DE3789307T2

DE3789307T2 - Bogenbeschichtung von feuerfesten metallverbindungen.

Info

Publication number: DE3789307T2
Application number: DE3789307T
Authority: DE
Inventors: Rongfeng Chang; Subbiah Ramalingam
Original assignee: University of Minnesota
Current assignee: University of Minnesota
Priority date: 1986-04-04
Filing date: 1987-04-01
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2007-04-02
Also published as: EP0306491A1; WO1987005948A1; AU7285187A; JPH01502277A; CA1272910A; US4839011A; EP0306491B1; JP2571948B2; AU612319B2; EP0306491A4; DE3789307D1

Description

1. Anwendungsbereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bogenbeschichten von Metalltargets mit Hartlegierungs-Oberflächenüberzügen

2. Beschreibung des Stands der Technik

Durch Bogenbeschichtungen hergestellte dünne Schichten auf Gegenständen, wobei ein Metalltarget als Quelle für den an einer Vakuumatmosphäre erzeugten Beschichtungsfluß dient, sind bekannt. Durch die Reaktion des von einer Metallkathode erhaltenen Flusses mit einem Reaktionsgas wie beispielsweise Stickstoff, werden heute Titannitridbeschichtungen unter Verwendung von Bogenbeschichtungsverfahren routinemäßig hergestellt. Durch diese physikalischen Bedampfungsverfahren werden Beschichtungen hergestellt, die gegenüber anderen Oberflächenbehandlungen Vorteile bei der Leistungsfähigkeit aufweisen.
Drei unterschiedliche physikalische Bedampfungsverfahren sind derzeit für die Anwendung für Verschleißbeschichtungen vorgesehen: Elektronenstrahlbedampfen, Sputtern bzw. Kathodenzerstäubung und gegenwärtig als Nicht-Legierungsverfahren das kathodische Lichtbogenverfahren. Das kathodische Bogenbedampfen, das neueste der drei Verfahren, ist ein Herstellungsverfahren für hohe Durchsätze, bei dein Vielfach-Bogenbedampfungseinrichtungen verwendet werden, um das Beschichtungsmaterial zu auf zudampfen. Dies wird gegenwärtig durch von mehreren Herstellern verkaufte kommerzielle Einrichtungen durchgeführt, wobei jedoch Probleme auftreten, wenn versucht wird eine Beschichtung herzustellen, die von einer Verbundkathode ausgehend auflegiert wird, weil der Lichtbogen nicht geeignet gesteuert werden kann. Durch das Verfahren können keine Legierungsschichten durch Verbundtargets hergestellt werden.
In der US-A-3625848 und der US-A-3793179 werden jeweils zum Metallbeschichten von Teilen verwendbare Vorrichtungen beschrieben, wobei jedoch weder eine genau geregelte Lichtbogensteuerung noch ein Legieren durch Verbundbedampfen erläutert wird.
Um durch Vakuumbedampfen Schichten aus legierten Materialien herzustellen, kann mehr als eine Beschichtungsflußquelle verwendet werden. Dies kann im Prinzip mit Elektronenstrahl-Beschichtungsquellen, Sputterquellen und Hohlkathodenentladungs-Beschichtungsquellen durchgeführt werden. Eine genaue Steuerung der Zusammensetzung der aufgedampften Schicht erfordert jedoch eine genaue und proportionale bzw. verhältnisgleiche Steuerung jeder Beschichtungsquelle. Um dieses Problem zu lösen, können legierte Quellenmaterialien verwendet werden. Unterschiedliches Sputtern und unterschiedliches Fraktionieren der Legierung während des Aufdampfens der Schicht führt jedoch normalerweise zur Herstellung einer Schicht mit einer Zusammensetzung, die sich von derjenigen des Quellenmaterials unterscheidet. Dieses Problem wird teilweise gelöst bzw. kompensiert, indem ein Quellenmaterial verwendet wird, dessen Zusammensetzung sich von derjenigen der gewünschten Schicht unterscheidet. Die benötigte Anpassung der Zusammensetzung wird durch empirische Methoden ermittelt. Auch dieses Verfahren erfordert eine exakte Reproduzierbarkeit der Schichtaufdampfbedingungen, um die Reproduzierbarkeit der Schichtzusammensetzung zu gewährleisten.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundschicht auf einer Unterlage durch Plasmasputtern wird in der US-A-4444635 beschrieben. Unter Verwendung einer Glimmentladung wird durch Ionisieren eines Niedrigdruckgases ein Plasma erzeugt, wobei das Plasma durch Magnetfelder auf einen Bereich über einer Targetplatte begrenzt wird. Die Targetplatte weist mindestens zwei verschiedenen Materialien auf, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes gleichzeitig durch Plasmaionen beschossen werden. Die Position des Plasmas über der Targetplatte wird durch Verändern der magnetischen Feldstärke verschoben, um die Prozentsätze bzw. die Mengenverhältnisse verschiedener Targetmaterialien zu steuern, die die Legierungsschicht bilden.
In der US-A-3956093 wird eine Planarmagnetron-Sputtervorrichtung mit einem zusätzlichen variablen Magnetfeld senkrecht zur Targetplatte beschrieben, das sich durch den Abtragungsbereich erstreckt. Durch kontinuierliches Variieren der Stärke des zusätzlichen Magnetfeldes wird das Abtragen des Targets über einen größeren Bereich durchgeführt, wodurch ein größerer Prozentsatz des Kathodenplattenmaterials abgesputtert werden kann.
In der US-A-4563262 wird eine Vorrichtung zum Aufdampfen einer Mehrfachkomponentenschicht unter Verwendung einer Bogenentladung beschrieben, wobei die Kathodenquelle aus mehreren Schichten aus verschiedenen Metallsorten besteht. Der Brennfleck bewegt sich unter dem Einfluß eines stationären Magnetfeldes, dessen Feldlinien die Oberfläche der Kathode unter einem Winkel schneiden, über die Kathode. Das Mengenverhältnis jeder Komponente in der Schicht hängt von der Dicke der Metallschichten in der Kathode ab.
Aus der SU-A-363375 ist die Herstellung einer Metallschicht mit verschiedenen Dicken auf verschiedenen Teilen der zu beschichtenden Oberfläche bekannt, wobei durch die Verwendung eines unter der Kathode angeordneten Magneten der Brennfleck so gesteuert wird, daß er sich über die Oberfläche der Kathode bewegt. Der Magnet wird so gesteuert, daß er sich entlang eines geraden Weges bewegt, wodurch der Brennfleck und damit die Quelle des Metalldampfes relativ zur Oberfläche bewegt wird.
Wenn Bogenbeschichtungsverfahren zum Aufdampfen von Legierungsschichten verwendet werden, ist die Reproduzierbarkeit der Zusammensetzung ein weitaus schwierigeres Problem als beim Vakuumbedampfen. Lichtbogenquellen erzeugen, wie in den vorstehend erwähnten Beschreibungen der US-A-3625848 und der US-A-3793179 dargestellt, Metalldampf zum Schichtaufdampfen und Metalltropfen, die allgemein als Makropartikel bekannt sind. Die Mengenverhältnisse des dampfförmig bzw. des tropfenförmig freigesetzten Beschichtungsmaterials verändern sich von Material zu Material und mit den Betriebsbedingungen. Daher ist eine reproduzierbare Bogenbeschichtung des Legierungsmaterials sehr schwierig.
Durch das Erreichen einer gesteuerten Bewegung des Lichtbogens auf der Kathode, d. h. auf dem Target, von dem der Beschichtungsfluß erzeugt wird, wird durch das gesteuerte Bogenbeschichtungsverfahren eine genaue Steuerung der Zusammensetzung der aufgedampften Schicht ermöglicht. Die Steuerung der Zusammensetzung wird erreicht, indem die Zeitdauer, die der Bogen in den verschiedenen Bereichen eines Verbundtargets verbleibt, gesteuert und die Bildung von Makropartikeln verhindert wird. Die Zeitdauer, in der der Lichtbogen auf jedem Abschnitt eines Verbundtargets verbleibt, wird durch Verändern der Lichtbogengeschwindigkeit auf der Kathodenoberfläche verändert. Daher wird durch eine gesteuerte Bogenbeschichtung eine reproduzierbare Zusammensetzung der legierten Schicht erhalten, wenn ein aus mehr als einem Material hergestelltes Verbundtarget verwendet wird, wobei die Zusammensetzung durch Verändern der Lichtbogengeschwindigkeit verändert werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufdampfen von Metallegierungen und legierten Verbundschichten in einem gesteuerten Verfahren, das kostengünstig und sehr leistungsfähig ist, um Schichten oder Überzüge mit einer verringerten Anzahl von Makropartikeln bzw. makropartikelfreie Schichten oder Überzüge auf Oberflächen von Gegenständen herzustellen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer Legierungsschicht auf einem Bauteil bereitgestellt, das die Schritte aufweist: Verwenden einer Anode und einer Kathode, um einen Plasmaentladungs-Lichtbogen zu bilden, wobei die Kathode so geformt ist, daß sie eine aktive Targetfläche aufweist, Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Anode und der Kathode und Erzeugen eines an die Kathode angrenzenden Magnetfeldes, um eine geschlossene Lichtbogenbahn zu definieren, wobei die Targetfläche aus mindestens zwei verschiedenen Metallsorten in verschiedenen aktiven Flächenabschnitten gebildet wird, wobei die aktiven Flächenabschnitte an die Anode angrenzen; beim Schritt zum Bilden des Lichtbogens ein Materialfluß erzeugt wird, der einen gewünschten Anteil jedes der verschiedenen Metallsorten enthält, um auf dem Bauteil eine Überzugschicht zu bilden; und beim Schritt zum Erzeugen des Magnetfelds die geschlossene Lichtbogenbahn definiert wird, so daß die Ausbreitung des Lichtbogens unabhängig von den die aktiven Flächenabschnitte bildenden Materialien durch das Vorhandensein des Magnetfeldes auf die beiden verschiedenen aktiven Flächenabschnitten der Kathode begrenzt wird, so daß, weil der Lichtbogen sich in der geschlossenen Lichtbogenbahn bewegt, der Lichtbogen sich dabei über Bereiche der beiden verschiedenen Flächenabschnitte bewegt, wobei die Lichtbogenbahnlänge bezüglich der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtbogens definiert ist, so daß die Kathodenmaterialien in der Lichtbogenbahn geschmolzen bleiben, wenn der Lichtbogen sich während des Betriebs innerhalb der Lichtbogenbahn bewegt.
Daher umfaßt die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Bogenbedampfungsvorrichtung unter Verwendung einer Kathode bzw. eines Targets, das aus mindestens zwei getrennten Metallsorten besteht, die jeweils einen Teil der aktiven Fläche der Kathode bilden. Die die Kathode bildenden Metalle werden so ausgewählt, daß dadurch die für die Überzugschicht gewünschte Legierung gebildet wird. Die zum Legieren verwendeten Metalle werden in ausgewählten separaten Bereichen der Kathode angeordnet, so daß durch das Erzeugen des Lichtbogens und durch die genaue Steuerung des Lichtbogens der Anteil des von jedem der verschiedenen Metalle (wobei mehr als zwei Metallsorten verwendet werden können) gebildeten Metallflusses gesteuert wird, wodurch die Eigenschaften der durch den zum Herstellen der Überzugschicht gebildeten Fluß erzeugten Legierung ebenfalls genau gesteuert werden können.
Das Verfahren zum Steuern des Lichtbogens derart, daß er sich wiederholt über eine gewünschte gesteuerte Bahn bewegt, wird in der WO-A-85/03954 beschrieben. Die darin beschriebene Lichtbogenlenk- bzw. Steuervorrichtung ist die gleiche wie die in derartigen früheren Patentanmeldungen beschriebenen Vorrichtungen. Durch die genaue Steuerung kann die Bewegung des Lichtbogens über die aktive Fläche der Kathode gesteuert werden. Durch die Lenkvorrichtung wird ein periodisches Auslöschen des Lichtbogens, das durch eine unregelmäßige Lichtbogenbewegung über den Kathodenrand hinaus verursacht wird, verhindert (was bei herkömmlichen Vorrichtungen ein Problem darstellte), und wird eine genaue Steuerung des Legierungsverfahrens erreicht, so daß die geeigneten Eigenschaften der aufgedampften Legierungsschicht ebenfalls gesteuert werden können.
Es wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Lichtbogen so steuert, daß er sich in einer geschlossenen Bahn bewegt, wobei der das Magnetfeld erzeugende Magnet und damit der Lichtbogen periodisch über die Kathodenfläche bewegt werden kann. Der Lichtbogen durchläuft mehrmals die gleiche Bahn, um die Dampfbildung von einer Verbundkathode bzw. einem Verbundtarget zu ermöglichen, das aus mindestens zwei Metallsorten besteht, die beide verdampft werden, wobei der Dampf mit einem Gas kombiniert wird, um auf einem Bauteil eine gewünschte hartlegierte Verbundschicht herzustellen. Das angelegte Magnetfeld zur Bogensteuerung ist räumlich parallel zur aktiven Fläche der Kathode ausgerichtet, die eine Hall- Kraft erzeugt, die sowohl auf die Ionen als auch die Elektronen in der Nähe der Kathode wirkt. Die Hall-Kraft führt zu einer Zykloidenbewegung der Elektronen, wobei sich die schweren Ionen in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Wenn sie sich unter dem Einfluß des angelegten Magnetfeldes bewegen, werden die Ionen außerdem dem vorherrschenden elektrischen Feld ausgesetzt. Sie werden von der aktiven Fläche der Kathode angezogen. Eine ausreichende Anzahl von auf die aktive Fläche der Kathode in der Nähe des ursprünglichen Brennflecks an einem Punkt auftreffenden Ionen, die mit den vorherrschenden elektrischen und magnetischen Feldern übereinstimmt, induzieren eine intensive lokale Erwärmung und eine intensive lokale Elektronenemission, um diesen Punkt als neuen Brennfleck zu erhalten. Das Vorhandensein eines geeignet an dieser Stelle angeordneten lokalen Magnetfeldes kann zur Erzeugung des nächsten neuen Brennflecks führen. Die unregelmäßige Folge von Lichtbogenflecken auf der Kathodenfläche bei herkömmlichen Bogenaufdampfvorrichtungen wird durch eine geordnete Folge ersetzt, bei der alle zulässigen Brennflecke auf einer vorgewählten geschlossenen Bahn liegen.
Die durch das Magnetfeld gesteuerte Länge der vorgewählten Bahn des Lichtbogens wird so gewählt, daß das Kathodenmaterial in der Bahn geschmolzen bleibt. D.h., die Folge der Brennflecke in der geschlossenen, gesteuerten Bahn des Lichtbogens kehrt zum Ausgangspunkt zurück, bevor das Kathodenmaterial so weit abkühlt, daß es sich verfestigt. Der von der geschmolzenen Bahn emittierte Metalldampf erzeugt eine differentielle Druckverteilung über die Kathodenoberfläche, wobei der Dampfdruck unmittelbar über der geschmolzenen Bahn höher ist als an allen anderen Stellen der Kathodenoberfläche. Das Magnetfeld und der über die Kathode erzeugte differentielle Dampfdruck, die separat und in Verbindung miteinander wirken, ermöglichen eine Steuerung der Lichtbogenbewegung auf der aktiven Fläche der Kathode.
Durch das beschriebene Lenken bzw. Steuern des Lichtbogens, liegt die Bogenspannung, wenn der Bogenstrom bei ca. 50 Ampere gehalten wird, im Bereich von 27 bis 32 Volt bei einem Titantarget bzw. zwischen 25 und 28.3 Volt bei Zirkonium. Durch das Steuern des Lichtbogens wird die Bogenspannung und damit die mittlere Energie des Beschichtungsflusses auf einem relativ hohen Wert gehalten. Wenn Stickstoff zugeführt wird, wird die Bogenspannung aufgrund der Reaktion des Stickstoffs mit dem geschmolzenen Metall in der Lichtbogenbahn weiter erhöht. Die Ausbildung von Metallnitrid in der Lichtbogenbahn über dem geschmolzenen Material verursacht eine Erhöhung der Bogenspannung, wobei durch diese in der Lichtbogenbahn des erfindungsgemäßen gesteuerten Bogenbeschichtungsverfahrens gebildete Metallnitridschicht die Bildung von Makropartikeln unterdrückt wird, wodurch qualitativ gute Schichten hergestellt werden.
Das Magnetfeld einer Solenoidwicklung oder eines Helmholtz-Spulensystems kann auf das Magnetfeld des Hauptmagneten überlagert werden, um das auf der aktiven Fläche der Kathode erzeugte Magnetfeld zu modifizieren. Die Richtung des durch die Spule fließenden Stroms wird so gewählt, daß die magnetische Feldstärke senkrecht zur aktiven Fläche der Kathode verstärkt oder verringert wird. Durch die Solenoidwicklung bzw. das Helmholtz-Spulensystem wird eine zusätzliche Steuerung der Querbewegung des Lichtbogens entlang der durch den beweglichen Magnet auf der aktiven Fläche der Kathode definierten Bahn ermöglicht. Das erzeugte Magnetfeld steuert die Bewegung des Lichtbogens in einer fortlaufenden Bahn. Der Lichtbogen wird durch die einzelne und die kombinierte Wirkung des Magnetfeldes und der kontinuierlichen Bogenentladung in einer Bahn auf der Kathodenoberfläche gesteuert, wenn (aufgrund des hohen Dampfdrucks unmittelbar über der Bogenbahn) Bahnen aus geschmolzenen Materialien erzeugt werden. Das Letztgenannte ist ein Ergebnis der Bogensteuerung und hängt von geeignet geformten Magnetfeldern ab.
Durch eine Bogenbeschichtung mit Verbundmetalltargets zum Herstellen einer Legierungsschicht, wie beispielsweise durch das hierin beschriebene Verfahren, kann eine kostengünstige Herstellung verbesserter Beschichtungen für Friktions- und Verschleißanwendungen erreicht werden. Die Steuerung bzw. Lenkung des Lichtbogens ist wesentlich, um zu gewährleisten, daß die erforderliche Zusammensetzung der Schicht ausgeglichen ist und die Beschichtung auf mehreren Bauteilen zuverlässig reproduziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist zum Aufdampfen von legierten Schutzschichten und Werkzeugbeschichtungen geeignet.
Ferner können durchgehende Beschichtungen auf der Oberfläche von Platten oder dünnen Schichten hergestellt werden.

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen gesteuerten Vakuum-Lichtbogenmaterialaufdampfungsvorrichtung teilweise im Querschnitt;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Querschnittansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2 zur Darstellung eines Lichtbogenkopfes einer gesteuerten Lichtbogenmaterialaufdampfungsvorrichtung;
Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 3;
Fig. 5 zeigt eine Querschnittansicht im wesentlichen entlang der gleichen Linie wie in Fig. 3, wobei Teile entfernt sind, um die Magnetfeldlinien und den Fluß von der Kathode zu verdeutlichen und darzustellen, der sich vermischt, wenn daraus die Legierung gebildet wird, wenn der Fluß sich durch die Ringanode bewegt;
Fig. 6 zeigt eine Querschnittansicht im wesentlichen entlang der gleichen Linie wie in Fig. 3, jedoch umgekehrt und zur Verdeutlichung mit davon entfernten Teilen und korreliert mit einer über der umgekehrten Kathode dargestellten graphischen Darstellung, die die vertikale und die horizontale Komponente des Magnetfeldes auf der Kathodenoberfläche, dessen Zusammenhang mit der Trajektorie bzw. Bahn des gesteuerten Lichtbogens und die am Umfang angeordneten Pole der Permanentmagneteinrichtung der Bogensteuerung darstellt; und
Fig. 7 zeigt eine Querschnittansicht im wesentlichen entlang der gleichen Linie wie in Fig. 6 (umgekehrt zu Figur 3), wobei zur Verdeutlichung Teile entfernt sind, korreliert mit einer über der umgekehrten Kathode dargestellten graphischen Darstellung, die die vertikale und die horizontale Komponente des Magnetfeldes auf der Kathodenoberfläche mit und ohne überlagertes elektrisch erzeugtes Magnetfeld, dessen Zusammenhang mit der Trajektorie bzw. Bahn des gesteuerten Lichtbogens und die am Umfang angeordneten Pole der Permanentmagneteinrichtung der Lichtbogensteuerung darstellt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt die bei der Erfindung verwendete gesteuerte Vakuum-Lichtbogenmaterialaufdampfungsvorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist ein Gehäuse 11 auf, das eine Vakuumkammer 12 umgibt. Das Gehäuse 11 weist eine im wesentlichen flache Bodenwand 13 und eine flache obere Wand 14 auf. Eine mit der Bodenwand 13 durch ein rohrförmiges Bauteil bzw. einen Schlauch 17 verbundene Vakuumquelle 16 dient dazu, ein Vakuum in der Kammer 12 aufrechtzuerhalten. Die Kammer 12 wird auf Drücke von unter 1.33·10&supmin;&sup4; bis 1.33·10³ Pa (10&supmin;&sup6; bis 10 mm Hg) evakuiert.
Ein allgemein durch 18 bezeichneter Materialaufdampfkopf ist, wie dargestellt, an der oberen Wand 14 angeordnet. Der Kopf 18 kann vollständig in der Vakuumkammer 12 angeordnet werden. Gemäß Fig. 3 weist der Kopf 18 einen ringförmigen Körper 19 mit einer nach innen gerichteten ringförmigen Schulter 21 auf. Der Körper 19 ist ein elektrisch isolierender Ring, der in einer kreisförmigen Vertiefung 22 in der oberen Wand 14 eingepaßt ist. Ein in einer Nut in der oberen Wand 14 angeordneter O-Ring 23 dient zum Abdichten zwischen dem Körper 19 und der oberen Wand 14. Eine Scheibenkathode bzw. ein Scheibentarget 24 weist einen an der Schulter 21 angeordneten, nach außen gerichteten ringförmigen Ansatz 24A auf.
Die Kathode 24 besteht aus mindestens zwei Metallsorten, die beim erfindungsgemäßen Verfahren für eine Legierungsbeschichtung verwendet werden. Beispielsweise kann die Kathode bzw. das Target eine durch das Bezugszeichen 25 bezeichnete Basis aus Titan mit einer Vertiefung aufweisen, die einen durch das Bezugszeichen 26 bezeichneten Mitteleinsatz aus Zirkonium enthält. Der Zirkoniumeinsatz 26 ist in der Basis 25 entfernbar angeordnet. Der Einsatz 26 kann durch eine leichte Preßpassung in einer vorgesehenen Vertiefung in der Basis 25 angeordnet sein, wobei er sich durch Erwärmen dehnt, um an seiner vorgesehenen Stelle fest gehalten zu werden. Der Einsatz weist eine geeignete, mit Gewinde versehene mittlere Entlüftungsöffnung 26A auf, um zu verhindern, daß Luft in der Vertiefung in der Kathodenbasis 25 eingeschlossen wird, und um zu ermöglichen, daß der Einsatz 26 leicht ausgetauscht werden kann, wenn er durch den Bogenabtragungsprozeß im wesentlichen verbraucht ist. In die Entlüftungsöffnung 26A kann eine Schraube eingeschraubt werden, um ein Bauteil zu montieren, das dazu verwendet wird, den Einsatz aus der Vertiefung in der Kathodenbasis 25 herauszuziehen. Der entfernbare Einsatz 26 kann durch ein einfaches Austauschen des Einsatzes 26 auch aus einem anderen Material zum Aufdampfen anderer Legierungsmaterialien, wie beispielsweise Titan-Hafnium-Nitrid hergestellt werden, d. h., der Zirkoniumeinsatz wird durch einen Hafniumeinsatz ersetzt. Auf diese Weise können verschiedene Legierungen mit der gleichen Kathodenbasis 25 hergestellt werden. Die zwei (oder mehr) Metallsorten, aus denen die Kathode bzw. das Target 24 gebildet wird, werden zum Herstellen einer Legierungsbeschichtung auf einem Gegenstand 32, wie beispielsweise einem Turbinenblatt, einer Werkzeugspitze oder ähnlichem verwendet.
Ein an der Bodenwand 13 befestigter, elektrisch isolierender Halter 33 positioniert den Gegenstand 32 in der Vakuumkammer 12. Zum Halten des Gegenstands in der Vakuumkammer können auch andersartige Halterungen verwendet werden. Ferner können andersartige Gegenstände, Bauteile, Platten oder ähnliche Elemente durch eine aus den Materialien 25 und 26, die die Kathode 24 bilden, gebildete Legierungsbeschichtung beschichtet werden. Die aktiven Flächen 27A und 27B der Kathoden- bzw. Targetmaterialien 25 und 26 werden über eine Öffnung 28 dem Vakuum in der Kammer 12 ausgesetzt. Eine Metallbuchse 29 ist in einer ringförmigen Vertiefung 31 in der die Öffnung 28 umgebenden Wand 14 angeordnet. Die Metallbuchse 29 ist durch den Isolierkörper 19 isoliert, um einen durch das Aufdampfen des Beschichtungsflusses von der Kathode auf die zylinderförmige Innenfläche des Körpers 19 verursachten elektrischen Kurzschluß zwischen der Kathode und einer Anode 34 zu verhindern.
Die Anode 34 ist eine Ringanode bzw. ringförmige Anode, die sich in die Öffnung 28 erstreckt und durch mehrere elektrische Isolierblöcke 36, 37 und 38 an der oberen Wand 14 montiert ist. Die Anode 34 erstreckt sich daher zwischen der Kathode bzw. dem Target 24 und der Vakuumkammer 12. Die Anode 34 weist in der Draufsicht betrachtet vorzugsweise eine der Kathode 24 gegenüberliegende kreisförmige scharfe Kante 35 und eine zylinderförmige Außenfläche 39 auf, die nach innen von der ringförmigen Metallbuchse 29 beabstandet ist. Die Querschnittform des die Anode 34 bildenden Rings ist, wie in Fig. 3 dargestellt, im wesentlichen dreieckig. Der untere Abschnitt der Innenfläche der Anode 34 verjüngt sich nach außen, um während des Betriebs Wechselwirkungen mit dem von der Kathode 24 gebildeten, durch die Mittelöffnung der Anode 34 zur Vakuumkammer 12 strömenden Legierungsfluß zu minimieren.
Ein aus einem elektrisch leitenden Material hergestellter Kathodenträger 41 erstreckt sich teleskopartig in den Körper 19 und hält die Scheibenkathode 24 auf der Schulter 21 zurück. Der Träger 41 weist eine erste Dichtung bzw. einen ersten O-Ring 42, der mit dem Körper 19 in Eingriff gebracht werden kann, und eine zweite Dichtung bzw. einen zweiten O-Ring 43 auf, der mit der Oberseite der Scheibenkathode in Eingriff gebracht werden kann. Der Träger 41 weist eine Innenkammer 47 für eine Kühlflüssigkeit 48 wie beispielsweise Wasser auf. Eine Flüssigkeitszufuhrleitung 49 führt die Flüssigkeit von einer Zufuhrquelle zu und eine Flüssigkeitsrückführleitung 52 führt die Flüssigkeit aus der Kammer 47 heraus, um eine kontinuierliche Kühlung zu erhalten.
Eine allgemein durch das Bezugszeichen 53 bezeichnete Bogensteuerungs-Magnetvorrichtung ist in der Kammer 47 angrenzend an die Kathodenbasisfläche angeordnet, die den aktiven Flächen 27A und 27B gegenüberliegt. Die Magnetvorrichtung 53 dient zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf den aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24 und zum Definieren einer geschlossenen Bahn, der ein Lichtbogen folgt. Die Bahn wird gebildet, wo die vertikalen Feldvektoren gegen den Wert Null gehen, wie in Fig. 6 dargestellt, wobei diese Stellen vorzugsweise an der Oberfläche der Kathode in einer kontinuierlichen, geschlossenen Bahn angeordnet sind, die durch das Magnetfeld definiert wird. Die Magnetvorrichtung 53 weist ein umgekehrtes schalenförmiges Element 54 mit einem offenen Ende auf, das der Kathode 24 gegenüberliegt. Das Element 54 hat eine weichmagnetische Struktur mit einem zylinderförmigen Flansch 55, der einen äußeren, am Umfang angeordneten Magnetpol bildet, der nahe an der Basisfläche der Kathode 24 angeordnet ist. Diese Basisfläche ist gegenüberliegend den aktiven Flächen 27A und 27B angeordnet.
Ein zylinderförmiges Scheibenmagnetelement bzw. ein Mittelmagnetpol 56 ist am Mittelabschnitt der oberen Wand des Schalenelements 54 befestigt. Die Außenfläche des Magnetelements 56 ist von der ringförmigen Seitenwand des schalenförmigen Elements durch einen ringförmigen Spalt bzw. Zwischenraum beabstandet. Das schalenförmige Element 54 ist an einer elektrisch isolierenden Halterplatte 58 befestigt. Eine drehbare Welle 59 ist in einer Lageranordnung 64 angeordnet, erstreckt sich in die Kammer 47 und ist an der Halterplatte 58 befestigt. Die Welle 59 hält die Halterplatte 58 und die Magnetvorrichtung 53 in der Kammer 47 ein wenig von der Kathode 24 beabstandet. Ein regelbarer Elektromotor 61 dient zum Antreiben der Welle 59, wie durch einen Pfeil 62 dargestellt, um die Wellenachse 63. Die Magnetvorrichtung 53 besitzt eine von der Wellenachse 63 beabstandete Magnetmittelachse 66, wodurch bei einer Drehbewegung der Welle 59 durch den Motor 61 die Magnetvorrichtung 53 auf einer kontinuierlichen kreisförmigen Bahn bewegt wird. Wie dargestellt, sind die Stellen auf der Wand 55 des schalenförmigen Elements 54 bezüglich der Achse 63 der Welle 59 versetzt angeordnet, so daß, wenn die Welle gedreht wird, die Bahn des Lichtbogens die durch das Bezugszeichen 63 in Fig. 4 dargestellte Mitte der Kathode 24 nicht überschneidet.
Der äußere Rand der kreisförmigen Bahn ist durch das Bezugszeichen 67 in Fig. 4 dargestellt. Durch diese Anordnung wird das Durchlaufen der geschlossenen Lichtbogenbahn 60, die durch die Magnetvorrichtung definiert wird, in einer Kreisbahn ermöglicht. Die durch eine gestrichelte Linie in Fig. 4 dargestellte Lichtbogenbahn 60 verläuft nahe der Außenwand bzw. des Pols 54 der Magnetvorrichtung. Die gestrichelte Linie 60 zeigt außerdem den Aufbau des Pols 55. Der Lichtbogen überstreicht daher einen ringförmigen Bereich zwischen der Mittelachse 63 der Kathode 27 und einem Außenkreis 70 auf den aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode. Die aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24 bilden die den Legierungsfluß erzeugenden Flächen zum Herstellen der Beschichtung. Die Lichtbogenbahn überstreicht die aktiven Flächen beider zum Legieren verwendeter Metallsorten, um einen Fluß aus beiden Metallsorten zum Beschichten zu erzeugen. Das Maß, mit dem die Lichtbogenbahn jede der Oberflächen 27A bzw. 27B überstreicht und die Form der Lichtbogenbahn steuern im wesentlichen, jedoch nicht ausschließlich die Menge des Flusses aus jeder Metallsorte. Die Magnetmitte bzw. -achse 66 der Magnetvorrichtung 53 kann bezüglich der Achse 63 um verschiedene Beträge versetzt werden, um gegebenenfalls eine größere oder geringere Überlappung der Lichtbogenbahn in der Mitte der Kathode bzw. des Targets zu erreichen.
Es können andere Formen der Magnetvorrichtung und geeignet gewählte Drehachsen verwendet werden, um Lichtbogen zu definieren und diese Lichtbogen zu veranlassen, die aktiven Flächen der Kathode 24 zum Erzielen verschiedener Ergebnisse in verschiedenen Beziehungen bzw. Verhältnissen abzutasten.
An Stelle des Permanentmagneten kann ein Elektromagnetaufbau verwendet werden, um das gewünschte Magnetfeld zu erzeugen und die Form der Lichtbogenbahn zu steuern. Das Magnetfeld bildet eine geschlossene Bahn, wo die vertikalen Magnetfeldvektoren gegen den Wert Null gehen, wie näherungsweise durch durch das Bezugszeichen 50 in Fig. 5 bezeichnete Flußbahnen vom Pol 55 zum Magnet bzw. Pol 56 dargestellt ist.
Die vertikale und die horizontale Komponente des Magnetfeldes, die senkrecht bzw. parallel zur Kathodenfläche wirken, sind im oberen Abschnitt von Fig. 6 dargestellt. Die obere Kurve 80 zeigt die Größe der vertikalen Komponente des Magnetfeldes über der Kathode 24 bezüglich der Magnetvorrichtung 53. Die zweite Kurve 81 bezeichnet die Größe der horizontalen bzw. parallelen Komponente des auf die Kathodenfläche wirkenden Magnetfeldes. Die Größen der Feldstärken senkrecht (die vertikale Komponente) und parallel (die horizontale Komponente) zur Kathodenoberfläche werden durch die Wahl des permanentmagnetischen Materials des Magneten 56 und die räumliche Verteilung durch die Abmessungen und die Position des Polteils 54 bestimmt. Die vertikale Komponente des Magnetfeldes ändert an der durch die Wand 55 des schalenförmigen Elements bzw. Polteils 54 bestimmten Position ihr Vorzeichen, wie durch die Bezugszeichen 80A bzw. 80B bezeichnet. Entlang dieser der Form der Wand 55 entsprechenden Linie auf der Kathodenoberfläche nimmt die vertikale Komponente des Feldes den Wert Null an, wobei der Lichtbogen dieser Bahn bzw. Trajektorie 60 folgt (vergl. Fig. 4). Die Steuerung der Lichtbogenbahn wird daher durch die Formgebung der Wand 55 des schalenförmigen Elements 54 erhalten. Der Lichtbogen wird durch das kontinuierliche Drehen der horizontalen Komponente des durch die Bogensteuerungsmagnetvorrichtung 53 erzeugten Magnetfeldes entlang der geschlossenen Bahn bewegt.
Gemäß Fig. 4 wird die Lichtbogenbahn bzw. -trajektorie, d. h. die Bahn einer Serie von Lichtbogenflecken, die durch die Ionenaktivität oder die kontinuierliche Lichtbogenentladung gebildet werden, wenn eine geschmolzene Bahn gebildet wird, so gesteuert, daß sie eine allgemein durch das Bezugszeichen 60 bezeichnete, an den Pol 55 angrenzende ringförmige Bahn bildet. Die Form des Außenumfangpols 55 bestimmt zu einem großen Teil die Form der Lichtbogenbahn. Indem die Oberfläche des Mittelmagneten bzw. -pols 56 weiter von der Kathode beabstandet wird als der Pol 55, kann, wie in den Fig. 3 und 5 dargestellt, die radiale Position der Lichtbogenbahn bezüglich der magnetischen Mittelachse 66, wo die vertikalen Feldvektoren im wesentlichen den Wert Null annehmen, so gesteuert werden, daß sie innerhalb der Kathode 24 und im wesentlichen auf den aktiven Flächen 27A und 27B liegt.
Entlang der durch die Wand 55 definierten geschlossenen Bahn 60 des Lichtbogens ist die horizontale Komponente des Magnetfeldes nicht Null, wie durch vertikale Linien 81A und 81B in Fig. 6 dargestellt. Die Größe der horizontalen Komponente des Magnetfeldes auf der Kathodenoberfläche entlang der Lichtbogenbahn 60 und das Material der Kathode 24 bestimmen gemeinsam die Lichtbogengeschwindigkeit. Um eine Lichtbogengeschwindigkeit zu erzeugen, die zum Aufrechterhalten einer geschmolzenen Bahn ausreicht, wird die Größe der horizontalen Komponente des Magnetfeldes auf den Kathodenflächen 27A und 27B sorgfältig ausgewählt. Die Ausbildung der geschmolzenen Bahn kann eine stabile und kontinuierliche Bogenentladung erzeugen. Dies ist ein bevorzugtes gesteuertes Bogenbeschichtungsverfahren, um die Ausbildung von Makropartikeln in den Beschichtungen zu minimieren bzw. zu eliminieren.
Die Steigung der vertikalen Komponente des Magnetfeldes an den Punkten 80A und 80B, wo die Kurve 80 ihr Vorzeichen auf der Kathodenoberfläche ändert, wird durch die Wahl des Permanentmagnetmaterials 56, die Abmessungen der Wand 55 des schalenförmigen Elements 54 und die Position der Wand 55 bezüglich den aktiven Flächen 27A und 27B auf der Kathode 24 geändert. Durch schwache Steigungen (geringere vertikale Steigungen in den Punkten 80A und 80B benachbarten Bereichen)kann eine Querbewegung des Lichtbogens bzw. ein "Wackeln" des Lichtbogens erzeugt werden, weil der Lichtbogen sich um die bevorzugte Lichtbogenbahn bzw. -trajektorie bewegt. Eine scharfe (enge) Lichtbogenbahn und eine kontinuierliche geschmolzene Lichtbogenbahn auf den Kathodenflächen 27A und 27B können dann schwer erzeugt werden, wobei die bei diesen Bedingungen aufgedampften Hartlegierungsschichten zwar eine verringerte Bildung von Makropartikeln zeigen, die Bildung von Makropartikeln jedoch nicht vollständig verhindert wird. In der aufgedampften Schicht vorhandene Makropartikel sind nicht wünschenswert. Durch ein ausgeprägtes Minimum der vertikalen Komponente des Magnetfeldes mit einer ausreichenden Größe, wie bei 80C und 80D in Fig. 6 dargestellt, kann eine stabile bzw. enge Steuerung der Lichtbogenbewegung erreicht und verhindert werden, daß der Lichtbogen sich in Querrichtung bewegt. Stabile Lichtbogenbahnen, die eine Breite besitzen, die so nahe wie möglich bei 0.51 mm (0.020 Zoll) liegt, sind. Zum Beseitigen von Makropartikeln sehr wünschenswert, wenn Hartlegierungsschichten durch eine Bogenbeschichtung aufgedampft werden.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist an der oberen Wand 14 eine elektrische Spule oder Wicklung 68 konzentrisch zur Wellenachse 63 angeordnet. Die Spule 68 umgibt den Kopf 18 und ist im wesentlichen in der Ebene der Kathode 27 angeordnet. Die Spule 68 ist eine Solenoidwicklung, die dazu dient, die vertikalen Magnetfeldkomponenten der Magnetvorrichtung 53 auszulöschen oder wesentlich zu verringern und ein rein paralleles Magnetfeld an bevorzugten Positionen auf der aktiven Fläche der Kathode 24 zu erzeugen. Durch die Überlagerung des Spulenfeldes über das Magnetfeld der Magnetvorrichtung 53 wird eine stabilere bzw. engere Steuerung der geschlossenen Bahn erreicht, wo die vertikalen Feldvektoren gegen Null gehen, um die Lichtbogenbahn 60 zu definieren. Die Leitungen 69 verbinden die Spule 68 mit einer geeigneten regelbaren Stromsteuereinrichtung 69A. Die Steuereinrichtung kann eine manuelle Stromsteuereinrichtung oder eine rechnergesteuerte Einrichtung sein, die programmiert werden kann, um den Strom zur Spule 68 zu steuern. Ein durch die Spule 68 fließender Strom modifiziert das auf den aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24 durch die Magnetvorrichtung 53 erzeugte Hauptmagnetfeld und steuert die Geschwindigkeit des Lichtbogens in dessen Bahn bzw. Spur. Die Richtung des durch die Spule 68 fließenden Stroms wird so gewählt, daß die magnetische Feldstärke senkrecht zur aktiven Fläche 27 der Kathode 24 verstärkt oder verringert wird. Die vertikale Magnetfeldkomponente des Feldes der Magnetvorrichtung 53 kann durch die Überlagerung eines durch den Solenoid 68 erzeugten Magnetfeldes ausgelöscht, größtenteils reduziert oder erhöht werden. Dadurch wird eine stabilere bzw. engere Steuerung der Lichtbogenbahn erreicht.
Die vertikale und die horizontale Komponente des auf die Kathodenoberfläche wirkenden Magnetfeldes sind mit und ohne in der Spule 68 fließendem elektrischem Strom im Diagramm von Fig. 7 dargestellt. Durch die Überlagerung eines zusätzlichen Magnetfeldes (das durch einen durch die Spule 68 fließenden elektrischen Strom erzeugt wird) über das aufgrund der Magnetvorrichtung 53 für die Bogensteuerung vorherrschende Magnetfeld, kann die Steigung der vertikalen Komponente des auf die Kathodenoberfläche entlang der bevorzugten Lichtbogenbahn wirkenden Gesamtmagnetfeldes verändert werden. Steilere oder flachere Steigungen der vertikalen Komponente an den Stellen, wo diese gegen Null geht, werden erhalten, indem die Richtung des Stroms in der Spule 68 geändert wird. Durch die Spule 68 erzeugte Magnetfelder, die dem durch die Magnetvorrichtung 53 für die Bogensteuerung erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet sind, erhöhen die Steigung. Durch Erhöhen des Spulenstroms wird außerhalb der Lichtbogenbahn ein Minimum der vertikalen Komponente des Feldes mit einer ausreichenden Größe erhalten, um eine stabile bzw. enge Steuerung zu erreichen. Dadurch wird die Bewegung des Lichtbogens im wesentlichen stabilisiert und eine Lichtbogenführung in einer stabil gesteuerten engen Lichtbogenbahn ermöglicht. Durch höhere Ströme in der Spule 68 werden größere Steigungen und tiefere Minima erhalten.
Durch das Aktivieren der Spule 68 werden die Abmessungen der Lichtbogenbahn, die primär durch die Wand 55 des Pols 54 gesteuert werden, nicht wesentlich verändert. Das durch den durch die Solenoidwicklung 68 fließenden Strom erzeugte Feld wirkt sich auch auf die horizontale Komponente des Gesamtmagnetfeldes aus. Diese Wirkung ist jedoch nicht sehr groß, weshalb die Bogengeschwindigkeit nicht wesentlich beeinflußt wird, wenn die Spule 68 auf oder in der Nähe der Ebene der aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24 angeordnet wird.
Im Diagramm von Fig. 7 zeigt die oberste Kurve 80 noch einmal die ausschließlich durch die Permanentmagnetanordnung 53 erhaltene vertikale Feldkomponente. Die Kurve 83 zeigt die Wirkung auf die vertikale Feldkomponente des Magnetfeldes über der Kathodenoberfläche durch die Überlagerung eines ersten elektrisch erzeugten Magnetfeldes, das dem Magnetfeld der Magnetvorrichtung für die Lichtbogensteuerung entgegengesetzt wirkt, und das durch einen die Spule 68 durchfließenden ersten Strom erzeugt wird. Die Kurve 84 zeigt die Wirkung eines stärkeren, die Spule 68 durchfließenden zweiten Stroms. Die zum Erzeugen des elektromagnetischen Feldes verwendeten Stromstärken können geändert werden, um verschiedene Verteilungen der vertikalen Feldkomponenten zu erhalten. Die Kurve 81 zeigt die ausschließlich durch die Magnetvorrichtung 53 erzeugte horizontale Feldkomponente. Die Kurve 85 zeigt die horizontale Komponente mit der gleichen Stromstärke wie für die Kurve 83 und die Kurve 86 zeigt das horizontale Feld der gleichen zweiten Stromstärke wie für die Kurve 84. Die Steigung der Linien 83 und 84 an den Stellen, wo die Kurven die Nullinie schneiden, wie an den Punkten 83A, 83B und 84A, 84B kann, wie dargestellt, erhöht werden (d. h., es wird eine größere vertikale Komponente erzeugt).
Durch Verschieben der Spule relativ zur Kathodenoberfläche können wesentliche Änderungen der horizontalen Komponente und damit der Lichtbogengeschwindigkeit erreicht werden. Wenn Targetmaterialien, wie beispielsweise Zirkonium verwendet werden, durch die hohe Lichtbogengeschwindigkeiten erreicht werden können, ist das Verschieben der Spule 68 zum Steuern und Verringern der Lichtbogengeschwindigkeit eine bevorzugte Option.
Wenn die Stromrichtung in der Spule 68 umgekehrt wird, so daß die beiden Magnetfelder in der Magnetvorrichtung 53 bzw. in der Spule 68 in die gleiche Richtung wirken, wird die Steigung der vertikalen Feldkomponente auf der Kathodenoberfläche an den Stellen, wo das vertikale Magnetfeld gegen Null geht, wesentlich verringert. Dies führt zu einer schlechten Lichtbogenlenkung, einer schlechten Lichtbogensteuerung und einer Instabilität des Lichtbogens. Der Lichtbogen bewegt sich bei diesen Verhältnissen in der Form eines "Kommas" spiralförmig nach außen zu den Rändern der Kathode. Durch ausreichend hohe Ströme in der Spule 68 in die umgekehrte Richtung können Lichtbogenbahnen erhalten werden, die außerhalb der aktiven Fläche der Kathode liegen.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, kann an der Bodenwand 13 des Gehäuses 11 axial ausgerichtet zur Spule 68 eine zweite Spule 68A angeordnet werden. Leitungen 69B verbinden die Spule 68A mit einer Stromsteuerschaltung oder -vorrichtung, die der Steuereinrichtung 69A für die Spule 68 gleich sein kann. Die Spulen 68 und 68A können gleichzeitig als Helmholtz-Spulensystem verwendet werden, um das auf jeder der aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode oder des Targets 24 erzeugte Magnetfeld zu modifizieren. Dies ist eine wechselseitige Einrichtung zum Steuern des magnetischen Feldes auf den aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24. Durch diese Anordnung kann, wenn die Spulen 68 und 68A geeignet gewählt werden, das Feld gesteuert werden, um die Lichtbogengeschwindigkeit in vorgegebenen Bereichen der Lichtbogenbahn bezüglich anderen Bereichen zu erhöhen, so daß die Menge des von jeder die Kathode oder das Target bildenden Metallsorte erzeugten Flusses gesteuert wird.
Durch Verwenden einer geeignet dimensionierten und angeordneten Helmholtzspulenanordnung 68 und 68A wird dem auf den Kathodenflächenbereich 27A und 27B aufgrund der Magnetvorrichtung 53 zum Steuern des Lichtbogens wirkenden Magnetfeld ein rein vertikales Magnetfeld überlagert. In diesem Fall wird das horizontale Feld nicht beeinflußt und die Lichtbogengeschwindigkeit auf den Katthodenoberflächenbereichen bleibt unverändert. Die Stabilität des Lichtbogens hängt von der Stromrichtung ab, wenn die Solenoidwicklung 68 verwendet wird.
Wenn der Abstand zwischen den Spulen 68 und 68A größer gemacht wird als deren wirksamer Durchmesser, wird ein Magnetfeld erzeugt, durch das die Steigung der horizontalen Feldkomponente erhöht wird. Dies dient dazu, die Lichtbogengeschwindigkeit auf der Kathodenfläche zu erhöhen. Die Bewegung des Lichtbogens auf der Kathode kann durch eine Stromumkehr abgebremst werden.
In Fig. 6 wird die vertikale Komponente des durch die Steuervorrichtung 53 für die Steuerung des Lichtbogens erzeugten Magnetfeldes willkürlich als positiv vorausgesetzt, wobei das größte positive Feld an der Mitte der Magnetvorrichtung 53 (entlang der Achse 66) an der Oberfläche des Permanentmagneten 56, die am nächsten zu den aktiven Kathodenflächen 27A und 27B angeordnet ist, als Nordpol vorausgesetzt wird. Durch das Einschalten des Magneten 56 wird die Oberfläche, die am nächsten zur Kathode angeordnet ist, der Südpol. Durch ein solches Einschalten des Magneten wird die Position der Lichtbogenbahn nicht geändert und das Bogensteuerungsverfahren nicht beeinflußt. Wenn dies durchgeführt und die Spule 68 zur besseren Lichtbogensteuerung eingeschaltet ist, wird außerdem die Stromrichtung in der Spule 68 zur Lichtbogensteuerung und zur Stabilität des Lichtbogens umgekehrt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann eine geeignete Spannungszufuhreinrichtung 73 über eine Leitung 71 mit der Anode 34 verbunden werden. Die Spannungszufuhr 73 weist eine regelbare Stromsteuereinrichtung 73A auf. Die Zufuhreinrichtung 73 ist außerdem mit einem elektrischen Leiter 74 verbunden, der zum Kathodenhalter 41 führt und dadurch die Kathode 24 in einer bekannten Anordnung mit der Spannung verbindet. Durch eine Änderung des Bogenstroms wird außerdem die Geschwindigkeit des Lichtbogens in der Bogenbahn geändert. Bei dieser Anordnung wird die Zusammensetzung des Flusses durch Ändern des Bogenstroms gesteuert, während die Zusammensetzung und der Aufbau der Kathode, das die Lichtbogenform steuernde Magnetfeld und die Abmessungen des Targets konstant bleiben.
Das Gehäuse 1 (Fig. 1 weist ein Ventil 78 auf, um das Einleiten eines geeigneten Gases, wie beispielsweise Stickstoff oder anderer Gase oder Gasgemische in die Vakuumkammer 12 zu ermöglichen. Ein zweites Ventil 77 kann ein Ausströmventil sein, das zum Regeln des Vakuums in der Kammer 12 bzw. zum Belüften der Kammer verwendet wird.
Bei der Verwendung erzeugt das durch das weichmagnetische Element 54 gehaltene mittlere Magnetelement 56, wie dargestellt, ein kreisförmiges, symmetrisches, geschlossenes magnetisches Randfeld zwischen dem Außenpol 55 und dem Mittelpol 56. Die Geometrie der Anode 34 und der Kathode 24 wird so gewählt, daß das durch die Magnetvorrichtung 53 erzeugte Magnetfeld im allgemeinen senkrecht zum zwischen der Kathode 24 und der Ringanode 34 erzeugten elektrischen Feld ausgerichtet ist, wenn zwischen der Anode und der Kathode ein geeignetes elektrisches Potential angelegt wird. Die Magnetvorrichtung 53 wirkt als Elektronenfalle für Elektronen, die von den aktiven Kathodenflächen 27A und 27B emittiert werden, wenn der Kathode 24 eine Hochspannung zugeführt wird. Der Kathode 24 wird ein negatives Potential zugeführt. Wenn in der Nähe der Kathode 24 kein Magnetfeld vorhanden ist, wird innerhalb der Vakuumkammer eine schwache Entladung induziert. Edelgase wie Argon oder Krypton werden der Kammer 12 über das Ventil 78 zugeführt, um eine magnetronähnliche, selbständige Glimmentladung zu induzieren. Der Entladungsstrom ist eine Funktion der Gassorte, des Kammerdrucks und der angelegten Spannung. Wenn eine Elektronenfalle durch ein hohes elektrisches und magnetisches Feld erzeugt und eine Lichtbogenkathode mit einer rauhen Oberfläche verwendet wird, findet ein Übergang von der magnetronähnlichen Entladung zur Lichtbogenentladung statt.
Wenn eine Lichtbogenspannungszufuhr mit der Kathode und der Anode verbunden und der Kathode durch eine geeignete Einrichtung eine Hochspannung zugeführt wird, um zu verhindern, daß die Hochspannung in die Lichtbogenspannungszufuhr geleitet wird, erfährt die magnetronähnliche Entladung einen Übergang zur Lichtbogenentladung und zündet den Lichtbogen. Die Hochspannungslichtbogen-Zündungszufuhreinrichtung wird anschließend abgeschaltet und der Lichtbogen durch eine Hochstrom-Niederspannungs-Lichtbogenspannungszufuhreinrichtung aufrechterhalten.
Der zwischen der Anode 34 und der Kathode 24 erzeugte Lichtbogen wird durch das Magnetfeld der Magnetvorrichtung 53 (und der Spule 68 oder gegebenenfalls der Spulen 68 und 68A) gelenkt und erhält sich selbst unbegrenzt. Die Lichtbogenbahn oder -trajektorie wird durch die Form des Pols bzw. Elements 56 und den ringförmigen Aufbau des Elements 54 bestimmt. Bei den Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 ist die Lichtbogenbahn, wie in Fig. 4 dargestellt, eine kreisförmige Bahn auf der aktiven Fläche 27 der Kathode 24. Die Lichtbogenbahn kann eine rechteckige, ellipsenförmige oder andere gewünschte Formen annehmen.
Eine entlang der Lichtbogenbahn 60 auftretende starke Lichtbogenabtragung (und dadurch die Erzeugung des Legierungsflusses) würden zu Vertiefungen in den aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24 führen, wenn die Magnetvorrichtung 53 in einer Position verbleibt. Die Abtragungswirkung und die Wirkung des erzeugten Flusses wird durch Drehen der Magnetvorrichtung 53 um die Achse 63 gleichmäßiger über die Oberflächen verteilt. Durch das Drehen der Magnetvorrichtung 53 wird erreicht, daß die durch die Magnetvorrichtung 53 definierte Lichtbogenbahn 60 einer zykloidförmigen Bahn auf der aktiven Fläche 27 der Kathode 24 folgt. Die Abmessungen des Pols 55 und der Kathode 24 können so gewählt werden, daß erreicht wird, daß die Lichtbogenbahn und damit die Lichtbogenabtragung der Kathode auf einen ringförmigen Bereich zwischen der Achse 63 und den Kreisen 70 in Fig. 4 der aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24 begrenzt wird. Der Innenradius dieses Ringbereiches kann Null sein, wobei jedoch, wie dargestellt, ein Radius verwendet wird, der ungleich Null ist. Der Radius kann durch eine geeignete Wahl der Magnetachse 66 und der Form bzw. der Abmessung des Pols 56 geändert werden. Die Geschwindigkeit des Lichtbogens kann durch Regeln des Bogenstroms unter Verwendung der Stromsteuereinrichtung 73A geändert werden. Außerdem kann durch die Verwendung der einstellbaren Stromsteuereinrichtung 69A zum selektiven Steuern der Ströme für die Spulen 68 und 68A die Geschwindigkeit in bestimmten Bereichen der Lichtbogenbahn gesteuert werden.
Rechteckige Lichtbogenbahnen und verbundene teilkreisförmige Lichtbogenbahnen können durch geeignete Änderungen der Geometrie des Pols 55 realisiert werden. Außerdem können andere geschlossene Lichtbogenbahnen, wie dreieckige oder ellipsenförmige Bahnen verwendet werden. Die zu erfüllende Bedingung zum Erzeugen einer geschlossenen Lichtbogenbahn, wie beispielsweise der Bahn 60, ist das Vorhandensein von sich permanent drehenden Magnetfeldvektoren, wo die vertikalen Komponenten der Feldvektoren auf den aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24 gegen Null gehen.
Durch eine strenge Lichtbogenbahnsteuerung wird die lichtbogeninduzierte Kathodenabtragung auf die Lichtbogenbahn begrenzt. Durch die Verwendung eines durch die Spule 68 oder die Spulen 68 und 68A erzeugten zeitabhängigen Magnetfeldes mit einer geeigneten Stärke sowie durch eine gesteuerte Geschwindigkeit des Motors 61 kann außerdem erreicht werden, daß die Lichtbogenbahn Hauptabschnitte der aktiven Flächen 27A und 27B der Kathode 24 überstreicht, um eine Abtragung der Legierungsmaterialien im Verbundtarget bzw. in der Verbundkathode 24 in geeigneten Mengenverhältnissen der beiden verschiedenen Metallsorten 25 und 26 zu gewährleisten. Dadurch wird ein hoher Kathodenmaterial-Ausnutzungsgrad erreicht.
Durch die Ionenaktivität und die verschiedenen erzeugten Dampfdrücke wird erreicht, daß sich der Lichtbogenfleck in dessen definierter Lichtbogenbahn bewegt, die durch das Magnetfeld gesteuert wird. Die erreichte genaue Steuerung ermöglicht eine geeignete Dosierung der den Fluß zum Aufdampfen bildenden Legierungsmetalle. Durch das Einleiten aktiver Gase, wie beispielsweise Stickstoff, durch die Ventile 77 und 78 können Legierungsnitridbeschichtungen hergestellt werden.
Das Metalltarget bzw. die Metallkathode dient als Quelle für den Beschichtungsfluß, wobei durch die Reaktion des durch zwei verschiedene Metallsorten, die aus einer geeigneten Gruppe ausgewählt werden, erhaltenen Flusses mit einem Reaktivgas, wie beispielsweise Stickstoff, Titan-Zirkonium-Nitridbeschichtungen leicht hergestellt werden können. Es wird erwartet, daß Legierungsnitride bessere Eigenschaften besitzen als Mono-Nitride. Durch dieses Verfahren und durch diese Vorrichtung können Legierungsnitride unter Verwendung von Bogenbeschichtungsverfahren kostengünstig und relativ einfach aufgedampft werden, wenn die Lichtbogenbahn genau gesteuert werden kann, um die Dosierung der Legierungsmetalle im Fluß für die aufgedampfte Schicht zu steuern, wobei durch die Steuerung des Lichtbogens in einer gewünschten Bahn die Geschwindigkeit festlegt wird, mit der die Aufdampfung stattfindet, so daß die geeignete Legierungswirkung erreicht wird.
Verbundtargets aus Titan und Zirkonium wurden, wie in den Fig. 3 und 5 dargestellt mit einem Zirkoniumeinsatz in einer Titanbasis hergestellt, um gemischte oder legierte Nitride herzustellen. Nitride von diesen beiden Metallen weisen ein kubisches NaCl-ähnliches Gitter auf und besitzen bekanntermaßen eine permanente Löslichkeit im festen Zustand. Es wird erwartet, daß legierte Nitride der Form (TixZry)N eine Lösungsverfestigungseigenschaft und damit sehr gute Härtungseigenschaften und tribologische Eigenschaften besitzen. Die Synthese solcher legierter Nitride ist daher von wesentlichem technischem und kommerziellem Interesse.
Die Austrittsarbeit von Titan (3.95 Elektronenvolt (eV)) ist geringer als diejenige von Zirkonium (4.12 bis 4.21 eV). Die Schmelztemperatur von Titan ist ebenfalls niedriger als diejenige von Zirkonium. Daher ist es mit einem Verbundtarget praktisch unmöglich, eine gesteuerte Legierungsnitridschicht herzustellen, wenn herkömmliche Bogenbeschichtungsverfahren verwendet werden. Der Lichtbogen neigt dazu, im wesentlichen auf der Oberfläche des Materials zu verbleiben, durch das der übermäßige Dampffluß bei einer niedrigen Temperatur erzeugt wird. Beim vorliegenden Beispiel ist dies Titan.
Wenn im Gegensatz dazu das gesteuerte Bogenbeschichtungsverfahren verwendet wird, wird der Lichtbogen durch Steuern der Lichtbogentrajektorie auf der Verbundkathodenoberfläche unter Verwendung der hierin dargestellten Magnetvorrichtung dazu gezwungen, für kontrollierte bzw. geregelte Zeitdauern im Zirkonium- bzw. im Titanbereich des Targets zu verbleiben. Die Steuerung der Verweilzeit wird durch Messen der Lichtbogengeschwindigkeit im Titan und im Zirkonium bei einem vorgegebenen Satz von Bedingungen für die Bogenbeschichtung erhalten, d. h., aus dem Bogenstrom und der transversalen magnetischen Feldstärke auf der Kathodenoberfläche. Unter Verwendung dieser Information wird die Größe des Zirkoniumeinsatzes bezüglich der Größe des Titanteils und der Umfangslänge der zum Steuern des Lichtbogens verwendeten Lichtbogenbahn ausgewählt.
Durch Reproduzieren des Bogenstroms, der Abmessungen des Targets, das Titan und Zirkonium aufweist, und der Größe der Lichtbogenbahn wird in der aufgedampften Schicht eine genaue Steuerung der Zusammensetzung erreicht. Dieser besondere Aufbau weist einen zusätzlichen Vorteil auf. Für einen festgelegten Satz aus den Abmessungen des Verbundtargets bzw. der Verbundkathode und den Abmessungen der Lichtbogenbahn und der Bogensteuerungsvorrichtung, kann durch eine Änderung des Bogenstroms und dadurch der Bogengeschwindigkeit die Zusammensetzung bzw. die Legierung gesteuert werden. Eine kontinuierliche Veränderung der Zusammensetzung der erzeugten (TixZry)N-Schicht wird daher leicht durch die Steuerung der Spannungszufuhr erreicht.
(TixZry)N-Schichten wurden experimentell unter Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Verbundkathode und durch das gesteuerte Bogenbeschichtungsverfahren hergestellt. Bei einem Bogenstrom von 50 Ampere durch das gesteuerte Bogenbeschichtungsverfahren hergestellte Proben zeigten bei einer Röntgenbeugungsanalyse erste und zweite Beugungs-Peaks bei 35.5 und bei 41.5 Grad, wodurch die Bildung von (TixZry)N angezeigt wird. Die Werte von x und y, die dieser aufgedampften Legierungszusammensetzung entsprechen, variieren und können durch eine bekannte Röntgenfluoreszenzanalyse oder andere Verfahren bestimmt werden. Eine halbquantitative Analyse unter Verwendung eines energiedispersiven Spektrometers ergab atomare Häufigkeiten von 25.5% Zirkonium und 3.3% Titan bei einer auf eine Stahlunterlage aufgedampften Schicht. Die Legierungszusammensetzung ist atomar ein wenig reicher an Titan als an Zirkonium.
Bei Verwendung des gleichen Verbundtargets, des gleichen Bogensteuerungssystems und der gleichen Lichtbogenbahn, ergaben bei einem Bogenstrom von 75 Ampere hergestellte Schichten Röntgenbeugungs-Peaks bei 35, 41 und 59.9 Grad. Eine halbquantitative Analyse ergab relative atomare Häufigkeiten von 29.67% Zirkonium und 18,7% Titan in auf eine Stahlunterlage aufgedampften Schichten. Diese Schicht ist reicher an Zirkonium als an Titan, obwohl eine Kathode mit dem gleichen Aufbau verwendet wurde.
Reinem ZrN bzw. TiN entsprechende Schichten konnten (durch eine Röntgenbeugungsanalyse) in beiden hergestellten Proben nicht festgestellt werden. Ein (TixZry)N entsprechendes Legierungsnitrid wurde hergestellt und die Bildung von Einphasennitrid durch eine Röntgenbeugungsanalyse nachgewiesen.
Bei einer Untersuchung zum Synthetisieren und Aufdampfen von Legierungsnitriden der Form (TixZry)N durch ein herkömmliches Bogenbeschichtungsverfahren, das in der US-A-3625848 und in der US-A-3793179 beschrieben wird, wurde die gleiche Zusammensetzung einer Kathode verwendet. Bei einer Röntgenbeugungsanalyse wurden Peaks bei 36.5 und bei 42.5 Grad erzeugt, die von denen für TiN (36.84 bzw. 42.65 Grad) bei Proben, die durch Bogenströme von 50 Ampere und 75 Ampere hergestellt wurden, leicht abweichen. Eine energiedispersive Röntgenanalyse für eine halbquantitative Berechnung der chemischen Zusammensetzung ergab wesentliche Titanzählimpulse, jedoch kaum feststellbare Zirkoniumzählimpulse.
Sowohl die Röntgenbeugungsanalyse als auch die energiedispersive chemische Röntgenanalyse bestätigen, daß bei Verwendung eines Verbundtargets keine Einphasen-TiN-ZrN-Legierungen erzeugt werden, wenn das herkömmliche Bogenbeschichtungsverfahren verwendet wird.
Durch die vorliegende Erfindung wird das Synthetisieren von Hartlegierungszusammensetzungen (Einphasenmaterialien) von wechselseitig lösbaren Hartlegierungen unter Verwendung einer einzigen Verbundkathode bzw. eines einzelnen Verbundtargets ermöglicht, wobei die Zusammensetzung durch die Wahl der Abmessungen der Titan- und der Zirkoniumabschnitte des Verbundtargets oder durch Ändern des bei dem Verfahren verwendeten Bogenstroms gesteuert werden kann (wobei die Kathodengröße, die magnetische Steuereinrichtung und die Abmessungen der Lichtbogenbahn konstant bleiben).
Außerdem kann die Geschwindigkeit des Lichtbogens in jedem Abschnitt des Targets durch Ändern der Feldstärke der magnetischen Bogensteuerungsvorrichtung gesteuert werden.
Mehrere verschiedene Hartlegierungszusammensetzungen, wie beispielsweise Titan-Hafnium-Nitrid (Ti-Hf-N), Titan-Vanadium-Nitrid (Ti-V-N), Titan-Niobium-Nitrid (Ti-Nb-N), Titan-Tantal-Nitrid (Ti-Ta-N), die teilweise lösbar und daher zum Herstellen "dispersionsgehärteter" Legierungszusammensetzungen geeignet sind, können durch die Verwendung der gleichen Kathodenbasis bzw. des gleichen Kathodenkörpers 25 und des austauschbaren Einsatzes 26 hergestellt werden. Durch derartige Legierungen können außerdem ausscheidungsgehärtete Legierungszusammensetzungen mit einer sehr guten Härte und einem sehr guten Verschleißwiderstand hergestellt werden.
Das Legieren ist nicht auf Ti(M)N beschränkt, wobei (M) für die aus Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Uran (U), Mangan (Mn), Eisen (Fe) oder Platin (Pt) gebildete Metallgruppe stehen kann, sondern es können auch Zusammensetzungen der Form Zr(M)N, Hf(M)N, V(M)N, Ta(M)N, Cr(M)N, Mo(M)N oder W(M)N hergestellt werden. Ferner sind Legierungszusammensetzungen der Karbidgruppe unter Verwendung kohlenstoffreicher Gase anstelle von Stickstoff für die reaktive Synthese eingeschlossen. Mischoxide, sowie Kohlenstoff-Nitride, Sauerstoff-Karbide, Sauerstoff-Nitride usw. können beim gesteuerten Bogenbeschichtungsverfahren durch entsprechende Gasgemische hergestellt werden.
Es wurde gezeigt, daß verbesserte Beschichtungen hergestellt werden können und daß eine Bogenbeschichtung mit Verbundtargets eine kostengünstige Möglichkeit zum Herstellen verbesserter Beschichtungen für Friktions- und Verschleißanwendungen bietet. Der gesteuerte Lichtbogen und die Steuerung der Lichtbogenbahn ist wesentlich, um die Zusammensetzung und Reproduzierbarkeit der Beschichtung zu gewährleisten, weil die verschiedenen steuerbaren Faktoren, wie beispielsweise die Spannungspegel zur Anode und zur Kathode, die Größe der Kathode und die relative Position bzw. das Volumen der jeweiligen für die Legierung verwendeten Metalle und andere physikalische Faktoren leicht gesteuert werden können, wohingegen, wenn die Lichtbogenbahn nicht festgelegt, reproduzierbar und auf eine gewünschte Weise gesteuert wird, die Menge der jeweiligen Metalle im durch den Lichtbogen erzeugten Fluß sich verändern kann, wodurch die Beschichtung nicht geeignet hergestellt werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Legierungsschicht auf einem Bauteil (32) mit den Schritten:

Verwenden einer Anode (34) und einer Kathode (24), um einen Plasmaentladungs-Lichtbogen zu bilden, wobei die Kathode (24) so geformt ist, daß sie eine aktive Targetfläche (27A, 27B) aufweist, Bilden eines Lichtbogens zwischen der Anode und der Kathode und Erzeugen eines an die Kathode angrenzenden Magnetfeldes, um eine geschlossene Lichtbogenbahn (60) zu definieren, dadurch gekennzeichnet, daß

die Targetfläche (27A, 27B) aus mindestens zwei verschiedenen Metallen (25, 26) in verschiedenen aktiven Flächenabschnitten (27A, 27B) gebildet wird, wobei die aktiven Flächenabschnitte an die Anode (34) angrenzen;

beim Schritt zum Bilden des Lichtbogens ein Materialfluß erzeugt wird, der einen gewünschten Anteil jedes der verschiedenen Metalle (25, 26) enthält, um auf dem Bauteil (32) eine Überzugschicht zu bilden;

und beim Schritt zum Erzeugen des Magnetfelds die geschlossene Lichtbogenbahn (60) definiert wird, so daß die Ausbreitung des Lichtbogens unabhängig von den die aktiven Flächenabschnitte (27A, 27B) bildenden Materialien durch das Vorhandensein des Magnetfeldes auf den beiden verschiedenen aktiven Flächenabschnitten (27A, 27B) der Kathode (24) begrenzt ist, so daß, wenn der Lichtbogen sich in der geschlossenen Lichtbogenbahn (60) bewegt, der Lichtbogen sich dabei über Bereiche der beiden verschiedenen Flächenabschnitte (27A, 27B) bewegt, wobei die Lichtbogenbahnlänge bezüglich der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtbogens definiert ist, so daß die Kathodenmaterialien in der Lichtbogenbahn (60) geschmolzen bleiben, wenn der Lichtbogen sich während des Betriebs innerhalb der Lichtbogenbahn (60) bewegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kathode (24) eine im wesentlichen flache aktive Oberfläche besitzt, und wobei ein erster Flächenabschnitt (27H) aus einem ersten Metall (26) konzentrisch zur Mittelachse (63) der Kathode ausgebildet ist und ein zweiter Flächenabschnitt (27A) aus einem zweiten Metall (25) den ersten Flächenabschnitt (27H) umgibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtbogenbahn (60) um eine Mittelachse (63) gedreht wird und die Lichtbogenbahn sich während jeder ihrer Umdrehungen permanent über die beiden Flächenabschnitte (27A, 27B) erstreckt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Schritt: Verwenden einer zweiten, separaten Magneteinrichtung (68), um das zuerst erwähnte Magnetfeld zu verändern, um durch Erhöhen der Steigung der vertikalen Komponente (80) des Magnetfeldes an der Stelle, wo die vertikale Komponente den Wert Null annimmt (80A, 80H), den Lichtbogen zu steuern.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (34) eine Ringanode ist und eine zur Ringanode (34) und zur Kathode (24) offene Vakuumkammer (12) vorgesehen ist, und wobei der erzeugte Fluß durch die Anode (34) in die Vakuumkammer (12) strömt, und mit dem Schritt: Einleiten eines gewünschten Gases, das mit dem Fluß kombiniert wird, in die Vakuumkammer (12), um auf einem in der Vakuumkammer angeordneten Bauteil (32) eine Schicht auf zubringen.

6. Verfahren nach Anspruch 5 mit dem Schritt: Bereitstellen von Stickstoffgasin der Vakuumkammer (12), um auf dem geschmolzenen Material in der Lichtbogenbahn (60) eine Metallnitridschicht auszubilden.