленная задача реализуется в электродуговом испарителе металлов, состоящем из катода из испаряемого металла, экрана, ограничивающего поверхность испарения катода и анода. Новым в предполагаемом изобретении является то, что анод испарителя установлен вне пределов видимости с поверхности испарения катода. Способ работы такого испарительного устройства, включающий возбуждение дугового разряда между катодом и анодом в вакууме, установленным вне пределов видимости с поверхности испарения катода, осуществляется при выпуске в вакуумный объем, где расположен испаритель рабочего газа придавлений 1,33 · 10 - 1,33 · 10 Па. Поскольку анод находится вне пределов прямой видимости с поверхности испарения катода, то частицы металла, распространяющиеся от катода по прямолинейным траекториям, могут быть использованы для осаждения на поверхности изделий (если изделия занимают все пространство телесного угла в 180° с вершиной в центре катода). Таким образом, максимальный коэффициент использования испаренного металла в таком испарителе в идеале может быть равен 1. Такой испаритель не может работать при сколь угодно низком давлении остаточных газов в рабочем объеме. Для работы испарителя необходимо, чтобы давление рабочего газа было 1,33 · 10"2 - 1,33 · 10 Па. Это вызвано тем, что перенос электронного тока в междуэлектродном пространстве осуществляется в двухступенчатом вакуумно-дуговом разряде, состоящем из двух разрядных в физическом отношении областей: области, заполненной металлогазовой плазмой, примыкающей к катоду и области чисто газовой плазмы, заполняющей пространство, примыкающее к аноду. Область металлогазовой плазмы не выходит за пределы телесного угла в 180° с вершиной в центре катода. Это объясняется прямолинейным характером распространения ионного компонента металлической плазмы, генерируемой катодным пятном вакуумной дуги. Под действием электрического поля анода с границы металлогазовой плазмы в газовую среду с парциальным давлением 1,33 · 10-2 + 1,33 · 10 Па инжектируются электроны, ускоряются и ионизируют газ, заключенный в пространстве между границей металлогазовой плазмы и анодом. Таким образом, электронный ток разряда проходит через две последовательно расположенные области металлогазовой и газовой плазмы. Диапазон давлений рабочего газа 1,33 · 10-2 — 1,33-2 · 10 Па характеризуют те давления, при которых возможно существование двухступенчатого вакуумнодугового разряда. В нижней части диапазона давлений (1,33 · 10 2 Па) концентрация газовой среды недостаточна для осуществления актов ионизации нейтрального рабочего газа. Горение разряда затруднено и он теряет свою стабильность, тем в большей степени, чем больше давление отличается от вышеуказанного в сторону уменьшения. В верхней части диапазона давление (1,33 · 10 Па) на поверхности анода возникают малоподвижные анодные пятна, разрушающие анод. На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого электродугового испарителя металлов, где обозначено: 1 -цилиндрический катод из испаряемого металла; 2 - изолированный от катода экран, ограничивающий поверхность 3 испарения катода; 4 - анод в виде цилиндра коаксиального катоду и установленный вне пределов прямой видимости с поверхностью испарения катода -3; 5 - область внутри вакуумной камеры (на фиг.1 не показана), примыкающая к катоду и заполненной металлогазовой плазмой; 6 область внутри вакуумной камеры, примыкающая к аноду и заполненная чисто газовой плазмой. Работает электродуговой испаритель следующим образом. Между катодом 1 и анодом 4 при давлении рабочего газа 1,33 · 10-2 — 1,33 · 10 Па возбуждается дуговой разряд. На катоде образуются катодные пятна, генерирующие потоки металлической плазмы, распространяющиеся из катодных пятен в телесном углу 180° по прямолинейным траекториям. Область перемещения катодных пятен (поверхность испарения) ограничена экраном 4, примыкающим к катоду и гасящем катодные пятна, выходящие в процессе хаотического перемещения за пределы области испарения). В результате процессов перезарядки металлических ионов, сталкивающихся с нейтральными атомами газа, образуются газовые ионы. Металлогазовая плазма ограничена областью в телесном углу 180°. Под воздействием электрического поля анода 4 из металлогазовой плазмы инжектируются электроны, которые ионизируют рабочий газ в пространстве 6. Электроны разряда беспрепятственно проходят через две последовательно расположенные области 5 и 6, чем обеспечивается стабильное существование дугового разряда. При этом, как следует из фигуры, все телесное пространство угла в 180° с вершиной в центре катода может быть использовано под изделия, что при полной заполненности этого угла изделиями обеспечивает 100% использование потока испаренного металла для целей напыления. Это очень существенно при нанесении покрытий из таких дорогостоящих металлов как вольфрам, рений, гафний, молибден, ниобий и др. Таким образом в предлагаемом изобретении достигнут те хнический результат повышение использования испаренного металла. Работоспособность предлагаемого устройства проверялась на макете, который представлял собой единый катодно-анодный узел, устанавливаемый в установке "Булат-6". Катод электродугового испарителя представлял собой титановый диск размером: d - 30 мм; D - 200 мм, установленный на водоохлаждаемом медном основании. Со всех сторон, кроме рабочего торца, заподлицо с рабочей поверхностью, катод окружен изолированным от него экраном из нержавеющей стали. На внешней стороне экрана по боковой поверхности экрана установлены цилиндрические изоляторы, на которые надета водоохлаждаемая обечайка из меди, толщиной 1,5 мм, диаметром 225 мм, высотой 50 мм, которая не выступает за пределы экрана и является анодом испарительного устройства. Электропитание испарителя производилось от выпрямителя постоянного тока с жесткой вольтамперной характеристикой, мощностью 20 кВт, напряжением -100 В. Ограничение тока разряда осуществлялось с помощью балластного резистора РБ-300. Работоспособность испарительного устройства проверялась в широком интервале давлений рабочего газа: азота и аргона 1,33 · 10-2 - 1,33 · 10 Па и токе разряда 200 А. При давлениях ниже, чем 1,33 -10-2 Па стабильность работы устройства резко ухудшалась, что проявлялось в больших пульсациях тока разряда и частыми погасаниями разряда. При давлениях выше чем 1,33 * 10 Па на поверхности анода зарождались малоподвижные анодные пятна, в которых сосредоточена вся энергия, выделяемая на аноде. В результате возможно разрушение анода в результате тепловых перегрузок. Определен максимально возможный коэффициент использования испаренного металла для испытуемого устройства. Он равен 0,93. Таким образом, технический результат повышение коэффициента использования испаренного металла в предлагаемом испарительном устройстве достигнут.