Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т»
Представлены данные относительно выполненных изменений в конструкции вакуумно-дуговых испарителей металлов, электрической схеме привода вращения подложек, откачном оборудовании установки и улучшении защиты фланцев, смотровых систем от тепловых нагрузок с целью обеспечения осаждения функциональных по...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96010 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» / А.В. Демчишин, В.А. Миченко, Г.А. Автономов, О.А. Токарев // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 40-42. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860239889740595200 |
|---|---|
| author | Демчишин, А.В. Миченко, В.А. Автономов, Г.А. Токарев, О.А. |
| author_facet | Демчишин, А.В. Миченко, В.А. Автономов, Г.А. Токарев, О.А. |
| citation_txt | Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» / А.В. Демчишин, В.А. Миченко, Г.А. Автономов, О.А. Токарев // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 40-42. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Представлены данные относительно выполненных изменений в конструкции вакуумно-дуговых испарителей металлов, электрической схеме привода вращения подложек, откачном оборудовании установки и улучшении защиты фланцев, смотровых систем от тепловых нагрузок с целью обеспечения осаждения функциональных покрытий на длинномерные изделия и формирования многослойных конденсатов с микро- и наноструктурой общей толщиной до 100 мкм и больше.
Data are presented as regards to changes made in the design of vacuum-arc evaporators of metals, electrical diagram of drive of substrates rotation, pumping equipment of the installation and improvement of protection of flanges, viewing window systems from heat loads to provide the deposition of functional coatings on long products and formation of multi-layer condensates with a micro- and nanostructure of total thickness of up to 100 μm and higher.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:28:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.793.18.06
МОДИФИЦИРОВАННАЯ
ВАКУУМНО-ДУГОВАЯ УСТАНОВКА
«БУЛАТ-3Т»
А. В. Демчишин, В. А. Миченко,
Г. А. Автономов, О. A. Токарев
Представлены данные относительно выполненных изменений в конструкции вакуумно-дуговых испарителей метал-
лов, электрической схеме привода вращения подложек, откачном оборудовании установки и улучшении защиты
фланцев, смотровых систем от тепловых нагрузок с целью обеспечения осаждения функциональных покрытий на
длинномерные изделия и формирования многослойных конденсатов с микро- и наноструктурой общей толщиной до
100 мкм и больше.
Data are presented as regards to changes made in the design of vacuum-arc evaporators of metals, electrical diagram of
drive of substrates rotation, pumping equipment of the installation and improvement of protection of flanges, viewing
window systems from heat loads to provide the deposition of functional coatings on long products and formation of
multi-layer condensates with a micro- and nanostructure of total thickness of up to 100 μm and higher.
Ключ е вы е с л о в а : вакуумная дуга; торцевой цилинд-
рический катод; планарный катод; привод вращения подло-
жек; реле времени; многослойное покрытие
Появление источников низкотемпературной плазмы
на основе катодной формы вакуумной дуги, разви-
вающейся в парах материала эродирующего элект-
рода, открыло большие возможности для формиро-
вания функциональных покрытий с разными свой-
ствами на поверхности подложек. Такая ситуация
предопределила разработку оборудования с исполь-
зованием дугового разряда в вакууме для нанесения
ионно-плазменных покрытий на детали ответствен-
ного назначения. Анализ серийного вакуумно-дуго-
вого оборудования для осаждения покрытий, изго-
товляемого ведущими фирмами в области вакуум-
ного машиностроения, показал, что наиболее рас-
пространенным типом катодно-дугового источника
являются испарители с цилиндрическими катодами,
где дуговой разряд осуществляется на торцевой по-
верхности отрицательного электрода. Испарители
такого типа используют в серийных установках
«Булат» (Украина), ННВ-6.6, «Пуск», ИЭТ (Рос-
сия), ВУ-1БС, ВУ-2МБС (Белоруссия), MR-333,
MR-383 (США), BAI-1200 (Лихтенштейн). В дан-
ных испарителях внешняя электромагнитная систе-
ма удерживает катодные пятна на торцевой повер-
хности катода и вращает их с высокой скоростью
по круговым орбитам на указанной поверхности.
Такие источники генерируют неоднородный, ограни-
ченный определенными размерами, плазменный по-
ток, что сужает возможности их практического при-
менения. В этом случае максимальная скорость осаж-
дения пароплазменного потока зафиксирована вблизи
оси катода в пределах небольших телесных углов.
Однако для современного машиностроения зачас-
тую требуется обработка длинномерных и крупнога-
баритных изделий, для чего необходимо получение
равномерного в продольном сечении плазменного по-
тока, что не всегда возможно посредством увеличения
количества отдельных точечных источников катодно-
дуговой плазмы. В связи с этим одной из актуаль-
ных проблем является создание и использование
планарных электродуговых испарителей.
Кроме того, целесообразнее изготовлять катоды
в виде пластин, вырезаемых из листового проката,
а не сплошных цилиндров, особенно при использо-
вании катодов больших размеров. Для этого вместо
точечных электродуговых испарителей разработа-
ны, изготовлены и установлены в установке «Бу-
лат-3Т» источники металлической плазмы планар-
ного типа с магнитным удержанием катодных пятен
на рабочей поверхности катода, испытания которых
© А. В. ДЕМЧИШИН, В. А. МИЧЕНКО, Г. А. АВТОНОМОВ, О. О. ТОКАРЕВ, 2009
40
показали, что катодные пятна перемещаются по эл-
липтической траектории вдоль продольной оси ка-
тода. Повышение тока дугового разряда способ-
ствует увеличению катодных пятен и скорости их
перемещения на рабочей поверхности катода и, в
результате, возрастанию скорости эрозии катодного
материала.
На рис. 1 представлены фотографии катодных
пятен на поверхности титанового планарного като-
да, образовавшихся при разных значениях тока ду-
гового разряда. Приведенные данные свидетель-
ствуют об увеличении плотности катодных пятен в
случае роста разрядного тока. После полной выра-
ботки планарный катод имеет корытоподобную
форму и высокий коэффициент использования ма-
териала катода.
Особенностью указанных испарителей является
снижение уровня порогового тока, выше которого
обеспечивается стабильная работа дугового разря-
да, что подтверждают и другие исследователи [1].
Установка «Булат-3Т» состоит из вакуумной ка-
меры, привода вращения стола с подложкодержа-
телями, пульта управления, блоков электропитания
(выпрямителей тока) и откачного оборудования [2].
Вакуумная камера имеет форму горизонтального
цилиндра с двумя загрузочно-разгрузочными тор-
цевыми отверстиями, герметично закрываемыми
круглыми крышками с фланцами, на которых ус-
тановлены катодные узлы для испарения электро-
проводных материалов, смотровые системы и окна
для дистанционного контроля температуры подло-
жек с помощью пирометра. В нижней части камеры
находится узел вращения стола, ось которого через
вакуумный ввод соединена с электрическим приво-
дом, обеспечивающим скорость вращения 8 об/мин.
Указанный стол изолирован от корпуса камеры.
Для получения необходимого вакуума в рабочей
камере использовали комбинированную откачную
систему, в которой для начальной откачки воздуха
из камеры задействован форвакуумный механичес-
кий насос 2НВР-5Д с масляным уплотнением и вы-
соковакуумный паромасляный насос АВП-250-630.
Для повышения скорости откачки воздуха из каме-
ры на начальной стадии с целью значительного сок-
ращения длительности процесса и уменьшения гра-
ничного остаточного давления к откачному посту
добавлен двухроторный насос ДРН-50 с прифлан-
цованным электродвигателем. Использование до-
полнительного насоса ДРН-50 значительно повы-
шает коэффициент сжатия и снижает до минимума
эффект уменьшения граничного давления механи-
ческого насоса с масляным уплотнением даже в слу-
чае ухудшения качества масла.
Электрическая система включает источники пи-
тания дуговых испарителей и источники высокого
и опорного напряжения, подаваемого на подложки.
Для получения многослойных конденсатов с микро-
и нанокристаллической структурой использовали
режим непрерывного испарения выбранных метал-
лов из двух катодов в совокупности с переменным
циклическим вращением подложек. Осаждение
плазменных потоков на подложки с контролируе-
мой длительностью их нахождения напротив испаря-
емых катодов, обеспечивали путем добавления к элек-
трической схеме привода вращения реле времени, что
позволило получать многослойные конденсаты с тол-
щиной субслоев в пределах 10…1000 нм и общей
толщиной до 1⋅105нм.
На рис. 2 приведена типичная структура мно-
гослойного TiN/ZrN покрытия с толщиной субсло-
ев 100 нм и общей толщиной 15⋅103нм, полученного
с помощью указанной техники. Формирование кон-
денсатов нитридов титана и циркония осуществляли
в азотной газовой среде в диапазоне давлений
Рис. 1. Катодные пятна на поверхности титанового планарного
катода при Iд, A: а – 100; б – 140
Рис. 2. Распределение элементов покрытия по толщине много-
слойного конденсата TiN/ZrN (а) и его структура в поперечном
сечении (б); I – интенсивность
41
(4…6)10—1Па. Ток разряда составлял 110 А, а от-
рицательный потенциал смещения на подложке дос-
тигал —150 В. Расстояние между подложками и ка-
тодами равнялось 125 мм. Подложками служили
твердосплавные пластинки из ВК6 и Т5К10. Уста-
новка коромысла в виде горизонтального молибде-
нового стержня на валу механизма вращения поз-
волила легко регулировать расстояние между под-
ложками и рабочей поверхностью катодов.
Кроме того, разработан, изготовлен и установ-
лен стол с подложкодержателями планетарного ти-
па, с помощью которого можно осаждать одно- и
многослойные покрытия на детали фасонного типа.
На рис. 3 показана четвертая часть держателей
осесимметричных подложек, вращающихся вокруг
своей оси и одновременно со столом, крутящимся
вместе с вертикальними экранами. Это дает возмож-
ность проводить многоразовое последовательное
осаждение разных покрытий на детали цилиндри-
ческого типа.
Для равномерного нагрева маломерных и тон-
костенных изделий, установленных на подложко-
держателях, до и в процессе нанесения на них пок-
рытий изготовлен ленточный танталовый электри-
ческий нагреватель, крепящийся к верхнему флан-
цу рабочей камеры установки с помощью водоох-
лаждаемых медных электрических вводов.
Для дополнительного влияния на адгезию,
структуру и другие свойства осаждаемых покрытий
предусмотрено использование высоковольтного им-
пульсного генератора, обеспечивающего подачу на
подложки в ходе нанесения покрытий отрицатель-
ных импульсов напряжения с амплитудой до 5 кВ,
длительностью импульсов 15, 35, 55 мкс и паузами
между импульсами соответственно 30, 70, 110 мкс.
В связи с необходимостью осаждения функцио-
нальных покрытий толщиной до 1⋅105 нм и больше,
для чего требуется длительная работа установки в
условиях функционирования катодно-дуговых ис-
парителей при максимальных режимах, значитель-
но увеличивается тепловая нагрузка на внутрика-
мерные узлы и устройства. Вакуумная камера се-
рийной установки охлаждается проточной водой в
процессе нанесения покрытий, в отличие от фланцев
и смотровых отверстий камеры, что вызывает пе-
регрев последних. В связи с этим внутри камеры
установили металлические экраны напротив проб-
лемных мест. Кроме того, реконструирован нижний
механизм вращения с вакуумным вводом с целью
обеспечения охлаждения его вала проточной водой.
Дозированный напуск и поддержка заданного рас-
хода аргона и азота осуществляется газовой систе-
мой с использованием натекателя игольчатого типа
при помощи блока управления натекателя.
Указанные усовершенствования в совокупности
позволили существенно расширить технологичес-
кие возможности установки и осаждать функцио-
нальные покрытия с контролируемой структурой на
подложки широкого профиля.
Выводы
1. Разработанные электродуговые испарители пла-
нарного типа, изготовленные из титана и предназ-
наченные для осаждения равномерных по толщине пок-
рытий на длинномерные подложки, прошли успешные
испытания в рабочей камере установки «Булат-3Т».
2. Использование реле времени в электрической
схеме привода вращения подложек дало возмож-
ность получать многослойные покрытия с микро- и
нанокристаллической структурой.
3. Использование поворотного стола планетар-
ного типа с подложкодержателями позволило осаж-
дать многослойные покрытия на фасонные изделия.
4. Наличие электрического нагревателя ленточно-
го типа дало возможность осуществлять радиацион-
ный однородный нагрев разнотолщинных изделий.
5. Полученные результаты будут использованы
для разработки новой промышленной вакуумно-ду-
говой установки для осаждения функциональных
покрытий на длинномерные детали ответственного
назначения.
1. Электродуговой испаритель металлов с магнитным удер-
жанием катодного пятна / Л. П. Саблев, Ю. И. Долотов,
Р. И. Ступак, В. А. Осипов // Приборы и техника экс-
периментов. – 1976. – № 4. – С. 247—249.
2. Структура и свойства покрытий из Ti, Ti36Al, Ti/Al,
полученных способом вакуумно-дугового испарения /
А. В. Демчишин, В. С. Голтвяница, С. К. Голтвяница и
др. // Современ. электрометаллургия. – 2009. – № 2. –
С. 42—47.
Ин-т проблем материаловедения им. И. Н. Францевича,
НАН Украины, Киев
Поступила 03.02.2009
Рис. 3. Четвертая часть стола с подложкодержателями плане-
тарного типа
42
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96010 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:28:50Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Демчишин, А.В. Миченко, В.А. Автономов, Г.А. Токарев, О.А. 2016-03-08T21:02:01Z 2016-03-08T21:02:01Z 2009 Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» / А.В. Демчишин, В.А. Миченко, Г.А. Автономов, О.А. Токарев // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 40-42. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96010 621.793.18.06 Представлены данные относительно выполненных изменений в конструкции вакуумно-дуговых испарителей металлов, электрической схеме привода вращения подложек, откачном оборудовании установки и улучшении защиты фланцев, смотровых систем от тепловых нагрузок с целью обеспечения осаждения функциональных покрытий на длинномерные изделия и формирования многослойных конденсатов с микро- и наноструктурой общей толщиной до 100 мкм и больше. Data are presented as regards to changes made in the design of vacuum-arc evaporators of metals, electrical diagram of drive of substrates rotation, pumping equipment of the installation and improvement of protection of flanges, viewing window systems from heat loads to provide the deposition of functional coatings on long products and formation of multi-layer condensates with a micro- and nanostructure of total thickness of up to 100 μm and higher. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Вакуумно-дуговой переплав Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» Modified vacuum-arc installation «Bulat-3T» Article published earlier |
| spellingShingle | Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» Демчишин, А.В. Миченко, В.А. Автономов, Г.А. Токарев, О.А. Вакуумно-дуговой переплав |
| title | Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» |
| title_alt | Modified vacuum-arc installation «Bulat-3T» |
| title_full | Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» |
| title_fullStr | Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» |
| title_full_unstemmed | Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» |
| title_short | Модифицированная вакуумно-дуговая установка «Булат-3Т» |
| title_sort | модифицированная вакуумно-дуговая установка «булат-3т» |
| topic | Вакуумно-дуговой переплав |
| topic_facet | Вакуумно-дуговой переплав |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96010 |
| work_keys_str_mv | AT demčišinav modificirovannaâvakuumnodugovaâustanovkabulat3t AT mičenkova modificirovannaâvakuumnodugovaâustanovkabulat3t AT avtonomovga modificirovannaâvakuumnodugovaâustanovkabulat3t AT tokarevoa modificirovannaâvakuumnodugovaâustanovkabulat3t AT demčišinav modifiedvacuumarcinstallationbulat3t AT mičenkova modifiedvacuumarcinstallationbulat3t AT avtonomovga modifiedvacuumarcinstallationbulat3t AT tokarevoa modifiedvacuumarcinstallationbulat3t |