RU2033475C1 - Method of vacuum condensation application of coats - Google Patents

Abstract

FIELD: protective and decorative coats in metallurgy. SUBSTANCE: by creating the flow of vapor by bombardment of target being sprayed with electron beam scanning over its surface and directing the vapor flow on backing followed by its condensation and forming of coat electron beam is fixed at each point of target within time t preset by relationship given in description. EFFECT: enhanced efficiency of evaporation through reduction of specific power expenditure. 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, а более конкретно к получению защитных и декоративных покрытий, и может найти применение практически во всех отраслях машиностроения и металлообработки. The invention relates to metallurgy, and more specifically to the production of protective and decorative coatings, and can find application in almost all branches of engineering and metalworking.

Известен способ конденсационного нанесения покрытий в вакууме, по которому создают дуговой разряд низкого давления между катодом и коаксиально ему расположенным анодом, распыляют катод, создают поток пара и конденсируют покрытие на подложке. A known method of condensation coating in vacuum, which create an arc of low pressure between the cathode and the anode coaxially located thereon, spray the cathode, create a vapor stream and condense the coating on the substrate.

Недостаток данного способа состоит в наличии в потоке пара микрокапель величиной в десятки микронов, которые, осаждаясь на подложке, ухудшают качество покрытия (в частности, снижают адгезию и негативно влияют на электрофизические и оптические свойства напыленного слоя). The disadvantage of this method is the presence in the steam stream of microdrops of tens of microns in size, which, deposited on the substrate, impair the quality of the coating (in particular, reduce adhesion and adversely affect the electrophysical and optical properties of the sprayed layer).

Наиболее близким к изобретению является способ вакуумного конденсационного нанесения покрытий, по которому создают поток пара путем бомбардировки распыляемой мишени сканирующим по ее поверхности электронным пучком, направляют поток пара на подложку и конденсируют покрытие на подложке. За счет непрерывного сканирования электронного пучка по поверхности мишени последняя поддерживается в расплавленном состоянии. Closest to the invention is a method of vacuum condensation coating, in which a vapor stream is created by bombarding the sprayed target with an electron beam scanning on its surface, the vapor stream is directed onto the substrate and the coating is condensed on the substrate. Due to the continuous scanning of the electron beam over the target surface, the latter is maintained in the molten state.

Этот cпоcоб, принятый в качестве прототипа изобретения, также не свободен от недостатков. Так, для него характерна невысокая эффективность испарения, особенно при использовании водоохлаждаемой мишени. This method, adopted as a prototype of the invention, is also not free from disadvantages. So, it is characterized by low evaporation efficiency, especially when using a water-cooled target.

Изобретение позволяет устранить указанный недостаток прототипа, повысить эффективность процесса за счет снижения энергозатрат. The invention allows to eliminate the specified disadvantage of the prototype, to improve the efficiency of the process by reducing energy consumption.

Указанная задача решается благодаря тому, что по способу, по которому создают поток пара путем бомбардировки распыляемой мишени сканирующим по ее поверхности электронным пучком, направляют поток пара на подложку и конденсируют покрытие на подложке, осуществляют фиксацию электронного пучка в каждой из бомбардируемых точек поверхности распыляемой мишени в течение времени t, определяемого по формуле:
K

<t<

где L, δ C, Т_пл и а соответственно удельная теплота испарения, глубина пробега электронов, удельная теплоемкость, температура плавления и коэффициент температуропроводности материала мишени;
U_э и Р_э соответственно ускоряющее напряжение и поверхностная плотность мощ- ности электронного пучка; К 2,35 ˙ 10^-15 коэффициент пропорциональности.This problem is solved due to the fact that according to the method by which a vapor stream is created by bombarding a sprayed target with an electron beam scanning on its surface, the steam stream is directed onto the substrate and the coating is condensed on the substrate, the electron beam is fixed in each of the bombarded points of the surface of the sprayed target in the flow of time t, determined by the formula:
K

<t <

where L, δ C, T _pl and a, respectively, specific heat of evaporation, electron mean free path, specific heat, melting temperature and thermal diffusivity of the target material;
U _e and R _e, respectively, accelerating voltage and surface power density of the electron beam; To 2.35 ˙ 10 ^-15 coefficient of proportionality.

Фиксирование электронного пучка в каждой из точек поверхности распыляемой мишени при соблюдении зависимости (1) между свойствами материала мишени, энергетическими параметрами электронного пучка и временем фиксации приводит к взрывному (близкому к сублимационному характеру эмиссии материала мишенью. Указанный характер испарения качественно отличен от такового в прототипе. The fixation of the electron beam at each point on the surface of the sputtered target, subject to dependence (1) between the properties of the target material, the energy parameters of the electron beam and the fixation time, leads to explosive (close to the sublimation nature of the emission of the material by the target. This characterization of evaporation is qualitatively different from that in the prototype.

Взрывное испарение материала происходит в малом объеме, где имеют место торможение электронов и выделение энергии электронного пучка. При этом более 60% его энергии расходуется на испарение материала мишени, а тепловые потери на нагрев всей мишени не превышают 5.15%
При реализации способов нанесения покрытий, принятых в качестве аналога и прототипа, составы конденсата и испаряемого сплава существенно различаются. Конденсат обогащается элементом сплава с более высоким парциальным давлением паров. В результате избирательного испарения формируется покрытие со слоистой структурой. Для выравнивания химического состава и изменения структуры слоя приходится применять дополнительную операцию (высокотемпературный отжиг).Explosive evaporation of the material takes place in a small volume, where electron braking and electron beam energy release take place. Moreover, more than 60% of its energy is spent on the evaporation of the target material, and the heat loss on heating the entire target does not exceed 5.15%
When implementing coating methods adopted as an analogue and prototype, the compositions of the condensate and the vaporized alloy are significantly different. Condensate is enriched in an alloy element with a higher partial vapor pressure. As a result of selective evaporation, a coating with a layered structure is formed. To equalize the chemical composition and change the structure of the layer, an additional operation (high-temperature annealing) has to be applied.

Использование изобретения позволяет, с одной стороны, исключить образование крупнокапельной фазы, что объясняется близким к сублимационному характером эмиссии напыляемого материала, а с другой стороны максимально приблизить состав конденсированного покрытия к составу материала распыляемой мишени. The use of the invention allows, on the one hand, to exclude the formation of a large droplet phase, which is explained by the close to sublimation nature of the emission of the sprayed material, and on the other hand, maximally approximate the composition of the condensed coating to the composition of the material of the sprayed target.

На чертеже представлена схема для реализации способа. The drawing shows a diagram for implementing the method.

С помощью источника 1 создается электронный пучок 2, который направляется на поверхность распыляемой мишени 3. Посредством отклоняющей системы 4 осуществляются сканирование электронного пучка по поверхности распыляемой мишени и его фиксирование в отдельных ее точках на время t, заданное зависимостью (1). Кратковременная интенсивная бомбардировка микроучастка распыляемой мишени (точка 5) в течение указанного времени приводит к взрывному (близкому к сублимационному) испарению микрообъема материала. Образовавшийся паровой поток 6 направляется на подложку 7, где производится конденсация с образованием покрытия. Электронный пучок 2 посредством отклоняющей системы 4 перемещается в другую точку (8) поверхности распыляемой мишени, и элементарный цикл повторяется до образования покрытия требуемой толщины на подлежащей напылению поверхности подложки. Using the source 1, an electron beam 2 is created, which is directed to the surface of the sputtering target 3. By means of a deflecting system 4, the electron beam is scanned over the surface of the sputtered target and fixed at its individual points for a time t specified by dependence (1). Short-term intensive bombardment of the micro-region of the sprayed target (point 5) during the indicated time leads to explosive (close to sublimation) evaporation of the microvolume of the material. The resulting vapor stream 6 is directed to the substrate 7, where condensation is produced with the formation of a coating. The electron beam 2 by means of a deflecting system 4 moves to another point (8) of the surface of the spray target, and the elementary cycle is repeated until a coating of the required thickness is formed on the substrate surface to be sprayed.

Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами его практической реализации. The possibility of carrying out the invention is confirmed by examples of its practical implementation.

П р и м е р 1. Наносили покрытие с использованием признаков способа, включенных в формулу изобретения, и способа-прототипа. Материал распыляемой мишени медь. Результаты испытаний сведены в таблицу. PRI me R 1. Applied a coating using the features of the method included in the claims, and the prototype method. The material of the sprayed target is copper. The test results are summarized in table.

Таким образом, эффективность испарения повысилась почти в 8 раз. Thus, the evaporation efficiency increased by almost 8 times.

П р и м е р 2. Параметры способа такие же, как в примере 1, однако время t выбрано равным 12 мкс. При этом испарение практически прекращалось ввиду малости времени фиксирования: энергии, подводимой электронами, оказалось недостаточно для обеспечения взрывного характера испарения материала. PRI me R 2. The parameters of the method are the same as in example 1, however, the time t is chosen equal to 12 μs. In this case, the evaporation practically stopped due to the short fixation time: the energy supplied by the electrons was not enough to ensure the explosive nature of the evaporation of the material.

Claims (1)

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

где L, δ C, T_{п л}, a соответственно удельная теплота испарения, глубина пробега электронов, удельная теплоемкость, температура плавления и коэффициент температуропроводности материала распыляемой мишени,
V_э, P_э соответственно ускоряющее напряжение и поверхностная плотность мощности электронного пучка;
K 2,35 · 10^{- 1 5} коэффициент пропорциональности.METHOD OF VACUUM CONDENSATION COVERING, in which a steam stream is created by bombarding the sprayed target with an electron beam scanning on its surface, direct the steam stream onto the substrate and condense the coating on the substrate, characterized in that the electron beam is fixed in each of the bombarded points of the surface of the sprayed target in the passage of time t determined by the formula

where L, δ C, T _{p l} , a, respectively, specific heat of evaporation, electron mean free path, specific heat, melting temperature and thermal diffusivity of the material of the sprayed target,
V _e , P _e, respectively, accelerating voltage and surface power density of the electron beam;
K 2.35 · 10 ^{- 1 5} coefficient of proportionality.

Images