При цьому способі нанесення покриття здійснюється розпилення матеріалу локальною дією на його поверхню енергетичних імпульсів. Внаслідок цього на мікроділянках створюються умови для швидкісного випаровування твердого матеріалу.

При щільності енергії 10 ...10й Вт/см2 на поверхні матеріалу реалі­зується розпилюючо-випаровувальний процес з утворенням потоку час­ток, що напилюються. У більшості випадків продукти розпилення ізо­тропно розлітаються у межах напівсфери. Основна частина продуктів ерозії складається з парової фази.

Практично процес розпилення-випаровування супроводжується утворенням найдрібніших часток конденсованої фази. Тверді або рідкі частки мають розмір від долі до десятків мікрометрів та розлітаються зі швидкістю 1... 10 м/с. Такі частки називають крапельною фазою потоку. Однією з причин виникнення крапельної фази є окклюзія газів, нерівно­мірність мікро та макроструктури матеріалу, що розпилюється. Перехід крапельної фази у покриття здебільшого недопустимий. Тому при напи­ленні покриття способом вибухового розпилення необхідні пристрої для відділення сконденсованої фази від основного потоку часток, напилю­ються.

Рівень сучасної техніки дозволяє здійснити формування корпуску­лярного потоку матеріалу з використанням різних імпульсних джерел теплоти, які переміщуються по поверхні розпилюваного матеріалу. Це може бути електронний або лазерний промінь, електричні розряди тощо.

Досить ефективно процес нанесення покриття відбувається у так званій металічній плазмі - високострумному низьковольтному розряді, який горить у парі матеріалу.

По способу генерації плазми вакуумні дуги розподіляються на катод­ну й анодну форми, в яких генерація металічної плазми здійснюється відповідно катодними й анодними плямами.

На охолоджуваних катоді й аноді з розвиненою поверхнею реалізу­ється катодна форма дуги, яка розвивається у парі матеріалу катоду, який еродує з мікроплям. Основна частина розрядної напруги склада­ється з катодного падіння потенціалу.

Для катодної форми дуги існує мінімальний крітичний струм (від одиниць до сотен амперів залежно від матеріалу катоду та параметрів електричної мережі), вище якого можна отримати стійкий електричний розряд. Тому стаціонарний катодний режим генерації плазми стійко ре­алізується при струмі більше критичного. Звичайно це відбувається при електричній потужності більше 1 кВт.

На рис. 5.5 наведена схема вакуумного напилення покриття розпи­ленням катода дугою низького тиску.

Цей спосіб розроблено Харківським фізико-технічним інститутом і названий КІБ (конденсація з іонним бомбардуванням).

У технічній літературі цей спосіб ще називають іонно-плазмовим вакуумним напиленням, підкреслюючи, що формування покриття пере­важно відбувається з іонізованого потоку часток.

Процес здійснюється у жорсткій камері у вакуумі при тиску 10...10 ’ Па. Між розпилюваним матеріалом - катодом 2 та мідним водоохолоджува - ним анодом 4 збуджується дуговий розряд. З цією метою використову­ють силове джерело живлення постійного струму 1 з напругою холостого ходу 60...80 В. Для збудження дуги використовують різні схе­ми (допоміжний електрод, плавку вставку тощо).

Стабілізація катодної плями у межах площини матеріалу, що роз­пилюється, передбачена за допомогою електромагнітної котушки 8. Ду­говий розряд 7 протікає у парі матеріалу катоду. В окремих катодних плямах відбувається безперервний процес самочинного розкладу чару­нок і безперервне утворення нових. Щільність струму в катодних плямах становить 105...10 А/см2 при частоті коливань того ж порядку. Таким чином, дуга відіграє роль імпульсного джерела нагрівання.

Стійкість дуги залежить від того, як легко випаровується матеріал катоду, під дією енергії, яка виділяється у катодних плямах. Струм у ка­тодній плямі може бути від одиниць до сотень ампер при щільності по­тужності від 107 до 108 Вт/см2.

Розподілення числа катодних плям відповідає закону Гаусса, а їх переміщення броунівському. Відштовхуючись один від одного, вони пе­реміщуються до периферії площі катоду та стабілізуються на торці ка­тода котушками 8.

Необхідними умовами генерації потоку часток, що напилюються, є великі потужності, які виділяються на катодних плямах, та високий тиск пари при утворенні катодних струменів.

Найбільш стабільно процес розпилення матеріалу катода прохо­дить при охолодженні його водою 9 (холодний катод).

При катодному розпиленні використовують нееродуючі аноди 4. їх робота проходить у ненапруженому тепловому режимі. Необхідно праг­нути до мінімального падіння анодного потенціалу та дифузного розпо­ділення розряду по поверхні анода. При цьому знижується абсолютна величина енергії, що виділяється на аноді, та величина питомої енергії на одиницю площі. Анодна пляма переміщується по поверхні зі швидкіс­тю біля 104 м/с. Це запобігає руйнуванню анода.

Пара матеріалу, який розпилюється, копи проходить крізь дуговий розряд, значною мірою іонізується. Залежно від умов процесу ступінь іонізації знаходиться в широких межах від 20% до 90%. Завдяки цьому з’являється можливість формування потоку 5 у напряму виробу 6.

На практиці використовують два способи дії на іонізовані частини потоку: електромагнітною дією та подачею на виріб від’ємного зміщення.

Найбільший вплив на ефективність процесу справляє питома потуж­ність дугового процесу, потенціал зміщення, який подається на виріб, та індукція магнітного поля. Ці параметри в основному визначають серед­ню енергію іонів, щільність потоку енергії плазмового струменя, щіль­ність потоку іонів та інші показники.

З підвищенням питомої потужності дуги збільшується швидкість розпилення катоду та продуктивність напилення. При цьому поліпшу­ються показники параметрів потоку часток.

Питома потужність дуги регулюється двома параметрами: силою струму дуги та площею розпилюваного катода. Напруга дугового розря­ду змінюється мало і становить ЗО.,.40 В. При наперед заданих розмірах площі розпилюваного матеріалу основним енергетичним параметром є сила струму дуги.

Сучасні установки дозволяють вести процес при силі струму від 20 до 1000 А. Найчастіше використовується сила струму 100...300 А при щільності 1...20 А/см2. Якщо збільшити щільність струму, різко зростає у паровому потоці кількість конденсованої фази.

Від’ємний потенціал на виріб подається високовольтним випрям­лячем 10, який забезпечує регулювання напруги в широких межах. У електромагнітних (холівських) торцевих прискорювачах 3 прискорення часток відбувається під дією сили Ампера.

У системах з холівським прискорювачем іонізованих часток, на від­міну від електродугових випаровувачів з електростатичним прискорен­ням, забезпечується формування сфокусованих, практично повністю іо­нізованих і прискорених незалежно від технологічного об’єкту плаз­мових потоків, внаслідок чого при рівних значеннях електричної по­тужності холівські прискорювачі мають більш високу продуктивність, яка підвищує продуктивність випаровувачів у п'ять-десять разів, а більш висока ступінь іонізації плазмового потоку забезпечує гнучке керування і більш ефективне протікання процесів синтезу.

Індукція магнітного поля найбільш впливає на щільність потоку іо­нізованих часток. Найчастіше використовують величину індукції у межах від 0 до 4,5 мТл.

На рис. 5.6 показана якісна залежність впливу величини струму ду­ги та індукції магнітного поля котушки на щільність струму іонів у напи­люваному потоці.

Рис. 5.6. Якісна залежність щільності іонного струму від індукції магнітного поля та струму дуги

Потенціал зміщення найбільш впливає на швидкість іонного трав­лення вихідної поверхні напилення та швидкість конденсації.

При ерозії катода на поверхні диска утворюються чашкоподібні за­глиблення.

Стабільність процесу залежить від температури розпилюваного ма­теріалу. Підвищення температури порушує кінетику переміщення катод­них плям, підвищує кількість конденсованої фази у потоці.

Для вилучення впливу температурного фактору матеріал катода ін­тенсивно охолоджується водою.

Для стабілізації дугового розряду тиск у камері підтримується на рівні від 101 до 10‘2 Па. Дистанція напилення знаходиться у межах

200.. .350 мм.

На стабільність процесу, окрім перелічених технологічних парамет­рів, великий вплив справляють конструкція та розміри анодного вузла та конструкція магнітних систем стабілізації катодної плями на торці ма­теріалу, що розпилюється, та магнітного прискорювача.

Спосіб КІБ можна віднести до процесів PA PVD. Він широко викори­стовується для нанесення покриття різного призначення з багатьох ма­теріалів. Найбільше поширення він отримав при вакуумному реакцій­ному напиленні (спосіб ARE) зносостійких покриттів. Наприклад, при напиленні твердих зносостійких матеріалів на ріжучі та інші інструменти.

При використанні оптимальних параметрів режиму іонно-плаз - мового напилення можна утворити потоки з широкими межами показни­ків:

- щільність потоку часток 102°...1021 часток/(см2 с);

- енергія часток 5...40 еВ;

- ступінь іонізації 20...90%;

- швидкість часток 103...105м/с

- кількість конденсованої фази до 10%.

До переваг методу належать:

- універсальність по матеріалам, що напилюються, та покриттям;

- висока продуктивність процесу (1...3 мкм/xe) і вище;

- висока якість покриття, особливо адгезійна міцність;

- достатня кількість керованих параметрів процесу та гнучкість їх регулювання;

- спрощене отримання покриття з рівномірною товщиною.

До недоліків методу належить віднести наявність у потоці значної кількості сконденсованої фази. Це ускладнює установки для напилення за рахунок введення нових вузлів для сепарації потоку.

Перспективними напрямками розвитку процесу є використання анодної форми дуги, використання скануючого імпульсного лазерного або електронного променю тощо.