2 2 2 2 2 1 1 1 А б Тиглі Потоки пари

Рисунок 1.4 – Схеми випаровування металічних (1)

і неметалічних (2) матеріалів одночасно з трьох (а) та п‘яти (б) джерел випаровування

Регулювання потужності джерела електроживлення відбувається за рахунок зміни струму і напруги. З потужністю джерела теплоти, розподіленням її по поверхні нагрівання, пов'язана температура матеріалу, який випаровується та продуктивність процесу.

В практиці напилення реалізуються джерела електроживлення потужністю від 0,5 кВт до 200 кВт.

Від температури поверхні випаровування залежить тиск насиченої пари і швидкість випаровування.

Регулюючи потужність джерела теплоти, доводять температуру матеріалу, який випаровується, до рівня, при якому p_O > 1,33 Па. Із збільшенням температури матеріалу, який випаровується тиск насиченої пари різко збільшується.

Так при випаровуванні алюмінію та хрому, збільшення температури випаровування на (10 - 15) % призведе до збільшення p_O приблизно на порядок.

На рисунку 1.5 показані залежності швидкості випаровування від температури деяких елементів, які використовуються для вакуумно-конденсаційного напилення покриття.

Рисунок 1.5 – Вплив температури на випаровування деяких елементів

У таблиці 1.2 наведені рекомендовані температури випаровування різних матеріалів для досягнення тиску насиченої пари 1,33 Па.

Таблиця 1.2 – Рекомендовані температури випаровування різних матеріалів для досягнення p_O = 1,33 Па

Матеріал	Твип, °С	Тпл, °С	Ткіп, °С	Матеріал	Твип, °С	Тпл, °С	Ткіп, °С
Кадмій	264	320	767	Нікель	1530	1455	2730
Свинець	715	327	1744	Титан	1750	1672	3260
Срібло	1030	960	2212	Платіна	2100	1760	4410
Алюміній	1220	660	2370	Молібден	2530	2622	4804
Мідь	1260	1083	2595	Вольфрам	3230	3345	5930
Золото	1400	1063	2530	Діоксид кремнію	1250	1993	2250
Хром	1400	1845	2508	Діоксид алюмінію	1800	2320	3250

Тиск насиченої пари та швидкість випаровування суттєво залежить від стану поверхні, яка випаровується. Наявність оксидної плівки та різних включень утруднюють процеси випаровування. Неможна допускати високу концентрацію газоподібних включень у матеріалі.

Форми і розміри поверхні випаровування впливають на стабільність процесу, характер розподілення елементів. Тому потрібно підтримувати постійний рівень ванни шляхом подачі порошкових або стержневих матеріалів, використання лазерних та інших систем контролю за рівнем поверхні.

Крім електричної потужності, яка підводиться до джерела нагрівання, до основних параметрів вакуумно-конденсаційного методу напилення термічним випаровуванням належить:

- тиск у камері;

- дистанція напилення;

- температура поверхні виробу, що напилюється.

Тиск у камері р_К вибирають від 10^-2 Па і нижче. При більш високому тиску (р_К > 1,3310^-1 Па) швидкість випаровування падає. Над поверхнею утворюється приповерхневий шар. Тиск у камері впливає на дифузію пари з цього шару. Пружність пари практично не залежить від тиску в камері р_К.

При високому тиску насиченої пари (р_О > 133 Па) швидкість випаровування зменшується. Це пояснюється зменшенням довжини вільного перебігу частинок над випаровувачем.

Тиск у камері впливає на рівномірність напилених покриттів. На практиці іноді використовують збільшення тиску для отримання покриттів з більшою рівномірністю по товщині.

Дистанцію напилення вибирають у межах від 150 мм до 250 мм. Для оптимальних значень тиску у камері р_К – це менше довжини вільного перебігу напилюваних частинок. Дистанція напилення суттєво впливає на рівномірність покриття.

При ВКНП парові потоки можна описати законами Ламберта-Кнудсена. Перший закон констатує, що інтенсивність пари в напрямку поверхні напилення пропорційна косинусу кута розходження потоку від точкового джерела. Другий закон пов'язує кількість осадженого матеріалу в покритті залежно від дистанції напилення. Вона обернено пропорційна квадрату відстані від розпилювача до поверхні напилення.

Наприклад, при випаровуванні з малої поверхні, рівномірне покриття при дистанції напилення L = 200 мм становить пляму діаметром (80 - 120) мм.

Збільшення дистанції напилення сприяє рівномірності покриття за товщиною, але перевищення оптимальної відстані призводить до зниження коефіцієнту використання матеріалу (КВМ).

Температура поверхні виробу, що напилюється, є одним з найважливіших параметрів процесу напилення. Вона суттєво впливає на адгезійну міцність, структуру покриття, рівень залишкових напружень і таким чином на якісні характеристики покриття.

При формуванні товстих покриттів залежно від температури запропонована тризонна модель структури покриття (рисунок 1.6).

У першій (низькотемпературній зоні) покриття формується при температурах напилюваної поверхні від звичайної для навколишньої атмосфери температури до граничної температури Т  0,3 Т_пл (Т_пл – температура плавлення розпилюваного матеріалу).

При низьких температурах у покритті формується специфічна куполоподібна структура кристалітів.

У другій зоні (середньотемпературній) в інтервалі температур Т₁ - Т₂ в покритті формується яскраво виражена стовпчаста будова. Причому із збільшенням температури товщина стовпчастих кристалів зростає. Температура Т₂ оцінюється приблизно 0,45 - 0,5 від температури плавлення матеріалу покриття.



_в

Н_

Т

а

б

Рисунок 1.6 – Схема розподілення структурних зон у напиленому покритті (а) і якісна залежність мікротвердості Н_, опору на відрив _в та відносного видовження покриття  від температури поверхні виробу Т_В (б)

В третій (високотемпературній) зоні при температурі поверхні, що напилюється, вище Т₂ в покритті формується переважно рівноважна структура.

При температурі поверхні напилення вище Т₂ в покритті відбуваються процеси об'ємної кристалізації, які призводять до росту зерна.

Змінюючи температуру поверхні, яка напилюється, що відповідно впливає на структуру покриття, можна в широких межах регулювати механічні властивості напиленого шару.

В таблиці 1.3 наведені значення температур Т₁ та Т₂ для товстих покриттів, напилених різними матеріалами.

Для конденсаційних покриттів має місце чітка залежність механічних властивостей від структури (рисунок 1.6, б) для багатьох матеріалів.

Невисокі температури нагрівання виробу можуть призвести до формування на поверхні покриття з низькою когезійною міцністю. Основна причина формування неякісного покриття, пов'язана з невисоким енергетичним рівнем напилюваних частинок.

Температуру нагрівання напилюваних виробів вибирають, враховуючи ряд факторів. В таблиці 1.4 наведені мінімальні значення температури напилюваних виробів для різних комбінацій матеріалів.

Таблиця 1.3 – Обмежувальні температури Т₁ і Т₂ та їх співвідношення для тризонної структурної моделі формування покриття

Матеріал	Тпл, К	Т1, К	Т1/Тпл	Т2, К	Т2/Тпл
Титан, Ti	1945	643±10	0,33	948±30	0,49
Нікель, Ni	1726	543±10	0,31	723±10	0,42
Мідь, Cu	1356	433±10	0,32	673±20	0,50
Залізо, Fe	1809	563±20	0,31	863±20	0,48
Nі + 20 % Сr	1673	500±50	0,30	870	0,52
Вольфрам, W	3683	1133±50	0,30	1723±50	0,47
Оксид хрому, Сr2O3	2973	648±10	0,22	1273±100	0,43
Оксид алюмінію, А12O3	2323	623±10	0,26	1173±100	0,50
Карбід титану, TiC	3340	1070±30	0,31	–	–
Карбід цирконію, ZrC	3690	І323±50	0,36	1623±50	0,44

Таблиця 1.4 – Мінімальні температура (°С) напилюваних виробів для різних комбінацій матеріалів виробу і покриттів

Матеріал покриття	Матеріал виробу
	Ті	Сu	Мо	Fе	Nb	Nі
Молібден, Мо	650	500	750	350	400	400
Хром, Сr	650	450	700	600	–	400
Мідь, Сu	–	–	400	450	400	350
Нікель, Ni	–	350	500	350	–	–

При розглянутих вище параметрах напилення буде забезпечене створення потоку частинок, який характеризується такими показниками:

- щільність потоку (від 10¹⁶ до 10²²) частинок/см²с;

- середня кінетична енергія (від 0,2 до 0,5) ЄВ;

- ступінь іонізації (від 0,02 до 1,2) %,

- швидкість росту покриття ~ 1 мкм/хв і більше.

Для підвищення ступеня іонізації та енергії напилюваних частинок використовують різні способи стимуляції потоків, наприклад, плазмовий.