RU2649355C1 - METHOD OF SYNTHESIS OF TiN-Cu COMPOSITE COATINGS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION - Google Patents

METHOD OF SYNTHESIS OF TiN-Cu COMPOSITE COATINGS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION Download PDF

Info

Publication number
RU2649355C1
RU2649355C1 RU2017115297A RU2017115297A RU2649355C1 RU 2649355 C1 RU2649355 C1 RU 2649355C1 RU 2017115297 A RU2017115297 A RU 2017115297A RU 2017115297 A RU2017115297 A RU 2017115297A RU 2649355 C1 RU2649355 C1 RU 2649355C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tin
magnetron
copper
synthesis
compartment
Prior art date
Application number
RU2017115297A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Петрович Семенов
Дмитрий Бадма-Доржиевич Цыренов
Ирина Александровна Семенова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2017115297A priority Critical patent/RU2649355C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2649355C1 publication Critical patent/RU2649355C1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to method and apparatus for synthesizing superhard composite TiN-Cu coating and can be used to harden working edges of cutting tool. Method includes synthesis of TiN at arc discharge current of 60–90 A in Cu vapor dosed in synthesis zone from vaporization zone of Cu, sputtering with Cu magnetron discharge at current of 0.6–1 A. Copper vapor is discharged through slit hole in wall separating zones steam formation of Cu and synthesis of TiN. Device comprises vacuum arc evaporator, planar magnetron, vacuum chamber of plasma chemical reactor, substrate holder and reaction gas supply system, nitrogen. Chamber of plasma-chemical reactor is divided by diaphragm wall into two compartments: TiN synthesis compartment and Cu vapor formation compartment. In diaphragm wall there is slotted hole coaxial with symmetry axis of magnetron. Planar magnetron and vacuum-arc evaporator are installed: first is vertical, second is horizontal.
EFFECT: increase in process efficiency due to optimization of technological parameters of synthesis of TiN-Cu composite coating with thermal stability, mechanical, tribological and thermophysical properties and controlled formation of nanostructured grain structure.
2 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технике нанесения покрытий путем проведения неравновесных сопряженных плазмохимических процессов, объединяющих испарение вакуумно-дуговым разрядом титана, магнетронное распыление меди и синтез нитрида титана в парах меди. Может быть использовано для упрочнения рабочих кромок режущего инструмента, нанесения сверхтвердых покрытий полифункционального назначения, в частности износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионно-стойких.The invention relates to a coating technique by conducting non-equilibrium conjugated plasma-chemical processes combining evaporation by vacuum arc discharge of titanium, magnetron sputtering of copper and synthesis of titanium nitride in copper vapor. It can be used to harden the working edges of the cutting tool, to apply superhard coatings of multifunctional use, in particular, wear-, impact-, heat-, crack- and corrosion-resistant.

Известен способ получения многослойного многофункционального покрытия (патент RU 2533576, C23C 14/35, 14/06, 2013). Способ включает ионную очистку поверхности и нанесение слоев покрытия дуальной магнетронной системой с титановым и алюминиевым катодами. Слои покрытия наносят на расстоянии от мишеней до поверхности 140-150 мм. Скорость вращения поверхности 20-25 об/мин. Температура поверхности 473-523 К. Сначала наносят подслой титана Ti в среде аргона с увеличением разрядного тока на титановой мишени. Затем наносят переходный слой нитрида титана TiN магнетронным распылением титановой мишени в газовой смеси азота и аргона с увеличением разрядного тока на титановой мишени, после чего наносят чередующиеся слои нитрида титана TiN и Ti-Al-N с нанокристаллической и поликристаллической структурой в газовой смеси азота и аргона. Нанесение чередующихся слоев повторяют не менее двух раз до получения необходимой толщины покрытия и верхним наносят слой Ti-Al-N с нанокристаллической структурой. Обеспечивается получение покрытия с высокими физико-механическими свойствами, низким коэффициентом трения, высокой адгезионной прочностью подслоя с материалом подложки и между слоями. Несмотря на упрощение процесса нанесения покрытий в единой технологической установке с предусмотрением нанесения адгезионных слоев основным недостатком способа является низкая эффективность процесса, сложность управления и недостаточная воспроизводимость свойств покрытий.A known method of producing a multilayer multifunctional coating (patent RU 2533576, C23C 14/35, 14/06, 2013). The method includes ion surface cleaning and coating layers with a dual magnetron system with titanium and aluminum cathodes. The coating layers are applied at a distance from the targets to a surface of 140-150 mm. The surface rotation speed is 20-25 rpm. The surface temperature is 473-523 K. First, a titanium sublayer Ti in an argon medium is applied with an increase in the discharge current on the titanium target. Then, a transition layer of titanium nitride TiN is applied by magnetron sputtering of a titanium target in a gas mixture of nitrogen and argon with increasing discharge current on a titanium target, after which alternating layers of titanium nitride TiN and Ti-Al-N with a nanocrystalline and polycrystalline structure in a gas mixture of nitrogen and argon are applied . The application of alternating layers is repeated at least two times until the required coating thickness is obtained, and a Ti-Al-N layer with a nanocrystalline structure is applied to the top. It provides a coating with high physical and mechanical properties, low friction coefficient, high adhesive strength of the sublayer with the substrate material and between the layers. Despite the simplification of the coating process in a single technological installation with the provision of applying adhesive layers, the main disadvantage of the method is the low efficiency of the process, the complexity of the control and the lack of reproducibility of the properties of the coatings.

Известны установки для нанесения покрытий (полезная модель к патенту RU 49825, C23C 14/32, 14/35, 2005; 127381 C23C 14/35, 2012). Установки содержат размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки, и подложку, на которую наносится покрытие, источник питания катода. В вакуумную камеру введен магнетронный распылитель с мишенью из другого материала покрытия и источником питания магнетрона. Притом конструкция может быть усложнена введением второго дугового испарителя с источником питания и трех магнетронных распылителей с источниками их питания, при этом дуговые испарители и магнетронные распылители выполнены несбалансированными. Существенный недостаток - технические решения обеспечивают необходимые (наличие вакуумно-дугового испарителя и планарного магнетрона), но недостаточные условия для синтеза наноструктурированных композитных покрытий TiN-Cu. Технические сложности управления составом покрытий, связанные с открытым переносом распыляемых и испаряемых паров компонентов с одного катода на другой.Known installations for coating (utility model for patent RU 49825, C23C 14/32, 14/35, 2005; 127381 C23C 14/35, 2012). The plants contain an arc evaporator located in a vacuum chamber with nitrogen supply and pumping out, consisting of a cathode of an evaporated coating material and a stabilizing coil, and a substrate on which the coating is applied, a cathode power source. A magnetron atomizer with a target from another coating material and a magnetron power source is introduced into the vacuum chamber. Moreover, the design can be complicated by the introduction of a second arc evaporator with a power source and three magnetron sprays with their power sources, while the arc evaporators and magnetron sprays are made unbalanced. A significant drawback is that technical solutions provide the necessary (the presence of a vacuum arc evaporator and planar magnetron), but insufficient conditions for the synthesis of nanostructured TiN-Cu composite coatings. Technical difficulties in controlling the composition of coatings associated with the open transfer of atomized and vaporized component vapors from one cathode to another.

Известен способ получения износостойкого покрытия (патент RU 2361013, C23C 14/16, B23B 27/14, 2008). Покрытие характеризуется повышенной трещиностойкостью, благодаря чередования слоев с различной структурой и свойствами. Способ включает очистку поверхности последовательно в тлеющем разряде, в плазме магнетронного разряда, ионную очистку электродуговыми испарителями при нагреве поверхности до 300-350°C. Нижний слой титана наносят магнетронным распылением титановой мишени. Далее наносят чередующиеся слои нитрида титана и нитрида циркония в газовой смеси инертного и реакционного газа. Слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени. Слои нитрида циркония получают электродуговым испарением циркониевого катода. Верхний слой нитрида титана и циркония наносят, одновременно проводя магнетронное распыление титановой мишени и электродуговое испарение циркониевого катода в газовой смеси инертного и реакционного газов. В качестве реакционного газа используют азот. Эффективность достигается за счет трехступенчатой предварительной очистки поверхности инструмента и применения комбинированного метода нанесения слоев. Недостатком способа является то, что твердость слоя из нитрида циркония недостаточна для работы режущего инструмента в прерывистом режиме, при воздействии на инструмент ударных нагрузок. Слои характеризуются частично упорядоченной структурой, что влияет на твердость получаемого покрытия и обуславливает его недостаточную износостойкость, особенно на инструментальных сталях.A known method of obtaining a wear-resistant coating (patent RU 2361013, C23C 14/16, B23B 27/14, 2008). The coating is characterized by increased crack resistance, due to the alternation of layers with different structure and properties. The method includes cleaning the surface sequentially in a glow discharge, in a magnetron discharge plasma, ion cleaning by electric arc evaporators when the surface is heated to 300-350 ° C. The lower layer of titanium is applied by magnetron sputtering of a titanium target. Next, alternating layers of titanium nitride and zirconium nitride are applied in a gas mixture of an inert and reaction gas. Layers of titanium nitride are obtained by magnetron sputtering of a titanium target. Zirconium nitride layers are obtained by electric arc evaporation of a zirconium cathode. The upper layer of titanium nitride and zirconium is deposited simultaneously by magnetron sputtering of a titanium target and electric arc evaporation of a zirconium cathode in a gas mixture of inert and reaction gases. Nitrogen is used as the reaction gas. Efficiency is achieved through a three-stage preliminary cleaning of the tool surface and the use of a combined method of applying layers. The disadvantage of this method is that the hardness of the layer of zirconium nitride is insufficient for the cutting tool to operate intermittently when exposed to shock loads. The layers are characterized by a partially ordered structure, which affects the hardness of the resulting coating and causes its insufficient wear resistance, especially on tool steels.

Известна установка для нанесения многослойных покрытий с периодической структурой методом магнетронного распыления (патент RU 2308538, C23C 14/35, 14/56, 2006), характеризующаяся повышенным качеством и механическими свойствами покрытий, расширенными функциональными возможностями, увеличенной производительностью. Устройство содержит вакуумную камеру. В центре вакуумной камеры расположено карусельное устройство для размещения изделий-подложек. По меньшей мере две прямоугольные несбалансированные магнетронные распылительные системы (магнетроны) выполнены на постоянных магнитах, размещены симметрично и параллельно оси вращения карусельного устройства и снаряжены различными по составу мишенями. Магнетроны имеют одинаковую полярность и размещены внутри карусельного устройства так, что нормали к поверхности мишеней направлены по радиусам карусельного устройства в сторону от оси его вращения. Напротив каждого магнетрона, по другую сторону от карусельного устройства, размещен магнитный узел противоположной полярности. Источник напряжения смещения электрически соединен с карусельным устройством и системой электропитания магнетронов. Система питания выполнена импульсной с устройствами дугогашения. Источник напряжения смещения имеет устройство синхронизации системы электропитания магнетронов. Главным недостатком является диффузионный перенос распыленных атомов с одного магнетрона на другой, в результате чего между нанослоями покрытия образуется смесевой переходный субслой, который приводит к снижению механических свойств покрытия. Кроме того, к недостатком устройства относится сложность управления системой электропитания магнетронов и недостаточная воспроизводимость свойств покрытий.A known installation for applying multilayer coatings with a periodic structure by the method of magnetron sputtering (patent RU 2308538, C23C 14/35, 14/56, 2006), characterized by improved quality and mechanical properties of the coatings, expanded functionality, increased productivity. The device contains a vacuum chamber. In the center of the vacuum chamber there is a carousel device for placement of substrate products. At least two rectangular unbalanced magnetron sputtering systems (magnetrons) are made with permanent magnets, placed symmetrically and parallel to the axis of rotation of the carousel device, and are equipped with targets with different compositions. Magnetrons have the same polarity and are placed inside the carousel device so that the normals to the target surface are directed along the radii of the carousel device away from the axis of rotation. Opposite each magnetron, on the other side of the carousel, a magnet assembly of opposite polarity is placed. The bias voltage source is electrically connected to the carousel device and the magnetron power supply system. The power system is made pulsed with arc suppression devices. The bias voltage source has a magnetron power supply synchronization device. The main disadvantage is the diffusion transfer of atomized atoms from one magnetron to another, as a result of which a mixed transition sublayer is formed between the nanolayers of the coating, which leads to a decrease in the mechanical properties of the coating. In addition, the disadvantage of the device is the difficulty of controlling the power supply system of the magnetrons and the lack of reproducibility of the properties of the coatings.

Известны: установка для ионно-лучевой и плазменной обработки (патент RU 2496913, C23C 14/48, 14/24, 14/35, 2011) и установка для комплексной ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий (полезная модель к патенту RU 97730, C23C 14/00, 14/02, 14/22, 14/58, 2009). Установки содержат систему подачи газов, откачную систему, источники питания и блок управления. Приспособление для размещения обрабатываемых изделий выполнено поворотным. В качестве технологических модулей установки содержат по крайней мере один протяженный вакуумно-дуговой генератор металлической плазмы, протяженный генератор газовой плазмы, среднечастотный дуальный магнетрон, источник ионов металлов, источник ионов газов, источник напряжения смещения, выполненный с возможностью обеспечения ионной имплантации и (или) осаждения покрытий, причем вакуумная камера выполнена из немагнитной нержавеющей стали размерами: диаметр от 900 мм до 1000 мм, высота от 1300 мм до 1400 мм. Поворотное приспособление для размещения обрабатываемых изделий выполнено с возможностью размещения длинномерных изделий. Электродуговые испарители снабжены плазменными фильтрами для отделения капельной фракции. Техническим результатом изобретения является обеспечение одновременной или последовательной комплексной поверхностной обработки, включающей очистку и активацию поверхности, нанесение различного вида функциональных многослойных покрытий, модифицирование поверхности металлической и газовой плазмой. Существенным недостатком является сложность конструкции, высокий расход электроэнергии и материалов, сравнительно высокое содержание капельной фракции, трудность получения композитных покрытий с низкой концентрацией паров меди менее 10 ат. % и ограниченность технологических возможностей, вследствие чего не представляется возможным получение нанокомпозитных покрытий TiN-Cu.Known: installation for ion-beam and plasma processing (patent RU 2496913, C23C 14/48, 14/24, 14/35, 2011) and installation for complex ion-plasma processing and coating (utility model for patent RU 97730, C23C 14/00, 14/02, 14/22, 14/58, 2009). Installations contain a gas supply system, a pumping system, power sources and a control unit. The device for placing the processed products is made rotary. The technological modules of the installation include at least one extended vacuum-arc metal plasma generator, an extended gas plasma generator, a mid-frequency dual magnetron, a metal ion source, a gas ion source, a bias voltage source configured to provide ion implantation and (or) deposition coatings, and the vacuum chamber is made of non-magnetic stainless steel with dimensions: diameter from 900 mm to 1000 mm, height from 1300 mm to 1400 mm. The rotary device for placing the processed products is arranged to accommodate long products. Electric arc evaporators are equipped with plasma filters to separate the droplet fraction. The technical result of the invention is the provision of simultaneous or sequential complex surface treatment, including cleaning and activation of the surface, applying various types of functional multilayer coatings, surface modification with metal and gas plasma. A significant drawback is the complexity of the design, the high consumption of electricity and materials, the relatively high content of the droplet fraction, the difficulty of obtaining composite coatings with a low concentration of copper vapor of less than 10 at. % and limited technological capabilities, as a result of which it is not possible to obtain TiN-Cu nanocomposite coatings.

Известен способ получения покрытия на основе сложных нитридов (патент RU 2429311, C23C 14/06, 14/24, 14/35, 2010). Согласно способу подложку помещают в вакуумную камеру установки, оснащенную магнетронным распылителем, электродуговым испарителем и резистивным нагревателем, проводят очистку поверхности подложки в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности резистивным нагревателем до 100°C и ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа при нагреве поверхности до температуры 300-350°C. Затем на подложку наносят нижний слой титана электродуговым испарителем титанового катода в среде инертного газа и чередующиеся слои из двухкомпонентного нитрида титана и трехкомпонентного нитрида титана и алюминия в газовой смеси инертного и реакционного газов. Первым наносят слой нитрида титана, а последним - слой нитрида титана и алюминия. Слои нитрида титана получают магнетронным распылением титановой мишени, а слои нитрида титана и алюминия получают при одновременном электродуговом испарении алюминиевого катода и магнетронном распылении титановой мишени. Технический результат - повышение износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионно-стойкости обрабатываемой поверхности. Чередование слоев с различной структурой, химическим составом, строением и свойствами позволяет получить многофункциональное покрытие и повысить работоспособность и эффективность упрочненной подложки в условиях истирающих, ударных и теплосиловых нагрузок, воздействия окислительной и (или) агрессивной среды. Общим недостатком способа получения покрытия на основе сложных нитридов является взаимное влияние электродугового и магнетронного разрядов, сложность стабилизации их стационарного горения и управления, диффузионное проникновение и перекрестный перенос паров титана и алюминия на испаряемые и распыляемые катоды и, как следствие, недостаточная повторяемость свойств покрытий, неконтролируемое изменение их свойств. Кроме того, недостатком является сложность управления процессом нанесения покрытия.A known method of producing coatings based on complex nitrides (patent RU 2429311, C23C 14/06, 14/24, 14/35, 2010). According to the method, the substrate is placed in a vacuum chamber of the installation equipped with a magnetron atomizer, an electric arc evaporator and a resistive heater, the surface of the substrate in a glow discharge is cleaned by non-contact heating of the surface by a resistive heater to 100 ° C, and ion cleaning by an electric arc evaporator in an inert gas medium when the surface is heated to a temperature 300-350 ° C. Then, a lower layer of titanium is applied to the substrate by an electric arc evaporator of a titanium cathode in an inert gas medium and alternating layers of two-component titanium nitride and three-component titanium and aluminum nitride in a gas mixture of inert and reaction gases. The first is applied a layer of titanium nitride, and the last is a layer of titanium nitride and aluminum. Layers of titanium nitride are obtained by magnetron sputtering of a titanium target, and layers of titanium nitride and aluminum are obtained by simultaneous electric arc evaporation of an aluminum cathode and magnetron sputtering of a titanium target. The technical result is an increase in wear, shock, heat, crack and corrosion resistance of the treated surface. The alternation of layers with different structure, chemical composition, structure and properties makes it possible to obtain a multifunctional coating and increase the performance and efficiency of the hardened substrate under conditions of abrasion, shock and heat stress, exposure to oxidizing and (or) aggressive environments. A common disadvantage of the method for producing coatings based on complex nitrides is the mutual influence of electric arc and magnetron discharges, the difficulty of stabilizing their stationary combustion and control, diffusion penetration and cross-transfer of titanium and aluminum vapors to evaporated and sprayed cathodes and, as a result, insufficient repeatability of coating properties, uncontrolled change in their properties. In addition, the disadvantage is the difficulty of controlling the coating process.

Известна установка для нанесения вакуумных покрытий (полезная модель к патенту RU 124262, C23C 14/35, 2012). Установка содержит вакуумную камеру, по меньшей мере две прямоугольные несбалансированные магнетронные распылительные системы (МРС), выполненные на постоянных магнитах. Вакуумная камера снабжена выполненным с возможностью вращения устройством для расположения МРС, содержащим оси вращения и подшипниковые узлы, при этом подшипниковые узлы вынесены за пределы вакуумной камеры и установлены на ее наружной поверхности. Вращающееся устройство для расположения МРС размещено в центре вакуумной камеры, а вокруг него жестко и статично закреплена оснастка для установки подложек, выполненная с возможностью удерживания подложки большой массы. К характерному недостатку установки относится техническая непригодность устройства для создания нанокомпозитных покрытий TiN-Cu.A known installation for applying vacuum coatings (utility model to patent RU 124262, C23C 14/35, 2012). The installation comprises a vacuum chamber, at least two rectangular unbalanced magnetron sputtering systems (MPC), made with permanent magnets. The vacuum chamber is equipped with a rotatably arranged device for arranging MPCs containing rotation axes and bearing units, while the bearing units are moved outside the vacuum chamber and mounted on its outer surface. A rotating device for positioning the MPC is located in the center of the vacuum chamber, and around it is rigidly and statically fixed snap-in for mounting substrates, made with the possibility of holding the substrate of large mass. A characteristic disadvantage of the installation is the technical unsuitability of the device for creating TiN-Cu nanocomposite coatings.

Известна установка для нанесения вакуумных покрытий (полезная модель к патенту RU 135318, C23C 14/32, 2013). Установка для нанесения покрытий методом электродугового испарения содержит вакуумную камеру, функционально являющуюся анодом с расположенными в ней четырьмя катодами электродуговых испарителей из испаряемого материала. Держатель изделий и оптически непрозрачные экраны, установленные с возможностью перекрытия катодов. Экраны выполнены в виде соединенных между собой по центру и закрепленных на поворотном устройстве двух дисковых элементов, при этом каждый дисковый элемент сформирован из секторов, разделенных прорезями и расположенных под углом к рабочей поверхности дискового элемента. Недостатком таких установок является ограниченность технологических возможностей, вследствие чего не удается формировать покрытия TiN-Cu с высокими эксплуатационными и воспроизводимыми свойствами.A known installation for applying vacuum coatings (utility model to patent RU 135318, C23C 14/32, 2013). The installation for coating by the method of electric arc evaporation contains a vacuum chamber, which is functionally an anode with four cathodes of electric arc evaporators located in it from the evaporated material. Product holder and optically opaque screens installed with the possibility of overlapping cathodes. The screens are made in the form of two disk elements connected to each other in the center and mounted on a rotary device, with each disk element formed from sectors separated by slots and located at an angle to the working surface of the disk element. The disadvantage of such installations is the limited technological capabilities, as a result of which it is not possible to form TiN-Cu coatings with high operational and reproducible properties.

Известна установка для нанесения покрытий (полезная модель к патенту RU 81730, C23C 14/32, 14/35, 2008). Установка содержит размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки. Подложку, на которую наносится покрытие, источник питания катода, магнетронный распылитель с мишенью и источником питания магнетрона, систему подачи газа-азота. Перед катодом дугового источника установлен выдвижной металлический экран для обеспечения сепарации ионного потока и уменьшения ионного тока в режимах очистки, причем катод и мишень выполнены из одного материала, например титана. Система подачи газа снабжена системой подачи инертного газа, источник питания катода содержит накопительную емкость для реализации импульсного режима работы. Недостатком устройства является то, что дуговой источник используется в одном из следующих режимов, либо с закрытым экраном только для очистки подложек, либо с закрытым или открытым экраном в ходе напыления многокомпонентных покрытий. Причем положение экрана, наряду с остальными параметрами, влияет на величину потока ионов с дугового источника и, соответственно, на элементный состав покрытия.Known installation for coating (utility model for patent RU 81730, C23C 14/32, 14/35, 2008). The installation contains an arc evaporator located in a vacuum chamber with nitrogen supply and pumping out, consisting of a cathode of the evaporated coating material and a stabilizing coil. The substrate on which the coating is applied, a cathode power source, a magnetron sputter with a target and a magnetron power source, a nitrogen-gas supply system. A retractable metal screen is installed in front of the cathode of the arc source to ensure separation of the ion flux and reduce the ion current in the cleaning modes, the cathode and the target being made of the same material, for example titanium. The gas supply system is equipped with an inert gas supply system, the cathode power supply contains a storage tank for implementing a pulsed mode of operation. The disadvantage of this device is that the arc source is used in one of the following modes, either with a closed screen only for cleaning substrates, or with a closed or open screen during the deposition of multicomponent coatings. Moreover, the position of the screen, along with other parameters, affects the value of the ion flux from the arc source and, accordingly, the elemental composition of the coating.

Наиболее близким техническим решением является способ получения ионно-плазменного вакуумного-дугового керамикометаллического покрытия TiN-Cu для твердосплавного режущего инструмента расширенной области применения (патент RU 2573845, D82D 3/00, C23C 14/21, B23B 27/14, 2014). Технический результат изобретения заключается в повышении стойкости твердосплавного режущего инструмента и расширении области его применения как для операции непрерывного, так и прерывистого резания. Проводят предварительную ионную очистку поверхности инструмента и последующее вакуумно-дуговое осаждение покрытия при испарении катодов, содержащих титан и медь, в реакционном газе - азоте. Процесс ведут при токе дуги, испаряющей катоды, равном 100-120 А, и отрицательном напряжении смещения, подаваемом на режущей твердосплавный инструмент, равном 100-120 В. Каждый испаряемый катод выполнен комбинированным. Регулируется соотношение площадей испаряющихся титановой основы и медной вставки, равное 3,2-2,6, обеспечивающее содержание меди в покрытии 3,5-7 ат. %. Недостатком способа, принятого в качестве прототипа изобретения, является сравнительно высокий ток дугового разряда 100-120 А, при котором образуется капельная фракция, и, как следствие, необходимость применения магнитной сепарации. Существенным недостатком является применение комбинированных катодов, причем концентрация меди в сформированных покрытиях регулируется изменением соотношения площадей вставки меди (Cu) и титана (Ti). Кроме того, использование титановых комбинированных медью катодов (вставками из меди) затрудняет регулирование оптимального содержания меди в покрытии 3,5-7 ат. % по причине случайной непрогнозируемой траектории перемещения катодного пятна по поверхности испаряемого комбинированного катода. В связи с чем, в определенный момент процесса возникает селективное испарение меди и стимулируется неоднородность концентрации паров меди в покрытии. Увеличение содержания меди приводит к появлению пористости покрытия. Таким образом, применение комбинированных катодов затрудняет дозированное, контролируемое и управляемое добавление Cu в наращиваемое покрытие TiN-Cu.The closest technical solution is a method for producing an ion-plasma vacuum-arc ceramic-metal coating TiN-Cu for carbide cutting tools of an expanded scope (patent RU 2573845, D82D 3/00, C23C 14/21, B23B 27/14, 2014). The technical result of the invention is to increase the durability of carbide cutting tools and expand the scope of its application for both continuous and intermittent cutting operations. A preliminary ion cleaning of the surface of the instrument and subsequent vacuum-arc deposition of the coating is carried out during the evaporation of the cathodes containing titanium and copper in the reaction gas - nitrogen. The process is carried out at an arc current, evaporating cathodes, equal to 100-120 A, and a negative bias voltage supplied to the cutting carbide tool, equal to 100-120 V. Each evaporated cathode is made combined. The ratio of the areas of the evaporating titanium base and the copper insert is regulated, equal to 3.2-2.6, providing a copper content in the coating of 3.5-7 at. % The disadvantage of the method adopted as a prototype of the invention is the relatively high arc current of 100-120 A, at which a droplet fraction is formed, and, as a consequence, the need for magnetic separation. A significant drawback is the use of combined cathodes, and the concentration of copper in the formed coatings is regulated by changing the ratio of the areas of the insertion of copper (Cu) and titanium (Ti). In addition, the use of titanium combined with copper cathodes (copper inserts) makes it difficult to control the optimal copper content in the coating of 3.5-7 at. % due to a random unpredictable trajectory of the cathode spot along the surface of the evaporated combined cathode. In this connection, at a certain point in the process, selective evaporation of copper occurs and the heterogeneity of the concentration of copper vapor in the coating is stimulated. The increase in copper content leads to the appearance of porosity of the coating. Thus, the use of combined cathodes complicates the metered, controlled and controlled addition of Cu to the expandable TiN-Cu coating.

Изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа, повысить эффективность процесса благодаря синтезу композитных покрытий TiN-Cu путем инжекции паров меди в область синтеза TiN на основе сопряжения двух газоразрядных процессов, дугового испарения Ti и магнетронного распыления Cu в новой конструкции плазмохимического реактора. Такое совмещение потенциально открывает возможность контролируемого управления размерами кристаллитов в наращиваемом покрытии, что является крайне важным, поскольку наноструктура и, как следствие, микротвердость и трещиностойкость покрытий в определенной мере зависят от концентрации примесной компоненты - меди. Плазмохимический реактор разделен диафрагмой на два отсека. Отсек синтеза TiN вакуумно-дуговым разрядом и отсек парообразования Cu магнетронным разрядом. Разделительная диафрагма, во-первых, не допускает взаимного влияния разных форм разрядов - вакуумно-дугового и магнетронного на их устойчивое стационарное горение, во-вторых, препятствует попаданию паров титана на медный катод магнетрона. Кроме того, через дозирующее отверстие в диафрагме пары Cu проникают в отсек синтеза на подложку, на которой протекает химическая реакция Ti и N в парах Cu. Плазмохимический реактор откачивается до остаточного давления 6,6⋅10-3 Па диффузионным насосом Н400. Предварительное разряжение обеспечивается форвакуумным насосом АВ3-20Д.The invention allows to eliminate these disadvantages of the prototype, to increase the efficiency of the process due to the synthesis of composite TiN-Cu coatings by injection of copper vapor into the region of TiN synthesis based on the conjugation of two gas-discharge processes, arc evaporation of Ti and magnetron sputtering of Cu in a new plasma-chemical reactor design. Such a combination potentially opens up the possibility of controlled control of crystallite sizes in an expandable coating, which is extremely important, since the nanostructure and, as a consequence, the microhardness and crack resistance of the coatings to a certain extent depend on the concentration of the impurity component - copper. The plasma-chemical reactor is divided by a diaphragm into two compartments. Compartment of TiN synthesis by vacuum-arc discharge and compartment of Cu vaporization by magnetron discharge. The separation diaphragm, firstly, does not allow the mutual influence of different forms of discharges - vacuum-arc and magnetron discharges on their stable stationary combustion, and secondly, prevents titanium vapor from entering the copper cathode of the magnetron. In addition, through the metering hole in the diaphragm, Cu vapors penetrate the synthesis compartment onto the substrate on which the chemical reaction of Ti and N in the Cu vapors proceeds. The plasma-chemical reactor is pumped out to a residual pressure of 6.6 × 10 -3 Pa with an H400 diffusion pump. Preliminary discharge is provided by the AV3-20D forevacuum pump.

Покрытия TiN-Cu осаждали в парах меди в режиме испарения титана в азотсодержащей плазме, диссоциации молекулярного азота N2↔2N и химической реакции Ti и N. Для исключения влияния материала подложки на структуру композитного слоя TiN-Cu в качестве подложек использовались пластины плавленого кварца (аморфный SiO2) толщиной 1 мм. Рентгенофазовый анализ (РФА) выполнен на дифрактометре Phaser 2D Bruker (Cukα-излучение). Микроструктуру слоев исследовали на микроскопе МЕТАМ РВ-22. Микротвердость сформированных слоев определяли на микротвердомере ПМТ-3. С помощью сканирующего атомно-силового микроскопа MultiMode 8 изучали топологию и строение поверхности покрытия.TiN-Cu coatings were deposited in copper vapor under the conditions of titanium evaporation in a nitrogen-containing plasma, molecular nitrogen N 2 ↔ 2N dissociation, and the chemical reaction of Ti and N. To exclude the influence of the substrate material on the structure of the TiN-Cu composite layer, fused silica plates were used as substrates ( amorphous SiO 2 ) 1 mm thick. X-ray phase analysis (XPA) was carried out on a Phaser 2D Bruker diffractometer (Cu kα radiation). The microstructure of the layers was studied on a METAM PB-22 microscope. The microhardness of the formed layers was determined on a PMT-3 microhardness tester. Using a MultiMode 8 scanning atomic force microscope, the topology and structure of the coating surface were studied.

Возможность осуществления изобретения с использованием признаков способа, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером его практической реализации.The possibility of carrying out the invention using the features of the method included in the claims is confirmed by an example of its practical implementation.

Пример. Получение композитного покрытия проводили синтезом TiN в парах меди, тем самым обеспечивая формирование покрытия TiN-Cu при токе вакуумно-дугового разряда 60-90 А и токе магнетронного разряда 0,6-1 А, в диапазоне давлений газа азота от 2,6⋅10-1 до 12 Па. Напряжение горения магнетронного разряда в экспериментах составляло 210-240 В, вакуумно-дугового разряда - 35-45 В и зависело от давления газа азота. Покрытие TiN-Cu частично текстурируется по плоскости (111), хотя можно выделить рефлексы отражений, принадлежащие и другим плоскостям (200), (220) и (222), с несвойственными им интенсивностями. Согласно РФА в слое композита присутствуют рефлексы отражений нитрида титана и меди. Следует отметить, что интенсивность рефлексов меди на рентгенограмме очень мала и находится на уровне фона. С уменьшением тока дугового разряда до 60 А и тока магнетронного разряда до 0,6 А, повышением давления до 12 Па устойчиво проявляется присутствие меди, наблюдаются рефлексы меди с интенсивностью 10%. На фиг. 1 представлено строение поверхности композитного покрытия TiN-Cu. Капельная фаза отсутствует, покрытие имеет однородную глобулярную структуру с размерами кристаллитов в пределах 50-100 нм. Микротвердость покрытия TiN-Cu составляет 35-38 ГПа. Благодаря тому что в условиях эксперимента, в процессе реакции Ti и N в парах Cu, Cu вытесняется на границу между зернами TiN. Медь блокирует рост столбчатой структуры кристаллитов TiN, способствуя наноструктурированию композитных покрытий TiN-Cu. Об этом свидетельствует, с одной стороны, то, что N не образует соединений с Cu (с азотом медь непосредственно не соединяется, невозможно получить нитрид азота Cu3N). С другой, фазовая диаграмма системы Ti-Cu показывает, что при малых содержании atomic percent copper интерметаллиды стабильно не образуются, к тому же интерметаллиды TiCu, Ti2Cu, Ti2Cu3, TiCu3 образуются при высоких atomic percent copper и температурах ~ 1073-1173 K. Показано, дозированная инжекция паров меди путем управления током магнетронного разряда, позволяет вести синтез TiN в парах Cu и получать многокомпонентные нитридные покрытия состава TiN-Cu с нанокристаллической структурой с оптимальным содержанием меди 3,5-7 ат. %. Причем атомы Cu в условиях их локализации с образованием аморфного слоя по границам кристаллитов TiN блокируют рост столбчатой структуры кристаллитов TiN и приводят к наноструктурированию сверхтвердых покрытий TiN-Cu со средним размером зерен ~ 20 нм. Покрытия обладают сверхтвердостью до 45 ГПа, низким коэффициентом трения 0,2, высокой адгезионной прочностью к металлической и твердосплавной подложке > 30 Н, повышенной степенью упругого восстановления < 50%, высокой износостойкостью < 2600 мкм3/Н⋅м, высокой термической стабильностью до 1373 К, увеличенной стойкостью к окислению до 1073 К.Example. The composite coating was prepared by synthesizing TiN in copper vapor, thereby ensuring the formation of a TiN-Cu coating at a vacuum arc discharge current of 60-90 A and a magnetron discharge current of 0.6-1 A, in the range of nitrogen gas pressures from 2.6-10 -1 to 12 Pa. The burning voltage of the magnetron discharge in the experiments was 210-240 V, the vacuum-arc discharge - 35-45 V and depended on the pressure of the nitrogen gas. The TiN-Cu coating is partially textured along the (111) plane, although reflection reflections belonging to other planes (200), (220) and (222) with unusual intensities can be distinguished. According to XRD, reflexes of reflections of titanium nitride and copper are present in the composite layer. It should be noted that the intensity of copper reflections in the X-ray diffraction pattern is very low and is at the background level. With a decrease in the arc discharge current to 60 A and the magnetron discharge current to 0.6 A, increasing the pressure to 12 Pa, the presence of copper stably manifests itself, and copper reflexes with an intensity of 10% are observed. In FIG. 1 shows the surface structure of a TiN-Cu composite coating. The drop phase is absent, the coating has a uniform globular structure with crystallite sizes in the range of 50-100 nm. The microhardness of the TiN-Cu coating is 35-38 GPa. Due to the fact that under experimental conditions, during the reaction of Ti and N in Cu vapors, Cu is displaced to the boundary between TiN grains. Copper blocks the growth of the columnar structure of TiN crystallites, contributing to the nanostructuring of TiN-Cu composite coatings. This is evidenced, on the one hand, by the fact that N does not form compounds with Cu (copper does not directly connect with nitrogen, it is impossible to obtain nitrogen nitride Cu 3 N). On the other hand, the phase diagram of the Ti-Cu system shows that, at low atomic percent copper contents, intermetallic compounds do not stably form; moreover, TiCu, Ti 2 Cu, Ti 2 Cu 3 , TiCu 3 intermetallic compounds form at high atomic percent copper and temperatures ~ 1073 -1173 K. It is shown that the metered injection of copper vapor by controlling the magnetron discharge current allows the synthesis of TiN in Cu vapors and the production of multicomponent nitride coatings of the composition TiN-Cu with a nanocrystalline structure with an optimum copper content of 3.5-7 at. % Moreover, Cu atoms in the conditions of their localization with the formation of an amorphous layer along the boundaries of TiN crystallites block the growth of the columnar structure of TiN crystallites and lead to nanostructuring of superhard TiN-Cu coatings with an average grain size of ~ 20 nm. Coatings have superhardness of up to 45 GPa, low friction coefficient of 0.2, high adhesive strength to metal and carbide substrates> 30 N, high degree of elastic recovery <50%, high wear resistance <2600 μm 3 / N ,m, high thermal stability up to 1373 K, increased oxidation resistance up to 1073 K.

На фиг. 2 представлена предложенная новая конструкция плазмохимического реактора (вакуумной камеры), образованная двумя отсеками. Отсек 1 (синтеза TiN) и отсек 2 (парообразования Cu). На верхней горизонтальной стенке отсека 1 установлен вакуумно-дуговой испаритель 3. На боковой стенке отсека 2 установлен вертикально планарный магнетрон 4.In FIG. 2 presents the proposed new design of the plasma-chemical reactor (vacuum chamber), formed by two compartments. Compartment 1 (TiN synthesis) and compartment 2 (Cu vaporization). A vacuum-arc evaporator 3 is mounted on the upper horizontal wall of compartment 1. A planar magnetron 4 is mounted vertically on the side wall of compartment 2.

Вакуумно-дуговой испаритель 3 состоит из охлаждаемого сварного корпуса, катода 5, анода 6, поджигающего устройства 7, магнитной катушки 8, обеспечивающей равномерное испарение катода катодным пятном дугового разряда. Катод диаметром 60 мм выполнен из титана марки ВТ-1-0 и охлаждается проточной водой. Мощность источника питания испарителя ~ 2 кВт. Характеристики дугового разряда: ток дугового разряда - от 60 до 90 А, давление рабочего газа азота - от 2,6⋅10-1 до 12 Па, напряжение горения 35-45 В.The vacuum arc evaporator 3 consists of a cooled welded casing, a cathode 5, an anode 6, an ignition device 7, a magnetic coil 8, which ensures uniform cathode evaporation by a cathode spot of an arc discharge. The cathode with a diameter of 60 mm is made of titanium grade VT-1-0 and is cooled with running water. The power of the evaporator power supply is ~ 2 kW. Characteristics of the arc discharge: arc discharge current - from 60 to 90 A, nitrogen working gas pressure - from 2.6⋅10 -1 to 12 Pa, burning voltage of 35-45 V.

Магнетрон состоит из катода 9 в виде медной мишени диаметром 120 мм и толщиной 12 мм и кольцевого анода 10. Магнитная система 11 образована постоянными стержневыми кобальт-самариевыми магнитами, магнито-проводом и полюсным наконечником, которые формируют над поверхностью мишени тороидальное магнитное поле с индукцией 0,2-0,8 Тл. При подаче электрического напряжения не более 1 кВ на заземленный анод 10 (положительная полярность) и изолированный катод 9 (отрицательная полярность) зажигался стационарный магнетронный разряд, ток разряда не превышал 1 А и регулировался источником питания. Магнетрон обеспечивал стабильную работу в диапазоне давлений газа азота от 2,6⋅10-1 до 12 Па. Напряжение горения разряда в экспериментах составляло 210-240 В и зависело от давления газа азота. Мощность источника питания магнетрона ~ 3 кВт, выходное напряжение источника питания до 103 В. Водяное охлаждение постоянных магнитов обеспечивает стабильную работу магнетрона. С помощью блока управления магнетронным разрядом производится регулировка мощности разряда и, как следствие, скорости распыления медной мишени. Внутри вакуумной камеры расположен барабанного вида держатель подложек 12, обеспечивающий крепление шести плоских подложек 30×60 мм2 (плавленый кварц). При наращивании покрытия ростовая поверхность исходной подложки ориентирована под углом 45° к нормалям взаимно перпендикулярных плоскостей испаряемого титанового катода и распыляемого медного катода магнетрона. При этом резервные подложки закрываются экраном 13. По мере прекращения наращивания покрытия держатель подложек поворачивается на угол 60° и очередная подложка выводится из экрана, открывая поверхность роста для наращивания покрытия. Расстояние от катода магнетрона до подложки находится в пределах 120-140 мм. Подаваемое на подложкодержатель опорное напряжение до 200 В, обеспечивает ионную очистку ростовой поверхности от газовых включений. Отсек 1 (синтеза TiN) и отсек 2 (парообразования Cu) разделены диафрагмой 14. Разделительная диафрагма 14, во-первых, не допускает взаимного влияния разных форм разрядов - вакуумно-дугового и магнетронного - на их устойчивое стационарное горение, во-вторых, препятствует попаданию паров титана на медный катод 9 магнетрона. Кроме того, через дозирующее щелевое отверстие 15 (5×100 мм2) в диафрагме 14 пары Cu проникают в отсек 1 на подложку, на которой протекает химическая реакция Ti и N в парах Cu.The magnetron consists of a cathode 9 in the form of a copper target with a diameter of 120 mm and a thickness of 12 mm and a ring anode 10. The magnetic system 11 is formed by permanent cobalt-samarium bar magnets, a magnetic wire and a pole tip, which form a toroidal magnetic field with induction 0 over the target surface , 2-0.8 T. When an electric voltage of not more than 1 kV was applied to the grounded anode 10 (positive polarity) and the isolated cathode 9 (negative polarity), a stationary magnetron discharge was ignited, the discharge current did not exceed 1 A and was regulated by a power source. The magnetron ensured stable operation in the range of nitrogen gas pressures from 2.6⋅10 -1 to 12 Pa. The discharge burning voltage in the experiments was 210–240 V and depended on the pressure of the nitrogen gas. The power of the magnetron power source is ~ 3 kW, the output voltage of the power source is up to 10 3 V. Water cooling of permanent magnets ensures stable operation of the magnetron. Using the magnetron discharge control unit, the discharge power and, as a consequence, the sputtering rate of the copper target are adjusted. Inside the vacuum chamber there is a drum-shaped holder of substrates 12, which secures six flat substrates of 30 × 60 mm 2 (fused silica). When the coating is grown, the growth surface of the initial substrate is oriented at an angle of 45 ° to the normals of the mutually perpendicular planes of the evaporated titanium cathode and the sputtered magnetron copper cathode. In this case, the reserve substrates are closed by the screen 13. As the coating build-up ceases, the substrate holder is rotated through an angle of 60 ° and the next substrate is removed from the screen, revealing the growth surface for coating growth. The distance from the cathode of the magnetron to the substrate is in the range of 120-140 mm. A reference voltage of up to 200 V applied to the substrate holder provides ionic cleaning of the growth surface from gas inclusions. Compartment 1 (TiN synthesis) and compartment 2 (Cu vaporization) are separated by a diaphragm 14. The separation diaphragm 14, firstly, does not allow the mutual influence of different forms of discharges - vacuum-arc and magnetron - on their stable stationary combustion, and secondly, prevents hit of titanium vapor on the copper cathode 9 of the magnetron. In addition, through a metering slit hole 15 (5 × 100 mm 2 ) in the diaphragm 14, Cu vapors penetrate into compartment 1 onto a substrate on which a chemical reaction of Ti and N in Cu vapors proceeds.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении на держателе подложек 12 устанавливают пластины плавленого кварца (подложки) и закрывают подвижным экраном 13. Затем плазмохимический реактор откачивается до остаточного давления 6,6⋅10-3 Па. В отсеки 1 и 2 плазмохимического реактора через игольчатый натекатель напускают газ азот N2. При подаче напряжения от источника электропитания между катодом 5 и анодом 3 с помощью поджигающего электрода 7 в отсеке 1 инициируется вакуумно-дуговой разряд с катодным пятном. Магнитное поле магнитной катушки 8 обеспечивает равномерное испарение титанового катода катодным пятном дугового разряда. Характеристики дугового разряда: ток дугового разряда - от 60 до 90 А, давление рабочего газа азота - от 2,6⋅10-1 до 12 Па, напряжение горения - 35-45 В. При испарении титана и диссоциации молекулярного азота N2↔2N в азотсодержащей плазме на поверхности экрана 13 закрывающего подложки протекает химическая реакция Ti с реакционным атомарным N с образованием TiN. По мере выхода вакуумно-дугового испарителя в режим стационарного горения дугового разряда, при подаче постоянного электрического напряжения не более 1 кВ на заземленный анод 10 (положительная полярность) и изолированный катод 9 (отрицательная полярность) в отсеке 2 зажигается стационарный магнетронный разряд, ток разряда не превышал 1 А и регулировался источником питания. Планарный магнетрон обеспечивал стабильную работу в диапазоне давлений газа азота от 2,6-10-1 до 12 Па. Напряжение горения разряда в экспериментах составляло 210-240 В и зависело от давления газа азота. Мощность источника питания магнетрона ~ 3 кВт, выходное напряжение источника питания до 103 В. Водяное охлаждение постоянных магнитов обеспечивает стабильную работу планарного магнетрона. С помощью блока управления магнетронным разрядом производится регулировка мощности разряда и, как следствие, скорости распыления медной мишени. Тороидальное магнитное поле с индукцией 0,2-0,8 Тл удерживает газоразрядную плазму над поверхностью катода. В результате физического распыления плазменными ионами, ускоренными в прикатодном падении потенциала, медного катода, пары меди проникают в щелевое отверстие 15 диафрагмы 14 и конденсируются на экране 13. По мере вывода планарного магнетрона в режим устойчивого стационарного горения магнетронного разряда вращением экрана 13 открывают доступ (как показано на фиг. 2) паров титана и меди и реакционного азота на ростовую поверхность подложек, где протекает синтез TiN в парах меди с образованием наноструктурированного композитного покрытия TiN-Cu.The device operates as follows. In the initial position, fused quartz plates (substrates) are mounted on the substrate holder 12 and closed with a movable screen 13. Then the plasma-chemical reactor is pumped out to a residual pressure of 6.6 × 10 −3 Pa. Nitrogen gas N 2 is injected into compartments 1 and 2 of the plasma chemical reactor through a needle leak. When voltage is applied from the power source between the cathode 5 and the anode 3 using the ignition electrode 7 in the compartment 1, a vacuum arc discharge with a cathode spot is initiated. The magnetic field of the magnetic coil 8 provides uniform evaporation of the titanium cathode by the cathode spot of the arc discharge. Arc discharge characteristics: arc discharge current - from 60 to 90 A, nitrogen working gas pressure - from 2.6 --10 -1 to 12 Pa, combustion voltage - 35-45 V. During titanium evaporation and molecular nitrogen dissociation N 2 ↔2N In a nitrogen-containing plasma, a chemical reaction of Ti with atomic N reacts with the formation of TiN on the surface of the screen 13 of the cover substrate. As the vacuum-arc evaporator enters the stationary combustion mode of the arc discharge, when a constant electric voltage of not more than 1 kV is applied to the grounded anode 10 (positive polarity) and the isolated cathode 9 (negative polarity) in compartment 2, a stationary magnetron discharge is ignited, the discharge current does not exceeded 1 A and regulated by a power source. The planar magnetron ensured stable operation in the range of nitrogen gas pressures from 2.6-10 -1 to 12 Pa. The discharge burning voltage in the experiments was 210–240 V and depended on the pressure of the nitrogen gas. The power of the magnetron power source is ~ 3 kW, the output voltage of the power source is up to 10 3 V. Water cooling of permanent magnets ensures stable operation of the planar magnetron. Using the magnetron discharge control unit, the discharge power and, as a consequence, the sputtering rate of the copper target are adjusted. A toroidal magnetic field with induction of 0.2-0.8 T holds the gas discharge plasma above the cathode surface. As a result of physical sputtering by plasma ions accelerated in the near-cathode potential drop of the copper cathode, copper vapors penetrate into the slit hole 15 of the diaphragm 14 and condense on the screen 13. As the planar magnetron is brought into stable stationary combustion of the magnetron discharge by rotation of the screen 13, access is opened (as shown in Fig. 2) vapors of titanium and copper and reaction nitrogen on the growth surface of the substrates, where TiN synthesis in copper vapors proceeds with the formation of a nanostructured composite TiN-Cu coating.

Предложенный способ синтеза композитных покрытий TiN-Cu и устройство для его осуществления характеризуется неограниченной возможностью получения покрытий TiN-Cu. Особенно выделяется управляемый синтез покрытий при дозированном тонком регулировании наполнения покрытий медью. Разработанные режимы получения упрочняющего износостойкого композитного покрытия TiN-Cu обеспечивают наноструктурирование зеренной структуры, ее термическую стабильность и высокие механические, трибологические и теплофизические свойства.The proposed method for the synthesis of TiN-Cu composite coatings and a device for its implementation is characterized by the unlimited ability to obtain TiN-Cu coatings. Particularly distinguished is the controlled synthesis of coatings with metered fine regulation of the filling of coatings with copper. The developed regimes for obtaining a hardening wear-resistant composite coating TiN-Cu provide nanostructuring of the grain structure, its thermal stability and high mechanical, tribological and thermophysical properties.

Claims (2)

1. Способ синтеза сверхтвердого композитного покрытия TiN-Cu, включающий размещение подложки в вакуумной камере, вакуумно-дуговое испарение титана в реакционном газе азоте и магнетронное распыление меди, отличающийся тем, что вакуумную камеру разделяют на два отсека посредством диафрагмы с щелевым отверстием, в одном из которых осуществляют магнетронное распыление меди при токе 0,6-1 А с получением паров меди, а в другом отсеке размещают подложку и осуществляют испарение титана при токе дугового разряда 60-90 А в азотосодержащей плазме и в парах меди, которые выпускают в отсек через дозирующее щелевое отверстие в диафрагме, с получением на подложке покрытия TiN-Cu.1. A method of synthesizing a superhard composite TiN-Cu composite coating, comprising placing a substrate in a vacuum chamber, vacuum arc evaporation of titanium in a reaction gas nitrogen and magnetron sputtering of copper, characterized in that the vacuum chamber is divided into two compartments by means of a diaphragm with a slot hole, in one of which magnetron sputtering of copper is carried out at a current of 0.6-1 A to obtain copper vapor, and in another compartment a substrate is placed and titanium is evaporated at an arc discharge current of 60-90 A in a nitrogen-containing plasma and in steam x copper, which is discharged into the compartment through a metering slit hole in the diaphragm to form TiN-Cu coatings on the substrate. 2. Устройство для синтеза сверхтвердого композитного покрытия TiN-Cu, содержащее вакуумную камеру плазмохимического реактора, вакуумно-дуговой испаритель титана, планарный магнетрон с медным катодом, держатель подложек и систему напуска реакционного газа - азота, отличающееся тем, что вакуумная камера разделена стенкой-диафрагмой на отсек парообразования меди и отсек синтеза TiN, в котором размещен держатель подложек, при этом в стенке-диафрагме выполнено щелевое дозирующее отверстие по оси планарного магнетрона, на боковой стенке отсека парообразования меди вертикально установлен планарный магнетрон, а на верхней горизонтальной стенке отсека синтеза TiN установлен вакуумно-дуговой испаритель.2. A device for synthesizing a superhard composite TiN-Cu composite coating containing a vacuum chamber of a plasma chemical reactor, a vacuum arc titanium evaporator, a planar magnetron with a copper cathode, a substrate holder, and a reaction gas-nitrogen injection system, characterized in that the vacuum chamber is separated by a diaphragm wall on the copper vaporization compartment and the TiN synthesis compartment, in which the substrate holder is placed, wherein a slotted metering hole is made in the diaphragm wall along the axis of the planar magnetron, on the side wall of the compartment a copper planar formation, a planar magnetron is vertically mounted, and a vacuum arc evaporator is installed on the upper horizontal wall of the TiN synthesis compartment.
RU2017115297A 2017-04-28 2017-04-28 METHOD OF SYNTHESIS OF TiN-Cu COMPOSITE COATINGS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION RU2649355C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017115297A RU2649355C1 (en) 2017-04-28 2017-04-28 METHOD OF SYNTHESIS OF TiN-Cu COMPOSITE COATINGS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017115297A RU2649355C1 (en) 2017-04-28 2017-04-28 METHOD OF SYNTHESIS OF TiN-Cu COMPOSITE COATINGS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2649355C1 true RU2649355C1 (en) 2018-04-02

Family

ID=61867296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017115297A RU2649355C1 (en) 2017-04-28 2017-04-28 METHOD OF SYNTHESIS OF TiN-Cu COMPOSITE COATINGS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2649355C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114000112A (en) * 2021-10-21 2022-02-01 苏州玖凌光宇科技有限公司 Aluminum nitride copper-clad AMB method
CN114807845A (en) * 2021-01-28 2022-07-29 山东大学 Titanium copper nitride coating with gradually increased nitrogen content gradient
RU2792977C1 (en) * 2022-07-12 2023-03-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Planar magnetron with a rotary central anode

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1785817C (en) * 1990-11-11 1993-01-07 Всесоюзный Научно-Исследовательский Инструментальный Институт Multilayer material for cutting tools
US20090173621A1 (en) * 2007-12-07 2009-07-09 Oc Oerlikon Balzers Ag Method of magnetron sputtering and a method for determining a power modulation compensation function for a power supply applied to a magnetron sputtering source
RU2407820C1 (en) * 2009-04-17 2010-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "Центр обслуживания и информации" Procedure for application of coating on items out of ceramics in vacuum
RU2409703C1 (en) * 2009-08-03 2011-01-20 Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Томский государственный университет" Procedure for vacuum application of coating on items out of electric conducting materials and dielectrics
RU144198U1 (en) * 2014-04-14 2014-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) DEVICE FOR APPLICATION OF THIN FILM COATINGS
CN104313543A (en) * 2014-11-13 2015-01-28 上海工具厂有限公司 Cu-TiN nano composite film based on magnetron sputtering codeposition technology
RU2573845C1 (en) * 2014-11-10 2016-01-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" METHOD OF PRODUCTION OF ION-PLASMA VACUUM-ARC CERAMIC-METAL COATING TiN-Cu FOR CARBIDE CUTTING TOOL WITH EXTENDED APPLICATION SCOPE

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1785817C (en) * 1990-11-11 1993-01-07 Всесоюзный Научно-Исследовательский Инструментальный Институт Multilayer material for cutting tools
US20090173621A1 (en) * 2007-12-07 2009-07-09 Oc Oerlikon Balzers Ag Method of magnetron sputtering and a method for determining a power modulation compensation function for a power supply applied to a magnetron sputtering source
RU2407820C1 (en) * 2009-04-17 2010-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "Центр обслуживания и информации" Procedure for application of coating on items out of ceramics in vacuum
RU2409703C1 (en) * 2009-08-03 2011-01-20 Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Томский государственный университет" Procedure for vacuum application of coating on items out of electric conducting materials and dielectrics
RU144198U1 (en) * 2014-04-14 2014-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) DEVICE FOR APPLICATION OF THIN FILM COATINGS
RU2573845C1 (en) * 2014-11-10 2016-01-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" METHOD OF PRODUCTION OF ION-PLASMA VACUUM-ARC CERAMIC-METAL COATING TiN-Cu FOR CARBIDE CUTTING TOOL WITH EXTENDED APPLICATION SCOPE
CN104313543A (en) * 2014-11-13 2015-01-28 上海工具厂有限公司 Cu-TiN nano composite film based on magnetron sputtering codeposition technology

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114807845A (en) * 2021-01-28 2022-07-29 山东大学 Titanium copper nitride coating with gradually increased nitrogen content gradient
CN114807845B (en) * 2021-01-28 2024-02-27 山东大学 Titanium copper nitride coating with gradient increasing nitrogen content
CN114000112A (en) * 2021-10-21 2022-02-01 苏州玖凌光宇科技有限公司 Aluminum nitride copper-clad AMB method
CN114000112B (en) * 2021-10-21 2024-03-22 苏州玖凌光宇科技有限公司 Aluminum nitride copper-clad AMB method
RU2792977C1 (en) * 2022-07-12 2023-03-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук Planar magnetron with a rotary central anode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0583736B1 (en) Plasma-enhanced magnetron-sputtered deposition of materials
US4992153A (en) Sputter-CVD process for at least partially coating a workpiece
JP6093363B2 (en) Coating of substrates using HIPIMS
US7790003B2 (en) Method for magnetron sputter deposition
JP5856148B2 (en) PVD hybrid method for depositing mixed crystal layers
JPS6319590B2 (en)
TWI411696B (en) Method for depositing electrical isulating layers
JPH11124668A (en) Method and device for treating substrate by using ion from low voltage arc discharge
JPH0211669B2 (en)
JP2010528179A (en) Vacuum processing apparatus and vacuum processing method
Ding et al. Low-temperature deposition of nanocrystalline Al2O3 films by ion source-assisted magnetron sputtering
Shugurov et al. QUINTA equipment for ion-plasma modification of materials and products surface and vacuum arc plasma-assisted deposition of coatings
JPS61201769A (en) Reactive vapor deposition of oxide, nitride and oxide nitride
Zhou et al. Deposition of nanostructured crystalline alumina thin film by twin targets reactive high power impulse magnetron sputtering
RU2649355C1 (en) METHOD OF SYNTHESIS OF TiN-Cu COMPOSITE COATINGS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
Selinder et al. α-Alumina coatings on WC/Co substrates by physical vapor deposition
Žemlička et al. Enhancing mechanical properties and cutting performance of industrially sputtered AlCrN coatings by inducing cathodic arc glow discharge
Du et al. Evolution of microstructure and properties of TiNbCrAlHfN films grown by unipolar and bipolar high-power impulse magnetron co-sputtering: The role of growth temperature and ion bombardment
CN100395371C (en) Apparatus for reinforcing arc-glow percolation plated ceating by microwave plasma and process thereof
JP2010084153A (en) Film deposition method and film deposition apparatus
Gavrilov et al. Al2O3 thin films deposition by reactive evaporation of Al in anodic arc with high levels of metal ionization
KR20140108617A (en) Ion plating apparatus for depositing DLC thin film
KR100443232B1 (en) Inductively Coupled Plasma Assisted Ion Plating System
Ebersbach et al. Preparation and performance of (Cr, Ti) N coatings deposited by a combined hollow cathode and cathodic arc technique
Mattox Deposition processes

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190429