Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием
Для нанесения наноструктурированных покрытий на внутренние поверхности разработана оригинальная конструкция несбалансированной цилиндрической магнетронной распылительной системы. Разработанная конструкция характеризуется простотой и возможностью выполнения всех технологических переходов ионно-плазме...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Техническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2013
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88396 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием / А.Д. Гришкевич // Техническая механика. — 2013. — № 2. — С. 109-115. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859745715170836480 |
|---|---|
| author | Гришкевич, А.Д. |
| author_facet | Гришкевич, А.Д. |
| citation_txt | Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием / А.Д. Гришкевич // Техническая механика. — 2013. — № 2. — С. 109-115. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая механика |
| description | Для нанесения наноструктурированных покрытий на внутренние поверхности разработана оригинальная конструкция несбалансированной цилиндрической магнетронной распылительной системы. Разработанная конструкция характеризуется простотой и возможностью выполнения всех технологических переходов ионно-плазменной обработки в одном вакуумном цикле. Расчетными и экспериментальными методами исследована структура магнитного поля в распылительной системе. Определены рабочие режимы предварительной ионной обработки и наноструктурирования покрытия способом ионного ассистирования. Результаты работы могут быть использованы при проектировании технологии и технологических устройств нанесения функциональных покрытий на внутренние поверхности пар трения типа цилиндр – поршень, работающих в условиях повышенного коррозионного и абразивного износа.
Для нанесення наноструктурованих покриттів на внутрішні поверхні розроблено оригінальну конструкцію незбалансованої циліндричної магнетронної розпилюючої системи. Розроблена конструкція характеризується простотою и можливістю виконання всіх технологічних переходів іонно-плазмової обробки в одному вакуумному циклі. Розрахунковими і експериментальними методами досліджено структуру магнітного поля в розпилюючій системі. Визначено робочі режими попередньої іонної обробки і наноструктурування покриття іонним асистуванням. Результати роботи можуть бути використані при розробці технології і технологічних пристроїв для нанесення функціональних покриттів на внутрішні поверхні пар тертя типу циліндр – поршень, що експлуатуються в умовах підвищеного корозійного і абразивного зносу.
Original design of a non-balanced cylindrical magnetron sprayed system is developed for nanostructured coating the inner surfaces. This design is characterized by simplicity and the possibility of executing all technological transitions of ion-plasma processing in one vacuum cycle. The structure of a magnetic field in the sprayed system is determined by the calculating and experimental methods. Working regimes of preliminary ion processing and nanostructured coating by ion assisting are defined. The research results can be used in the design of a technology and technological devices for functional coating the inner surfaces of friction pairs of the cylinder – piston type operating under conditions of corrosion and abrasive wear.
|
| first_indexed | 2025-12-01T21:29:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
109
УДК 621.002.56
А.Д. ГРИШКЕВИЧ
ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С
ИОННЫМ АССИСТИРОВАНИЕМ
Для нанесения наноструктурированных покрытий на внутренние поверхности разработана ориги-
нальная конструкция несбалансированной цилиндрической магнетронной распылительной системы. Раз-
работанная конструкция характеризуется простотой и возможностью выполнения всех технологических
переходов ионно-плазменной обработки в одном вакуумном цикле. Расчетными и экспериментальными
методами исследована структура магнитного поля в распылительной системе. Определены рабочие режи-
мы предварительной ионной обработки и наноструктурирования покрытия способом ионного ассистиро-
вания. Результаты работы могут быть использованы при проектировании технологии и технологических
устройств нанесения функциональных покрытий на внутренние поверхности пар трения типа цилиндр –
поршень, работающих в условиях повышенного коррозионного и абразивного износа.
Для нанесення наноструктурованих покриттів на внутрішні поверхні розроблено оригінальну конст-
рукцію незбалансованої циліндричної магнетронної розпилюючої системи. Розроблена конструкція харак-
теризується простотою и можливістю виконання всіх технологічних переходів іонно-плазмової обробки в
одному вакуумному циклі. Розрахунковими і експериментальними методами досліджено структуру магні-
тного поля в розпилюючій системі. Визначено робочі режими попередньої іонної обробки і нанострукту-
рування покриття іонним асистуванням. Результати роботи можуть бути використані при розробці техно-
логії і технологічних пристроїв для нанесення функціональних покриттів на внутрішні поверхні пар тертя
типу циліндр – поршень, що експлуатуються в умовах підвищеного корозійного і абразивного зносу.
Original design of a non-balanced cylindrical magnetron sprayed system is developed for nanostructured
coating the inner surfaces. This design is characterized by simplicity and the possibility of executing all
technological transitions of ion-plasma processing in one vacuum cycle. The structure of a magnetic field in the
sprayed system is determined by the calculating and experimental methods. Working regimes of preliminary ion
processing and nanostructured coating by ion assisting are defined. The research results can be used in the design
of a technology and technological devices for functional coating the inner surfaces of friction pairs of the cylinder
– piston type operating under conditions of corrosion and abrasive wear.
Последние два десятилетия интенсивно развиваются ионно-плазменные
технологии нанесения наноструктурированных покрытий, обладающих
функциональными и эксплуатационными свойствами, недостижимыми для
покрытий предыдущего поколения. Существенное улучшение физико-
механических характеристик покрытий было достигнуто в результате откры-
тия фундаментальной зависимости свойств твердого тела от его структуры.
Структурное состояние оказывает определяющее влияние как на объемные,
так и на поверхностные свойства материалов. Измельчение структурных эле-
ментов материалов (наноструктурирование) существенно повышает твер-
дость и, как следствие, улучшает функциональные и эксплуатационные ха-
рактеристики рабочих поверхностей [1].
В работе [2] была предложена теоретическая концепция создания нано-
кристаллических покрытий, согласно которой такие покрытия должны со-
стоять из свободных от дислокаций нанокристаллитов размером 3 – 10 нм,
разделенных прослойкой аморфной фазы размером 1 – 3 нм. Было показано,
что параметрами, влияющими на увеличение твердости нанопокрытий, явля-
ются наноструктура покрытия и макронапряжения, возникающее в покрытии
в процессе конденсации.
В работе [3] обосновывается, что одним из наиболее продуктивных путей
изменения микроструктуры покрытий является проведение процесса осажде-
ния в условиях внешнего энергетического воздействия, осуществляемого
бомбардировкой поверхности осаждения энергетическими частицами (быст-
рыми нейтралами и низкоэнергетичными ионами). Ионная бомбардировка
(ионное ассистирование) в процессе формирования покрытия приводит к
А.Д. Гришкевич, 2013
Техн. механика. – 2013. – № 2.
110
уменьшению размеров кристаллитов, уплотнению границ зерен и появлению
сжимающих напряжений. Таким образом, ионное ассистирование позволяет
уменьшить размер зерна и тем самым изменяет структуру и физико-
механические свойства покрытий.
Величину энергетического воздействия, при условии постоянства темпе-
ратуры подложки, можно выразить следующей зависимостью:
Где: – энергия осаждения; – энергия ионов ассистирования; – поток
ионов ассистирования; – поток осаждаемых атомов; – потенциал плаз-
мы; потенциал смещения; плотность тока ионов ассистирования;
скорость конденсации атомов на подложке.
Эффект управления структурой может быть достигнут при значениях
плотности тока ассистирования 1 мА/см2 и при энергии ионов в диапа-
зоне от плавающего потенциала до 200 эВ.
Наиболее перспективной для получения нанопокрытий является магне-
тронная технология. Магнетронные распылительные системы (МРС) позво-
ляют создавать потоки атомных частиц, свободные от макрочастиц материа-
ла покрытия, что упрощает получение совершенной нанострукруры.
При использовании МРС традиционной схемы ионное ассистирование
невозможно из-за того, что за пределами магнетронного разряда плазма
практически отсутствует. Благодаря разработанной в [4] концепции МРС с
несбалансированной магнитной системой, существенно упростилась возмож-
ность использования ионного ассистирования при магнетронном нанесении
покрытий. Несбалансированность магнитного поля в МРС создается усиле-
нием магнитного потока через наружный магнитный полюс магнитной си-
стемы. В результате этого нарушается совершенство магнитной ловушки и
для электронов разряда появляется возможность выхода в сторону подложки.
Благодаря амбиполярной диффузии, электроны увлекают за собой ионы и
пролетное пространство между распыляемым катодом МРС и поверхностью
конденсации заполняется плазмой. При подаче на подложку отрицательного
потенциала смещения из плазмы на подложку вытягиваются ионы ассисти-
рования. Плотность тока ионов ассистирования определяется показателем
несбалансированности магнитной системы, а энергия ионов ассистирования
задается величиной потенциала смещения на подложке
В настоящее время, для получения наноструктурированных покрытий,
разработаны и применяются в промышленности эффективные магнетронные
распылительные системы несбалансированного типа. При этом обращает на
себя внимание тот факт, что подавляющее большинство разработанных тех-
нологических устройств для нанесения нанопокрытий предназначено для об-
работки наружных рабочих поверхностей. При этом существует обширный
класс деталей с внутренними рабочими поверхностями, нуждающимися в
повышении функциональных и эксплуатационных свойств путем нанесения
покрытий. К таким деталям можно отнести пары трения, работающие в усло-
виях повышенного коррозионого и абразивного износа, например силовые
гидроцилиндры горных машин. Одной из рабочих поверхностей пары трения
гидроцилиндра является внутренняя поверхность гильзы. Традиционной тех-
111
нологией упрочнения этой детали является гальваническое хромирование –
технология неблагоприятная как по экологическим характеристикам, так и по
ограниченности возможности дальнейшего повышения эксплуатационных
свойств поверхности. Применение ионно-плазменной технологии модифика-
ции внутренних поверхностей способно существенно улучшить сопротивля-
емость износу, но ограничивается отсутствием современного технологиче-
ского оборудования для нанесения наноструктурированных покрытий на
внутренние поверхности.
Вакуумные установки для ионно-плазменной обработки поверхности,
как правило, включают раздельные плазменные устройства для осуществле-
ния следующих основных технологических функций:
предварительной ионной подготовки поверхности высоко-
энергетичными ионами перед нанесением покрытия;
генерации потока частиц материала покрытия;
генерации низкоэнергетичных ионов для ассистиования про-
цесса конденсации покрытия.
Нами разработан ряд магнетронных распылительных систем интегриро-
ванного типа, обеспечивающих все технологические переходы ионно-
плазменной обработки [5, 6, 7], и отработана технология их применения для
нанесения покрытий на внутренние рабочие поверхности гидроцилиндров [8,
9]. Однако конструктивная сложность плазменных технологических
устройств интегрированного типа ограничивает их промышленное использо-
вание обработкой деталей уникальной или мелкосерийной техники.
В настоящей работе решалась задача создания универсального магне-
тронного устройства цилиндрического типа (ЦМРС), обеспечивающего вы-
полнение всех основных технологических переходов ионно-плазменной об-
работки внутренней поверхности в одном вакуумном цикле.
Поставленная задача решалась с использованием концепции магнитной
несбалансированности. Несбалансированность магнитного поля планарной
МРС может создаваться путем использования дополнительного источника
магнитного поля в виде катушки с током [10] или усилением внешнего маг-
нита коаксиальной магнитной системы [11]. Для ЦМРС первый путь непри-
емлем из-за увеличения габаритов системы, второй из-за отличия конструк-
ции магнитных систем планарной МРС и принятой нами конструкции ци-
линдрической МРС с продольным сканированием однотрекового радиально-
го магнетронного разряда. Несбалансированность магнитного поля в одно-
трековой радиальной магнитной системе ЦМРС создать не удалось. Приме-
нением двухтрековой конструкции магнитной системы с антипараллельным
дрейфом в разрядных треках удалось достичь несбалансированности магнит-
ного поля в ЦМРС.
Отличительным признаком блока магнитной системы разработанной
конструкции ЦМРС несбалансированного типа (НбЦМРС) является то, что
он состоит из трех соосных дисковых магнитных полюсов, расположенных в
полости трубчатого катода причем крайние магнитные полюса имеют одина-
ковую полярность которая противоположна полярности центрального маг-
нитного полюса. Между полюсами расположены основные источники маг-
нитного поля – постоянные магниты. К внешним торцам крайних магнитных
полюсов примыкают дополнительные источники магнитного поля, выпол-
ненные в виде катушек с током на ферромагнитных сердечниках. Конструк-
112
ция НбЦМРС показана на рис. 1. НбЦМРС и обрабатываемое изделие 2 мон-
тируются на оси вакуумной камеры 1. Вакуумная камера выполняет роль
анода магнетронного разряда. Относительно вакуумной камеры катод
НбЦМРС 5 и обрабатываемое изделие находятся под отрицательными потен-
циалами. На рис. 1 показаны: разрядный источник 3; источник смещения
подложки 4; магнитные полюса 6; основные магнитные источники 7; маг-
нитные катушки 8 на ферромагнитных сердечниках 9.
Рис. 1
Несбалансированность магнитной системы была исследована моделиро-
ванием магнитного поля с помощью компьютерной программы FEMM 4,2.
На рис. 2а показана картина магнитного поля при параллельном включении
магнитных катушек. Характерная картина магнитного поля свидетельствует
о несбалансированности магнитного поля. Показатель несбалансированности
НбЦМРС оценивался по координате характерной точки Z0. Методика оценки
показателя несбалансированности аналогична использованной нами в работе
[9]. В характерной точке Z0 происходит поворот дрейфа электронов в сторону
подложки и их выход из магнитной ловушки. Положение точки поворота
дрейфа исследовалось в зависимости от тока через магнитные катушки. По-
казатель несбалансированности изменялся от нулевого значения (сбаланси-
рованная магнитная система) при обесточенных катушках до показателя 2,5,
при котором величина потока осаждаемых атомов на подложку в четыре раза
превышает поток ионов ассистирования.
Недостатком несбалансированных МРС является неоднородность рас-
пределения плотности тока ионов ассистирования в поперечном сечении по-
тока. Эта неоднородность сглаживается на некотором удалении от распыляе-
мого катода, но на расстояниях от катода, близких к положению точки Z0,
ширина области ионного ассистирования оказывается существенно уже ши-
рины области осаждения покрытия на подложке. Такая ситуация имеет место
при обработке внутренних поверхностей.
При раздельном питании магнитных катушек, изменяя соотношение тока
в катушках, возможно создавать асимметрию магнитного поля и тем самым
113
управлять положением точки Z0 в поперечном сечении потока. При измене-
нии положения точки Z0 поток ионов ассистирования сканирует область кон-
денсации покрытия в поперечном направлении. Это свойство разработанной
конструкции НбЦМРС является отличительным признаком по сравнению с
несбалансированной планарной МРС. Картина асимметричного магнитного
поля показана на рис. 2б.
Распределение плотности тока ионов ассистирования в поперечном сече-
нии потока исследовалось зондовым методом. Измерения проводились при
максимальном значении несбалансированности. На рис. 3 видно, что расхо-
димость потока ионов слабо зависит от удаления от катода. На удалении
120 мм от катода плотность ионного тока в максимуме достигает значения,
предельного для проведения эффективного воздействия на структуру покры-
тия. В эксперименте отмечалось, что измеряемое значение тока ассистирова-
ния сильно зависит от давления в вакуумной камере. При повышении давле-
а)
б)
Рис. 2
114
ния от 2,5 мТорр до 5 мТорр ток падал на 25%. Снижение тока, по-видимому,
можно объяснить резонансной перезарядкой газовых ионов. При этом энер-
гетическое воздействие на осаждаемое покрытие могут обеспечивать быст-
рые нейтралы.
Несбалансированная ЦМРС обладает еще одним полезным свойством.
При минимальном значении тока разряда МРС, при котором поток распы-
ленных атомов минимален, значение напряжения смещения увеличивают та-
ким образом, чтобы энергия ионов ассистирования превосходила значение,
необходимое для ионного травления слоя конденсирующихся на подложке
атомов. Этот режим может быть использован для предварительной подготов-
ки поверхности конденсации (ионного травления и нагрева) высокоэнерге-
тичными ионами.
Рис. 3
Таким образом, разработана конструкция магнетронной распылительной
системы несбалансированного типа, обладающая возможностями выполне-
ния всех технологических переходов ионно-плазменной обработки внутрен-
ней поверхности в одном вакуумном цикле. Исследована структура магнит-
ного поля в области разряда. Показана эффективность разработанного спосо-
ба управления потоком ассистирующих ионов. Получены данные о рабочих
режимах НбЦМРС при осаждении покрытия с ионным ассистированием в
широком диапазоне значений параметра несбалансированности.
1. Peter M. Martin Handbook of Deposition Technologies for films and coatings / M. Martin Peter // Elsevier. –
2010. – P. 912.
2. Veprek S. еt аl. Different approaches to superhard coatings and nanocomposites / Veprek S., Maritza G. J.et. al.
// Thin Solid Films. – 2005. – Vol. 476. – P. 1 – 29.
3. Musil J. The role of energy in formation of sputtered nanocomposite films / Musil J., Ŝuna J. // Mater. Scien.
Forum. – 2005. – Vol. 502. – P. 291 – 296.
4. Window B. Unbalanced magnetrons as sourses of high ion fluxes / Window B, Savvides N. J. // Vac. Sci.
Technol. A. – 1986. – Vol. 4, № 3. – P. 453 – 507.
5. Патент на изобретение №38845U, Украина, МПК С23С 14/00. Плазменное устройство / Гришке-
вич А. Д. ; заявитель и патентообладатель Институт технической механики НАНУ и НКАУ. –
u200808700 ; заявл. 01.07.2008 ; опубл. 26.01.2009, Бюл. №2. – 4с.
6. Патент на изобретение №93471, Украина, МПК С23С 14/35, 14/56. Ионно-плазменная установка / Гри-
шкевич А.Д., Гринюк С.И. ; заявитель и патентообладатель Институт технической механики НАНУ и
НКАУ. – а201005669$ ; заявл. 11.05.2010 ; опубл. 10.02.2010, Бюл. №23. – 4с.
115
7. Патент на изобретение №93833U, Украина, МПК С23С 14/00. Ионно-плазменное устройство «гибрид-
ного» типа / Гришкевич А. Д. ; заявитель и патентообладатель Институт технической механики НАНУ и
НКАУ. – a201005613 ; заявл.11.05.2010 ; опубл. 10.03.2011, Бюл. №5. – 4с.
8. Гришкевич А. Д. Нанесение функционального покрытия на внутреннюю стенку осесимметричного изде-
лия малого диаметра / А. Д. Гришкевич // Проблемы высокотемпературной техники. – 2011/. – С. 37 –
41.
9. Гришкевич А. Д, Исследование характеристик несбалансированности планарной магнетронной рас-
пылительной системы / А. Д. Гришкевич, С. И. Гринюк // Проблемы высокотемпературной техники. –
2012. – С. 45 – 52.
10. Свадковский И. В. Направление развития магнетронных распылительных систем / И. В. Свадковский //
Доклады БГУИР (Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники). –
2007. – №2(18). – С.112 – 121.
Институт технической механики Получено 12.06.13,
НАН Украины и ГКА Украины, в окончательном варианте 17.06.13
Днепропетовск
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88396 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-9184 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T21:29:40Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гришкевич, А.Д. 2015-11-14T09:16:07Z 2015-11-14T09:16:07Z 2013 Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием / А.Д. Гришкевич // Техническая механика. — 2013. — № 2. — С. 109-115. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88396 621.002.56 Для нанесения наноструктурированных покрытий на внутренние поверхности разработана оригинальная конструкция несбалансированной цилиндрической магнетронной распылительной системы. Разработанная конструкция характеризуется простотой и возможностью выполнения всех технологических переходов ионно-плазменной обработки в одном вакуумном цикле. Расчетными и экспериментальными методами исследована структура магнитного поля в распылительной системе. Определены рабочие режимы предварительной ионной обработки и наноструктурирования покрытия способом ионного ассистирования. Результаты работы могут быть использованы при проектировании технологии и технологических устройств нанесения функциональных покрытий на внутренние поверхности пар трения типа цилиндр – поршень, работающих в условиях повышенного коррозионного и абразивного износа. Для нанесення наноструктурованих покриттів на внутрішні поверхні розроблено оригінальну конструкцію незбалансованої циліндричної магнетронної розпилюючої системи. Розроблена конструкція характеризується простотою и можливістю виконання всіх технологічних переходів іонно-плазмової обробки в одному вакуумному циклі. Розрахунковими і експериментальними методами досліджено структуру магнітного поля в розпилюючій системі. Визначено робочі режими попередньої іонної обробки і наноструктурування покриття іонним асистуванням. Результати роботи можуть бути використані при розробці технології і технологічних пристроїв для нанесення функціональних покриттів на внутрішні поверхні пар тертя типу циліндр – поршень, що експлуатуються в умовах підвищеного корозійного і абразивного зносу. Original design of a non-balanced cylindrical magnetron sprayed system is developed for nanostructured coating the inner surfaces. This design is characterized by simplicity and the possibility of executing all technological transitions of ion-plasma processing in one vacuum cycle. The structure of a magnetic field in the sprayed system is determined by the calculating and experimental methods. Working regimes of preliminary ion processing and nanostructured coating by ion assisting are defined. The research results can be used in the design of a technology and technological devices for functional coating the inner surfaces of friction pairs of the cylinder – piston type operating under conditions of corrosion and abrasive wear. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием Article published earlier |
| spellingShingle | Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием Гришкевич, А.Д. |
| title | Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием |
| title_full | Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием |
| title_fullStr | Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием |
| title_full_unstemmed | Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием |
| title_short | Цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием |
| title_sort | цилиндрическая магнетронная распылительная система с ионным ассистированием |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88396 |
| work_keys_str_mv | AT griškevičad cilindričeskaâmagnetronnaâraspylitelʹnaâsistemasionnymassistirovaniem |