19. Электрофизическая подготовка поверхности.

В большинстве технологических процессов нанесения покрытий электрофизическая подго­товка поверхностей изделий производится при ведении процесса в разреженной среде (вакуумных камерах) при давлении 100-10² Па. Перед этим изделия должны пройти вневакуумную обработку по удалению адсорбата (мойку, обезжиривание и др.).

При вакуумном конденсационном нанесении покрытий жидкостная химическая обработка изделий является первой стадией. Ее применение необходимо, но недостаточно для получения чистой высокоактивированной поверхности непосредственно перед осаждением покрытия. При хранении изделий, прошедших предварительно очистку, возможно, их повторное загрязнение, в частности газообразной средой.

Рис.3 Загрязнение очищенной поверхности (степень адгезии в долях единицы) при хране­нии в различных средах: в сверхвысоком (10' ⁸Па) вакууме (1); в чистой комнате (2) и в меха­нической мастерской (3).

На рис. 3 показана кинетика загрязнения очищенной поверхности от условий хранения.

В нутривакуумная очистка обычно производится в плазме тлеющего электрического разря­да. В основном для подготовки поверхности используют высокоэнергетические ионы плазмы. Наи­больший эффект достигается при воздействии тяжелых ионов, например аргона. Ускоренные ионы способны смещать атомы в кристаллических решетках поверхности или выбивать их. Для этого нужна энергия ионов Е_i превышающая пороговые значения E_iП величина которой зависит от теплофизических свойств материала изделия: E_iП *α ≥ Н, где Н - теплота возгонки материала; α – коэф-т аккомодации, определяющий максималь­ную энергию, которую ион может передать атому кристаллической решетки.

При E_iП = Е_i интенсивность очистки мала. На практике применяют Е_i » E_iП или Е_i =200-500 эВ и более. Для удаления одного атома требуются тысячи бомбардирующих ионов. Следователь­но, плотность ионных потоков, часто выражаемая плотностью ионного тока, должна быть макси­мально высокой.

Обработка поверхности ускоренными ионами не только удаляет оставшиеся от предвари­тельной вневакуумной очистки загрязнения, но и в значительной мере ее активирует. Эксперимен­тально обнаруживаются дислокации на глубине до 0,05 мм.

Рис. 4 Диодная (планарная) (а); триодная (б) и магнетронная (в) схемы ионно-плазменной очистки и акти­вации поверхности изделий: 1 - камера; 2 - испаряемый (распыляемый) материал; 3 - заземленный анод; 4 - поток плазмы тлеющего разряда; 5 - изделие; 6 - горячий катод; 7 - элек­тромагнитная катушка; 8 – магнетрон.

В практике нанесения конденсационно-вакуумных покрытий термическим испарением или ионным распылением материала в основном используют для очистки и активации поверхности плазму тлеющего разряда. По механизму формирования ионного потока ка поверхности изделий различают следующие основные схемы: диодную (а), триодную (б) и магнетроннуго (в) (рис. 4). Тлеющий разряд 4 возбуждается между заземленным анодом 3 и катодом (изделием) -5. Образо­вание ионов рабочего газа происходит за счет движения высокоэнергетических электронов в ме­жэлектродном пространстве. Их количество обусловлено величиной напряжения на электродах (1-2 кВ) и протяженностью дрейфа в разрядном промежутке. Наименьший путь движения электронов в диодной схеме. В триодной схеме электроны между катодом и анодом движутся по спирали. За­крутка обеспечивается электромагнитной катушкой 7. В магнетронной схеме дрейф электронов по замкнутой орбите обеспечивает магнетронная система 8. Таким образом, наибольшая величина ионного тока может быть достигнута при применении триодной и магнетронной схем. Соответст­венно этому возрастает и степень очистки поверхности. Для очистки поверхностей изделий из ди­электриков, полупроводников и других материалов на электроды подается напряжение от ВЧ-генераторов.

Для очистки поверхностей изделий в вакуумированных камерах могут быть использованы ионно-лучевые потоки, генерируемые в ионных пушках. В этом случае обрабатываемый материал не контактирует с плазмой. Уровень очистки повышается. Кроме того, поток ионов и их энергия (100-2000 эВ и выше) легко изменяются и независимо регулируются. Появляется возможность производить очистку при глубоком вакууме в рабочей камере (≥10^-2 Па), используя четкую направленность потока и требуемый угол встречи ионов с поверхностью.

В практике нанесения конденсационно-вакуумных покрытий часто используют для очистки и активации поверхности, ионизированные атомы парового потока материала покрытия. Испарен­ные или распыленные атомы мишени, проходя через плазму дугового разряда, в значительной мере ионизируются. В некоторых процессах степень ионизации может достигать 50-90 %. Направ­ленный поток металлических ионов создается за счет электрического или магнитного полей или их совместного действия. Плотность ионного тока и энергия ионов легко регулируется режимом дуго­вого разряда и параметрами систем управления. Первоначально на поверхность изделий направ­ляются высокоэнергетические ионы очистки. По завершении обработки поверхности энергия ионов снижается до величины, достаточной для конденсации и формирования покрытия. Примерная схема процесса приведена на рис. 5, а.

Рис. 5. Схемы очистки и активации поверх­ности изделий ионами металла (а) и дуго­вым разрядом (б): 1-дуговой разряд в вакууме; 2-электро­магнитная катушка; 3 - поток металлических ионов; 4 - порошковый плазменный рас­пылитель.

20 Ионно-химический способ: реализация хим процессов при ионной очистке расширяет возможности при подготовке поверхности к осаждению покрытий и повышения их качества. В результате хим реакции поверхностных веществ с бомбардирующими ионами должны образоваться летучие соединения удаляемые непрерывной откачкой. Реактивная очистка происходит достаточно эффективно под воздействие физического распыления материала химически активными ионами. Физическое распыление активирует поверхность материала повышая скорость химических реакций. Вместе с тем ослабл связи поверхностных атомов, те самым стимулируя процесс физического распыления. Это указывает на расплывчатость границы между физическим и химическим распылением. Хим эффекты возможны для всех комбинаций ион-распыл материала. Может иметь место химически усиленное или химически ослабленное физическое распыление. Управление процессом физ-хим распылен основано на принципе Ле-Шателье-Брауна: если на систему находящуюся в равновесии воздействовать извне изменяя какое либо из условий (т, р, концентрацию) то равновесие смещается таким образом чтобы компенсировать изменение. Данный принцип ТД подвижного равновесия сформулировал Ле-Шателье, а Браун обобщил. Смещение равновесия хим реакции достигается изменением скорости, вывода продуктов взаимодействия из зоны очистки, или увеличением концентрации активных ионов поступающих на поверхность ->возможно регулирование интенсивности протекания процесса очистки поверхности. При экзотермических реакциях эффективность очистки можно регулировать изменением Т в зоне взаимодействия. При повыш Т скорость очистки снижается. Физ-хим ионная очистка поверхности изделий может служить альтернативой жидкостным методам травления, со след преимуществами: процесс сухой менее опасный, экологически чистый и более экономичный. Более высокое качество очистки, совмещение операций в одной камере, большие возможности для автоматизации. Широкому применению физ-хим очистки ионной бомбардировкой препятствует ограниченный круг элементов, способных реагировать с хемосорбированными веществами на поверхности. Напримердля вос-ния некоторых оксидов с образованием летучих соеденений могут быть использованы ионы C, H, и др. реакции взаимо-я: FeO+C=Co+Fe

Feo+2H=H₂O+Fe

Cu₂O+C=CO+2Cu

Cu2O+2H=H₂O+2Cu

Образующиеся соеденения CO Н2О вывоятся из зоны отчистки непрерывной откачкой. Не обходимо иеть ввиду что при полном удалении с поверхности оксидНе обходимо иеть ввиду что при полном удалении с поверхности оксидой пленки может начатся протекания процесса адсорбции вост-щие ионы. В последствии возможно диффузия в повехности материала изделия. Известны высокие значения коэф—тов диффузии ионизиру-х частиц, особенно для активирования состояния поверхностных атомов. Насыщение поверности материала изделия хим-и активными ионами приводит к получению некачест-х покрытий и особенно танких пленок.

Электоро дуговые способы отчистки.

Дуговой разряд в вакууме ожжет быть исползован для эффек-ной отчистки поверх-ти непосре-но перед нанесением покрытия. Наиболее целесообразно для этих целей катодная форма дуги катод перемещ-я по поверхности по закону броуновского движения. Во время остановок катодного потока происходит выброс материала с поверхности за счет высокой концент-ции энергии в пятне. Осущ-тся эрозионный процесс разрушения. Следы порожения от воздействия дугового разряда имеют вид прилегающих друг к другуг лунок, а с не равномерным их расположением. В центре лунки и около неё обнаруж-ться расплавленный мат-ал в зоне термического влияния наблюдается дроблении зерен на субзерно, содерж-ии большое кол-во дислокаций, что вызвано особой формой сущ-ния дуги горящей при низком давлении. Практика показала что для отчистки и активации поверхности наиболее целесообразно использовать дуговой разряд в импульсном режиме горения, что значительным образом предупреждает перегрев поверхности, что влечет за собой улучшении качества подготовки поверхности. В таких установках изделие выполняет роль катода, анод изготовлен из меди с интенсивным водяным охлаждением. Ориентировочный режим дуговой отчистки ипульсными разрядами сос-ет Iд=10-30А Uд=15-20В T=10-15cek повышенная шероховатость поверхности не всегда пригодна для нанесения вакуумных конденсационных покрытий особенно тонких пленок, однако для порошковых газотермических покрытий такая поверхность наиболее предпочтительна.

Электронно-лучевая отчистка поверхности.

Представляет практический интерес для внутривакуумной обработки поверх-ти небольших изделий. При этом внекамерная обработка должна быть проведена особенно тщательно. Электроны из за незначительной их массы неспособны эффек-но передавать энергию атомам твердого тела. Такую отчистку реаль-ют с помощью рентгеновских трубок и СВЧ приборов.

Отчистка поверхности световыми потоками.

В настоящее время созданы промышленные установки для получения концентрированных световых потоков различного назначения. Их можно разделить на две группы: 1- Световые потоки широкополосного светового излучения. 2- Когерентные монохроматические световые потоки(лазеры). Свет. Поток. С широкополосными излучением обучно получают за счет концентрированных излучений мощных световых источников. Для этих целей часто используют дуговыелампы с высоким давлением энертного газа. Излучения концентрируются отражателями и системой оптических линз концентрация световой энергии в пятне нагрева составляет 10^2- 10^6 В\см2 . Такие полости не обеспечивают активного удаления хемосорбирующих соеденений с поверхностью. Лазерные световые потоки получаются в установках (оптических квантовых генераторах ОКГ) . Световой поток имеет высокую концентрация переносимой световой энергии в непрерывной или импульсном режиме. Материал поверхности под действием высококонцентрированного монохроматического светового потока (10^6 -10^8 вт \см2) может плавится или переходить в парообразное состояние минуя стадию расплавления. Сублимационные процессы протекающие на поверхности изделий могут быть эффек-ми ср-ми для её отчистки и активации перед нанесением покрытий. Обработка возможна как в открытой атмосфере, так и в герметичных камерах. Управление световым потоком позволяет производить отчистку больших поверх-тей использую систему сканирования.

Термическая и химико термическая отчистка поверхностей.

Тепловая обработка изделия перед нанесением покрытий в ряде случаев дает высокую эффективность, напр. При изготовлении изделий работающих в масленых средах. Обычно влага из пористых поверхностей удаляется нагреванием до 200-250 C. а масленые загрязнения 350-400 С и выше. Выжигание жиров и отчистку от оксидов можно совместить в одном рабочем процессе. Для углеродистых низко и средне легированных сталей отжиг производится при t – 700 -800 C. В слабокислой атмосфере.

Обезвоживание поверхности.

Применяют при нанесении покрытий для удаления следов влаги. Операцию проводят обычно в этиловом спирте, что связано с условиями техники безоп-ти. Обезвоживание мелких изделий произ-ят окунанием, а крупных протиркой х\б салфетками смоченными в спирте. Данный вид заключительный подготовки поверхности проводится для особо ответственных изделий (пленки в изделиях миркоэлектроники, на лопатке турбин двигателей и т д ).

21. Газотермическое напыление.

Газотермич. напыление - это процесс нагрева диспергирования и переноса мат-ла распыляемого газовым или распыляемым потто-ком для формирования на подложке мат-ла покрытия.

Под общим наз-ем ГТН объединяются след. методы: плазменные, газопламенные, дитационно-газовые и дуговая и высокочастот-ная металлизация (ГТН-газотермич. напыление).

Рисунок 1. (х-распыляемый мат-л; о-распыляющий газ; паровая фаза; φ-угол расхождения потока; α-угол встречи потока с пов-тью напыления d_п.н-диаметр пятна напыления; l-перекрытие проходов; L-дистанция напыления; L_н-начальный участок струи; L_о-основной участок струи; t_и-т-ра изд-ий, на к-ое наносится напыление.). распыляемый мат-л в виде порошка, проволоки или стержней подается в зону нагрева. Различают осевую и радиальную подачу мат-ла. Нагретые частицы распыляют газом, основная цель к-ого ускорение напыляемых частиц, но на ряду с этим он может выполнять др. ф-ии. При подачи в зону нагрева расплавляемого мат-ла газ диспергирует его. Частицы поступающие на пов-ть формирования покрытия обеспечивают формирование прочных межатомных связей. В процессе их контактирования для чего и необходим их нагрев и соотв. скорость. Т-ра частиц обуславливает термич. активацию в зоне контакта, а скорость частиц при ударе их о пов-ть создает мех-ую активацию пов-ого контакта. При высоких скоростях частиц в момент их контактирования часть кин. эн-ии преобразуется в тепловую, что также дает развитие термич. активации.

Методы ГТН х-ся широкой технологич. возможностью:1) покрытия можно наносить на объекты любых размеров (суда, мосты, трубопроводы, лопатки турбин, различ. тела вращения и т.д.). 2) толщина покрытия может составлять 0,01-10 мм и более. 3) покрытия могут иметь заданную пористость 0,1-30% и более. 4) покрытия могут быть изготовлены из любых мат-лов имеющих точку плавления или интервал размягчения. 5) в качестве подложки можно использовать широкий спектр мат-ла (дерево, стекло, Ме и т.д.). 6) нанесение покрытия не вызывает значительного нагрева напыляемого пов-ти, а следовательно сохр-ся геом-ие размеры детали (изд-ия) и структура самого мат-ла основы. 7)изд-ия нагреваемые напыления могут иметь практически любую форму и изгот-ны из любого мат-ла имеющего t_пл>400°С.

Применение совр-ых технологий позволяет существенно сократить затраты при ремонте; эффективно решать проблемы связанные с износом, снижает коэффициент трения, коррозии и т.д.

8) ресурс работы изд-ий с газотермич. покрытиями увелич. до 10-15 раз.

22 Конструктивные и энергетические параметры газотермического напыления

Конструктивные и энергетические параметры газотермического напыления.

Распылитель должен обеспечивать max кол-во подводимой эн-ии, возможность регулировки скорости напыления частиц, а также возможность регулировки ρ частиц в потоке. Наиболее ответственным явл-ся конструктивные особенности соплового устройства(размер). Несмотря на великое разнообразие сущ-их сопловых устройств, осн-ми параметрами в них явл-ся диаметр и длина ствола, а также его профелирование. Эти параметры во многом опред-ют скорость потока распыляемого газа и соот-но скорость напыляемых частиц. Конструк-ые параметры оказывают большое влияние на КПД распылителя. ηт.р=Wт/Wр (1), где Wт-мощность источника теплоты (дугу, плазмы, газового пламени), Wр-эн-ия подводимая к распылителю. В зависимости от методов и способов распыления ηт.р наход-ся в пределах 0,3-0,9. конструкция распылителя в значительной мере опред-ет и параметры ввода распыляемого мта-ла. Среди эн-их параметров режим распылителя, наибольшее значение оказывают на эффективность процесса эн-ия подводимая к распылителю Wр, а также природа, расход распыляемого газа Gр.г.. подводимая эн-ия реализуется в источ-е теплоты для нагрева распыляемого мат-ла: дугу- плавящую мат-л, плазму, газовое пламя и др. Степень испол-ия мат-ла опред-ся значением ηт.р. От тепловой мощности источ-ка нагрева зависит произ-ть процесса. Следует учитывать, что только часть тепловой эн-ии источ-ка расходуется на нагрев распыляемого мат-ла. Эффективный КПД нагрева распыляемого мат-ла: η_и=ΔH_ч/ W_т. Если учесть формулу(1), то ηи=Δнч/ Wр* ηт.р (2) Δнч-энтальпия напыляемых частиц. При газотермич-их методах нагрева ηи сост. 0,05-0,9. С увелич. η_и, Wр, ηт.р, Wт- возрастает произ-ть напыления, увелич. т-ра напыляемых частиц и соот. качество покрытий. От расхода распыляющего газа зависит скорость газового потока и соот. его эффективность при распылении мат-ла, с увелич. расхода возрастает скорость напыляемых частиц и умен. их т-ра.(рисунки 1 а,б: влияние параметров изотер-го напыления Wр, Wт (рис. а) и Gр.г (рис. б) на скорость частиц Vч, т-ру их tч, произв-сть процесса Gм и коэф-т испол-ия мат-ла Км). (рисунок 1: измен-ие требуемой мощности источник теплы в зависимости от х-к порош. покрытий, где dп.н- диаметр пятна напыления; t- т-ра пятна напыления; γ- ρ потока частиц).