 |
5.2. Вакуумно-конденсаційне напилення
|
|
|
|
5. 2. Вакуумно-конденсаційне напилення
термічним випаровуванням
Найбільш висока ефективність випаровування досягається при нагріванні матеріалу вище температури його плавлення. Але можливе утворення потоку з достатньою для напилення концентрацією часток при випаровуванні твердого матеріалу (наприклад, випаровування хрому).
Узагальнена схема процесу напилення покриття термічним випаровуванням розплавленого матеріалу наведені на рис. 5. 1.
Для нагрівання матеріалу, який розпилюється, використовують різні джерела теплоти: резистивні, індукційні, дугові, електронний або світловий промінь. Відповідно цьому і розрізняють способи напилення покриттів термічним випаровуванням.
Для будь-якого способу напилення необхідно мати випаровувач. Його призначення утримувати розплавлений матеріал при температурі, достатній для отримання потрібного тиску пари (1... 100 Па). Для більшості матеріалів ці температури перебільшують 1000 °С.
Найбільш чистий потік пари забезпечується при локальних способах нагрівання й утримання розплавленого матеріалу (рис. 5. 1 б). При інших способах нагрівання відбувається контактування розплавленого матеріалу або з матеріалом нагрівача - пряме резистивне нагрівання (рис. 5. 1 в), або з матеріалом тиглю (рис. 5. 1 г).
Рис. 5. 1. Узагальнена схема вакуумного конденсаційного напилення
покриття термічним випаровуванням (а), способи випаровування
матеріалу (6, в, г)
При " контактному" нагріванні необхідно забезпечити мінімальну ступінь взаємодії розплавленого матеріалу з тиглем або нагрівачем. Крім того, матеріал тиглей та нагрівачів необхідно вибирати з незначною пружністю пари та високою стабільністю складу. При виконанні цих вимог можна запобігти суттєвого забруднення покриття домішками.
|
|
|
Основним загальним параметром режиму роботи випаровувача є електрична потужність, яка підводиться до джерела теплоти: резистора, індуктора, дуги, електронного проміння. Із збільшенням потужності джерела електроживлення збільшується потужність джерела теплоти.
Регулювання потужності джерела електроживлення відбувається за рахунок зміни струму та напруги. З потужністю джерела теплоти, розподіленням її по поверхні нагрівання пов'язана температура матеріалу, який випаровується, та продуктивність процесу.
У практиці напилення реалізуються джерела електроживлення потужністю від 0, 5 до 200 кВт.
Від температури поверхні випаровування залежить тиск насиченої пари та швидкість випаровування.
Крім електричної потужності, яка підводиться до джерела нагрівання, до основних параметрів вакуумно-конденсаційного методу напилення термічним випаровуванням належить:
-тиск у камері;
- дистанція напилення;
- температура поверхні виробу, що напилюється.
Тиск у камері вибирають від 10-2 Па і нижче. При більш високому тиску (Рк > 1, 33·-10-1 Па) швидкість випаровування падає. Над поверхнею утворюється приповерхневий шар. Тиск у камері впливає на дифузію пари з цього шару. Необхідно вказати, що пружність пари практично не залежить від тиску в камері.
При високому тиску насиченої пари (Р0> 133 Па) швидкість випаровування зменшується. Це пояснюється зменшенням довжини вільного перебігу часток над випаровувачем.
Тиск у камері впливає на рівномірність напилених покриттів. На практиці іноді використовують збільшення тиску для отримання покриттів з більшою рівномірністю по товщині.
Дистанцію напилення вибирають у межах 150... 250 мм. Для оптимальних значень тиску у камері - це менше довжини вільного перебігу напилюваних часток. Дистанція напилення суттєво впливає на рівномірність покриття. Збільшення дистанції напилення сприяє рівномірності покриття за товщиною, але при більш ніж оптимальній відстані знижує коефіцієнт використання матеріалу (КВМ).
|
|
|
Температура поверхні виробу, що напилюється, є одним з найважливіших параметрів процесу напилення. Вона суттєво впливає на адгезійну міцність, структуру покриття, рівень залишкових напружень і, таким чином, на якісні характеристики покриття.
Змінюючи температуру поверхні, яка напилюється, і, відповідно, структуру покриття, можна в широких межах регулювати його механічні властивості.
Оптимальні параметри напилення випаровуванням забезпечують створення потоку часток, який характеризується такими показниками:
- щільність потоку 1016... 1022 часток/(см2∙ с);
- середня кінетична енергія 0, 2... 0, 5 еВ;
- ступінь іонізації 0, 02... 1, 2%;
- швидкість росту покриття - 1 мкм/хв і більше.
Для підвищення ступеня іонізації та енергії напилюваних часток використовують різні способи стимуляції потоків, наприклад, іонно-плазмовий.
Резистивне нагрівання розпилюваного матеріалу відбувається джоулевим теплом.
Передача теплоти від резистора до розпилюваного матеріалу безпосередня (рис. 5. 1 в) або через стінку тигля (рис. 5. 1 г). Досить часто як резистори використовуються човники з різним робочим об'ємом.
Перевагою способів ВКНП з резистивним нагріванням розпилюваного матеріалу є простота конструкції випаровувача та джерела електроживлення, зручність контролю та регулювання режиму роботи випаровування.
Основний недолік випаровувачів з резистивним нагріванням полягає в обмеженні максимальної температури випаровування до 1500 °С. Крім того, ці способи енергоємні і мають низьку питому потужність і малу продуктивність.
Високочастотне індукційне нагрівання при напиленні покриття термічним випаровуванням здійснюється високочастотним індуктором.
Конструктивна схема випаровувача з ВЧ-індукційним випаровувачем наведена на рис. 5. 2.
Рис. 5. 2. Конструктивна схема випаровувача
з ВЧ-індукційним нагріванням:
1 - тигель; 2 - теплоізоляція; 3 - індуктор; 4 - підставка; 5 - центруючий
|
|
|
стрижень; 6 - електроізоляційне покриття; 7 - матеріал, який випаровується
Безпосереднє нагрівання матеріалу в тиглі відбувається за рахунок енергії, яка отримується від електромагнітного поля, яке визиває коливання полярних молекул та часток, які заряджені.
Залежно від конструкції індуктора, від маси матеріалу та потужності ВЧ-генератора час нагрівання становить від кількох секунд до долів секунди.
Товщина шару, яка проплавляється, може бути оцінена формулою:
де р - питомий опір матеріалу;
μ - магнітна проникність;
f- частота струму.
При випаровуванні пари утворюється потік, направлений до поверхні напилення. Процес здійснюється у жорстких камерах.
При запуску тигельних випаровувачів, для запобігання викидів розплавленого матеріалу, необхідно проводити попередню дегазацію.
Порівняно з резистивним нагріванням індукційне високочастотне нагрівання є більш ефективним. Коефіцієнт використання енергії суттєво підвищується. Недоліком цього способу є достатньо висока складність обладнання та його вартість.
Дугове нагрівання при напиленні покриття термічним випаровуванням відбувається дуговим розрядом прямої полярності.
Спочатку для нагрівання та розплавлення матеріалу використовують електронний промінь, а потім замінюють джерело теплоти на дуговий розряд з анодною формою дуги та фіксацією анода на поверхні розплаву. Схема процесу показана на рис. 5. 3.
В основу устаткування покладено конструкцію електронно-променевої гармати з кільцевим катодом, який живиться від джерела живлення накалу катода I. Термокатод працює у режимі електронно-променевого та дугового процесів. На розпилюваний матеріал подається позитивний потенціал від високовольтного джерела живлення II при електронно-променевому нагріванні та низьковольтного III для дугового розряду. На початку процесу від кільцевого катода 3, який розігрівається за допомогою джерела живлення I емітуються електрони. Ці електрони за допомогою джерела II прискорюються і бомбардують заготівку.
|
|
|
Електронний промінь не тільки розплавляє і випаровує матеріал, але й іонізує потік пари, створює умови наступного збудження дугового розряду. Вмикається джерело живлення III і загоряється дуга. При цьому джерело живлення II вимикається.
Енергія та кількість часток, які бомбардують катод, замалі для емісії вторинних електронів. Тому утворюваний розряд належить до несамостійних.
Для полегшення збудження розряду доцільно використовувати набігання в камеру робочого газу, наприклад, аргону. У процесі інтенсифікації розряду набігання газу зменшують, і у подальшому розряд горить тільки в парі розпилюваного матеріалу при тиску в камері 10-2... 10-3 Па. При цьому параметри розряду складаються: сила струму до 150 А і більше, напруга З0... 70 В.
Спосіб забезпечує високу продуктивність напилення, яка не поступається електронно-променевому нагріванню. Ступінь іонізації потоку пари може досягати 100%. Завдяки цьому з'являється можливість керування енергією часток за допомогою їх прискорення у напрямку поверхні напилення. З цією метою передбачено високовольтний випрямляч II, від'ємний потенціал якого подається на виріб. Змінюючи напругу на джерелі від'ємного зміщення, проводять активацію й очищення поверхні.
Найважливішим параметром, який визначає ефективність процесу, є потужність дуги.
Рис. 5. 3. Схема процесу напилення покриття дуговим випаровуванням
розплавленого матеріалу у вакуумі:
1 - розпилюваний матеріал (анод); 2 - система стабілізації та фокусування; 3 - термокатод; 4 - потік напилюваних часток; 5 - напилюваний виріб;
/ - джерело живлення накалу катода;
//-високовольтне джерело живлення при електронно-променевому нагріванні;
/// - низьковольтне джерело живлення дугового розряду
В установках, які працюють за схемою випаровувача з анодною формою дуги, реалізуються високі потужності розряду до 10 кВт і більше. Цим досягається висока продуктивність процесу. Практично повністю іонізований потік пари дозволяє формувати покриття з високою адгезійною та когезійною міцністю. Цей процес можна віднести до процесів РА РVD.
Електронно-променеве нагрівання при вакуумно-конденсаційному напиленні покриття є найбільш ефективним і поширеним для нагрівання і випаровування розпилюваного матеріалу.
Відомо багато різних схем випаровувачів і установок для вакуумно-конденсаційного напилення з використанням електронно-променевого нагрівання.
Одна із схем, яка досить часто зустрічається, наведена на рис. 5. 4.
До катода та анода електронної гармати від джерела живлення подається високовольтне навантаження. Термокатод емітує електрони, які прискорюються у напрямку водоохолоджуваного анода. Відхилюячи та фокусуючи електромагнітні системи, направляють сформований промінь на матеріал, який випаровується.
|
|
|
Електронний промінь належить до" поверхневих джерел нагрівання. Суть процесу електронно-променевого нагрівання полягає в тому, . що електрон після проходження електричного поля з прискорюючою напругою набуває кинетичної енергії. При взаємодії електрона з поверхнею матеріалу виділяється енергія у вигляді рентгенівського випромінювання, вторинних електронів і теплоти. На рентгенівське випромінювання витрачається біля 0, 1% енергії, на вторинні електрони ~ 15... 30%, вся остання енергія витрачається на нагрівання. При прискорюючій напрузі U= 15... 20 кВ електрони укорінюються у поверхню на глибину 1... 2 мкм. Основне гальмування електрона та виділення теплоти відбувається у кінці шляху гальмування. Тому джерело теплоти знаходиться у самому матеріалі, що нагрівається. Цим пояснюється висока ефективність електронно-променевого нагрівання, особливо при максимальному фокусуванні проміню.
При електронно-променевому нагріванні утворюються умови для отримання однорідних за товщиною покрить з різною пружністю пари. Для отримання однорідних за складом покриттів з початку процесу виріб закривається екраном і після закінчення часу перехідного періоду, екран відкривається, і відбувається напилення.
Рис. 5. 4. Схема електронно-променевого випаровування при вакуумно-конденсаційному нанесенні покриття з незалежними вакуумними системами робочої камери і камери електронно-променевої гармати:
1 - робоча камера; 2 - камера електронно-променевої гармати; З - електронно-променева гармата; 4 - електронний промінь; 5 - виріб; 6 - потік напилюваних часток; 7 - водоохолоджуваний тигель
Найбільш важливим параметром процесу електронно-променевого напилення є потужність променю. В основному, вона регулюється прискорюючою напругою, яка впливає на кінетичну енергію електрона. Залежно від типу гармати прискорююча напруга може бути в межах 5... 60 кВ. До параметрів процесу належить тиск у камері та струм пучка променя. Для різних гармат він знаходиться в межах ~ 50... 500 мА.
Процес електронно-променевого випаровування здійснюється у вакуумі при тиску не нижче 10-3 Па. Широке поширення набули електронно-променеві установки з гарматами потужністю 100... 200 кВт.
Енергія атомів у потоці, як і в інших способах напилення покриття випаровуванням, мала і становить 0, 2... 0, 3 еВ, ступінь іонізації часток -0, 05... 0, 1%. Але для цього способу напилення характерна висока щільність парового потоку.
До основних переваг напилення покриттів електронно-променевим випаровуванням належать:
- висока продуктивність, наприклад, для установок з 3... 4 випаровувачами вона становить до 10... 15 кг/год пари, а швидкість конденсації 50... 100 мкм/хв;
- можливість напилення покриття зі сплавів та деяких сполук;
- підвищені механічні властивості покриття.
До недоліків належать: підвищена складність установок у виготовленні й експлуатації, а також наявність жорсткого опромінювання при високих прискорюючих напругах.
|
|
|
