Содержание к диссертации
Введение
Глава I Состояние вопроса 11
1.1. Развитие методов и оборудования для вакуумной ионно- плазменной обработки поверхности конструкционных материалов авиационной техники 15
1.1.1. Вакуумная ионно-плазменная комплексная обработка поверхности 16
1.1.2. Формирование многокомпонентных покрытий 19
1.1.3. Формирование многослойных покрытий 24
1.1.4. Вакуумное ионно-плазменное оборудование 30
1.2. Вакуумные ионно-плазменные технологии 40
1.2.1. Влияние технологических параметров на процесс формирования покрытий 40
1.2.2. Вакуумные ионно-плазменные покрытия различного служебного назначения 45
1.3. Контроль качества покрытий 59
1.4. Заключение по литературному обзору и постановка задачи исследования 61
Глава II Объекты и методы исследования 64
2.1. Объекты исследования 64
2.2. Методы исследования 65
2.2.1. Метод измерения контактной разности потенциалов . 65
2.2.2. Методы рентгеноструктурного анализа 69
2.2.3. Методика измерения остаточных напряжений 72
2.2.4. Методика измерения микротвердости тонких покрытий 72
2.2.5. Рентгеновский метод определения толщины покрытия 75
2.2.6. Химический анализ по глубине состава покрытия и ПОДЛОЖКИ уо
2.2.7. Метод исследования поверхности растровым и туннельным микроскопами о і
Глава III Исследование поверхностных структур конструкционных материалов, формирующихся под воздействием газовой и металлической плазмы
3.1. Разработка метода оценки состояния поверхностного слоя металлов при вакуумной ионно-плазменной обработке 84
3.2. Исследование изменения свойств поверхностного слоя металла после воздействия на него газовой плазмы 92
3.3. Исследование изменения свойств поверхностного слоя металла после воздействия на него металлической плазмы... 99
3.4. Исследование изменения поверхностных свойств барьерных оксидных слоев металла при активирующем нагреве газовой плазмой ПО
3.5. Исследование поверхностных структуры и свойств металлов при конденсации на неё металлической плазмы 113
Глава IV Исследование равномерности распределения газовой и металлической плазмы в рабочем объеме вакуумных установок
4.1. Формирование металлической плазмы электродуговыми серийными испарителями в рабочем объеме установки ННВ-6.6 135
4.1.1. Распределение плазмы в зависимости от схемы размещения испарителей 136
4.1.2. Исследование процесса формирования капельной фазы под влиянием токовых характеристик, сепарации, остаточного давления, материала катода, управления перемещением катодного пятна
4.2. Формирование газовой плазмы в рабочем объеме установки Нга-б-6 155
Глава V Разработка универсальной вакуумной ионно-плазменной установки для поверхностной обработки деталей авиационной техники
5.1. Оптимизация параметров осуществления технологических процессов модифицирования и нанесения покрытий и
разработка принципиальной компоновочной схемы установки для их осуществления
5.2. Универсальная вакуумная ионно-плазменная установка нового поколения для обработки деталей авиационной техники
Выводы по работе 172
Список литературы
- Вакуумная ионно-плазменная комплексная обработка поверхности
- Метод измерения контактной разности потенциалов
- Исследование изменения свойств поверхностного слоя металла после воздействия на него газовой плазмы
- Исследование процесса формирования капельной фазы под влиянием токовых характеристик, сепарации, остаточного давления, материала катода, управления перемещением катодного пятна
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения, в том числе и авиационной техники, невозможно представить без использования технологий поверхностной обработки, позволяющих радикально изменять свойства поверхностных слоев конструкционных материалов и тем самым обеспечивать повышение их работоспособности. Одним из направлений повышения работоспособности изделий является создание модифицированных поверхностных слоев и покрытий различного служебного назначения для защиты рабочих поверхностей деталей. При этом реализуемый новый комплекс физико-химических и эксплуатационных свойств, как правило, не свойственен материалу основы и позволяет обеспечить как работоспособность поверхностных слоев изделий в экстремальных условиях эксплуатации, так и их ремонт.
Вакуумные ионно-плазменные технологии используются в авиационной промышленности с 1986 г., когда впервые был разработан нормативный технологический процесс по нанесению многослойных коррозионно-износостойких покрытий на основе композиции TiiN на ниппельные соединения трубопроводов гидравлических систем самолётов. Двадцатилетний опыт эксплуатации данного вида покрытий показал его высокую надёжность.
Современные достижения в области оборудования и вакуумных ионно-плазменных технологии позволяют рассматривать их как наиболее перспективные технологии при производстве изделий авиационной техники. Так как они позволяют создавать сложные композиции различных видов покрытий, а также осуществлять комплексную обработку с предварительным диффузионным модифицированием. Это в свою очередь позволяет создавать градиентные структуры поверхностных слоев со специальными свойствами без ухудшения механических свойств в объеме изделий. При этом модифицирование поверхности дает значительный положительный эффект как за счет повышения ресурса работы изделий, так и за счет снижения затрат на мероприятия по повышению несущей способности основного материала, включая дополнительное легирование и совершенствование технологий производства полуфабрикатов и изделий.
Однако широкое применение вакуумных ионно-плазменных технологий в производстве ответственных деталей авиационной техники сдерживается целым рядом проблем, связанных с обеспечением качественного выполнения различных технологических этапов формирования покрытии и модифицирования поверхности:
- формирование однородного потока плазмы в рабочем объёме вакуумной камеры, как по энергетическим параметрам, так и по его плотности;
- распределение плазменного потока относительно обрабатываемой поверхности;
- формирование контролируемой текстуры покрытия за счет варьирования плотности и энергии плазменного потока;
- формирование контролируемого состава многокомпонентных покрытий из чистых металлических компонентов или из сплавов при использовании электродуговых испарителей;
- оптимизации технологии подготовки поверхности деталей перед вакуумной ионно-плазменной обработкой.
Самостоятельной проблемой является сохранение исходного уровня механических свойств материала детали после воздействия на него высокоэнергетического плазменного потока. Это делает необходимым разработку таких технологических режимов, которые не только не снижают, но в ряде случаев даже повышают служебные характеристики материала детали за счет создания на поверхности композиционной структуры.
Для эффективного решения указанного комплекса проблем необходимо создание системы оценки уровня служебных свойств и структурного состояния материалов, подвергнутых различным видам поверхностной обработки, что позволит обеспечить воспроизводимость формирования структуры и свойств поверхностных слоев материалов в технологических процессах.
Таким образом, исследования, направленные на решение проблем применения экологически чистых вакуумных ионно-плазменных технологий, на основе изучения формирования равномерных по плотности и энергии потоков газовой и металлической плазмы, а также анализа закономерностей формирования структуры и свойств модифицированных поверхностей и покрытий на деталях авиационной техники, обеспечивающие гарантированный уровень эксплуатационных свойств, являются актуальными.
Цель работы: Исследование закономерностей влияние воздействия газовой и металлической плазмы на структуру и свойства поверхностных слоев конструкционных материалов на различных этапах технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки, в зависимости от энергетических характеристик плазмы и компоновки источников плазмы серийных установок типа ННВ-6.6.
Для достижения постановленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Выявить влияние геометрических, химических и энергетических характеристик газовой и металлической плазмы на структуру и свойства поверхностных слоев конструкционных материалов на различных этапах технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки, осуществляемой с использованием серийных установок типа «ННВ-6.6»;
2. Разработать метод оценки качества подготовки поверхности и эффективности проведения различных этапов технологического процесса модифицирования поверхности и нанесения покрытий;
3. Разработать технологические способы повышения эффективности очистки и активации поверхности перед проведением модифицирования поверхности и нанесения покрытий;
4. На основе установленных закономерностей создать компоновочную схему установки нового поколения и разработать комплекс аппаратурных и технологических мероприятий, обеспечивающих получение требуемой структуры поверхностных слоев и стабильно высокий уровень эксплуатационных свойств.
Научная новизна состоит в следующем:
1. Разработан метод очистки и активации поверхности деталей из конструкционных материалов, путем обработки ускоренной газовой плазмой, что обеспечивает полное удаление оксидов без внесения макро- и микроструктурных дефектов в поверхностный слой деталей.
Показано, что эффективность очистки и активации поверхности зависит от шероховатости исходной поверхности и степени замещения атомов металла основы сплава, из которого изготовлена деталь в поверхностном оксиде атомами легирующих элементов сплава. Для поверхностей с параметром шероховатости Ra 0,3 мкм и низкой степенью замещения энергия ионов плазмы не должна превышать 200 эВ, а для поверхностей с Ra 0,3 мкм и высокой степенью замещения - 400 эВ.
2. Разработана комплексная система оценки эффективности реализации отдельных этапов технологического процесса вакуумной ионно-плазменной обработки и качества сформированной поверхностной структуры изделий из различных конструкционных материалов. В рамках этой системы показана эффективность метода количественной оценки эффективности процессов очистки и активации поверхности по изменению величины поверхностного потенциала, и рентгеновского флюоресцентного метода неразрушающего контроля толщины покрытия.
3. Установлены закономерности влияния энергетических параметров газовой и металлической плазмы на структурное состояние поверхностного слоя при модифицировании, а также на структуру, кристаллографическую текстуру и когерентность границ слоев при --формировании однокомпонентных и многокомпонентных однослойных и многослойных покрытий.
4. Установлен количественный критерий выбора эффективности применения плазмообразующего газа для процессов очистки и активации исходной поверхности, согласно которому, поверхность детали можно считать полностью очищенной и активизированной для реализации процессов модифицирования и нанесения покрытия, если значения поверхностного потенциала находятся в области положительных значений.
5. Показано что, оптимальной температурой ионной очистки является температура, при которой дефектность поверхностных оксидов наибольшая, что соответствует максимальной величине потенциала поверхности. Температура ионной очистки поверхности составляет для титановых сплавов 400°С , 350°С для сталей и 350°С для алюминиевых сплавов, что обеспечивает удаление оксидов с поверхности при минимальном уровне энергетического воздействия плазмы на поверхность.
Практическая значимость работы.
1. Разработана новая схема размещения источников газовой и металлической плазмы в виде поворотных технологических модулей. На основе этих модулей создана новая компоновочная схема универсальной установки модульного типа, изготовлена установка "Радуга", которая позволяет реализовать комплексные технологии, сочетающие модифицирование и нанесение покрытий на поверхности деталей из материалов, применяемых в авиастроении. Результаты разработки защищены двумя патентами.
2. Разработаны методические материалы «Комплексная оценка качества формирования ионно-вакуумных покрытий и диффузионного модифицирования поверхности деталей и изделий машиностроения» (ММ 1-3430-4-2002), которые используются в производстве деталей авиационной техники.
3. - Разработано и изготовлено устройство для измерения величины поверхностного потенциала на основе метода контактной разности потенциалов (КРП): «Приспособление для измерения разности потенциалов ПАСП-МКОЗ»; комплект чертежей датчика 3-3430-1-2003; техническое описание и инструкция по эксплуатации 2-3430-1-2003.
4. На основе установленных закономерностей реализована комплексная технологическая схема обработки ниппельных соединений трубопроводов авиационной техники из конструкционных сталей, включающая низкотемпературную очистку и активацию поверхности ниппельных соединений с вакуумным ионно-плазменным нанесением многослойных покрытий, формирующих на поверхности многослойные коррозионностойкие градиентные структуры.
Вакуумная ионно-плазменная комплексная обработка поверхности
Вакуумная ионно-плазменная комплексная обработка поверхности. Процессы вакуумной ионно-плазменной обработки включают как процесс модифицирования поверхности, так и процесс создания внешних покрытий. Модифицирование поверхности может осуществляться как газовой, так металлической плазмой. Ионное насыщение газовой плазмой (N и О) имеет самостоятельное значение для повышения износостойкости конструкционных материалов. Кроме того, эти процессы интересны для понимания процессов нанесения нитридных покрытий, поскольку.при этом происходит проникновение атомов азота в подповерхностные слои подложки и особенности этих процессов оказывают влияние на формирование межфазной границы раздела и, в конечном счете, на адгезию покрытий. Это особенно важно для комплексных технологий, когда стадии нанесения покрытий предшествует ионное азотирование [41]. Показано, что увеличение концентрации азота в азотно-водородной смеси от 25 до 50 % приводит к образованию у (Fe4N) фазы, что приводит к увеличению твердости, но снижает адгезию покрытия TiN. При концентрации азота 25% у - фаза не образуется, однако увеличение времени азотирования более 1 часа существенно снижает адгезию TiN покрытия из-за повышения уровня остаточных напряжений (- 350 МПа за 1 час до — 850 МПа за 4 часа). Заметный интерес проявляется к процессам ионного газонасыщения кислородом или смесью кислорода с азотом. Для улучшения биосовместимости Ті-сплавов и одновременно повышение трибологических свойств предложен процесс нанесения 3 мкм слоя чистого Ті с последующим насыщением кислородом. При этом образуется смесь ТіОг (анатаз) и субоксидов Ті407 и ТібОц твердость повышается до Hv=1600 [42].
В работе [43] исследовали влияние, последующей после напыления обработки, ионной имплантацией на трибологические свойства покрытий. Для обозначения такой обработки используют термин модификация поверхности (surface modification - SM). Покрытия толщиной 2,5-3 мкм облучали дозой 0,5-6 10 ион/см , энергия ионов в ионном имплантере варьировалась от 60 до 100 кэВ. Показано, что в поверхности покрытия после имплантации при средних значениях дозы происходит частичная аморфизация структуры. В этих же слоях происходит увеличение параметра решетки и уменьшение остаточных напряжений. Микротвердость снижается в результате имплантации и тем больше, чем больше аморфизация поверхностного слоя. Износостойкость покрытий после имплантации превышала исходную только при дозе 3x10 ион/см , при больших и меньших дозах износостойкость была ниже исходной. Отмечено, что для CVD покрытий ионная имплантация всегда дает положительный эффект. Для ионной имплантации характерно немонотонное влияние на свойства дозы облучения. Так в работе [44] отмечена немонотонная зависимость износостойкости титанового сплава T-6A1-4V от дозы имплантированных ионов N4". Скорость износа снижается в 3-4 раза при дозе 2,5x1016 ион/см2, затем резко увеличивается практически до исходного значения после дозы 5х1016 ион/см2, снижается более, чем на порядок при дозах 1х1017 ион/см2. При этом микротвердость (Р=0,1 Н) монотонно повышается от 3,5 ГПа до 5,5 ГПа при дозе 5x10 ион/см . Содержание азота в поверхностных слоях оценивали методом обратного резерфордовского рассеяния. Авторы связывают высокие трибологические свойства ионно - имплантированного Ti-6A1-4V сплава с благоприятным сочетанием прочностных свойств азотированного подслоя и поверхностного слоя ТІО2 , выступающего в роли смазки. При этом, положительный эффект от такого сочетания слоев реализуется при низких дозах облучения, когда концентрация азота в подслое не превышает 6 ат.% и этот слой состоит из твердого раствора азота в титане, а также при высоких дозах облучения, когда подслой содержит 14% азота и состоит из смеси ТігИ и TiN нитридов. Промежуточные дозы облучения дают подслой, состоящий из TiNo,3 нитрида, который не обеспечивает благоприятного сочетания трибологических характеристик в контакте с ТіОг Одним из эффективных приложений комбинированных технологий является повышение сопротивления коррозии сталей, в том числе нержавеющих. Есть два варианта комбинированных технологий: 1) нанесение слоя чистого металла на подложку и последующее ионное азотирование; 2) ионное азотирование или ионная имплантация с последующим нанесением нитридных покрытий. Важнейшим элементом, определяющим коррозионное поведение модифицированных поверхностных слоев, является поверхность раздела между покрытием и подложкой. С этой точки зрения второй вариант комбинированной технологии является наиболее эффективным.
Процесс ионного азотирования осуществляется при низких энергиях ионов (300-500эВ). Оптимальная величина энергии ионов выбирается с учетом того, чтобы распылить поверхностные окислы, образующиеся из-за присутствия в азоте остаточного кислорода [45]. Скорость распыления кислорода в функции энергии ионов характеризуется широким максимумом и изменяется не более чем на 25% в интервале энергий 0,5 - 50кэВ, однако снижается в 10 раз при энергии ионов 50кэВ. Скорость распыления учитывается также при оценке эффективной глубины азотированного слоя. Так, при ионном азотировании нержавеющей стали при энергии ионов 0,7кэВ, плотности тока 2 мА/см и температуре процесса 400 С в результате распыления толщина азотированного слоя уменьшается на -20%.
Одним из существенных преимуществ ионного азотирования является возможность получать контролируемое распределение твердости и модулей упругости в поверхностных слоях за счет варьирования температурой, концентрацией реакционного газа, давлением газовой смеси, а также знаком и величиной потенциала подложки.
Метод измерения контактной разности потенциалов
Одним из физических методов, пригодным для исследования и контроля энергетических свойств поверхности металлов, является метод экзоэлектронной эмиссии [104-107]. Сущность метода заключается в регистрации и анализе параметров нестационарных эмиссионных токов малой величины, которые возникают с поверхности.
Возможность использования эффекта экзоэлектронной эмиссии для исследования и контроля энергетической свойств поверхностных слоев основана на установленной взаимосвязи эмиссионных параметров с дефектностью материалов. Эта взаимосвязь определяется общими закономерностями экзоэмиссии, среди которых основными являются [108]: - зависимость интенсивности и кинетики эмиссии от степени деформации и напряженного состояния образцов; — влияние на кинетику эмиссии вида нагружения; - изменение эмиссионной активности металлов при смене механизмов деформации и в зависимости от энергии дефектов упаковки; - возникновения эмиссионного тока при фазовых и структурных превращениях; - зависимость интенсивности и кинетики эмиссии от видов покрытий и напряжений, возникающих при поверхностной диффузии элементов.
Об интенсивности экзоэмиссионных процессов на поверхности металлов под воздействием внутренних и внешних факторов можно также судить и по изменению работы выхода электрона [109]. Работа выхода электрона (РВЭ) по величине равна энергии удаления электрона из силового поля кристаллической решетки металла. Ее можно измерять различными способами: автоэлектронным, фотоэлектрическим, способом контактной разности потенциалов (КРП) и др. Метод КРП может применяться в любой среде, не внося в структуру металлической поверхности каких-либо возмущений. Разность электрических потенциалов, возникающая благодаря электронам проводимости в условиях термодинамического равновесия между контактирующими проводниками, называется КРП. Если два металла с разными значениями поверхностного потенциала привести в соприкосновение, то между ними происходит обмен электронами от металла с меньшим значением ф к металлу с большим значением ср. Обмен происходит до тех пор, пока не установится разность потенциалов, препятствующая дальнейшему переходу электронов. Условием термодинамического равновесия данной системы является равенство электрохимических потенциалов. Значения КРП равны разности значений ф контактирующих металлов. По значению КРП металлы располагаются в так называемом ряде Вольта: каждый металл данного ряда при контакте с одним из последующих заряжается положительно. Наиболее перспективными для использования в лабораторных условиях для экспресс-контроля состояния поверхности в условиях производства являются устройства, разработанные на основе измерения КРП с помощью статического конденсатора [110]. В частности, анализатор состояния поверхности - модернизированный, компьютерный (АСП - МК) (рис. 2.2), разработанный совместно ОАО «НИАТ»иМАТИ[111].
Прибор ПАСП-МК-03 состоит из измерительного датчика, платы АЦП, монтируемой в свободный порт USB ноутбука.
Электронная схема измерения величины поверхностного потенциала размещается в корпусе датчика, имеющего тройную защиту от воздействия внешнего возбуждения. Работа измерительного датчика осуществляется следующим образом (рис. 2.3). Рабочая поверхность датчика вводится в плотный контакт с образцом (позиция 1 на рис. 2.3), после чего подвижный электрод датчика соприкасается с измеряемой поверхностью (позиция 2). После экспозиции (60 сек) подвижный электрод отходит от измеряемой поверхности (позиция За), при этом происходит измерение величины разности потенциалов между подвижным электродом и анализируемой поверхностью. При прохождении электрода датчика через направляющий цилиндр происходит изменение измеряемого сигнала, за счет влияния латунных стенок цилиндра модель 2, для устранения отмеченного недостатка в модели 3 стенки направляющего цилиндра были покрыты золотом толщиной 7-9 мкм (позиция 36). После этого измерения поступают на плату АЦП, далее через порт USB обработанный сигнал в графическом виде отображается на экране ноутбука.
Величина поверхностного потенциала (ф) определяется экстремальной точкой графика, которая имеет свое характерное значение для различных металлов (рис. 2.4).
Исследование изменения свойств поверхностного слоя металла после воздействия на него газовой плазмы
Процесс очистки поверхности металла от существующего оксида и технологических загрязнений является обратным процессом его образования и требует определенных энергетических затрат.
В случае наличия процессов физической адсорбции и хемосорбции для разрушения этих связей требуется энергия равная -0,25 эВ и 10 эВ. Для разрушения других энергий связи: ионных, ковалентных и металлических требуются значительные энергии свыше 100-200 эВ.
Очистка поверхности «Плагусом», осуществляется путем бомбардировки ионной плазмой аргона энергией 200 эВ. Бомбардируя обрабатываемую поверхность, ионы аргона разбивают оксидную пленку с адсорбированными загрязнениями, тем самым способствуют очищению поверхности. Однако эффективность процесса очистки поверхности зависит от марки материала подложки, предварительной степени её загрязнения, от вида предшествующей обработки, особенно от шероховатости поверхности (рис.3.5).
Проведенные исследования показали, что у титановых сплавов оксидная пленка очень чувствительна к всевозможным видам загрязнений, так у сплава ВТ6 исходная величина поверхностного потенциала ср может меняться от -150 мВ до -1000 мВ. Такой диапазон изменения исходной величины ф затрудняет процесс очистки, так как в местах с высоким исходным значением ф после ионной бомбардировки аргоном, величина ф равна 200 мВ, а с низким исходным значением величина ф осталась отрицательной и равна - 200 мВ (рис.3.6 а, б, рис.3.7).
У листовых образцов из титановых сплавов в процессе прокатки на поверхности могут находиться остатки газонасыщенного слоя, так как формирование его идёт не фронтально по объему зерна, а локально (языками) по границам зерен и в отдельных случаях по объему, особенно это наблюдается у (а+Р) титановых сплавов, а также у высоколегированных титановых сплавов. Так у образцов сплавов ВТ6 наблюдается значительный разброс исходных значений величины поверхностного потенциала ф. После осуществления процесса ионного травления плазмой аргона в течение 20 минут произошла очистка значительной части поверхности, (рис.3.8). Однако, там где кроме оксидной пленки структура поверхности включает твердый раствор кислорода значения величины ф изменились незначительно. Для полного удаления газонасыщенного слоя и оксида необходимо либо увеличить время ионной бомбардировки, либо повысить энергию ионного потока до энергии 500 — 600 эВ. Однако при этих энергиях происходит ионное травление не только оксида, но и самой поверхности металла, что нежелательно, так как ведет к изменению шероховатости поверхности, (рис.3.9).
При увеличении (х2500) отчетливо виден растравленный рельеф поверхности. Такая обработка приводит к удалению газонасыщенного слоя, понижению поверхностной твердости и улучшению её обрабатываемости при последующей лезвийной обработке.
Для никелевого жаропрочного сплава ЖС26У величина потенциала в исходном состоянии (литая лопатка) составила (100-И50 мВ), а шлифованная(200ч-300 мВ) (рис.3.10). Шлифованная поверхность жаропрочного сплава имеет отрицательную величину (800 мВ) поверхностного потенциала, которая в процессе ионного травления газовой плазмой приводит к изменению величины потенциала до минус (50-f-80 мВ), а ионное травление и активирующий нагрев увеличивает эту величину до +500 мВ. При этом температура поверхности не превышала 350С (рис. 3.11), таким образом, нагрев поверхности в процессе ионного травления увеличивает его эффективность. Аналогичная картина наблюдается и у сплава ВТ6 при повышении температуры поверхности в процессе ионного травления приводит к увеличению эффективности этого процесса (рис. 3.12).
В случае сплава ВТ6 для ионного травления поверхности необходимы ионы с энергией 200 эВ, а для сплавов ВТ22 и ВТ23 энергию ионов необходимо увеличить до энергии 300-350 эВ, однако при этом необходимо учитывать объемно - структурное состояние материала, его исходную твердость. Так в случае применения алюминиевых сплавов в качестве подложки необходимо учитывать, что для материалов этого класса энергии ионов 200 эВ достаточно для полного удаления поверхностной оксидной пленки, несмотря на высокую плотность и бездефектность оксидной пленки. Для сталей наличие Fe в основе обеспечивает формирование оксидов с дефектной кристаллической структурой и для их удаления достаточно травление поверхности ионами аргона с энергией 200 эВ.
Исследование процесса формирования капельной фазы под влиянием токовых характеристик, сепарации, остаточного давления, материала катода, управления перемещением катодного пятна
Качество конденсированного слоя определяется подготовкой поверхности и технологией напыления. Технологические загрязнения поверхности, описанные в предыдущей главе, приводят к образованию некачественного конденсата [132].
Процесс конденсации (осаждения) покрытий начинается непосредственно после очистки и активации подложки при снижении потенциала до - (50-J-250) В. При этом на поверхности подложки конденсируются элементы плазмообразующего материала, а в случае подачи легирующего газа продукты плазмохимических реакций [129].
Конденсация всех веществ, находящихся в атомном или молекулярном состоянии, может происходить только на поверхности, имеющей меньший энергетический уровень (температуру). При этом система «плазменная фаза -поверхность твердого тела» стремиться к термодинамическому равновесию.
Известно [133], что в потоке плазмы металлов присутствуют продукты эрозии катода: ионы, электроны и макрочастицы. Ионная доля плазменного потока является величиной постоянной для данного материала катода, в то время как доля капельной фазы увеличивается с ростом величины тока дуги.
Исследования химического состава покрытия на микроанализаторе «Camebax» показали, что на поверхности наряду с химическими соединениями присутствуют чистые элементы. Это указывает на то, что металл капли не успевает взаимодействовать с легирующим газом в рабочей камере. При формировании покрытия TiN в зоне капли практически отсутствует азот, а сама она состоит из а-фазы титана. Существенное влияние на количество капельной фазы оказывает расположение деталей в рабочем объеме камеры установки относительно оси плазменного потока и расстояния от катода до подложки. Содержание капельной фазы можно регулировать параметрами процесса: парциальным давлением азота и плотностью потока ионов. Образование капельной фазы, прежде всего, изменяет геометрию поверхности покрытия, увеличивая её шероховатость. С ростом толщины покрытия интенсивность изменения шероховатости увеличивается, так как общее количество капельной фазы растет. Размер капель зависит от давления легирующего газа и материала катода. Чем ниже температура плавления материала катода, тем наблюдается большее количество капельной фазы.
Очистка потока плазмы от макрочастиц может быть произведена путем сепарации этого потока в криволинейной электромагнитной системе, применением импульсных плазменных ускорителей и применением катодов большего диаметра [133].
Электронно-микроскопические исследования ионно-вакуумных покрытий чистых металлов Cr, А1, Ті, Mo показали, что дефектные кристаллы в виде пирамид и конусов присущи всем металлам [96]. На поверхности покрытия присутствуют как зарождающиеся кристаллы, так и достигшие максимальной величины, что указывает на непрерывность этого процесса. Скорость роста этих аномальных кристаллов в 2-3 раза больше скорости роста покрытия, так как за время роста покрытия высота кристаллов достигает 2-3 толщины покрытия. В ряде случаев, наряду с дефектными кристаллами на поверхности были обнаружены кратеры диаметром от 2 до 4 толщин покрытия. Проведенные исследования показали, что причиной образования кратера может являться разрушенный кристалл. Всесторонние исследования данного явления показали, что дефектное образование является кристаллом элемента, образующего покрытие. При создании покрытия на основе нитридных соединений, дефектные образования представляют собой кристаллы этих соединений. Так как скорость роста такого кристалла выше, чем поликристалла, то и образующиеся дефектные образования имеют большие размеры (рис. 3.25)
Одним из источников образования таких кристаллов могут служить винтовые дислокации [96, 127]. Имея повышенный уровень энергии, винтовая дислокация является первичным фактором зарождения покрытия. Образующийся кристалл, вырастая до максимальных значений, начинает разрушаться за счет повышенной тепло- и электропроводимости. Нагреваясь до высоких температур, кристалл способствует испарению объема покрытия вокруг себя (рис.3.26, 3.27). Нарушение связи кристалла с покрытием приводит к нарушению равновесия напряженного состояния по границе покрытие-кристалл, в результате чего происходит надлом последнего в корневой части и выброс его на поверхность. Максимальное расстояние выброса кристалла составляло до 10 мкм, что указывает на большие напряжения, существующие по границе покрытие-кристалл. Если разрушение монокристалла происходит в начальной стадии процесса нанесения покрытия, то дно образовавшегося кратера успевает зарастать плотной пленкой, и дефекты не наблюдаются. При разрушении монокристалла на заключительной стадии нанесения покрытия образуется дефект (рис. 3.28). После дополнительной обработки дефектной поверхности происходит физическое разрушение дефектных кристаллов и образование пор (рис.3.29).
