Вакуумная ионно-плазменная обработка

Реком ендовано Учебным объединением 

высш их учебных заведений РФ  

по образованию в области 

материаловедения,
технологии 

материалов и покрытий в качестве 

учебного пособия для студентов высш их 

учебных заведений,
обучаю щ ихся 

по направлению подготовки магистров 

2
2
.
0
4
.
0
1
«
М атериаловедение и технологии 

материалов»

В акуум ная 
ионноплазм енная 

о б р а б о тк а

2020

УДК 669:620.19(075.8)
ББК 34.663

В14

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, профессор А.М. Мамонов,

членкорреспондент РАН О.С. Сироткин

Ильин А.А.

Вакуумная ионноплазменная обработка : учебное

пособие / А.А. Ильин, В.В. Плихунов, Л.М. Петров,
В.С. Спектор. – Москва: АльфаМ : ИНФРАМ, 2020.–
160 с. : ил. – (Современные технологии : Магистратура).

ISBN 9785982813664 («АльфаМ»)
ISBN 9785160091884 («ИНФРАМ»)

Рассматриваются актуальные вопросы формирования потоков газовой

и металлической плазмы, равномерность их распределения в рабочем объеме камер вакуумных установок, а также изменения конденсата металлической плазмы при формировании структур и свойств модифицированных
поверхностных слоев, однослойных, многослойных, градиентных наноструктурных покрытий при вакуумной ионноплазменной обработке.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов».

УДК 669:620.19(075.8)

ББК 34.663

© «АльфаМ» : «ИНФРАМ», 2014
© Ильин А.А., Плихунов В.В.,

Петров Л.М., Спектор В.С., 2014

В14

ISBN 9785982813664 («АльфаМ»)
ISBN 9785160091884 («ИНФРАМ»)

ПРЕДИСЛОВИЕ

В курсе «Вакуумная ионноплазменная обработка» студенты изучают теоретические основы формирования
структурных превращений в поверхностных слоях конструкционных металлических материалов, происходящих под воздействием высокоэнергетических потоков газовой и металлической
плазмы в процессах модифицирования поверхности и нанесения покрытий, осуществляемых при вакуумной ионноплазменной (ВИП) обработке. Реализуемые при этом структурные
превращения, как правило, не свойственны материалу основы и
позволяют обеспечивать новый комплекс физикохимических
и эксплуатационных свойств, повышающих как работоспособность поверхностных слоев изделий в экстремальных условиях
эксплуатации, так и их ремонтопригодность.
В настоящее время ВИПобработка широко применяется
для повышения работоспособности поверхностных слоев деталей, изготовляемых из конструкционных металлических материалов, для машиностроения, авиационной техники и медицины. Процессы ВИПобработки, связанные с формированием ВИПпокрытий, отличаются от традиционных аппаратным
обеспечением, применяемыми технологиями, выбором химического состава покрытий, механизмом формирования поверхностных микроструктур и фазового состава, уровнем остаточных напряжений.
Перспективные экологически чистые процессы поверхностной ВИПобработки, используемые при создании сложных
структурных композиций в процессах модифицирования поверхностных слоев и нанесения различных видов многофункциональных покрытий, позволяют осуществлять комплексную обработку, включая формирование покрытий с предварительным диффузионным модифицированием поверхности, и
опираются на современные достижения в области ВИПоборудования и ВИПтехнологий. Данные виды поверхностной
обработки позволяют создавать покрытия различного струк

турного состава, содержащие градиентные многокомпонентные, многослойные нанометрические структуры и модифицированные поверхностные слои со специальными свойствами
без ухудшения структур и механических свойств в объеме изделий. При этом достигается значительный положительный экономический эффект за счет как повышения ресурса работы изделий, так и снижения затрат на мероприятия по повышению
несущей способности основного материала, исключая дополнительное легирование и совершенствование технологий производства полуфабрикатов и изделий.
Широкий диапазон структурных превращений, изменяющихся от атомного уровня до микроуровня, при ВИПобработке требует оценки структурных изменений поверхностного
слоя на различных этапах процесса и различных формируемых
структурных уровнях, включая наноуровень. Это особенно актуально при осуществлении этапов очистки и активации исходной поверхности, поскольку на этих технологических этапах изменения структурного состояния поверхности происходят на нанометрическом уровне, а оценка исходной структуры
поверхностного слоя определяется, как правило, на микроуровне. Процесс формирования структур поверхностных слоев
при ВИПобработке, оценка их качества требуют применять
не только широко известные методы оценки структурного состояния поверхности, но и методы наноструктурных поверхностных исследований и определения энергетических свойств
на каждом этапе технологического процесса, что позволяет
оценивать качественную эффективность различных методов
очистки и активации поверхности при ВИПобработке.

6
Предисловие

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ
АКТИВНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ

1.1. Электродуговые источники плазмы

За последние два десятилетия в вакуумных
ионноплазменных (ВИП) технологиях широкое распространение получил метод электродугового нанесения покрытий,
позволяющий достигать высокого уровня эксплуатационных
свойств покрытия за счет использования первичной энергии
плазменного потока [18, 39, 47]. Российские машиностроительные заводы и исследовательские институты оснащены в
основном серийными установками вакуумного электродугового нанесения покрытий типа ННВ6.6.И1 (и их модификациями), разработанными в начале 1980х гг. На этих установках применяются вакуумные дуговые источники металлической плазмы (испарители) с интегрально «холодным»
испаряемым катодом [23]. Поскольку дуговой разряд с таким
катодом горит исключительно в парах материала катода, то
этот процесс может протекать при сколь угодно низком давлении остаточных газов в вакуумной камере.
Под термином «холодный катод» подразумевают, что температура рабочей поверхности катода недостаточна для термоэмиссии электронов. Генерация рабочего вещества в этом разряде осуществляется из «горячих» хаотически перемещающихся по рабочей поверхности катода катодных пятен. Катодные
пятна состоят из группы нескольких микропятен, в которых
плотность тока достигает 109–1012 А/м2, а плотность мощности
1010–1013 Вт/м2. При столь высоких плотностях мощности в
пятнах
протекают
процессы
взрывной
термоавтоэмиссии
электронов, испарения и ионизации материала катода.
Основной токоперенос между катодом и анодом дугового
разряда осуществляется электронами – около 90 %, а пре

дельный (полный) ионный ток составляет 0,1 тока дугового
разряда.
Генерация материала из катодных пятен производится в
виде плазменного потока – ионов и электронов, микрокапельной фракции и незначительного количества пара. В зависимости от материала катода степень ионизации пароплазменного
потока может превышать 80 %. Средняя энергия ионов материала катода, генерируемых катодными микропятнами для
различных материалов, составляет 15–100 эВ.
Чрезвычайно высокая плотность мощности в катодных
пятнах развивает в них высокую температуру [2, 25]. По некоторым оценкам, она достигает 5000–6000 К, поэтому вакуумный дуговой разряд способен генерировать высокоионизированные потоки плазмы различных электропроводных материалов, в том числе самых тугоплавких, включая вольфрам,
молибден, графит. Важным достоинством вакуумного дугового разряда является практически полное воспроизведение химического состава испаряемого материала катода в наносимом
покрытии, что позволяет наносить из одного катода покрытия
сложного многокомпонентного состава. Благодаря высокой
ионизации плазменных потоков материала катода можно
управлять направлением их движения, плотностью и энергией
ионов при помощи электрических и магнитных полей. Это открывает широкие возможности по регулированию условий
осаждения покрытий. При напуске в вакуумную камеру плазменного потока его высокие активность и энергия способствуют протеканию с реактивными газами (азот, кислород, углерод
и др.) процессов плазмохимических реакций с осаждением покрытий сложных соединений – нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов и др.
Дуговой разряд позволяет производить очистку, активацию
и нагрев обрабатываемой поверхности подложки бомбардировкой ионами осаждаемого материала перед нанесением покрытий в условиях высокого вакуума [38]. Предварительная
ионная бомбардировка обеспечивает очистку поверхности за
счет распыления загрязнений и дефектных приповерхностных
слоев. В результате этого происходит «залечивание» приповерхностных дефектов подложки, что обеспечивает взаимную
диффузию при последующих процессах нанесения покрытий.

8
Глава 1. Исследование процессов формирования плазмы

Все это наряду с нагревом подложки при ионной бомбардировке дает возможность получать покрытия с высокой адгезией.
Особенностью и основным недостатком вакуумного дугового
разряда является наличие в плазменном потоке микрокапельной
фракции материала катода. Характерный диапазон размеров капельдляразличныхматериаловсоставляет0,1–20мкм.Числокапель и их характерный размер зависят от теплофизических
свойств материала катода – теплопроводности, температуры
плавления. Известно: чем выше температура плавления материала и его теплопроводность, тем меньше характерный размер микрокапель и их число в генерируемом плазменном потоке.
Выход микрокапельной фракции зависит от теплового режима работы катода и скорости движения катодных пятен по
его рабочей поверхности (при прочих равных условиях). Более
высокой температуре рабочей поверхности катода соответствуют более обширный тепловой след катодного пятна и более
интенсивный выход микрокапельной фракции. Повышение
тока дуги также приводит к увеличению капельной фракции.
Рост скорости движения катодных пятен способствует уменьшению капельной фракции вследствие сокращения времени
воздействия катодного пятна на локальную область поверхности катода и, следовательно, уменьшению площади катодного
следа. Наличие микрокапельной фракции в плазменном потоке нарушает однородность наносимых покрытий и ухудшает их
служебные характеристики.
При своем движении катодные пятна стремятся в область
максимального тангенциального (параллельного поверхности
катода) магнитного поля (принцип максимума магнитного поля, сформулированный И.Г. Кесаевым) [24]. При отсутствии
внешнего магнитного поля движение катодных пятен по поверхности катода либо хаотичное, либо его направление совпадает с направлением вектора тока разряда, протекающего по
телу катода, так как этот ток создает «собственное» магнитное
поле, которое, складываясь с магнитным полем тока, протекающего через катодное пятно и прилежащую к нему плазменную область, создает градиент суммарного магнитного поля в
направлении токоподвода катода [40, 51]. При наложении
внешнего магнитного поля, превосходящего по величине
«собственное» поле разряда, катодные пятна перемещаются

1.1. Электродуговые источники плазмы
9

преимущественно в область его максимальной тангенциальной составляющей и при этом скорость движения пятен значительно возрастает. Обычно принцип максимума магнитного
поля в конструкциях дуговых испарителей используется для
стабилизации (удержания) катодных пятен на рабочей поверхности катода. Этот принцип используется в серийных дуговых
испарителях ВИПустановок.
При работе электродуговых испарителей формируется
плазменный поток, состоящий из ионов, электронов, микрои
макрочастиц, нейтральных атомов. Равномерность и плотность плазменного потока, наличие или отсутствие капельной
фракции, начальная энергия ионов – основные параметры, характеризующие эффективность работы испарителя. Формирование плазменного потока, его равномерность и плотность зависят от характера движения катодного пятна [1, 15].
Рассмотрим работу испарителей серийных установок, изготовленных из монолитных и порошковых композиционных
материалов.

Электродуговые испарители ВИПустановок (рис. 1.1),
разработанные более 25 лет назад, хорошо зарекомендовали
себя в промышленности. Устройство довольно надежно в работе и удобно в эксплуатации. Однако данная конструкция испарителя не отвечает ряду современных требований; она имеет
два основных функциональных недостатка – большой выход
капельной фракции в рабочий объем камеры и нестабильное

10
Глава 1. Исследование процессов формирования плазмы

Рис. 1.1. Общий вид дугового вакуумного испарителя серийной
вакуумной установки