СПОСОБ ВАКУУМНОГО КОНДЕНСАЦИОННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1995 года по МПК C23C14/30 

Изобретение относится к металлургии, а более конкретно к получению защитных и декоративных покрытий, и может найти применение практически во всех отраслях машиностроения и металлообработки.

Известен способ конденсационного нанесения покрытий в вакууме, по которому создают дуговой разряд низкого давления между катодом и коаксиально ему расположенным анодом, распыляют катод, создают поток пара и конденсируют покрытие на подложке.

Недостаток данного способа состоит в наличии в потоке пара микрокапель величиной в десятки микронов, которые, осаждаясь на подложке, ухудшают качество покрытия (в частности, снижают адгезию и негативно влияют на электрофизические и оптические свойства напыленного слоя).

Наиболее близким к изобретению является способ вакуумного конденсационного нанесения покрытий, по которому создают поток пара путем бомбардировки распыляемой мишени сканирующим по ее поверхности электронным пучком, направляют поток пара на подложку и конденсируют покрытие на подложке. За счет непрерывного сканирования электронного пучка по поверхности мишени последняя поддерживается в расплавленном состоянии.

Этот cпоcоб, принятый в качестве прототипа изобретения, также не свободен от недостатков. Так, для него характерна невысокая эффективность испарения, особенно при использовании водоохлаждаемой мишени.

Изобретение позволяет устранить указанный недостаток прототипа, повысить эффективность процесса за счет снижения энергозатрат.

Указанная задача решается благодаря тому, что по способу, по которому создают поток пара путем бомбардировки распыляемой мишени сканирующим по ее поверхности электронным пучком, направляют поток пара на подложку и конденсируют покрытие на подложке, осуществляют фиксацию электронного пучка в каждой из бомбардируемых точек поверхности распыляемой мишени в течение времени t, определяемого по формуле:
K <t< где L, δ C, Т_пл и а соответственно удельная теплота испарения, глубина пробега электронов, удельная теплоемкость, температура плавления и коэффициент температуропроводности материала мишени;
U_э и Р_э соответственно ускоряющее напряжение и поверхностная плотность мощ- ности электронного пучка; К 2,35 ˙ 10^-15 коэффициент пропорциональности.

Фиксирование электронного пучка в каждой из точек поверхности распыляемой мишени при соблюдении зависимости (1) между свойствами материала мишени, энергетическими параметрами электронного пучка и временем фиксации приводит к взрывному (близкому к сублимационному характеру эмиссии материала мишенью. Указанный характер испарения качественно отличен от такового в прототипе.

Взрывное испарение материала происходит в малом объеме, где имеют место торможение электронов и выделение энергии электронного пучка. При этом более 60% его энергии расходуется на испарение материала мишени, а тепловые потери на нагрев всей мишени не превышают 5.15%
При реализации способов нанесения покрытий, принятых в качестве аналога и прототипа, составы конденсата и испаряемого сплава существенно различаются. Конденсат обогащается элементом сплава с более высоким парциальным давлением паров. В результате избирательного испарения формируется покрытие со слоистой структурой. Для выравнивания химического состава и изменения структуры слоя приходится применять дополнительную операцию (высокотемпературный отжиг).

Использование изобретения позволяет, с одной стороны, исключить образование крупнокапельной фазы, что объясняется близким к сублимационному характером эмиссии напыляемого материала, а с другой стороны максимально приблизить состав конденсированного покрытия к составу материала распыляемой мишени.

На чертеже представлена схема для реализации способа.

С помощью источника 1 создается электронный пучок 2, который направляется на поверхность распыляемой мишени 3. Посредством отклоняющей системы 4 осуществляются сканирование электронного пучка по поверхности распыляемой мишени и его фиксирование в отдельных ее точках на время t, заданное зависимостью (1). Кратковременная интенсивная бомбардировка микроучастка распыляемой мишени (точка 5) в течение указанного времени приводит к взрывному (близкому к сублимационному) испарению микрообъема материала. Образовавшийся паровой поток 6 направляется на подложку 7, где производится конденсация с образованием покрытия. Электронный пучок 2 посредством отклоняющей системы 4 перемещается в другую точку (8) поверхности распыляемой мишени, и элементарный цикл повторяется до образования покрытия требуемой толщины на подлежащей напылению поверхности подложки.

Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами его практической реализации.

П р и м е р 1. Наносили покрытие с использованием признаков способа, включенных в формулу изобретения, и способа-прототипа. Материал распыляемой мишени медь. Результаты испытаний сведены в таблицу.

Таким образом, эффективность испарения повысилась почти в 8 раз.

П р и м е р 2. Параметры способа такие же, как в примере 1, однако время t выбрано равным 12 мкс. При этом испарение практически прекращалось ввиду малости времени фиксирования: энергии, подводимой электронами, оказалось недостаточно для обеспечения взрывного характера испарения материала.

Использование: для получения защитных и декоративных покрытий различного назначения в области металлургии. Сущность изобретения: способ позволяет повысить эффективность испарения за счет сокращения удельных энергозатрат. Для этого, создавая поток пара путем бомбардировки распыляемой мишени сканирующим по ее поверхности электронным пучком и направляя поток пара на подложку с последующей его конденсацией и образованием покрытия, осуществляют фиксацию электронного пучка в каждом из обрабатываемых точек мишени в течение времени t, задаваемого зависимостью где L, σ, c, T_пл и a - соответственно удельная теплота испарения, глубина пробега электронов, удельная теплоемкость, температура плавления и коэффициент температуропроводности материала мишени: U_э и P_э - соответственно ускоряющее напряжение и поверхностная плотность мощности электронного пучка; K=2,35·10^-15 - коэффициент пропорциональности. 1 табл., 1 ил.

СПОСОБ ВАКУУМНОГО КОНДЕНСАЦИОННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ, при котором создают поток пара путем бомбардировки распыляемой мишени сканирующим по ее поверхности электронным пучком, направляют поток пара на подложку и конденсируют покрытие на подложке, отличающийся тем, что осуществляют фиксацию электронного пучка в каждой из бомбордируемых точек поверхности распыляемой мишени в течение времени t, определяемого по формуле

где L, δ C, T_пл, a соответственно удельная теплота испарения, глубина пробега электронов, удельная теплоемкость, температура плавления и коэффициент температуропроводности материала распыляемой мишени,
V_э, P_э соответственно ускоряющее напряжение и поверхностная плотность мощности электронного пучка;
K 2,35 · 10^-15 коэффициент пропорциональности.