48. Лазерное нанесение покрытий. Режимы испарения. Технологический процесс лазерного нанесения покрытий. Селективность испарения.

1) Лазерное излуч-е монохромотично

2) Излуч-е когерентно, т.е. все волны имеют одинаковую фазу

3) Очень малая угловая расходимость

4) Большая плотность мощности

Преимущества: 1) происходит нагрев только мишени;

2) возможно получение покр-й из любых мат-в;

3) высокая мгновенная скорость напыления(10³-10⁵мм/с)

4) высокая технологичность.

Недостаток: в процессе нанесения покр-я происх. осаждение покр-я на стенки камеры и на входное окно, поэтому трудно получить покр-я большой толщины.

Для испарения использ-ся лазеры на СО₂, у котор длина волны = 10,6мкм.Также исп-ся неодиновые лазеры с длиной волны=1,06мкм. Неодиновые применсются в импульсном режиме(10^-8с), а частота импульса 50Гц.

Выделяют 3 режима импульса: -секундный; - миллисекундный(возможна диссоциация); - наносекундный(происходит диссоциация и ионизация)

49. Электронно-лучевое испарение. Режимы, преимущества и недостатки. Особенности электронно-лучевого испарения диэлектриков.

Нагрев и испарение в-ва произв-ся потоком электронов. Плотность мощности может достигать 10⁹ на см². Данный метод позволяет наносить покр-я из Ме и сплавов, а также полупроводники и диэлектрики.

Преимущества: 1) можно получать плотность мощности 5*10⁸ Вт/см².

2) образование пара происх-т на пов-ти.

3) можно получать химически чистые покр-я.

Недостатки: 1) для устойчивой работы необх. давление не меньше 10^-2Па;

2) необх. исп-ть высокия напряжения;

3) низкий КПД.

Пушки для электронно- лучевого нанесения имеют ускоряющее напряжение до 10кВ, скорость испарения 2*10^-3-2*10^-2 г/см²*с, скорость =10-60нм/с, удельная испаряемость 3*10^-6г/Дж.

Особенности ЭЛ испарения диэлектриков: пов-ть диэлектрика имеет высокое электрич-е сопротивление и при взаимод. электрона с пов-тью пов-ть приобретает отриц. заряд, и образ-ся тормож-е электрич. поля. При взаимод. потока электронов с пов-тью диэлектрика. Для увелечения скор-ти испарения диэл-в примен. след. технология. приемы:

1,предварит-й нагрев пов-ти мишени до темпер. при котор. пов-ть становится проводящей;

2,испар-е диэлектрика с помощью 2-х электронных пушек, одна из котор. явл-ся медленных элек-в.

50. Вакуумное электродуговое испарение. Конструкция дуговых испарителей. Состав газовой фазы. Нанесение покрытий сложного состава. При вакуумном дуговом способе нанесения тонких пленок металлов и их соединений генерация потока вещества, составляющего основу покрытия, осуществляется за счет эрозии электродов электрической дугой. Электрическая дуга с холодным расходуемым катодом реализуется в диапазоне давлений от сотен атмосфер до сколь угодно низких и представляет собой низковольтный (U= 10-30В) сильноточный (I = 10¹ - 10⁴ А) разряд, горящий в парах материала катода. При этом генерация материала катода осуществляется катодными пятнами вакуумной дуги. В катодных пятнах также протекают локальные процессы интенсивной электронной эмиссии. Число катодных пятен пропорционально току дуги, плотность тока в пятне очень высока и составляет 10⁵ - 10⁷ А/см², концентрация мощности в катодном пятне 10⁷ - 10⁸ Вт/ cм² . К основным достоинствам метода нанесения тонких пленок вакуумным электродуговым испарением относятся следующие: - возможность точно регулировать скорость нанесения покрытий путем изменения тока дуги; - возможность управлять составом покрытия, используя несколько катодов из различных материалов или же составные (многокомпонентные) катоды; - высокая энергия плазменной струи, способствующая получению высокой адгезии покрытия; - высокая степень ионизации, способствующая эффективной агломерации зародышей и формированию сплошных пленок минимально возможных толщин; - возможность получения тонких пленок соединений металлов за счет ввода в камеру реакционного газа; - технологичность процесса осаждения, позволяющая использовать для управления процессом ЭВМ. Конструкция дуговых испарителей. При работе электродугового испарителя металлов в коаксиальной конструкции катодные пятна стремятся уйти на боковую поверхность катода (в область, где расстояние до анода минимально). Это исключает возможность проведения осаждения пленок на подложки, расположенные над (под) торцевой поверхностью катода. Для удержания катодных пятен на торцевой поверхности катода используют 2 вида конструкций: 1. Испарители с электростатическим удержанием катодных пятен (В конструкциях данного типа боковая поверхность катода, не подлежащая испарению, прикрыта экраном, изолированным от электродов испарителя. Катодное пятно, попадая на боковую поверхность катода (под экран), прекращает свое существование, так как прерывается поток плазмы, служащей проводником тока между катодным пятном и анодом.); 2. Испарители с магнитным удержанием катодных пятен (Удержание катодных пятен на поверхности испарения катода осуществляется с помощью магнитного поля. При стремлении катодного пятна уйти на боковую поверхность катода радиальная составляющая силы, возникающей при взаимодействии тока с направленным под углом к нему магнитным полем, удерживает катодные пятна на поверхности испарения.). Основные параметры, характеризующие установки для нанесения покрытий вакуумным электродуговым способом: - удельная скорость испарения – 2·10^-4 –5·10^-3 г/(см² ·с); - эффективность процесса испарения – 2·10^-6 –10^-5 г/Дж; - степень ионизации – 10-90%; - энергия генерируемых частиц – 10 – 100 эВ; - скорость осаждения ~5 нм/с. Фазовый состав определяется в основном видом материала катода, содержит микрокапельную (размеры частиц от нескольких микрон и ниже), паровую и ионизированную фазы (ионы различной кратности). На тугоплавких металлах доля капельной фазы составляет менее 1% от полного расхода, на легкоплавких - десятки процентов. Данный метод особенно эффективен при генерации плазм тугоплавких металлов.

51. Основы технологии КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой). Метод КИБ основан на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги сильноточного, низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала катода. Подача в вакуумное пространство реагирующих газов (азота, метана и других) в условиях ионной бомбардировки приводит к конденсации покрытия на рабочих поверхностях режущего инструмента благодаря протеканию плазмохимических реакций. Применительно к образованию нитридов плазмохимическая реакция имеет вид: Me+N→MeN. Все процессы испарения, плазмохимических реакций, ионной бомбардировки и конденсации покрытия происходят в вакуумной камере, металлический корпус, который служит анодом. Характерной особенностью метода КИБ является высокая химическая активность испаряющегося материала, который состоит из ионизированного потока низкотемпературной плазмы. Конденсат в процессе осаждения покрытия подвергается интенсивной бомбардировке ионами испаряемого вещества, что приводит к его частичному распылению и повышению температуры в зоне формирования, в результате чего возрастает подвижность атомов на поверхности инструмента, происходит активация химической реакции между конденсатом и компонентами реакционной газовой смеси. Еще одной особенностью процесса КИБ является возможность ускорения ионного потока путем создания отрицательного заряда (относительно корпуса камеры) на инструменте. Важнейшими параметрами КИБ являются плотность потока и энергия ионов при бомбардировке поверхности инструментального материала и последующей конденсации покрытия. Метод КИБ относится к реактивным методам. Образования газовой фазы производится электродуговым испарением. На подложку подаётся отрицательное напряжение. В камеру напускается реакционный газ. Используется азот, аммиак. Для получения карбидов используется ацетилен, метан, пропан. Для получения оксидов используется кислород или пары воды. В качестве металла для катодов применяются хром, алюминий, титан и др. В результате получается химическое соединение. Наиболее характерной особенностью покрытий, получаемых этим методом, является отсутствие переходной зоны между покрытием и инструментальным материалом. Это даёт возможность получать комплекс свойств на рабочих поверхностях инструмента, не ухудшая его исходных свойств. Нанесение покрытий осуществляли на образцы из стали Р6М5. Были получены семь типов покрытий. Однослойные: Cr+CrN; Ti+TiN; Zr+ZrN, двухслойные: Cr+CrN+Ti+TiN; Cr+CrN+Zr+ZrN; Ti+TiN+Zr+ZrN и трёхслойное Cr+CrN+Ti+TiN+Zr+ZrN. В настоящее время покрытия КИБ наносят исключительно на шлифованный инструмент из быстрорежущей стали. При этом на качество покрытия большое влияние оказывает исходное качество поверхности после шлифования, также отношение радиуса скругления вершин и режущих кромок к толщине покрытия.

52. Технологический процесс нанесения покрытий нитрида титана. Структура и свойства покрытий нитрида титана. Технология нанесения покрытий нитрида титан: метод – ионно-плазменное напыление в вакуумной камере. При ионно-плазменном напылении испаряющиеся с поверхности титанового катода атомы титана, двигаясь прямолинейно, конденсируются на поверхности детали и стенках камеры. Соединяясь в условиях вакуума с азотом, кислородом и др. газами образуется цветная пленка на конденсате. Атомы титана бомбардируя материал, встраиваются в металлическую решётку, в структуру неметаллов. Создается покрытие, коренным образом отличающееся от любого другого по прочности соединения с поверхностью. Удаление его возможно только с повреждением обработанного материала. Исключается отслоение, «сцарапывание», потемнение покрытия, свойственное краскам, сусальному золоту, золота, серебра, нанесенных гальваническим методом. Нитрид титана – широко используемый материал при производстве работ с высокими требованиями к износостойкости и декоративности изделий. Нитри́д тита́на — соединение титана и азота состава TiN_x (x = 0,58÷1,00), представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, кристаллы с кубической гранецентрированной решеткой, подобной NaCl, обладают высокой твердостью (Hμ=1994±137 кг/мм²) и термодинамической устойчивостью. Нитрид титана имеет плотность 5,44 г/см³. Температура плавления 3205 °C. Электрическая проводимость r= 4·10-7 Ом·м; Получение — азотированием титана при 1200 °C или другими способами. Применяется как жаропрочный материал, в частности из него делают тигли для бескислородной плавки металлов. В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях легированных титаном, включения имеют как правило форму квадратов и прямоугольников, их легко идентифицировать методом металлографического анализа. Такие крупные частицы нитрида титана, образующиеся из расплава, приводят к ухудшению качества литого металла. Нитрид титана используется для создания износостойких покрытий (в частности, для зубных протезов жёлтого «под золото» цвета), используется в микроэлектронике в качестве диффузионного барьера совместно с медной металлизацией и др. Нитрид титана применяется так же как износостойкое и декоративное покрытие. Изделия, покрытые им, по внешнему виду не отличаются от золота и могут иметь различные оттенки. Зависит это от соотношения металла и азота подаваемого на покрытие. Нанесение нитрида титана производится в специальных камерах и имеет термодиффузионную природу. При высокой температуре титан и азот реагируют вблизи поверхности покрываемого изделия и диффундируют в саму структуру металла. Изделия с покрытием из нитрида титана имеют высокие потребительские свойства: разнообразную цветовую гамму, высокую стойкость к воздействиям внешней среды, продолжительные сроки эксплуатации. Наиболее широкое применение материалы с нитрид-титановым покрытием получили в изготовлении куполов храмов, гражданском строительстве, изготовлении памятников, скульптур, памятных и фирменных знаков, аксессуаров.