Физические основы получения концентрированных потоков энергии и вещества.

Дальнейшее повышение ресурса, надежности и экономичности различных аппаратов и машин связано с необходимостью защиты поверхностного слоя данных из­делий. Реальный ресурс работы машины в значительной степени зависит от несущей способности сопрягаемых рабочих поверхностей ответственных деталей. При большом разнообразии условий работы деталей во многих случаях наиболее нагруженным оказывается поверх­ностный слой. Повышение ресурса достигается использованием упрочняющих технологий, причем наиболее эффективно применение методов поверхностного упрочнения.

Интенсивное развитие метода ионно-плазменной обработки в вакууме за последние годы обусловлено универсальностью технологии, высокой производительностью процесса нанесения покрытий, малой энергоёмкостью и рядом других преимуществ по сравнению с традиционными методами получения покрытий различного функционального назначения (гальваническим осаждением, плакированием, плазменным напылением, катодным распылением). Одно из основных преимуществ вакуумных ионно-плазменных технологий – экологически чистая технология.

Широкий диапазон свойств покрытий и модифицированных поверхностных слоев, получаемых при вакуумной ионно-плазменной обработке поверхностей трения, позволяет использовать их в промышленности, в особенности, в машиностроении. Наибольшее распространение получили износостойкие покрытия и модифицированные поверхностные слои, применяемые для увеличения срока службы инструментов и деталей машин.

Современные вакуумные ионно-плазменные (ВИП) методы упрочнения (модифи­цирования) поверхностей деталей машин включают в себя следующие эта­пы (рис. 6) генерацию (образование) корпускулярного потока вещества; его активацию, ускорение и фокусировку, и, наконец, конденсацию и внедрение в поверхность деталей (подложек). Рассмотрим физику процессов основных этапов ВИП-методов.

 

Рис. 6. Основные этапы вакуумных ионно-плазменных процессов

Тигель с испаряемым материалом и генератор электронного луча - электронно-лучевая пушка - являются основными элементами испарительных устройств. На рис. 6 показана схема испарительного устройства с таким источником. Электронно-лучевая пушка 1 генерирует ускоренный поток электронов 2, который с помощью отклоняющей системы направля­ется на испаряемый материал 3. Необходимость отклонения луча от перво­начального направления катод–анод при испарении материалов вызвана, в первую очередь, стремлением защитить катод от прямого попадания паров и уменьшить его бомбардировку ионами, проникающими из рабочей ка­меры.

 

Рис.6. Схема прямого электронно-лучевого испарения из одного источника:

1- электронно-лучевая пушка, 2 – электронный луч, 3 – испаряемый материал,

4 – водоохлаждаемый тигель, 5 – жидкая ванна, 6 – корпускулярный поток,

7 – вакуумная камера

 

В большинстве случаев при электронно-лучевом испарении испаряемый материал имеет вид цилиндрической заготовки (слитка) диаметром 50–100 мм, верхняя часть, которой находится в медном водоохлаждаемом тигле трубчатой формы. Расплавленный и перегретый с помощью электрон­ного луча материал образует жидкую ванну 5, с поверхности которой осуществляется интенсивное испарение. По мере испарения заготовка под­нимается в направлении, указанном стрелкой, со скоростью, обеспечиваю­щей постоянный объем жидкой ванны и уровень поверхности испарения. Внутреннее охлаждение приточной водой медных тиглей предотвращает взаимодействие с жидкой ванной даже в случае испарения тугоплавких ме­таллов и их соединений, поэтому подобные испарительные устройства от­личаются большой долговечностью и универсальностью. Физико-механические свойства поверхности, модифицированные ионным легированием не столь чувствительны к чистоте ионного пуч­ка, как электрофизические при получении полупроводниковых эле­ментов. Поэтому источники ионов, используемые в машиностроении, не требуют системы сепарации, что облегчает получение больших токов (уменьшается значительно время обработки) и позволяет конструк­тивно упростить имплантор в целом. Для получения, формирования и ускорения ионных пучков, предназначен­ных для внедрения, используются ионно-лучевые установки. Установки ионной имплантации различаются по конструкции и компоновке отдель­ных систем, типу применяемых ионных источников и приемных камер, величинам генерируемого ионного тока, достижимой энергии ионов и дозам вводимой примеси. На современном этапе сложились три основных типа имплантационных установок: 1) малых и средних доз; 2) больших доз с интенсивными ионными пучками; 3) высокоэнер­гетические. Установки малых и средних доз характеризуются пучками интенсивностью от единиц до 500—800 мкА. В сильноточных установках больших доз ионный пучок достигает несколько миллиампер (1—20 мА). Оба типа установок работают в области энергий от 30 до 200 кэВ. В ус­тановках третьей группы достигаются энергии 1 МэВ и более.

Установка для ионной имплантации, как правило, состоит из ионного источника, масс-сепаратора, системы ускорения, системы сканирования пуч­ка, камеры обработки деталей и вакуумной системы.

Источник ионов является одним из наиболее существенных узлов уста­новки и служит для создания и первичного формирования пучка поло­жительно заряженных ионов. Характеристики ионных источников в боль­шей степени, чем характеристики остальных функциональных узлов, оп­ределяют технологические возможности и эффективность работы системы в целом. Существует множество типов ионных источников, однако в про­мышленности широко распространены в основном плазменные

 

Рис.7. Принципиальная схема онструкциипромышленной установки для ионного азотирования:

1 – ионный источник; 2 – система вытягивания и первичного формирования пучка; 3 – магнитный масс-сепаратор; 4 – высоковольтный модуль; 5 – регулируемая диафрагма;

6 – система ускорения; 7 – фокусирующая линза;

8 – пластины электрического сканирования и отклонения пучка; 9 – приемная камера

 

Источник ионов является одним из наиболее существенных узлов уста­новки и служит для создания и первичного формирования пучка поло­жительно заряженных ионов. Характеристики ионных источников в боль­шей степени, чем характеристики остальных функциональных узлов, оп­ределяют технологические возможности и эффективность работы системы в целом. Существует множество типов ионных источников, однако в про­мышленности широко распространены в основном плазменные.

Для упрочнения деталей машин и приборов используется промышлен­ное оборудование, широко выпускаемое для микроэлектроники.

В последние годы имплантационные технологии расширились за счет создания устройств, реализующих плазменно-иммерсионные методы внедрение легирующих элементов. В отличие от ионно-лучевой имплантации плазменно-иммерсионная ионная имплантация (ПИИИ) избавляет от необходимости извлечения, фокусировки, транспортировки, сканирования пучка, и от других манипуляций. При размещении в центре заполненной плазмой камеры любого изделия сложной геометрической формы из проводящего материала и при подаче на изделие импульса высокого напряжения отрицательной полярности вся его поверхность одновременно обрабатывается ионами из плазмы. Благодаря этим преимуществам ПИИИ является более дешевым и более производительным методом.

В обычных установках ПИИИ применяются разнообразные источники плазмы: вакуумная дуга, микроволновой и высокочастотный тлеющие разряды, разряд с накаленным катодом и периферийным магнитным полем и другие. В течение ~ 99 % времени, затрачиваемого на обработку, плазма не оказывает существенного воздействия на изделие и может лишь нагревать его. Только во время высоковольтного импульса длительностью ~ 20 мкс она «поглощается» расширяющимся слоем положительного объемного заряда вокруг изделия, при этом значительная доля ионов извлекается из плазмы и имплантируется в его поверхность. Каждый импульс приводит к снижению средней плотности плазмы в камере и для восстановления ее прежней величины требуется определенное время, зависящее от типа источника плазмы.

В МГТУ «СТАНКИН» было предложено получать плазму с помощью тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов (ТРЭУЭ), который легко переносит импульсы положительной полярности на аноде по крайней мере амплитудой до 3,75 кВ. Электростатическое удержание осуществляется в результате отражения электрическим полем в окружающем плазму со всех сторон слое положительного объемного заряда электронов, влетающих в слой после каждого пролета через плазму.

Фотография экспериментальной установки ПИИИ представлена на рис. 3.43. Стенки цилиндрической вакуумной камеры диаметром 50 см и длиной 50 см, а также обе ее двери покрыты изолированными от камеры водоохлаждаемыми мишенями из листа титана толщиной 2 мм. Эти мишени образуют полый катод. Внутри полого катода имеются анод стационарного разряда, соединенный с камерой, держатель подложек в нижней половине катода, а в его верхней половине – дополнительный анод с экраном из титановой полосы. Все три элемента вводятся внутрь полого катода через отверстия в цилиндрической мишени.

Электрическая схема установки представлена на рис. 3.44. Тлеющий разряд с постоянным током между анодом 1 и полым катодом 2 при давлении аргона 0,05 – 0,5 Па поддерживается выпрямителем 3, соединенным с катодом 2 через резистор 4. Конденсаторы 5 и 6 через резисторы 7, диоды 8 и резисторы 9, заряжаются от высоковольтных трансформаторов 10.

Когда напряжение на конденсаторе 6 достигает величины пробоя одного из двух промежутков трехэлектродного разрядника 11, соединенного с конденсаторами 5 и 6, через соленоиды 12, ток разрядки конденсатора 5 вызывает на резисторе 9 импульс падения напряжения отрицательной полярности. Импульс по кабелю поступает на высоковольтный ввод и держатель подложек 13. Его амплитуда регулируется изменением зазора искрового разрядника 11, а частота следования импульсов – изменением напряжения трансформатора 10.

Разряд во втором промежутке искрового разрядника 11 поджигается плазмой, проникавшей из его первого промежутка через отверстие в соединенном с полым катодом 2 центральном электроде. Импульсы положительной полярности уже поступают на дополнительный анод 14, когда напряжение на конденсаторе 5 достигало ~ 70 % от напряжения конденсатора 6. Однако задержка положительного импульса при этом составляет десятки микросекунд. Увеличение отношения напряжений на конденсаторах свыше 90 % уменьшает задержку ниже 1 мкс. Два высоковольтных импульса с равными амплитудой и длительностью подаются на держатель 13(отрицательные импульсы) и на анод 14 (положительные импульсы) одновременно.

Рис.3.43. Фотография экспериментальной установки

плазменно-иммерсионной ионной имплантации

 

Рис.3.44. Электрическая схема установки:

1 – анод; 2 – полый катод; 3 – выпрямитель; 4,7,9 – резисторы; 5,6 – конденсаторы; 8 – диоды; 10 – высоковольтные трансформаторы; 11 – трехэлектродный искровой разрядник; 12 – соленоиды; 13 – держатель подложек; 14 – дополнитльный анод; 15 - экран

Экспериментальные исследования, проведенные на установке плазменно-иммерсионной ионной имплантации с объемом камеры ~ 0,1 м3 показали, что при постоянном токе разряда ~ 1 A подача пары импульсов с амплитудой по 30 кВ одинаковой длительности вызывает в обеих цепях импульсы тока с амплитудой до ~ 100 А длительностью ~ 60 мкс. Доза имплантации в течение часа составила при частоте импульсов 25 Гц 2х1017 ионов/см2.

Среди недостатков и ограничений ПИИИ – низкая эффективность использования энергии из-за того, что ток электронов с поверхности изделия на порядок превышает ток ионов в его цепи. Необходимо также упомянуть о больших размерах рабочих камер. Дело в том, что ширина слоя вокруг изделия может доходить до 0,5 м, и для обработки даже небольшого изделия нужна камера диаметром 1 м. И самым серьезным препятствием на пути широкого промышленного освоения ПИИИ является опасное рентгеновское излучение, возбуждаемое при бомбардировке стенок камеры вторичными электронами с энергией 50 – 100 кэВ.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

За все время прохождения научно-исследовательской стажировки в Люблинском политехническом университете мы ознакомились c учебной методикой, переняли опыты ведущих преподавателей.

Зарубежная научно-исследовательская стажировка в Люблинском политехническом университете дала возможность собрать необходимые материалы для диссертации и статьи, ознакомились с зарубежным методом обучения и узнали какие достижения у них существует в области проектирования, а именно в машиностроении.