Генерация однородной газоразрядной плазмы в несамостоятельном разряде низкого давления для модификации поверхности материалов и изделий Борисов Дмитрий Петрович

Содержание к диссертации

Введение

Способы вакуумно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий, методы создания плазмы в больших вакуумных объёмах 15

1.1. Состояние поверхности подложки в вакууме до плазменной обработки 16

1.2. Основы ионно-плазменной подготовки поверхности подложек в вакууме 20

1.3. Устройства для вакуумной ионно-плазменной обработки изделий

1.3.1. Вакуумные электродуговые генераторы плазмы 30

1.3.2. Генераторы плазмы на основе магнетронного разряда 34

1.3.3. Генерация плазмы с применением ВЧ разрядов 35

1.3.4. Генерация плазмы тлеющим разрядом 37

1.3.5. Генерация плазмы тлеющим разрядом низкого давления с полым катодом 38

1.3.6. Генерация плазмы в двухступенчатом разряде с инжекцией электронов 40

1.3.7. Генератор плазмы на основе несамостоятельного газового дугового разряда с термоэмиссионным и полым катодами 42

1.4. Процессы вакуумной ионно-плазменной обработки изделий 43

1.4.1. Очистка, травление, активация и азотирование поверхностей 44

1.4.2. Легирование поверхностей и имплантация как вариант легирования 48

1.4.3. Нанесение функциональных покрытий 52

Выводы к главе 1 54

ГЛАВА 2. Постановка задачи, разработка генератора газоразрядной плазмы и методы исследований 58

2.1. Постановка задачи исследований 58

2.1.1. Задачи создания технологического оборудования 58

2.1.2. Задачи исследования и разработки генераторов плазмы и процессов модификации поверхности 58

2.2. Экспериментальное оборудование. Методы исследований 62

2.2.1. Генератор газоразрядной плазмы базовой модели 62

2.2.2. Методика измерения параметров генератора газоразрядной плазмы 64

2.2.3. Методика измерения тока термоэлектронной эмиссии нити термокатода плазмогенератора в зависимости от мощности е накала 66

2.2.4. Методика измерения тока полого катода плазмогенератора 70

2.2.5. Генератор газоразрядной плазмы для однородной обработки 71

2.2.6. Методика измерения неконтролируемого натекания в рабочие вакуумные камеры установок для вакуумно-плазменной обработки материалов и изделий 74

2.2.7. Методика измерения свойств модифицированных поверхностей 74

ГЛАВА 3. Исследование генераторов газоразрядной плазмы на основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления с термокатодом 77

3.1. Генератор газоразрядной плазмы базовой модели 77

3.1.1. Зависимость тока разряда плазмогенератора от разрядного напряжения и мощности накала термокатода 77

3.1.2. Зависимость срока службы (времени жизни) нити накала термокатода плазмогенератора от мощности е накала, тока и напряжения горения разряда 84

3.1.3. Зависимость тока и напряжения разряда от расхода и давления рабочего газа 89

3.1.4. Характеристики разряда в зависимости от рода рабочего газа 90

3.1.5. Распределение плазмы в объме вакуумной камеры 91

3.2. Генератор газоразрядной плазмы для однородной обработки 94

3.2.1. Распределение плазмы в объме вакуумной камеры 94

3.2.2. Вольт-амперные характеристики 97

3.2.3. Эффективность в получении тока разряда 98

3.2.4. Зависимость концентрации генерируемой плазмы от тока разряда 100

Выводы к главе 3 101

ГЛАВА 4. Эффективные способы вакуумно-плазменной обработки изделий 103

4.1. Структурная аттестация созданных вакуумно-плазменных установок 103

4.2. Исследование способов вакуумно-плазменной обработки изделий

4.2.1. Исследование характеристик травления материалов в газоразрядной плазме 109

4.2.2. Азотирование стальных образцов и деталей 112

4.2.3. Нанесение функциональных покрытий 118

4.2.4. Плазменно-иммерсионное легирование 127

Выводы к главе 4 132

Заключение 134

Список литературы

• Устройства для вакуумной ионно-плазменной обработки изделий
• Задачи исследования и разработки генераторов плазмы и процессов модификации поверхности
• Зависимость срока службы (времени жизни) нити накала термокатода плазмогенератора от мощности е накала, тока и напряжения горения разряда
• Исследование характеристик травления материалов в газоразрядной плазме

Введение к работе

Актуальность темы. Применение в современных производствах вакуумно-плазменных технологий призвано обеспечить значительное улучшение модифицируемых с их помощью поверхностных физико-химических, механических и, соответственно, эксплуатационных свойств материалов и изделий с соблюдением при этом требований энергоэффективности и экологической безопасности. Однако рынок, особенно российский, остаётся в большинстве своём не занятым вакуумно-плазменными технологиями. И причинами, препятствующими широкому внедрению в производство плазменной обработки в вакууме, являются как недостаточная изученность процессов воздействия плазмы на поверхность материалов, так и недоступность переноса лабораторных методик обработки материалов на производственный уровень обработки реальных изделий с целевым созданием технологического оборудования. Это и определяет актуальность исследований вакуумно-плазменных технологий, связанных с разработкой новых видов вакуумно-плазменного оборудования, с использованием которого достигается улучшение свойств модифицируемых поверхностных слоёв, повышение производительности и качества обработки изделий различной сложности. К данным разработкам предъявляется ряд требований, например, применение современной безмасляной откачки с контролем вакуумных и газовых условий процессов, повышение плотности тока (десятки мА/см² и выше) ионов инертного и реакционного газов при высокой однородности их распределения в больших рабочих технологических объёмах. С учётом последнего требования представляется, что эффективные процессы обработки изделий в вакууме возможны с применением лишь интенсивного плазменного воздействия (без использования ионно-пучковой техники), что и является основной задачей исследований настоящей работы.

Цель исследований работы заключается в разработке эффективного генератора однородной газоразрядной плазмы в больших вакуумных объёмах на основе несамостоятельного дугового разряда с термоэмиссионным катодом и в разработке эффективных процессов вакуумно-плазменной модификации материалов и изделий с созданием вакуумных установок нового типа с применением магнетронно-распылительных систем, электродуговых испарителей и генераторов однородной газоразрядной плазмы.

Основные задачи исследований.

1. Разработать и исследовать генератор однородно - распределённой газоразрядной плазмы в больших вакуумных объёмах на основе дугового несамостоятельного разряда с термокатодом.

2. Разработать и создать новые установки для реализации эффективной вакуумно-плазменной обработки изделий с применением нового генератора однородно-распределённой газоразрядной плазмы, магнетронно-распылительных систем и электродуговых испарителей.

3. Исследовать режимы эффективных вакуумно-плазменных процессов очистки, легирования поверхности различных материалов и нанесения сверхтвёрдых высокоадгезионных покрытий с использованием созданных установок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

4. Разработан и исследован генератор газоразрядной плазмы с концентрацией до 5-Ю¹¹ см"³ и однородностью распределения не хуже ± 5 % в вакуумных камерах значительных ( 0,15 м³) объёмов на основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления (0,04-1 Па) с двумя диаметрально противоположно размещёнными на вакуумной камере модулями, содержащими термоэмиссионные и полые катоды конической формы.

5. Созданы вакуумно-плазменные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» с криогенной откачкой вакуумных камер объёмами 0,15 и 0,7 м³ соответственно с остаточным давлением 6-Ю"⁴ Па и неконтролируемым натеканием в них 3,410"⁵ Пам³/с, имеющие в своём составе генераторы однородной газоразрядной плазмы, магнетронно-распылительные системы и/или электродуговые испарители.

3. С использованием созданных установок были реализованы следующие
вакуумно-плазменные процессы.

Азотирование со скоростью 10-30 мкм/ч образцов нержавеющей стали различных марок при температуре 380-520 С и низком отрицательном потенциале их смещения ( 40 В) в газоразрядной плазме чистого азота.

Электродуговое осаждение покрытия TiN при температуре 120 С с воздействием на подложку кремния при плавающем её потенциале ( 20 В) газоразрядной плазмы азота с концентрацией 5-Ю¹⁰ см"³ с достижением при низком содержании ( 2 %) кислорода толщины легированного титаном слоя подложки 60 нм и адгезии ( 15 Н), превосходящей адгезию (7 Н) получаемых через промежуточный слой оксидов покрытий.

Получение многокомпонентных покрытий типа Ti-Al-Si-Cr-Ni-Cu-O-C-N, отличающихся высокой (до 50 ГПа) микротвёрдостью, стабильностью микротвёрдости при отжиге в вакууме до температуры 900 С и высокой адгезией ( 30 Н).

- Легирование кремнием образцов никелида титана при магнетронном
осаждении покрытия кремния с воздействием на подложку ионов газоразрядной
плазмы аргона с концентрацией 5-Ю¹⁰ см"³, ускоряемых импульсным
потенциалом смещения с частотой 30 кГц, длительностью 17 мкс и амплитудой
импульсов 160 В, с получением при температуре 300 С толщины легированных
кремнием слоёв подложки 300 нм с низким содержанием ( 2-3 %) кислорода
и максимальным содержанием кремния 95 %.

- Легирование (без осаждения покрытий) титаном и углеродом образцов
нержавеющей стали 12Х18Н10Т при магнетронном распылении данных
элементов с одновременным воздействием на подложку ионов газоразрядной
плазмы аргона с концентрацией 1,510^і1 см"³, ускоряемых импульсным
потенциалом смещения с частотой 20 кГц, длительностью 5 мкс и амплитудой
импульсов 700 В, с получением при температуре 500 С толщины
легированных титаном и углеродом слоёв подложки 300 нм и 10 мкм
соответственно с низким содержанием ( 2-3 %) кислорода и максимальным
содержанием 10 и 65 % титана и углерода в поверхности соответственно.

Практическая значимость работы заключается в том, что созданы вакуумно-плазменные установки с оригинальным способом монтажа высоковакуумного насоса сверху вакуумной камеры для его защиты от загрязнения продуктами плазменных процессов, сочетающие в своём составе вновь разработанные генераторы однородной газоразрядной плазмы с концентрацией до 5-Ю¹¹ см"³, магнетронно-распылительные системы и/или электродуговые испарители. Установки реализуют способы ионной очистки поверхности материалов и изделий, её плазменно-иммерсионного ионного легирования и нанесения высокоадгезионных сверхтвёрдых покрытий. Одна из установок поставлена в Сибирский федеральный университет (г. Красноярск) для разработки технологий улучшения функциональных свойств деталей космических аппаратов.

Научные положения, выносимые на защиту:

6. Предложена и создана разрядная система на основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления с двумя диаметрально противоположно размещёнными на вакуумной камере катодными модулями с термоэмиссионными катодами и полыми катодами конической геометрии, которая эффективно генерирует газоразрядную плазму с концентрацией до 5 10" см"³ однородностью её распределения не хуже ± 5 % в значительных ( 0,15 м³) вакуумных объёмах при давлении 0,1-1 Па.

7. Созданы вакуумно-плазменные установки «ЛЕГЕНДА-Томск» и «СПРУТ» с криогенной откачкой вакуумных камер объёмами 0,15 и 0,7 м³ соответственно с остаточным давлением 6-Ю"⁴ Па и неконтролируемым натеканием 3,4 10"⁵ Пам³/с, имеющие генераторы однородной газоразрядной плазмы, магнетронно-распылительные системы и/или электродуговые испарители и возможность ионной очистки поверхности материалов и изделий, её плазменно-иммерсионного ионного легирования и нанесения высокоадгезионных сверхтвёрдых покрытий.

8. Способ азотирования нержавеющих сталей при температуре 380-520 С и низком отрицательном потенциале смещения ( 40 В) в газоразрядной плазме азота с концентрацией 5-Ю¹¹ см"³ обеспечивает скорость азотирования 10-30 мкм/ч с повышением микротвёрдости поверхности в 2-4 раза по сравнению с исходной.

9. Способы плазмоассистированного нанесения обеспечивают нанесение покрытий TiN с низким ( 2 %) содержанием кислорода и адгезией ( 15 Н), превосходящей адгезию (7 Н) получаемых через промежуточный слой оксидов покрытий более чем в 2 раза, а также нанесение многокомпонентных покрытий типа Ti-Al-Si-Cr-Ni-Cu-O-C-N со сверхтвёрдостью (Я 40 ГПа) и высокой адгезией ( 30 Н).

10. Способы легирования кремнием никелида титана при осаждении его на подложку при температуре 300 С и титаном и углеродом нержавеющей стали 12Х18Н10Т при температуре 500 С при магнетронном распылении данных элементов с воздействием на подложку плазмы аргона с концентрацией 10¹⁰ см"³ обеспечивают достижение толщины легированных слоёв с низким ( 2-3 %) содержанием кислорода 300 нм для кремния и титана и 10 мкм для углерода с максимальным содержанием 10, 60 и 95 ат. % титана, углерода и кремния.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: International Conference «Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (2008, Томск, Россия); Международной конференции «Взаимодействие излучений с твёрдым телом» (2009, 2011, 2013, Минск, Беларусь); Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (2015, Новосибирск, Россия); Международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (2015, Москва, Россия).

Публикации.

Основные результаты исследований диссертации опубликованы в 24 работах (в 14 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, в 6 докладах на отечественных и международных конференциях и в 4 патентах).

Личный вклад автора состоит в определении цели и задач исследований, проведении экспериментов и анализе полученных результатов. Обсуждение результатов, окончательное формирование защищаемых научных положений, содержания и выводов диссертации осуществлялись автором совместно с научным руководителем проф. Н.Н. Ковалем. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично.

Структура диссертационной работы.

Диссертация общим объёмом 161 страниц состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 63 рисунка, 11 таблиц и список цитируемой литературы из 241 наименований.

Устройства для вакуумной ионно-плазменной обработки изделий

Вытекающая из названия и кратко изложенная во введении направленность данной работы связана с разработкой эффективных способов обработки поверхности материалов и изделий вакуумно-плазменными методами, в частности обработки с применением источников газоразрядной плазмы, разрабатываемыми в данной же работе. Для выделения конкретной области рассматриваемых в данной главе литературных данных, также как и исследуемых в работе процессов и явлений здесь, прежде всего, необходимо уточнить к какой конкретной сфере вакуумно-плазменных методов обработки относится данная работа.

Предметом исследований и разработок настоящей диссертационной работы являются физические процессы, осуществляемые с помощью плазмы при низких рабочих давлениях. В литературных источниках такие процессы занимают отдельную область, которая определяется диапазоном рабочего давления генерации плазмы и проведения плазменных процессов 0,011 Па. При этом сама плазма характеризуется как низкотемпературная неравновесная с концентрацией 1081011 см-3 (степенью ионизации порядка 10-610-3) со средней энергией электронов 110 эВ и средней энергией ионов газа 0,010,1 эВ [123, 124]. Данные параметры как раз соответствуют параметрам технологических процессов с применением плазмы, связанных в практике в основном с очисткой, активацией и осаждением покрытий - PVD (physical vapor deposition – физическое осаждение из паровой фазы) [125].

В плазме с указанными выше характеристиками ввиду наличия электронов с энергией, значительно превосходящей энергию молекул газа, концентрация химически активных частиц может существенно превышать термодинамически равновесную концентрацию [124] ввиду передачи в плазме энергии от электронов молекулам газа. Данное обстоятельство открывает широкие перспективы, например, для получения на поверхностях различных изделий покрытий из соединений (нитридов, карбидов и др.). И связано это с тем, что кроме термического появляются дополнительные факторы (кинетический и ионизационный), оказывающие существенное влияние на кинетику образования соединений покрытий и позволяющие получать покрытия этих соединений при относительно низких температурах [126]. Тем самым с применением активации низкотемпературной плазмой в вакууме снимаются температурные ограничения, например, процессов формирования покрытий, что позволяет осаждать плнки на структуры, нагревание которых недопустимо. Поскольку электроны обладают энергией, достаточной для возбуждения, диссоциации и ионизации атомов и молекул, то выход продуктов реакций в плазме значительно больше термодинамически равновесного, получаемого исходя из температуры газов, как приводилось ранее, близкой к температуре окружающей среды [1, 112, 114, 115, 124, 126, 127].

Имеющиеся в составе плазмы, кроме возбужднных частиц, ионы, энергию которых можно варьировать в достаточно широких пределах (от единиц эВ до десятков кэВ) изменением напряжения подложки, обеспечивают необходимый подвод энергии к подложке и протекание процессов плазменного синтеза различных соединений [112-114, 128-130]. Так, например, в [131, 132] было установлено, что ионизация парового потока осаждаемого вещества 1 % с энергией ионов 1 кэВ позволяет повышать плотность и адгезию наносимых электронно-лучевым испарением покрытий металлов. А в [133] описано, что для получения покрытия нитрида титана в равновесных термодинамических условиях (термическое, газотермическое и диффузионное осаждение) требуется температура подложки 1000 0С, тогда как в неравновесных термодинамических условиях (наличие потоков ускоренных частиц) в вакууме эта температура уже равна 150300 0С.

В зависимости от типа источников (генераторы плазмы металлов и газов) и вида плазмообразующего газа низкотемпературной плазмы могут быть реализованы такие процессы плазменной обработки поверхности изделий как: удаление материала с поверхности тврдого тела (очистка, травление, распыление); нанесение материала покрытий на поверхность изделий; модификация поверхностного слоя (азотирование, легирование различными химическими элементами и др.). В данной работе применяется обладающая всеми 3-мя приведнными группами процессов плазма, что определяет рассматриваемый в обзоре круг плазменных источников и способов обработки поверхности материалов и изделий.

Прежде всего, представляется наиболее важным рассмотрение в отношении химической чистоты состояния поверхности материалов и изделий (подложки) во время проведения различных применяемых на практике плазменных процессов е обработки, а также методов е подготовки (очистки) к проведению этих процессов.

Под общим понятием «состояние поверхности» подразумеваются шероховатость, вид механической обработки, тврдость, микроструктура, плотность дислокаций и е химическая чистота [134]. Решающе важной характеристикой обрабатываемой вакуумно 17 плазменными способами поверхности является е чистота, определяющая степень подготовленности поверхности к дальнейшей обработке в плазме, в частности, характеризующая качество легированных слов и адгезию наносимых покрытий. «Чистая» в химическом смысле поверхность – это либо атомарно чистая поверхность, либо поверхность, имеющая незначительное число частиц примесей чужеродного для данной подложки материала [112-116, 135]. Поддержание такого состояния поверхности в реальных условиях технологического вакуума является невозможным, ввиду явлений физической и химической адсорбции примесей [135, 136] из газовой фазы, как вне вакуума, так и в условиях технического вакуума. Загрязнения поверхности в виде примесей из газовой фазы могут быть сведены к минимуму либо устранены полностью лишь при использовании систем со сверхвысоким вакуумом [137]. Данное утверждение подтверждается табл. 1.1 [138], где проиллюстрировано, как величины, характеризуемые давлением внешней газовой среды, влияют на состояние поверхности тела, находящегося в этой среде.

По данным табл. 1.1 можно сделать вывод о том, что лишь в вакууме не хуже 10-7 Па обрабатываемая какими-либо вакуумными способами поверхность может поддерживаться атомарно чистой на протяжении типичного времени (порядка одного часа) проведения процессов обработки. При остаточном же давлении технологических вакуумных процессов порядка 10-4 Па на 1 см2 поверхности поступает 41014 молекул остаточного газа в секунду, что приводит к практически моментальному (2 секунды) покрытию поверхности загрязняющим адсорбентом. А при рабочем давлении ( 10-1 Па) для абсолютного большинства плазменных способов обработки изделий концентрация молекул в рабочем объме и их поток на подложку так велики, что, например, попавший на поверхность атом осаждаемого покрытия в процессах нанесения покрытий не имеет возможности взаимодействовать непосредственно с атомами подложки; он взаимодействует с адсорбированной плнкой. Поэтому, в частности, ввиду необходимости поддержания более высоких давлений рабочего газа количество загрязнений в покрытиях, получаемых вакуумно-плазменным напылением, больше, чем в плнках, полученных вакуумным термическим испарением [139].

Задачи исследования и разработки генераторов плазмы и процессов модификации поверхности

Критерием качества и эффективности процессов вакуумно-плазменной обработки материалов и изделий будет являться возможность обработки изделий со сложно 59 разветвлнной формой с достижением на всех макроскопических участках их поверхностей (включая кромки, острия, впадины, полости и т.д.) высокого темпа формирования покрытий. Какие требования при этом будут предъявляться плазменному источнику и генерируемой им плазмы можно показать на примере процесса азотирования шестерен приводов механических систем космических аппаратов, показанных на рис. 2.1. Данные шестерни изготавливаются из конструкционной нержавеющей стали, и их обработка с целью обеспечения более высоких эксплуатационных характеристик может быть осуществлена в плазме. Критерий качества обработки в плазме будет выражаться в том, что плазма должна равномерно охватывать и «облегать» все макроучастки поверхности данных шестерен, чтобы обеспечить однородную качественную обработку всего изделия. Выполнить данные условия можно, обеспечив необходимую концентрацию плазмы в области расположения данных изделий. Для оценки значения этой плотности плазмы необходимо провести анализ процессов плазменной обработки.

Известно, что любое плазменное образование имеет такой параметр как толщина слоя положительного пространственного заряда ионов, отделяющего саму плазму от контактирующих с ней поверхностей: стенки вакуумной камеры, обрабатываемые изделия, находящиеся под определнным электрическим потенциалом смещения. Математическим выражением, связывающим толщину слоя пространственного заряда – промежутка, отделяющего плазму от поверхности обработки, с плотностью плазмы является уравнение Чайлда-Ленгмюра [155]: где s0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; е - заряд электрона; U - электрический потенциал (напряжение) обрабатываемого изделия относительно плазмы, который определяет интенсивность и характер плазменной обработки; d - толщина слоя пространственного заряда - расстояние, на котором может быть ускорен ионный поток данной плотности у из плазмы; М - масса иона плазмообразующего газа. В приведнном написании выражения уравнения Чайлда-Ленгмюра принято, что зарядовое число ионов, поступающих на подложку, равно 1.

Как видно, выражение (2.1) связывает толщину слоя пространственного заряда с таким параметром плазмы как е концентрация, выражаемая посредством плотности тока у ионов, поступающих из плазмы на обрабатываемую подложку. Взаимосвязь концентрации плазмы и плотности тока ионов, извлекаемых из не, датся другим известным уравнением плазменной эмиссионной электроники - уравнением Бома [210]: где е - заряд электрона; п - концентрация плазмы; Те - температура электронов; к постоянная Больцмана; М - масса иона плазмообразующего газа. Наглядный физический смысл приведнных соотношений можно выразить так. Чем выше концентрация плазмы и меньше отрицательный электрический потенциал смещения помещнных в плазму изделий относительно потенциала плазмы, тем меньше слой пространственного заряда, отделяющий плазму от поверхности изделия. Это означает, что плазма плотнее прилегает к поверхности изделия, повторяя рельеф сложно разветвлнных е участков - плазма «затекает» во все мелкоразмерные углубления и отверстия, в точности повторяя конфигурацию формы изделия. В данном случае гарантируется однородная равномерная ионная обработка всей поверхности изделия, в том числе и участков, располагающихся в углублениях рельефа. При относительно низкой концентрации плазмы и/или высоком значении отрицательного относительно плазмы потенциала смещения изделия в плазме слой пространственного заряда велик - плазма отстоит от поверхности обрабатываемой подложки на расстояние, превышающее характерный размер геометрического рельефа изделий. В такой ситуации поток ионов, извлекаемых на подложку из плазмы, направлен в основном на е острые выступы, основной ток ионов из плазмы замыкается на острых выступах и кромках детали, следуя направлениям силовых линий электрического поля, которые концентрируются на остриях. При этом будут иметься участки изделия, находящиеся в области электростатической «тени» (углубления, отверстия, пазы), которые будут недостижимы для ионной бомбардировки. В то же время выступы и кромки будут подвержены чрезмерному ионному воздействию, что может привести к их охрупчиванию, растравливанию, перегреву, деформации, расплаву. Изложенные положения позволяют определить численные значения параметров плазмы, удовлетворяющей критериям качественной легирующей плазменной обработки методом ионно-плазменного азотирования типов изделий, например, показанных на рис. 2.1, применяя следующие исходные данные для расчтов. Характерный размер углубления (расстояния между зубьями) представленных на рис. 2.1 шестерен равен 0,8 мм (810-4 м); масса иона плазмообразующего газа (N2) равна М=4,6510-26 кг (считается, что ион молекулярный с зарядовым числом 1); e – заряд электрона - 1,610-19 Кл; диэлектрическая постоянная вакуума 0=8,8510-12 Ф/м; постоянная Больцмана k=1,3810-23 Дж/К; температура плазменных электронов Te=4 эВ; электрический потенциал обрабатываемого изделия относительно плазмы U=400 В. Здесь было принято, что температура электронов плазмы (максвеллизованных электронов плазмы) равна 4 эВ, данное утверждение верно для большинства типов разрядов низкого давления. Потенциал изделий во время процесса азотирования выбран равным 400 В, согласно выводам авторов [202], которые утверждают, что поддержание значения потенциала изделий на данном уровне во время процесса азотирования при давлении 0,1 Па необходимо для удаления окисных поверхностных плнок, образующихся из остаточной атмосферы и препятствующих процессу азотирования. При значениях же отрицательного потенциала изделий 400 В и выше, скорость протекания процесса азотирования практически не зависит от остаточной атмосферы.

Зависимость срока службы (времени жизни) нити накала термокатода плазмогенератора от мощности е накала, тока и напряжения горения разряда

Конструкция несбалансированной магнитной и электродной систем магнетронно-распылительных плазменных источников установок с плоской круглой диаметром 102 мм конфигурацией обеспечивает значение индукции магнитного поля на рабочей поверхности мишени на уровне 0,070,1 Тл, высокую скорость распыления и высокое значение коэффициента использования материала мишени ( 30 %). Данные свойства магнетронно-распылительных систем дополненные увеличенным энергосъмом с мишени за счт эффективного водяного охлаждения обеспечивают их максимальную мощность до 7 кВт. С помощью данных магнетронно-распылительных систем возможно распыление мишеней, как из легкоплавких, так и из тугоплавких материалов.

В конструкции электродуговых испарителей заложен электромагнитный принцип удержания катодных пятен на поверхности водоохлаждаемого катода, который имеет конфигурацию в виде усеченного конуса с углом при вершине не менее 16 градусов с плоской рабочей поверхностью диаметром 70 мм. Для удержания катодных пятен на рабочей поверхности катода используется стабилизирующее магнитное поле с величиной индукции 0,02 Т, которое создается цилиндрической магнитной катушкой, охватывающей цилиндрический водоохлаждаемый корпус электродугового испарителя [164, 165, 166].

Боковая поверхность цилиндрической рабочей технологической вакуумной камеры установки «СПРУТ» имеет 8 равномерно расположенных вдоль всей е длины фланцев ISO-250 и 20 фланцев ISO-63 для возможности установки смотровых окон, дополнительных технологических устройств и систем. Верхняя (потолочная) стенка рабочей вакуумной камеры данной установки имеет центральный патрубок с размером ISO-320 для установки системы высоковакуумной откачки, 4 равномерно расположенных фланца ISO-250 и 4 фланца ISO-63 для возможности установки смотровых окон, дополнительных технологических устройств и систем. По центру нижней части вакуумной камеры (дна) установки имеется посадочный фланец вала вращения манипулятора.

На боковой поверхности цилиндрической технологической вакуумной камеры установки «ЛЕГЕНДА-Томск» равномерно расположены 4 фланца ISO-250 и 4 фланца ISO-63. Верхняя (потолочная) стенка рабочей вакуумной камеры этой установки имеет центральный патрубок с размером ISO-250 для установки системы высоковакуумной откачки и 2 равномерно расположенных фланца ISO-63 для возможности монтажа на них дополнительных устройств и систем.

Корпусы рабочих вакуумных камер обеих установок выполнены из нержавеющей стали в виде вертикального цилиндрического сосуда, разделенного на две разъемные части плоскостью сечения параллельной высоте камеры. В результате такого разделения камер образуются две составные детали их корпуса: главная – неподвижная с высотой сегмента основания равной 2/3 диаметра основания всей рабочей камеры; отъемная (дверца) – открывающаяся, имеющая высоту сегмента своего основания равную 1/3 диаметра основания камер. Обе части вакуумных камер обеих установок выполнены с двойными стенками, образующими полость водоохлаждения (или прогрева). Для открывания вакуумных камер отъемная часть (дверца) имеет поворотный тип открывания (имеет шарнирный тип соединения с главной частью корпуса вдоль своей вертикальной стороны). Охлаждение, как и нагрев вакуумных камер, производится путм циркуляции воды в полости между стенками камер (по рубашке). Нагрев осуществляется циркуляцией горячей воды в рубашке и предназначен для ускоренной дегазации внутренних поверхностей вакуумных камер.

Для обеспечения чистых вакуумных условий и улучшения контроля вакуумно-плазменных процессов формирования модифицированных поверхностных структур с требуемыми элементными и структурно-фазовыми состояниями система вакуумной откачки обеих установок является безмасляной с применением высоковакуумных криогенных насосов. В обеих установках высоковакуумные насосы смонтированы на верхних (потолочных) патрубках вакуумных камер, исходя из условий и рекомендаций, данных в [233]. При такой организации вакуумной откачки обеспечивается эффективная защита криогенных насосов от загрязнения продуктами плазменных процессов испарения, распыления материалов – макрочастицами (каплями, осколками, кластерами и др.), ввиду того, что под действием силы тяжести поток этих частиц к верхней части вакуумной камеры значительно снижен.

Благодаря применению несбалансированных магнетронно-распылительных систем и специальному включению магнитных систем всех технологических источников плазмы относительно друг друга в объме вакуумной камеры установки «СПРУТ» создается область, ограниченная линиями замкнутого магнитного поля («магнитной стенкой») 8 (рис. 4.2), охватывающая пространство размещения обрабатываемых изделий. Как было выявлено в экспериментах, скорость нанесения покрытий несбалансированным магнетронным распылением с наличием этой «магнитной стенки» в среднем приблизительно в 1,4 раза превосходит скорость обычного сбалансированного напыления при одинаковой мощности магнетронных систем. Это происходит, вероятно, ввиду того, что данная «магнитная стенка» предотвращает уход быстрых электронов из области разрядов. При этом быстрые электроны совершают осцилляции в объме вакуумной камеры и повышают степень ионизации атомов распыляемого вещества, что в сочетании с отрицательным потенциалом смещения подложек, всегда применявшимся в экспериментах, и должно привести к увеличению скорости напыления.

Однородность распределения газоразрядной плазмы в вакуумной камере установки «ЛЕГЕНДА-Томск» была измерена в гл. 3 (рис. 3.13 и 3.14) при исследовании генератора плазмы для однородной обработки, в которых использовалась вакуумная камера этой установки. По аналогичной методике с применением подвижного зонда Ленгмюра было проведено измерение плотности и однородности распределения плазмы, создаваемой этим плазмогенератором в вакуумной камере установки «СПРУТ». Зависимость плотности ионного тока насыщения зонда при отрицательном его смещении относительно анода Us=200 В в центре вакуумной камеры (на расстоянии l=450 мм от выходных апертур катодных модулей плазмогенератора) от тока разряда плазмогенератора Id при напряжении горения Ud=50 В и давлении аргона рAr=0,3 Па, представлена на рис. 4.4.

Исследование характеристик травления материалов в газоразрядной плазме

Как видно из табл. 4.5, повышение рабочего давления процесса с 0,25 до 0,38 Па приводит к снижению микротврдости покрытий данной системы с 49 до 42 ГПа, а снижение доли мощности мишени Al-Si в пользу повышения мощности титановых мишеней с 25 до 18 % приводит к росту микротврдости с 26 до 49 ГПа. Ассистирование же газоразрядной плазмой при осаждении с током генератора газоразрядной плазмы установки 60 А ведт к увеличению тврдости покрытий с 36 до 42 ГПа.

Другие свойства многоэлементных нанокристаллических покрытий рассмотрены на примере покрытий системы Ti-Al-Si-Cr-Ni-Cu-O-C-N, также полученных с использованием установки «СПРУТ».

При синтезе этих покрытий в качестве мишеней магнетронов использовались Ti (сплав ВТ-1-0); сплав состава Al/Si=9/1; полученный методом вакуумного спекания композит TiC/NiCr=1/1 (нихром 80 вес. % Ni + 20 вес. % Cr) и медь марки М1М. После загрузки образцов в вакуумную камеру и откачке последней до остаточного вакуума проводилась очистка их поверхностей, а также нагрев до температуры Ts=580 0С в газоразрядной плазме аргона с концентрацией ni=7,51010 см-3 при давлении рAr=0,3 Па и отрицательном относительно вакуумной камеры установки напряжении смещения образцов Us=400 В.

Синтез покрытий проводился с использованием указанной выше азотно-аргоновой газовой смеси при парциальном давлении азота pN2=1,1510-1 Па с одновременным функционированием генератора газоразрядной плазмы, создающим плазму газовой смеси с концентрацией ni=31010 см-3, и магнетронно-распылительных систем. При этом мощности магнетронно-распылительных систем с соответствующими мишенями были распределены в следующем порядке: Ti – 5 кВт; Al/Si – 2,5 кВт; TiC/NiCr – 3,8 кВт и Cu – 0,2 кВт. Время осаждения покрытия составляло 90 мин, в процессе которого температура (Ts) подложек снижалась с 580 до 290 0С. Толщина наносимых при этом покрытий составляла 1,41,5 мкм. В табл. 4.6 приведн состав полученного покрытия.

Методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии было обнаружено, что полученное покрытие содержит фазу с параметром рештки (а=0,422 нм), близким к параметру рештки TiN и наличие следов таких фаз, как TiC, Ti2N, CuNi, -Si3N4. Выявлена нанокристаллическая структура данного покрытия с равноосными нанокристаллами. Доля данной микроструктуры в покрытии составляет около 80 %, при этом доля нанокристаллов TiN с размером d10 нм в покрытии составляет более 40 %. Данная микроструктура сохраняется практически без изменений после отжига в течение 1 часа при температуре 1000 0С в вакууме, как показано на рис. 4.18, изображающем тмнопольные и дифракционные картины покрытия до и после отжига.

Хотя при отжиге покрытий с указанными параметрами наблюдается снижение их микротвёрдости приблизительно на 20-25 %, как показывает рис. 4.19, тем не менее, микротвёрдость покрытий остаётся на уровне, существенно превышающем твёрдость покрытий TiN (Я//-20 ГПа).

Оценка адгезии полученных покрытий скретч-тестированием выявила аналогичные адгезионные характеристики для исходных и отожжнных в вакууме при температуре 8001000 0С покрытий. На рис. 4.20 для примера приведена диаграмма скретч-теста покрытия после отжига при температуре 900 0С.

На диаграмме рис. 4.20 в графическом виде представлены данные показаний датчиков в процессе испытания силы нагружения индентора (кривая 1), силы и коэффициента трения (кривые 2 и 3) и уровня сигнала акустической эмиссии (кривая 4) в зависимости от положения индентора в процессе проведения царапины при различной нормальной нагрузке. Как видно из этой диаграммы, уровень акустической эмиссии остатся практически неизменным при нагрузках вплоть до 30 Н. Это свидетельствует о том, что разрушения покрытия не происходит. Последнее подтверждается отсутствием отколов и отслоения покрытия на картине фотографий царапины скретч-теста - рис. 4.21 (а), полученных с помощью применяемого в данных испытаниях прибора в положениях, отмеченных маркером на рис. 4.20. Это же подтверждается и данными растровой электронной микроскопии трека царапины покрытия – рис. 4.21 (б).

Полученные данные свидетельствуют о достаточно высоких когезивных и адгезионных свойствах полученных многокомпонентных покрытий по сравнению со свойствами параллельно исследованных в аналогичных условиях полученных также на установке «СПРУТ» покрытий TiN, фрагментарное разрушение которых начиналось уже при нагрузке на индентор около 15 Н, и полное их отслоение происходило при нагрузке равной 18 Н.

Обнаруженный при нанесении покрытия TiN переходной слой смешанного из элементов подложки и покрытия состава протяжнностью 60 нм (рис. 4.15), образующийся при сравнительно низкой температуре процесса ( 120 0С), позволяет сделать предположение о возможности осуществления с помощью созданного в работе вакуумно-плазменного оборудования плазменно-иммерсионного легирования поверхности материалов и изделий. Исследование данных процессов легирования было проведено при нанесении с использованием установки «СПРУТ» покрытий кремния на образцы сплава никелида титана (TiNi) с содержанием никеля 50,9 ат. %, обладающего свойствами сверхэластичности и памятью формы и применяемого в качестве материала медицинских имплантатов. При этом применение вакуумно-плазменной обработки является одним из актуальных и перспективных направлений достижения коррозионной стойкости и биосовместимости медицинских имплантатов, изготовляемых из данного сплава [240]. Использование кремния в качестве материала для модификации поверхности никелида титана выбрано на основании результатов [241], где показано, что модификация сплава кремнием повышает коррозионную стойкость его поверхности и способствует пролиферации мезенхимальных стволовых клеток.

Нанесение кремния также как и ионно-плазменная очистка подложек осуществлялись в плазме аргона высокой чистоты (99,998 %), создаваемой генератором однородной газоразрядной плазмы установки «СПРУТ» при давлении 0,3 Па и токе разряда 20 А. При ионно-плазменной очистке и активации поверхности применялось импульсное отрицательное напряжение смещения амплитудой US=1000 В с длительностью импульсов 17 мкс и частотой их следования 30 кГц. В течение процесса очистки подложки были нагреты до температуры 300 0С, и процесс нанесения покрытий кремния проводился при данной температуре при снижении амплитуды напряжения их смещения до US=160 В и включении 4-х магнетронно-распылительных систем установки, распыляющих мишени чистого кремния при мощности 0,2 кВт на каждой. Химический состав модифицированной в результате данной обработки поверхности никелида титана, измеренный методом Оже-спектроскопии, представлен на рис. 4.22.