Ионно-плазменное напыление

метки: Напыление, Металл, Плазменный, Покрытие, Деталь, Система, Очистка, Оборудование

В настоящее время исследованиям в области напыления, а значит, в частности, ионно-плазменного, т.к. именно оно, наравне с магнетронным, является наиболее актуальным, уделяется значительный интерес.

Напыление — сложный процесс, который представляет собой равномерное осаждение по металлу или иной поверхности изделия тончайшего слоя заданного вещества с целью придания изделию дополнительной прочности, электропроводности, износоустойчивости или красивого внешнего вида. Существуют такие виды напыления, как электродуговое, лазерное, индукционное, электронно-лучевое, и др.

Целью данного реферата является исследование ионно-плазменного напыления. Данная работа ставит перед собой такие задачи, как рассмотрение понятия «ионно-плазменное напыление», характеристика процесса напыления, расходные материалы и оборудование, а так же применение разработанных покрытий.

1. Ионно-плазменное напыление

Одним из методов получения покрытий многомикронной толщины является вакуумное ионно-плазменное напыление. Способ вакуумного напыления основан на физических процессах испарения или распыления материалов в вакууме с последующей конденсацией продуктов на требуемой поверхности.

Данный метод обладает рядом преимуществ:

• возможность получения покрытий при температуре подложки 80 — 100 С°;
• простая технология получение интерметаллидов, а также и нитридов и карбидов стехиометрического состава;
• толщина покрытий может варьироваться от 0,01 до 20 мкм;
• равномерное нанесение на детали сложной геометрической формы;
• покрытие не нуждается в финишной обработке.

Покрытия, полученные методом ионно-плазменного напыления, могут быть использованы для самых различных целей:

• для снижения различных видов износа, снижения или повышения коэффициента трения, повышения противозадирных свойств и исключения схватывания, в том числе при эксплуатации в условиях повышенных температур, вакуума, специальных сред и т.д.;
• для повышения коррозионной стойкости деталей в различных специальных средах, в том числе и при повышенных температурах;
• для обеспечения заданных свойств по отражению или поглощению электромагнитных волн мм, см- и других диапазонов;
• для обеспечения заданных электротехнических свойств на непроводящих материалах;
• для обеспечения заданных поглощательных, излучательных или отражательных свойств излучений оптического и инфракрасного диапазонов;
• для защиты материалов от воздействия ультрафиолетового и другого проникающего излучения;
• для замены покрытий, получаемых гальваническим и химическим осаждением, на покрытия из тех же материалов, но более высокого качества с использованием экологически чистых производств;
• для придания поверхности нужных декоративных свойств различной цветовой гаммы с обеспечением высокой прочности сцепления, стойкости к износу и коррозии;
• для придания защитно-декоративных свойств медицинским инструментам, коронкам, протезам и т.д. с имитацией цвета драгоценных металлов при существенном повышении медико-биологических свойств этих медицинских изделий;
• для получения покрытий различной цветовой гаммы и нужным уровнем светоотражения на стеклах;
• для получения покрытий других специальных назначений.

Выбор конкретного вида покрытия, его толщины, состава и технологии нанесения зависит от вида и геометрии изделия, условий его эксплуатации, вида материала изделия и его массы и т.д. и отрабатывается в результате многовариантных исследований.

Холодное газодинамическое напыление

... получения покрытий. — Патент РФ № 2038411, 1993. Примечания Данный реферат составлен на основе . Синхронизация выполнена 16.07.11 22:54:11 Похожие рефераты: , Напыление , Детонационное напыление , Газопламенное напыление , Плазменное напыление , Напыление с оплавлением , Газотермическое напыление , Высокоскоростное газопламенное напыление , Напыление с поддержкой ионным ...

2. Схема процесса ионно-плазменного напыления

Генерация плазменного потока в вакууме.

При поджиге вакуумной дуги на торцевой поверхности катода возникают сначала быстро перемещающиеся катодные пятна первого типа, которые через время порядка 1 — 0,5 мс переходят в медленно перемещающиеся катодные пятна второго типа. Из катодных пятен второго типа эродирует материал катода, состоящий из ионной, паровой и микрокапельной фазы. Продукты эрозии разлетаются практически изотропно над поверхностью катода, а из-за перемещения катодного пятна и наличия до 10 катодных пятен одновременно на поверхности эти продукты эрозии образуют плазменную струю, уходящую от поверхности катода. Система магнитных и электрических полей дополнительно перерабатывает продукты эрозии, увеличивая долю ионной фазы и кинетическую энергию ионов, а также коллимирует плазменную струю. На выходе генератора состав плазменной струи оценивается следующими значениями: доля ионной фазы — 30-95%, паровой фазы — 5-65%, микрокапельной фазы — 20-0,5%. Кинетическая энергия ионов достигает сотен электрон-вольт.

Поскольку такие параметры как доля ионной фазы, средняя кинетическая энергия на ион, средняя степень ионизации ионов являются основными физическими параметрами, определяющими свойства покрытий и технологические режимы их получения, а также из-за того, что даже в одинаковых по схеме ускорителях эти параметры могут существенно изменяться, необходимо при запуске новых установок в работу проводить определение этих параметров.

Закономерности осаждения частиц напыляемого материала на подложку.

Плазменная струя, выйдя со среза сопла генератора в свободномолекулярном режиме, проходит вакуумную камеру, взаимодействует с поверхностями конденсации и образует покрытие. На деталь через технологические приспособления подается отрицательное напряжение, получившее название опорного напряжения в режиме напыления и высокого напряжения в режиме ионной очистки поверхности. Ионы плазмы под действием напряжения смещения ускоряются в дебаевском слое около поверхности, обычно нейтрализуются и, ударяясь о поверхность, передают свою кинетическую энергию поверхности около точки соударения. В зависимости от абсолютной величины кинетической энергии ионов на поверхности протекают различные процессы. При энергиях меньше 10 эВ эти процессы имеют в основном термическую природу, при энергиях больше 10 эВ начинают сказываться процессы с нетермической природой, при энергиях выше пороговой энергии распыления начинаются процессы ионного травления поверхности, при энергиях, превышающих критическую энергию внедрения, ионы начинают внедряться в кристаллическую решетку, при энергиях выше энергии смещения атомов кристаллической решетки в твердом теле возникают каскады смещения, характерные для ионной имплантации. При этом активно протекают процессы: образования активных центров роста покрытия, выбивание с поверхности атомов, не попавших в минимумы потенциальной энергии, ускоренная поверхностная диффузия, нетермическая диссоциация адсорбированных соединений, разрывы полярных цепочек, нагрев поверхности и т.д.

Для получения соединений используют реактивные газы. Так при использовании титанового катода и газового азота можно получать нитрид титана. Причем, при увеличении опорного напряжения количество неметалла (азота), вступающего в реакцию нитридообразования, возрастает, и при некотором критическом значении образуется нитрид стехиометрического состава. Образование такого соединения происходит в результате диссоциативной хемосорбции азота. Качество покрытия определяется качеством процесса ионной очистки детали и зависит от технологических параметров тока дуги, потенциала смещения, давления газа, температуры детали и во многом зависит от конструкции генератора плазмы, особенностей детали и технологической оснастки, а также от химической чистоты используемых материалов.

3. Расходные материалы ионно-плазменного напыления

Вакуумные ионно-плазменные покрытия могут быть получены из любых токопроводящих материалов, допускающих их разогрев вакуумной дугой и устойчивых к интенсивной сублимации в вакууме, сплавов и твердых растворов этих материалов, их соединений в виде интерметаллидов, нитридов, карбидов, окислов и т.д.

Подложкой могут служить детали из металлов, сплавов, диэлектриков, полимеров и композиционных материалов, допускающих технологический разогрев в вакууме до определенных температур. Температура зависит от вида покрытия и свойств материала детали и определяет свойства изделий с покрытием. Ее величина устанавливается в конкретном процессе отработки технологии и зависит от вида применяемого оборудования. Опыт показывает, что высококачественные покрытия из чистых металлов могут быть получены при температурах не менее 80-100 °С, покрытия из нитридов — при температурах не менее 150-300 °С, а карбидов — при температурах 250-400 °С.

Исходными технологическими материалами для вакуумного ионно- плазменного напыления являются катоды из напыляемых металлов. Как правило, это металлы высокой чистоты. Например, титан (ВТ-1-00), медь (М 0), хром (ВХ-1), алюминий (А 99) и т.д.

Катод для установки ННВ-6.6-И 1		Катод для установки Булат — 6К

Для получения соединения напыляемых металлов применяют газы особой чистоты. Наиболее часто используются такие газы как азот, кислород, водород, углекислый газ, ацетилен. Для создания инертной среды в вакуумной камере применяют аргон или гелий.

4. Оборудование ионно-плазменного напыления

Установка для вакуумного ионно-плазменного напыления.

С начала 80-х годов, в СССР был налажен серийный выпуск оборудования на базе схемы «Пуск» и на базе схемы «Булат» — установки типа «Булат-3Т», «Юнион», ВУ-1 и установки типа ННВ. Схема «Булат-3» также используется в установке фирмы Multi-Arc Vacuum Systems Inc, купившей в СССР лицензию на производство такого оборудования. На сегодняшний день широкое распространение на территории России получила установка ННВ-6.6 для нанесения ионно-плазменным методом защитных, износостойких и декоративных покрытий из различных материалов (Ti, Zr, Cr, Mn, Al, Mo, W, их оксиды, нитриды и карбиды, сплавы и композиции) на детали и инструмент, в том числе режущий. Особенности конструкции рабочей камеры установки позволяют получать высококачественные однородные и многослойные покрытия при пониженных температурах.

1. дверца; 2. электрод токоподводящий (электродуговой испаритель); 3. система водоохлаждения; 4. вакуумная система; 5. механизм вращения; 6. основание	1. корпус; 2. электрическая часть

Корпус имеет вид вертикального цилиндрического сосуда с боковым проемом, который закрывает дверца. Он выполнен с двойными стенками, образующими полость водоохлаждения (или подогрева при откачке камеры).

На боковых стенках корпуса установлены два электродуговых испарителя. Корпус с дверцей образует вакуумную камеру.

Дверца имеет двойные стенки, которые образуют полость водоохлаждения. На дверце установлен третий электродуговой испаритель, который может быть размещен и на верхней плоскости корпуса. Система водоохлаждения состоит из водораспределительной панели и трубопроводов. В панели предусмотрена воронка для визуального контроля протока воды, а также датчики сигнализаторов уровня. Расход воды регулируют вентили, установленные на коллекторе.

Вакуумная система обеспечивает создание в рабочей камере необходимого рабочего давления. Регулирование остаточного давления выполняется с помощью автоматического регулятора напуска рабочего газа. Система состоит из клапана с электромагнитным приводом, напускного регулируемого клапана (автоматического натекателя) и электронного блока управления.

Механизм вращения имеет электромеханический привод, состоящий из электродвигателя постоянного тока и редуктора, соединенных клиноременной передачей. Электродвигатель позволяет изменять число оборотов и направление вращения.

Основание предназначено для монтажа на нем камеры, вакуумной системы, системы водоохлаждения и подогрева. В тумбе основания расположен механизм вращения и блоки поджига дуги. Электродвигатель установлен на плите, которая крепится к тумбе основания.

Вакуумная система и панель водоохлаждения расположены на площадке основания. В площадке под съемным листом размещены провода цепей управления и силовые цепи.

Электрическая часть служит для электроснабжения установки и управления технологическим процессом. Электроснабжение производится от трехфазной сети напряжением 380В, цепи управления питаются напряжением 220В и частотой 50 Гц.

Высоковольтный источник питания, включающий в себя тиристорный преобразователь напряжения, высоковольтный трансформатор и выпрямитель, обеспечивает регулирование напряжения в пределах от 100 до 1500 В. Источник опорного напряжения, включающий в себя тиристорный преобразователь (общий с высоковольтным источником), трансформатор и выпрямитель, обеспечивает регулирование напряжения от 20 до 280 В.

Генератор металлической плазмы

Для получения плазмы металлов в данной установке используются электродуговые испарители с холодным катодом с последующей переработкой плазменной струи в скрещенных электрическом и магнитном полях или электродуговые ускорители (совмещающие эти два процесса).

Типовые схемы генераторов металлической плазмы приведены на рисунках, где обозначено: 1 — катод; 2 — система защиты от сброса дуги на боковую поверхность; 3 — соленоид; 4 — фланец вакуумной камеры; 5 — электрод поджига; 6 — анод; 7 — дополнительный анод; 8 — канал подачи реакционного газа.

В генераторах рис.1 и рис.3 функцию анода выполняют водоохлаждаемые цилиндрические стенки узла его крепления. В этих генераторах реализована схема электродугового испарения. В генераторе рис.2 реализована схема электродугового ускорителя. Некоторые технические характеристики серийного оборудования приведены в таблице. В связи с отсутствием удовлетворительных теорий вакуумной дуги и плазмодинамики плазменных потоков в скрещенных электрическом и магнитном полях сложной геометрии с учетом эффектов взаимодействия с электропроводящими поверхностями, все схемы генераторов разработаны экспериментально. Их оптимизация проводится по относительному максимуму ионного тока металла при относительном минимуме потока паровой фазы металла и абсолютном минимуме микрокапельной фазы.

Рис.1 Схема простейшего электродугового испарителя типа «Булат-1».	Рис. 2 Торцевой холловский ускоритель с автономным управлением коллимацией	Рис. 3 Генератор металлической плазмы установки ННВ 6.6-И 1

Технические характеристики серийных установок

Наименование показателя	Булат-3Т	Булат-9	ННВ 6.6-И 1	ЮНИОН, УРМЗ 279-048	Пуск 83	ВУ-2Б	ННИ 39-5-И 1	Булат-6К
1. Габариты вакуумной камеры, мм	500×500	600×650	600×6500	240x530x550	360×250	240x550x550	900×500	500×500
2. Число генераторов плазмы	3	4	3	2	2	2	4	3
3. Скорость роста покрытия, мкм/с	до 10-20	до 40	до 40	до 40	30-60	10-20	до 40	40
4. Время типового технологического цикла, мин	120-150	60-90	60-90	60-90	20-30	75	20-60	90
5. Диапазон регулирования напряжения на детали, В	0-250 (плавно) 700-1200 (ступ.)	30-1700 (плавно)	0-280 (плавно) 100-1700 (плавно)	1-180 (плавно) 1000	0-1200 (плавно)	0-200 (плавно) 700-1000 (ступ.)	0-280 (плавно) 200-1700 (ступ.)	0-380 (плавно) 100-1700 (ступ.)
6. Диапазон регулирования средней энергии однократных ионов, эВ	до 1200	до 1700	до 1700	до 180 1000	до 1200	до 1000	До 1700	до 1700
7. Габариты оборудования, м	2,17×1,95×2,16	2,2×2,1×2,2	3,9×3,6×2,07	2,2×2,0x2,0	1,87×0,69×1,85	1,4×1,5×1,6	3,9×3,6×2,07	2,4×1,7×2,1

Практический опыт работы на серийном и лабораторном оборудовании, а также комплексные исследования позволили не только получить важные прикладные результаты, но и выявили недостатки и направления, по которым возможно дальнейшее совершенствование оборудования. К недостаткам существующего отечественного серийного оборудования можно отнести следующее:

1. Наличие в плазменном потоке микрокапельной фазы.

2. Возникновение микродуговых привязок на обрабатываемом изделии.

3. Недостаточная степень ионизации плазменного потока и большая дисперсия распределения ионов по энергиям.

4. Недостаточно высокая производительность процесса напыления.

5. Недостаточная скорость и глубина откачки вакуума.

6. Трудности в получении равномерного по толщине покрытия на деталях сложной формы.

7. Сложность получения многокомпонентных покрытий, так как при напылении из различных катодов возникает микрополосчатость покрытия.

8. Недостаточная степень автоматизации и диагностики процесса.

5. Технология ионно-плазменного напыления

Подготовка подложки под напыление

Все подготовительные операции проводятся с целью очистки поверхностей детали от загрязнений органического и неорганического характера. От полноты проведения очистки зависит прочность сцепления покрытия с деталью и качество самого покрытия.

Покрываемые детали должны иметь шероховатость поверхности не выше Ra=1,25 мкм, а по резьбе не выше Ra=2,5 мкм. Наиболее эффективная подготовка поверхности по шероховатости заключается в анодно-плазменной полировке и виброгалтовке, хотя допускаются другие технологические операции (шлифовка, механическая полировка и т.д.) с последующим удалением паст и частиц абразива с поверхностного слоя промывкой в бензине или Нефрасе, а затем в этиловом спирте. Все операции необходимо проводить в ультразвуковой ванне.

Затем проводится визуальный контроль качества подготовки поверхности с помощью лупы или бинокулярного микроскопа. На поверхностях деталей не должно быть следов и пятен от влаги и других загрязнений, а также ворсинок из ткани, так как они инициируют микродуговые разряды в процессе ионной очистки.

В конце проводится сборка деталей на приспособлении для нанесения покрытий. Вместе с деталями обычно загружается образец-свидетель для замера твердости и толщины. В качестве образца-свидетеля могут быть использованы детали, забракованные по геометрии. При этом необходимо отметить, что время нахождения деталей в чистой закрытой стеклянной или металлической таре после отмывки не должно быть более четырех часов. При отклонении по допустимому времени хранения деталей повторить промывку в спирте.

Режим напыления.

Перед напылением в первую очередь, необходимо очистить поверхность детали от различных имеющихся загрязнений. В качестве предварительной операции для очистки металлических деталей больших площадей обычно используют очистку газовым ионным травлением в атмосфере аргона.

Второй операцией является очистка бомбардировкой ионами металла. Полнота очистки поверхности зависит от степени разряжения, величины высокого напряжения, плотности ионного тока металла, общей площади деталей и их конфигурации. Очистку обычно проводят импульсно, включая и выключая ток дуги. Время работы испарителя и паузы между ними подбираются экспериментально для обеспечения равномерности прогрева детали без ее перегрева.

Затем осуществляется непосредственно напыление или чистого металла, или соединения (карбида, нитрида, оксида и т.д.)

Конечной операцией напыления является охлаждение деталей (выдержка в вакуумной камере определенное время).

Обработка покрытия после напыления.

Вакуумное ионно-плазменное напыление является финишной операцией и ни в каких действиях по доводке покрытие не нуждается. После напыления процесс завершен, и деталь можно сразу пускать в эксплуатацию.

6. Состав и области применения разработанных покрытий

Состав покрытия	Назначение покрытия
Хром, никель, медь	Применяются для замены тех же покрытий, наносимых гальваническими и химическими методами.
А-99	Алюминиевые покрытия, наносимые вакуумным плазменным методом для защиты от коррозии, в том числе пружин, и для экранирования корпусов приборов и двигателей, изготовленных из полимерных материалов.
Нитрид (карбид) титана, нитрид хрома, нитрид циркония, нитрид (карбид) титана-хрома, нитрид (карбид) циркония-хрома, нитрид (карбид) титана-циркония	Износостойкие покрытия для обрабатывающего инструмента при обработке сталей, сплавов и полимеров.
Нитрид титана, нитрид титана — нитрид хрома-титана, хром, нитрид титана — нитрид титана-молибдена, молибден	Износостойкое покрытие для узлов трения деталей машин, в том числе изготовленных из титановых сплавов и работающих без смазок в условиях вакуума.
Хром, нитрид титана	Антиадгезионные покрытия, предохраняющие детали от схватывания, в том числе в расплавах припоев.
Титан — никель — алюминий	Покрытие на изделиях из полимерных композиционных материалов радиотехнического назначения с высоким коэффициентом отражения.
Медь-олово	Покрытие на деталях корпусов двигателей, приборов и штепсельных разъемов, изготовленных из полимерных материалов и подвергаемых бескислотной пайке при сборке.
Алмазоподобный углерод	Уплотнение пиролитического графита. Износостойкое покрытие деталей пар трения.
Титан	Покрытие на углеродных волокнах, предназначенных для создания углеродных композиционных материалов с полимерной связующей.
Нитрид титана — карбонитрид титана — карбид титана	Покрытие для внутренних поверхностей гидромониторных насадок буровых долот.
Никель — хром — кобальт — алюминий — иттрий, окись циркония — окись иттрия	Термобарьерное покрытие для деталей горячего тракта ГТД, в том числе для турбинных лопаток первой ступени.

Заключение

Метод ионно-плазменного напыления — это ответственный процесс, от полноты и качества проведения которого, зависит прочность сцепления покрытия, что в дальнейшем очень важно. Если касаться установок, предназначенных для процесса напыления, то они довольно сложны, но естественно оправдывают свою сложность, например тем, что позволяют получать высококачественные однородные и многослойные покрытия при пониженных температурах.

Ионно-плазменное напыление является напылением защитного характера. Часто наносится на внутренние поверхности трубопроводов, применяется в современной микроэлектронике, а так же применяя методику ионно-плазменного напыления можно создавать также противоэрозионные покрытия, ну а для широкого потребления — декоративные, на материалах из керамики, стекла или металлов. напыление ионный плазменный вакуумный

Метод напыления, рассматриваемый в данном реферате, имеет спектр значительных преимуществ. Ознакомившись с ними, можно сделать вывод, что ионно-плазменное напыление является перспективным, качественным, и очень эффективным методом, что объясняет его актуальность в наше время.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/plazmennoe-napyilenie-metalla/

1. Д.А. Панчук журнал «Высокомолекулярные соединения», статья «О взаимодействии структуры и деформации прочностных свойств металлических покрытий, нанесённых на полимер методом ионно-плазменного напыления».

2. А.М. Прохоров «Большая Советская Энциклопедия».

3. Ю.П. Тарасенко «Оптимизация технологии нанесения ионно-плазменных покрытий нитрида титана на малогабаритные тонкостенные детали».

4.

5.