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.

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 380 В, цепи управления питаются напряжением 220 В 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.

Технические характеристики серийных установок

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.