устройство для ионно-плазменной обработки изделий

Формула изобретения

Устройство для ионно-плазменной обработки изделий, содержащее два водоохлаждаемых электрода, один из которых выполнен цилиндрической формы и выведен одним концом через изолированный ввод из вакуумной камеры, гасящее устройство, расположенное вокруг цилиндрического электрода со стороны изолированного ввода, поджигающее устройство, расположенное у противоположного конца цилиндрического электрода, и источник питания вакуумной дури, отличающееся тем, что оно снабжено высоковольтным и низковольтным источниками питания, переключателем и системой газонапуска, второй электрод выполнен в виде спирали, окружающей цилиндрический электрод и соосной с ним, и подключен концом, расположенным со стороны гасящего устройства, к положительному полюсу источника питания вакуумной дуги и к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания, и обоими концами к низковольтному источнику питания, цилиндрический электрод подключен к входу переключателя, один выход которого подключен к отрицательному полюсу источника питания вакуумной дуги, а другой к положительному полюсу высоковольтного источника питания, отрицательный полюс высоковольтного источника питания через резистор заземлен.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ионно-плазменной технике и может быть использовано для вакуумного нанесения покрытий на изделия из различных материалов, в том числе на длинномерные изделия.

При вакуумном нанесении покрытий качество последних существенно возрастает, если непосредственно перед нанесением поверхность изделия обрабатывается потоком ускоренных ионов

Известно устройство для ионно-плазменной обработки изделий, содержащее спиральный накальный катод и расположенный соосно с ним цилиндрический анод, расположенный внутри спирали катода. Такое расположение анода и катода позволяет увеличить плотность ионов в разряде.

Указанное устройство может быть использовано для обработки поверхности изделия потоком ускоренных ионов, но не обеспечивает нанесение покрытий на изделие.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для ионно-плазменной обработки изделий, содержащее два водоохлаждаемых электрода, один из которых выполнен цилиндрической формы и выведен одним концов через изолированный ввод из вакуумной камеры, гасящее устройство, расположенное вокруг цилиндрического электрода со стороны изолированного ввода, поджигающее устройство, расположенное у противоположного конца цилиндрического электрода, и источник питания вакуумной дуги [2]

Цилиндрический электрод является катодом, а корпус вакуумной камеры анодом. Поджигающее устройство соединено с анодом через стабилитрон.

Указанное устройство позволяет получать покрытия в вакууме, в том числе на длинномерные изделия, однако оно не обеспечивает перед нанесением покрытия необходимой, в особенности для диэлектриков, обработки поверхности изделия ускоренными ионами. В результате из-за низкой адгезии ухудшается качество покрытия. Использование для этой цели автономного источника ускоренных ионов требует дополнительных затрат на реконструкцию вакуумной камеры и увеличение ее габаритов.

Задачей изобретения является создание устройства для ионно-плазменной обработки изделий, в т. ч. для длинномерных, которое при оптимальном использовании рабочего пространства камеры обеспечивает перед нанесением покрытия на изделия из различных материалов обработку их поверхности ускоренными ионами, что позволяет улучшить качество нанесенных покрытий.

Поставленная задача решается следующим образом. Устройство для ионно-плазменной обработки изделий, содержащее два водоохлаждаемых электрода, один из которых выполнен цилиндрической формы и выведен одним концом через изолированный ввод из вакуумной камеры, гасящее устройство, расположенное вокруг цилиндрического электрода со стороны изолированного ввода, поджигающее устройство, расположенное у противоположного конца цилиндрического электрода, и источник питания вакуумной дуги, снабжено высоковольтным и низковольтным источникам питания, переключателем и системой напуска, второй электрод выполнен в виде спирали, окружающей цилиндрический электрод и соосной с ним, и подключен концом, расположенным со стороны гасящего устройства, к положительному полюсу источника питания вакуумной дуги и к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания, а обоими концами к низковольтному источнику питания, цилиндрический электрод подключен через переключатель к отрицательному полюсу источника питания вакуумной дуги и к положительному полюсу высоковольтного источника питания, отрицательный полюс высоковольтного источника питания через резистор заземлен.

Предлагаемая конструкция электродов, их пространственное расположение и схема их подключения к источникам питания позволяют создать условия для возникновения в пространстве между электродами скрещенных электрического и магнитного полей. При определенных величинах электрического и магнитного полей, регулируемых источниками питания, и давлении в вакуумной камере, регулируемом системой газонапуска, создаются условия для возникновения электрического разряда в скрещенном электрическом и магнитном полях. При этом устройство работает как Холловский плазменный ускоритель источник ускоренных ионов. Поток ионов, ускоряющихся силами ампера, испускается из межэлектродного пространства в радиальном направлении от цилиндрического электрода. Кроме того, эта же совокупность существенных признаков создают в устройстве условия для инициирования на цилиндрическом электроде вакуумной дуги, при этом устройство работает как вакуумный электродуговой испаритель. Поток вещества, генерируемый катодными пятнами вакуумной дуги, распространяется также в радиальном направлении от цилиндрического электрода и наносится на поверхность изделия.

Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуется возможность обрабатывать изделия из различных материалов ускоренными ионами и наносить на них покрытия, при этом ввиду использования для этих целей единого устройства оптимально используется рабочее пространство камеры, что и соответствует поставленной задачей.

Кроме того, при использовании предлагаемого устройства расширяется ассортимент покрытий.

На чертеже представлена схема устройства для ионно-плазменной обработки изделий.

Внутри вакуумной камеры 1 размещены два водоохлаждаемых электрода 2, 3, гасящее 4 и поджигающее 5 устройства. Электрод 2 имеет цилиндрическую форму и выведен одним концом 6 через изолированный ввод 7 из вакуумной камеры 1. Электрод 3 выполнен в виде спирали, окружающей цилиндрический электрод 2 и соосной с ним, концы его 8, 9 через изолированные вводы 10, 11 выведены из вакуумной камеры 1. Гасящее устройство 4 расположено вокруг цилиндрического электрода 2 вблизи конца 6, поджигающее устройство 5 расположено у противоположного конца 12 цилиндрического электрода 2. Камера 1 снабжена системой газонапуска 13. Вне вакуумной камеры расположены источник 14 питания вакуумной дуги, высоковольтный 15 и низковольтный 16 источники питания и переключатель 17 источников питания 14 и 15. Электрод 3, выполненный в виде спирали, подключен концом 8, расположенным со стороны гасящего устройства 4, к положительному полюсу источника 14 питания вакуумной дуги и к отрицательному полюсу высоковольтного 15 источника питания, а обоими концами 8, 9 подключен к низковольтному 16 источнику питания. Цилиндрический электрод 2 подключен к входу 18 переключателя 17, один выход 19 которого подключен к отрицательному полюсу источника 14 питания вакуумной дуги, а другой 20 подключен к положительному полюсу высоковольтного 15 источника питания. Отрицательный полюс высоковольтного 15 источника питания через резистор 21 заземлен. В камере 1 размещены изделия 22 для нанесения покрытий.

В качестве системы газонапуска используется известная система СНА-2 с пьезоэлектрическими исполнительными элементами.

Устройство для ионно-плазменной обработки работает следующим образом. После достижения в вакуумной камере 1 необходимого разрежения не хуже 10^-2 Па включается система газонапуска 13, и в камеру 1 подается аргон до установления давления 10^-1 Па. Переключатель 17 устанавливается в положение вход 18, выход 20, при котором цилиндрический электрод 2, изолированный от вакуумной камеры вводом 7, соединяется с положительным полюсом высоковольтного 15 источника питания. Включается низковольтный 16 источник питания, подключенный через изолированные вводы 10, 11 к концам 8, 9 спирального электрода 3, и через спиральный электрод 3 пропускается ток от 300 до 1000 А, который создает магнитное поле, направленное в осевом направлении.

Включается высоковольтный 15 источник питания, при этом в пространстве между электродами 2 и 3 возникает разряд в скрещенном электрическом, направленном радиально, и магнитном, направленном в осевом направлении, полями, которые создают условия для Холловского плазменного ускорения ионов Ar в радиальном направлении от цилиндрического электрода 2. Ускоренные ионы бомбардируют изделия 22, очищают их и активируют их поверхность. Заряд, перенесенный ионами на изделия и стенки камеры через резистор 21, стекает в высоковольтный источник 15 питания. После необходимой степени обработки изделия 22 высоковольтный 15 и низковольтный 16 источники питания выключаются, прекращается подача Ar, и переключатель 17 устанавливается в положение вход 18, выход 19, при котором цилиндрический электрод 2 соединяется с отрицательным полюсом источника 14 питания вакуумной дуги. При необходимости нанесения покрытий из соединений через систему газонапуска 13 в камеру 1 подается активный газ. Включается источник 14 питания вакуумной дуги, при этом поджигающее устройство 5 инициирует на конце 12 цилиндрического электрода 2 вакуумную дугу. Катодные пятна под действием электрических и магнитных сил движутся по винтовым траекториям от конца 12 электрода 2 к концу 6, где гасятся гасящим устройством 4. При погасании вакуумной дуги поджигающее устройство 5 вновь инициирует ее. Генерируемый катодными пятнами поток вещества распространяется по всей длине электрода 2 в радиальном направлении и создает покрытия на изделиях 22, расположенных по периферии камеры 1. Распределение потока вещества, генерируемого вакуумной дугой, полностью совпадает с пространственным распределением потока ионов Ar, когда устройство функционировало в качестве ионного источника.

На предлагаемом устройстве были получены покрытия из Ti и TiN на стеклянных изделиях длиной до 2 м. Покрытия обладают высокой адгезией и однородностью. При нанесении на эти изделия покрытий без ионной обработки адгезия Ti существенно ниже, а покрытия из TiN отслаивались и разрушались.