Спосіб транспортування потоків вакуумно-дугової плазми і пристрій для його здійснення

1. Спосіб транспортування потоків вакуумнодугової плазми, за яким плазмові потоки пропускають через плазмовід, в якому діють на них основним транспортуючим магнітним полем, що утворюють електромагнітною котушкою з ділянкою внутрішнього поля, утворюваного всередині основного поля і направленого назустріч напрямку основного поля, який відрізняється тим, що на плазмові потоки, принаймні на одній ділянці плазмоводу з боку його вхідного отвору, діють додатковим транспортуючим магнітним полем, направленим зустрічно основному транспортуючому магнітному полю, а в кожній наступній ділянці, якщо їх декілька, на плазмові потоки діють додатковим транспортуючим магнітним полем, направле 2 (19) 1 3 97000 4 котушок, у разі наявності, розташовані із підключенням до джерела електроструму зустрічно до підключення сусідніх котушок. 5. Пристрій за п. 3 або за п. 4, який відрізняється тим, що ділянки внутрішньої поверхні плазмоводу в проміжках між ділянками, охопленими сусідніми котушками, перекриті електроізольованими кільцевими екранами. Винахід належить до техніки формування потоків ерозійної вакуумно-дугової плазми для осадження високоякісних композитних, у тому числі наноструктурованих покриттів різного призначення - зносостійких, антифрикційних, декоративних, електро- й теплопровідних, електро- й теплоізолюючих та інших, а також для поверхневого модифікування матеріалів шляхом опромінення потоками іонів та/або електронів. Високотверді композитні покриття на основі нітридів та/або карбідів двох і більше металів відзначаються більш високими (у порівнянні з однокомпонентними покриттями) механічними характеристиками і знаходять все більш широке використання як зносостійкі антифрикційні поверхневі шари в інструментальному виробництві та в машинобудуванні. Такі покриття можуть бути одержані вакуумно-дуговим методом при розпиленні катода, виготовленого з композиційного матеріалу відповідного складу. Недолік методу полягає в складності й високій вартості виготовлення катодів потрібного складу. Композитні покриття можна отримувати шляхом розпилювання двох або більшої кількості катодів, кожен з яких виготовлений з одного матеріалу, який повинен бути присутній в композитному покритті. Такі катоди простіше виготовляти. Вони мають значно нижчу вартість в порівнянні з композиційними катодами. Але в цьому випадку при транспортуванні від різних катодів потоків плазми треба їх ретельно перемішувати. Відомо про спосіб транспортування потоків вакуумно-дугової плазми [1]. Відповідно цьому способу плазмові потоки, що генеруються катодними плямами на робочих поверхнях катодів, пропускають через плазмовід, в якому діють на них транспортуючим магнітним полем. Відомо про пристрій для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми [1]. Цей пристрій входить до складу джерела з двома катодами, виготовленими із різних металів. Катоди знаходяться всередині охопленої електромагнітними котушками циліндричної камери, частина якої виконує роль плазмоводу. Плазма, що генерується катодними плямами на робочій поверхні кожного з катодів, транспортується «своїм» пучком магнітних силових ліній, що перетинають цю поверхню. Тому потоки плазми, які генеруються різними катодами, на шляху до підкладки практично не змішуються один з одним. В результаті, конденсат, який формується осадженням зазначених потоків плазми, характеризуються дуже неоднорідним розподілом компонентів по його поверхні. Окрім того, в системі не передбачені заходи щодо видалення з плазми макрочастинок катодних матеріалів, що призводить до зниження якості покриттів. В іншому відомому способі транспортування потоків вакуумно-дугової плазми [2] плазмові потоки від двох катодів пропускають через Т-подібний плазмовід, в якому діють на плазмові потоки транспортуючими магнітними полями, створюваними спільною системою електромагнітних котушок. Відомий пристрій [2] для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми, який реалізує цей спосіб, включає Т-подібний плазмовід, який складається з двох L-подібних каналів із спільною системою магнітних котушок. Плазмові потоки з двох катодів після повороту на 90° направляються двома каналами, розділеними між собою подовжньою перегородкою, уздовж магнітного поля цієї спільної для обох каналів вихідної секції і надходять на підкладку. Lподібні канали виконують роль фільтрів і сприяють видаленню макрочастинок плазми композиційного складу. Але плазмові потоки, проходячи двома каналами уздовж магнітного поля спільної для обох фільтрів вихідної секції плазмоводу, надходять на підкладку не змішуючись. У зв'язку з цим одержати композитне покриття з рівномірним розподілом компонентів по поверхні нерухомої підкладки за допомогою даного пристрою також неможливо. Автори відомого способу транспортування потоків вакуумно-дугової плазми [3] запропонували транспортувати плазмові потоки від двох вакуумно-дугових випарників з використанням двоканального Y- подібного магнітного плазмоводу. Два плазмові потоки різного складу направляються до одноканальної вихідної секції плазмоводу і транспортуються уздовж неї до підкладки сумісним магнітним полем. Пристрій, який реалізує цей спосіб включає Yподібний плазмовід з одноканальною вихідною секцією. Плазмовід охоплений системою електромагнітних котушок, які транспортують два магнітні потоки до підкладки. Y-подібний плазмовід виконує роль фільтра і забезпечує зниження кількості макрочастинок у плазмі на виході пристрою. Проте, як показали подальші дослідження [4], повного змішування плазмових потоків плазми від двох генераторів при використанні цього способу і пристрою також не відбувається. Внаслідок цього покриття, що осаджується, має неоднорідний розподіл концентрації компонентів. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб транспортування потоків вакуумнодугової плазми, описаний в патенті [5]. Цей спосіб прийнято за прототип. Плазмові потоки за цим способом пропускають через плазмовід, в якому діють на них основним транспортуючим магнітним полем, створюваним електромагнітною котушкою, з ділянкою внутрішнього поля, створюваного всередині основного поля, в якій внутрішнє магнітне 5 поле направлене назустріч напрямку основного поля. За прототип пристрою, що патентується, прийнято пристрій для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми [5], що являє собою плазмовід, який має форму порожнистого циліндра з вхідним і вихідним торцевими отворами і включає основну транспортуючу електромагнітну котушку, що охоплює його, відбиваючу електромагнітну котушку, яка розміщена із проміжком усередині плазмоводу співвісно з ним, а також джерело електроструму. Основна транспортуюча та відбиваюча котушки розташовані із підключенням до джерела електроструму зустрічно одна до одної. При використанні цього способу і пристрою для його здійснення кожний з плазмових потоків, що входять у плазмовід, транспортується уздовж нього до виходу з системи пучком силових ліній транспортуючого магнітного поля, які пересікають переріз плазмового потоку в місці входження його в плазмовід. Зазначений пучок магнітних ліній ізолює плазму, що рухається уздовж нього, від інших потоків плазми, що рухаються паралельно й утримуються від дифузного розсіяння кожний «своїм» пучком магнітних силових ліній. Таким чином, плазмові потоки, які транспортуються, майже не проникають один в одного і не перемішуються. Тому цей спосіб і пристрій для його здійснення, забезпечують відносно однорідний склад лише незначної центральної частини вихідного плазмового потоку (а відтак - і осаджуваного покриття). Задачею, на вирішення якої направлений винахід, є удосконалення способу транспортування потоків вакуумно-дугової плазми і пристрою для його здійснення в системах осадження композитних покриттів з метою забезпечення рівномірного розподілу концентрації компонентів покриттів. Задача повинна вирішуватися шляхом формування транспортуючих магнітних полів, під дією яких би плазмові потоки при транспортуванні інтенсивно перемішувались. Поставлена задача вирішується способом, що патентується, за яким, також як і за способомпрототипом, плазмові потоки пропускають через плазмовід, в якому діють на них основним транспортуючим магнітним полем з ділянкою внутрішнього поля, створюваного всередині основного поля, в якій внутрішнє магнітне поле направлене назустріч напрямку основного поля. Відповідно до винаходу на плазмові потоки, принаймні на одній ділянці плазмоводу з боку його вхідного отвору, діють додатковим транспортуючим магнітним полем, направленим зустрічно основному транспортуючому магнітному полю, а в кожній наступній ділянці, якщо їх декілька, на плазмові потоки діють додатковим транспортуючим магнітним полем, направленим зустрічно магнітному полю попередньої ділянки. Спосіб може також відрізнятися тим, що, принаймні на одній ділянці плазмоводу з боку його вихідного отвору, на плазмові потоки діють вихідним додатковим транспортуючим магнітним полем, направленим зустрічно основному транспортуючому магнітному полю, а в кожній наступній ділянці, якщо їх декілька, на плазмові потоки мо 97000 6 жуть діяти вихідним додатковим транспортуючим магнітним полем, направленим зустрічно магнітному полю попередньої ділянки. Поставлена задача вирішується, пристроєм для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми, що патентується, який, як і пристрійпрототип, включає плазмовід у вигляді порожнистого циліндра з вхідним і вихідним торцевими отворами, основну транспортуючу електромагнітну котушку, що охоплює його, відбиваючу електромагнітну котушку, яка розміщена із проміжком усередині плазмоводу співвісно з ним, і джерело електроструму. Причому основна транспортуюча котушка розташована із підключенням її до джерела електроструму зустрічно до підключення відбиваючої котушки Відповідно до винаходу згаданий плазмовід з боку його вхідного отвору охоплений принаймні однією додатковою транспортуючою котушкою із підключенням її до джерела електроструму зустрічно до підключення основної транспортуючої котушки, а кожна з решти додаткових транспортуючих котушок, якщо вони є, розташовані із підключенням до джерела електроструму зустрічно до підключення сусідніх котушок. Згаданий плазмовід, з боку його вихідного отвору, може бути охоплений принаймні однією вихідною додатковою транспортуючою котушкою з підключенням її до джерела електроструму зустрічно до підключення основної транспортуючої котушки, при цьому кожна з решти вихідних додаткових транспортуючих котушок, якщо вони є, розташовані із підключенням до джерела електроструму зустрічно до підключення сусідніх котушок. Ділянки внутрішньої поверхні плазмоводу в проміжках між ділянками, охопленими сусідніми котушками можуть бути перекриті електроізольованими кільцевими екранами. Як показали проведені дослідження, згідно з даним винаходом, завдяки тому, що при транспортуванні плазмових потоків на них діють крім основного транспортуючого магнітного поля ще й зустрічним додатковим транспортуючим магнітним полем на ділянці з боку вхідного отвору плазмоводу, відбувається перемішування потоків плазми в зоні між основним та додатковим транспортуючими магнітними полями. Це перемішування стає можливим тому, що в зазначеній зоні магнітні поля мають так звану гострокутову геометрію, яка характеризується наявністю кільцевої магнітної щілини і різким зниженням індукції, що на осі системи дорівнює нулю. В результаті цього, в зазначеній зоні магнітні поля втрачають ізолюючі властивості, і частинки плазми потоків, що досягли цієї зони, вільно дифундують у всіх напрямках, - потоки плазми перемішуються між собою. Дією на плазму кількома додатковими зустрічними одне до одного транспортуючими полями на двох і більше ділянках плазмоводу з боку його вхідного отвору досягається подальше підвищення ефективності перемішування кількох потоків плазми, які потрапили в більш протяглу зону гострокутового магнітного поля із зниженою індукцією (зони змішування). Ефект додаткового підвищення однорідності просторового розподілу концентрацій компонентів 7 змішаної плазми досягають також дією на плазму вихідним додатковим магнітним полем, зустрічним до основного транспортуючого магнітного поля, або кількома зустрічними одне до одного вихідними додатковими магнітними полями на ділянках плазмоводу з боку його вихідного отвору. Цей ефект обумовлений тим же механізмом, що і при проходженні плазми через гострокутове магнітне поле з боку вхідного отвору плазмоводу. Крім того, внаслідок дії на плазму зазначеним вихідним додатковим магнітним полем забезпечується розширення поперечного перерізу вихідного потоку плазми з рівномірним розподілом його густини, що, в свою чергу, обумовлює збільшення площі осаджуваного покриття однакової товщини з рівномірним розподілом концентрацій компонентів. Плазмовід з боку його вхідного отвору доцільно обладнати звуженою вхідною ділянкою, на якій має бути розміщена принаймні одна із зазначених вище додаткових транспортуючих котушок. Наявність звуженої ділянки плазмоводу забезпечує можливість зручного з'єднання його з виходом джерела, яке генерує кілька плазмових потоків, що підлягають змішуванню. Діаметр зазначеної звуженої ділянки у такому випадку вибирається відповідним до діаметра вихідного отвору зазначеного джерела плазми. Наявність котушки на зазначеній звуженій ділянці плазмоводу забезпечує також можливість оптимізації гострокутової геометрії магнітного поля на вході у плазмовід, що служить зоною змішування. Плазмовід з боку його вихідного отвору також доцільно облаштувати звуженою вихідною ділянкою, на якій має бути розміщена принаймні одна з зазначених вище вихідних додаткових транспортуючих котушок. Наявність цієї ділянки у поєднанні з вхідною звуженою ділянкою сприяє зменшенню кількості макрочастинок у потоці плазми на виході пристрою. Для поліпшення фільтруючих якостей пристрою його відбиваюча котушка може бути обладнана засобом для перекриття її осьового отвору, якщо цей отвір є, а розміри змішувальної камери і відбиваючої котушки повинні забезпечувати відсутність прямої видимості вихідного отвору змішувальної камери з боку її вхідного отвору. Згаданим засобом для перекриття осьового отвору відбиваючої котушки можуть служити торцева стінка захисного кожуха, якщо він є, або екран, розміщений усередині згаданого отвору. Виконання цих умов виключає можливість безперешкодного проходження макрочастинок, які рухаються прямими траєкторіями, зі входу на вихід пристрою, а відтак - і на оброблюваний виріб (підкладку). Для зручності регулювання транспортуючого магнітного поля у проміжку між стінками змішувальної камери й відбиваючою котушкою, основну транспортуючу та/або відбиваючу електромагнітну котушку доцільно виконати секціонованими. Незалежним регулюванням струмів у секціях зазначених котушок забезпечується можливість оптимізувати геометрію транспортуючих магнітних полів у пристрої. Суть винаходу пояснюється графічними матеріалами. 97000 8 На фіг. 1 зображена схема пристрою за винаходом. На фіг. 2 схематично зображено пристрій за винаходом з кількома додатковими транспортуючими котушками. На фіг. 3 наведено схему варіанта пристрою із безфільтровим двокатодним джерелом плазми. На фіг. 4 схематично зображено пристрій за винаходом з двома генераторами плазми і двоканальним Т-подібним фільтром. На фіг. 5 наведено розподіл магнітних полів в пристрої за винаходом, зображеному на фіг. 4. На фіг. 6 наведено розподіл концентрації алюмінію в Ті-Аl покритті, одержаному за допомогою двокатодного плазмового джерела, оснащеного двоканальним Т-подібним фільтром, з використанням і без використання пристрою за винаходом. Розглянемо варіанти виконання пристрою за винаходом. До складу пристрою, схема якого зображена на фіг. 1, входять плазмовід 1 у вигляді порожнистого циліндра з вхідним 2 і вихідним 3 отворами у торцевих стінках, основна транспортуюча електромагнітна котушка 4, що охоплює змішувальну камеру, відбиваюча електромагнітна котушка 5, яка розміщена із проміжком усередині плазмоводу співвісно з ним між вхідним і вихідним отворами 2 і 3, і джерело електроструму (на кресленні не показано). Основна транспортуюча котушка 4 для створення подовжнього магнітного поля, силові лінії якого позначені цифрою 10, підключена до джерела електроструму зустрічно до підключення відбиваючої котушки 5. На плазмоводі 1, з боку його вхідного отвору 2, розміщена перша додаткова транспортуюча котушка 6. Вона підключена до джерела електроструму зустрічно до підключення основної транспортуючої котушки 4. У робочому стані пристрій за винаходом вихідним торцем пристикуваний до робочої камери технологічної установки (на кресленні не показано), так що порожнина плазмоводу 1 через вихідний отвір 3 поєднана з порожниною згаданої робочої камери. До вхідного отвору 2 приєднують вакуумно-дугове джерело з кількома катодами з різних матеріалів (не показано), плазмові потоки 7а і 7б від яких мають бути змішані в області 8 і транспортовані до підкладки 11. Спрощено траєкторію можливого руху частинки показано на фіг. 1 штриховою лінією із стрілками 9. Приклад реалізації способу за винаходом розглянемо, описуючи роботу пристрою. При заданому тиску залишкової атмосфери -4 або робочого газу (зазвичай у межах від 10 до 10 Па) вмикають живлення електромагнітних котушок 4, 5 і 6 (див. фіг. 1) пристрою і згадане вище вакуумно-дугове джерело плазми. Плазмові потоки 7а і 7б пропускають через плазмовід 1, в якому діють на них основним транспортуючим подовжнім магнітним полем, створеним котушкою 4, силові лінії якого позначені цифрою 10, з ділянкою внутрішнього поля, створюваного всередині основного поля котушкою 5, в якій внутрішнє магнітне поле направлене назустріч напрямку основного поля. На одній ділянці плазмоводу 1 з боку його вхідного 9 отвору 2 діють додатковим транспортуючим магнітним полем, створеним котушкою 6, направленим зустрічно основному транспортуючому магнітному полю. При цьому плазмові потоки 7а і 7б від катодів джерела направляються через отвір 2 у порожнину плазмоводу 1 і потрапляють в область 8 гострокутового магнітного поля зі зниженою майже до нуля індукцією. В умовах такої слабкої напруженості магнітне поле в області 8 втрачає свої транспортуючі можливості і частинки плазми обох потоків 7а і 7б набувають можливості рухатись вільно за траєкторією 9, відбиваючись від поперечного магнітного поля поблизу стінок камери, де напруженість поля зростає при наближенні до стінок. В результаті багаторазового перетинання області 8, а також унаслідок багаторазових зіткнень одна з одною частинки двох потоків перемішуються і кінець кінцем залишають область перемішування 8 через канал з кільцевим перерізом між відбиваючою котушкою 5 і стінками плазмоводу 1 в подовжньому магнітному полі, силові лінії якого позначені цифрою 10. У той же час зазначене магнітне поле унеможливлює рух заряджених частинок плазми до стінок камери 1 і котушки 5. Механізм транспортування плазми від робочої поверхні катода через плазмоведучий тракт до вихідного отвору 3 на підкладку 11 може бути описаний наступним чином. Інтенсивність магнітних полів, що утворюються транспортуючими котушками 4, 5 і 6 вибирають такою, щоб виконувалась умова: (1), 