CC BY
21
УДК 621.793
Ю.Р. Осипов, А.А. Немировский
АНАЛИЗ ВИЗУАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ВАКУУМНОЙ ДУГИ С ГОРЯЧИМ ТУГОПЛАВКИМ АНОДОМ
Проведен анализ визуально представленного процесса тепломассопереноса при создании металлических покрытий методом вакуумной дуги с горячим тугоплавким анодом (ВДГТА). При этом получены фотографии на различных этапах работы ВДГТА, которые в дальнейшем использовались для определения временных характеристик работы ВДГТА с различными анодными конфигурациями.
Тепломассоперенос, вакуумная дуга, металлические покрытия, тугоплавкий анод, плазма.
The analysis of visually presented process of heat and mass transfer in creating metal coatings by vacuum arc with a hot refractory anode (HRAVA) was made. The photographs were obtained at various stages of HRAVA, which later were used to determine the temporal characteristics of HRAVA with different anode configurations.
№at and mass transfer, vacuum arc, metal coatings, refractory anode, plasma.
Вакуумно-плазменные технологии широко используются в различных отраслях народного хозяйства для создания на поверхности различных материалов износостойких, антифрикционных, жаропрочных, коррозионно-стойких и других покрытий, в том числе тонкопленочных металлических напылений.
В вакуумно-плазменных технологических процессах нанесения покрытий и осаждения тонких пленок, наряду с другими методами [1], [2],
применяется метод вакуумной дуги с горячим тугоплавким анодом (ВДГТА).
Однако метод ВДГТА может быть использован для тонко-металлических пленочных напылений с более низким уровнем загрязнения макрочастицами (МЧ), чем у обычных катодных вакуумных дуговых источников [4], и без использования дополнительных сложных и громоздких компонентов, т.е. без криволинейных каналов и применения магнитных полей, используемых в [3], [6].
В ВДГТА анод нагревается во время дугового пробоя и со временем его температура возрастает. Металлическая плазма создается путем анодного повторного переиспарения катодного материала, осажденного на поверхность анода. Облако плазмы развивается в межэлектродном промежутке, заполняет его и распространяется радиально в окружающем ее вакууме, что позволяет использовать ВДГТА в качестве источника «чистой» плазмы (свободной от МЧ) для изготовления износостойких металличес-ких покрытий.
В этой статье визуально представлен процесс тепломассопереноса при создании износостойких металлических покрытий методом вакуумной дуги с горячим тугоплавким анодом.
При этом получены фотографии на различных этапах работы ВДГТА, которые в дальнейшем использовались для определения временных характеристик работы ВДГТА.
Эксперименты проводились в цилиндрической вакуумной камере (длина 400 мм, диаметр 160 мм). Камера была диффузно накачана до давления ~ 2,6 -10-3 Па. Во время дугового разряда давление составило ~ 2,6 -10-2 Па. Разряд воспламенялся между цилиндрическим медным катодом с водным охлаждением и коаксиальным тугоплавким графитовым анодом. Анод был окружен двумя цилиндричес-кими молибденовыми радиальными щитами диаметрами 60 и 70 мм. Во время экспериментов использовались три анодные геометрии: симметричный анод длиной 30 мм; два асимметричных анода, у которых передняя поверхность, находящаяся напротив катода, была срезана под углом таким образом, что максимальные и минимальные длины составили 30 и 25; 30 и 20 мм соответственно. Для фиксации изображений работы ВДГТА на различных стадиях использовалась цифровая видеокамера. Во время экспериментов дуговые токи составили 120, 145, 175 и 225 А, а межэлектродные расстояния изменялись в следующей последовательности: 5, 9, 14 и 18 мм. Фотоснимки вакуумной дуги представлены на рис. 1. Здесь изображены электродное излучение и рост плазменного облака при дуговом токе 175 А, меж-электродном расстоянии, равном 18 мм, с использованием асимметричного анода с максимальной длиной боковой стороны 30 мм и минимальной - 25 мм, расположенного короткой стороной к камере. Сразу же после зажигания дуги, пока температура анода не достигла достаточно высокого значения, дуга работает как обычная катодная дуга в режиме мультикатодных вспышек (МКВ) (рис. 1, а, б). На данном этапе с 5-й по 10-ю секунды после зажигания дуги плазменные потоки, вызванные катодными вспышками, расширяются в межэлектродном пространстве, и материал с катода осаждается на аноде, покрывая его. В то же время анод нагревается катодными потоками плазмы. Нагрев достигает температуры, при которой нанесенный катодный материал начинает повторно
испаряться с поверхности анода, формируя плазменное облако (рис. 1, в - е). Начиная примерно с 15-й секунды, центральная область (С-область) на поверхности анода, из которой первоначально нанесенная пленка испаряется, разделена четко определенной границей (Е-кривая) от периферийных районов, близких к боковой поверхности (О-области) (см. рис. 1, в). С-область увеличивается со временем (см. рис. 1, г, д). Материал, который повторно испаряется с анода, формирует
высокоионизированный анодный выброс плазмы вследствие его взаимодействия с катодными потоками плазмы. Это отчетливо видно на рис. 1, г. Радиальное и осевое распространение анодного облака плазмы увеличиваются со временем, одновременно заполняя большую часть
межэлектродного пространства.
На заключительном этапе работы ВДГТА плотная плазма анодного выброса полностью покрывает поверхность анода и заполняет разрыв за характеристическое время т = т« 35 с (см. рис. 1,
е).
а) т = 5 с б) т = 10 с в) т = 15 с
С-область
Катод Анод .0-область
г) т = 20 c д) т = 25 c е) т = 15 c
Рис. 1. Фотоснимки развития ВДГТА с графитовым анодом и медным катодом: расстояние между
электродами 18 мм, дуговой ток 175 А, соотношение максимальной и минимальной сторон анода 30 / 25 мм
При т > ткатодные потоки плазмы полностью
рассеиваются в анодном облаке плазмы. При этом тепловой поток к аноду выходит из этого плазменного облака, в отличие от начального этапа, когда катодные вспышки плазменных струй определяли нагрев анода [5].
С помощью анализа изображений работы ВДГТА установлено, что тслабо зависит от анодной
геометрии и расстояния между электродами при устойчивой зависимости среднего тгл от дугового
тока (рис. 2). Анализ рис. 2, показывает, что характерис-тическое время возникновения плотного облака плазмы (т гм) уменьшается линейно с ростом дугового тока в диапазоне 120 - 225 А.
Рис. 2. Зависимость среднего времени перехода к режиму ВДГТА от дугового тока
Таким образом, визуализация процесса тепломассопереноса при создании покрытий методом вакуумной дуги с горячим тугоплавким анодом облегчила определение временных характеристик работы ВДГТА с различными анодными конфигурациями.
Полученный результат может быть использован при усовершенствовании и повышении
эффективности существующих вакуумноплазменных технологических процессов нанесения покрытий и ос Рис. 1 (е) , т=35 с юк с целью увеличения их качества.
D - область
Литература
1. Осипов, Ю.Р. Анализ влияния теплообменных процессов на формирование свойств тонкопленочных металлических покрытий в вакуумной дуге с горячим тугоплавким графитовым анодом / Ю.Р. Осипов, А.А. Немировский // Вестник ЧГУ. - 2010. - № 2 (25). - С. 106 -112.
2. Осипов, Ю.Р. Повышение эффективности теплообменных процессов при изготовлении тонкопленочных металлических напылений в вакуумной дуге с горячим тугоплавким графитовым анодом / Ю.Р. Осипов, А.А. Немировский // Энергосбережение и водоподготовка. - 2010. -№ 4 (66). - С. 42 - 46.
3. Anders, A. Imaging the separation of cathodic arc plasma macroparticles in curved magnetic filters / A. Anders // IEEE Trans. Plasma. Sci. - 2002. - Т. 30, № 1. - С. 108 - 109.
4. Beilis, I.I. Copper film deposition by a hot refractory anode vacuum arc / I.I. Beilis, A. Shashurin, D. Arbilly, S. Goldsmith, R.L. Boxman // Surf. Coat. Technol. - 2004. - Т. 177 - 178. - С. 233 - 237.
5. Beilis, I.I. Interelectrode plasma evolution in a hot refractory anode vacuum arc: Theory and comparison with experiment / I.I. Beilis, S. Goldsmith, R.L. Boxman // Phys.Plasmas. - 2002. - Т. 9, № 7. - С. 3159 - 3170.
6. Boxman, R.L. Recent developments in vacuum arc deposition / R.L. Boxman // IEEE Trans. Plasma. Sci. - 2004. - T. 29, № 5. - C. 762 - 767.
