Для вакуумного нанесення покриття термічним випаровуванням ви­користовують різні типи установок, які відрізняються між собою спосо­бом нагрівання матеріалу, який випаровується. Це установки з резис - тивними, електронно-променевими, ВЧ-індукційними та дуговими випа­ровувачами.

На рис. 6.37 показана базова модель установки УВН-2М з резистив­ним нагрівачем. Вона призначена для відпрацювання технології напи­лення та серійного виробництва плівкових елементів і схем.

Рис. 6.37. Схема базової установки УВН-2М (а) та технологічного оснащення у камерах одноопераційного (6) та багатоопераційного типів (в): 1 - камера; 2 - дифузійний насос; 3 - високовакуумна засувка; 4 - азотна пастка; 5 - механічний вакуумний насос; 6 - коробка клапанів; 7 - натікач робочого газу; 8 - сосуд Дьюара; 9 - камера; 10 - базова плита; 11 - нагрівач напилюваного виробу; 12 - карусель масок; 13-випаровувач; 14-екран; 15-засувка; 16 - карусель виробів, що напилюються; 17 - екран; карусель масок; 18 - карусель випаровувачів; 19 - засувка; 20 - екран

Установка випускається в однокорпусному виконанні з камерою ков - пакового типу розміром 0500x640 мм з об’ємом 0,12 м3, яка розташова­на на базовій плиті. Вертикальний підйом камери відбувається за допомогою гідравлічного механізму. У внутрішній порожнині камери розташовані випаровувачі, напилювані вироби, каруселі, екрани та інше оснащення. Для напилення покриття у багатоопераційному варіанті є карусель випаровувачів на п’ять позицій.

Максимальна температура напилюваного матеріалу складає 1500 °С. Джерело живлення (рис. 6.34) має однофазний трансформа­тор, в якому передбачені чотири ступеня регулювання з напругою холо­стого ходу 4, 8, 16 та 32 В та теристорний регулятор напруги, для плавного регулювання величини струму у резистивному випаровувачі від 60 до 500 А. Потужність джерела живлення становить до 20 кВт.

Установки електронно-променевого напилення. Установки елек­тронно-променевого напилення покриття - досить складні та енергоємні агрегати. Вони розраховані на безперервну роботу на протязі 10...15 годин і більше. Блок-схема з переліком основних вузлів електронно - променевої установки УЗ-175М показана на рис. 6.38.

На практиці використовується цілий ряд промислових та експери­ментальних установок з електронно-променевими випаровувачами. Поширення отримали установки УЭ-137, УЭ-175, УЭ-366М, розроблені ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України, які досить широко використовуються для нанесення захисного покриття на лопатки газотурбінних двигунів та інших виробів.

Дослідно-промислова електронно-променева установка УЭ-366 до­зволяє отримати багатокомпонентні дисперснозміцнені та багатошарові конденсати з різних матеріалів на пласкі нерухомі підпожки, а також на лопатки газотурбінних двигунів.

Функціональна схема установки представлена на рис. 6.39.

Установка складається з вакуумної камери з сімома електронними гарматами, системи створення вакууму та електрообладнання.

Вакуумна водоохолоджувана камера 1 виконана у формі парале­лепіпеда з основою 1200x1200 мм та висотою 1000 мм з листів низько­вуглецевої сталі товщиною 12 мм. Дві електронно-променеві гармати З призначені для підігрівання підложки, встановлені на водоохолоджувачу горизонтальну плиту 21.

На вертикальній плиті 15 встановлені п’ять електронних гармат 8. Дві випаровують металевий сплав, а три випаровують керамічні матері­али.

Безпосередньо над тиглями 12 та 7 на відстані 270..,300 мм вста­новлюється основа 5, на яку здійснюється конденсація матеріалів, що випаровуються. На час виведення установки на заданий режим основа захищається від напилення засувкою 6.

Рис. 6.38. Блок-схема промислової електронно-променевої установки УЭ-175М

П’ять мідних водоохолоджуваних тиглів 3 типу "човник” 7 та два ци­ліндричних 12 з нижньою подачею злитку матеріалу, що випаровується, встановлені на плиту 9, яка за допомогою гвинтової пари 17, приводу 16 та роликової системи в процесі випаровування може переміщувати тиглі або здійснювати їх зворотньо-поступальне переміщення по заданій про­грамі. Це дозволяє розширити можливості установки та вводити доміш­ки, наприклад оксиди, у металічні матеріали, які випаровуються таким чином, що характер їх зміни у матеріалах підкоряється практично лю­бому наперед заданому закону. Вхід 4 системи водяного охолодження тиглів та рухомої плити виконано через допоміжну камеру.

Рис. 6.39. Схема електронно-променевої установки УЭ-366М

Завантаження матеріалів та обслуговування робочої камери відбу­вається через передні двері 13. Робочі гармати захищаються від пере­грівання та запилення водоохолоджуваним екраном 2.

Спостереження за ходом процесу випаровування ведеться через оглядову систему 20, яка змонтована на передній двері камери. Освіт­лення всередині камері створюється випромінюванням світла поверх­нею матеріалу, що випаровується, розігрітого до високої температури електронними потоками.

Для зниження забруднення скла оглядової системи перед ним встановлюється диск 19, що обертається під дією рухомого електромаг­нітного поля. Після досягнення стабільного режиму випаровування оглядове вікно закривається заслонкою 18, яка відкривається тільки для періодичного нагляду за ходом процесу. Це дозволяє значно підвищити строк використання оглядового скла без очищення його від конденсату.

Особливістю установки є відокремлення електронних гармат від зони випаровування за допомогою вертикальної 15 та горизонтальної 9 плит та роздільне їх вакуумування. Це поліпшує стабільність роботи електронно-променевих нагрівачів.

Робочий вакуум 1,3-10' ... 1,3-10'3 Па в камері створюється за до­помогою форвакуумного насосу ВН-4Г, бустерного насосу БН-3 та двох вакуумних агрегатів ВА-8-4 та АВП5-4.

Всі електронні гармати установки УЭ-366М заживлені прискорюю­чою напругою 18 кВ від загального високовольтного блоку, який склада­ється з силового трансформатора та випрямляча.

Кожна гармата має свій трансформатор розжарювання катоду, який керується магнітним підсилювачем. Роздільне живлення катодів елект­ронно-променевих гармат у поєднанні з роздільним живленням елект­ромагнітів керування положення променю в просторі дозволяє отримати одночасно сім незалежних електронних променів різної потужності.

Нагрівання основи до заданої температури здійснюється двома до­поміжними гарматами зі стабілізаторами температури, які керуються від термопар. Рівномірність нагрівання підложки досягається шляхом ска­нування електронних променів по заданій програмі за допомогою спеці­ального генераторного пристрою.

Для випаровування металічної основи мікрошарових матеріалів служать дві гармати. Кожна з них має автоматичний регулятор струму променю, який керується сигналом з високовольтного датчика струму.

Випаровування оксидів здійснюється за допомогою трьох гармат. Стабілізація робочого струму кожної гармати також забезпечується ав­томатичними регуляторамми струму, які керуються від датчиків струму.

Використання системи автоматичної стабілізації режиму випарову­вання шляхом стабілізації струму емісії дозволяє отримати високоякісні та однорідні по складу матеріали при випаровуванні з декількох тиглів.

В установках УЭ-175 попереднє електронне нагрівання виробів проводиться у допоміжних камерах (рис. 6.38), розташованих з обох сторін від робочої камери. Передбачена автоматична система контролю керування технологічним процесом випаровування на базі міні-ЕОМ.

Для напилення покриття електронно-променевим випаровуванням великогабаритних деталей діаметром до 2,5 м та висотою до 2 м ство­рені установки типу УТН.

Широке розповсюдження для напилення виробів електронної техні­ки отримали установки УВН-73П-5, УВН-83-1, “Лада-5" та інші. У них ви­користані циліндричні горизонтальні камери з пристосуванням бара­банного типу для кріплення виробів, які напилюються, та вертикальні ковпакові камери з транспортуючими пристроями карусельного типу.

Установки для вакуумного напилення покриття з іонним бом­бардуванням (КІБ). Є декілька типів установок високошвидкісного роз­пилення дугою низького тиску. Найбільше поширення отримали уста­новки типу “Булат”.

Установки "Булат” призначені для синтезу твердих матеріалів та нанесення їх у вигляді покриття методом конденсації матеріалу, який випаровується та розпилюється у вакуумі електричною дугою й іонним бомбардуванням ріжучого інструменту та деталей машин і інструменталь­ної оснастки.

Основні технічні характеристики установки “Булат-6” такі:

максимальна потужність установки, кВт........................... до 42;

напруга живлення, В............................................................... 380;

частота напруги живлення, Гц.............................................. 50;

максимальна площа поверхні, що напилюється,

дм2, біля............................................................................................. 25;

швидкість осадження покриття одним джерелом плазми на нерухому основу при номінальному режимі на відстані 50 мм

від зрізу аноду, мкм/год................................................................... 15...50;

напруга холостого ходу джерела живлення дугових

випаровувачів, В............................................................................... не меншеЮО;

струм дуги, А............................................................................. до 150;

регулювання струму дуги, плавно, А................................... 80...150;

напруга холостого ходу випрямляча іонного бомбардування,

кВ, не менше...................................................................................... 1,7;

кількість джерел плазми......................................................... 3;

діаметр потоку плазми на виході з джерела, мм 200;

робочий тиску камері, Па...................................................... 2,6-Ю'3.6,5- 10'1

час відкачування камери до тиску 1,3 Па, хе...................... до 20;

час відкачування камери до тиску 2,6-10'3 Па

паромастильним вакуумним насосом, хе................................... до 20;

максимальні розмірі деталі, що напилюється, мм:

діаметр...................................................................................... 400;

висота....................................................................................... 200;

навантаження на шпіндель поворотного пристрою, кг,

не більше................. ................................................................ 50;

тривалість робочого циклу, хе, не більше.................................. 90.

Випрямляч для іонного бомбардування має 6 ступенів регулюван­ня: 0.1; 0,3; 0,5; 0,8; 1,1 і 1,7 кВ та забезпечуе максимальний струм у режимі іонного бомбардування не більше 15 А.

На рис. 6.40 наведена схема установки "Булат” з одним випарову­вачем.

Базовою деталлю установки є камера 1 з водяним змієвидним охоло­дженням. Відкачні насоси 5 забезпечують у камері вакуум до Ю'^-Ю-3 Па. Для виморожування пари мастила передбачена азотна пастка 6. Дуго­вий розряд виникає між водоохолоджуваним анодом 8 та матеріалом, який розпилюється катодом 9. Для збудження дуги використовується допоміжний електрод 11.

L 2 Рис. 6.40. Схема установки типу "Булат"з одним випаровувачем

Електродуговий прискорювач плазми 10 працює від силового спе­ціалізованого джерела постійної напруги. Для екстракції іонів з плазмо­вого потоку та їх прискорення у напрямі до виробу, що напилюється, використовується високовольтне джерело живлення 7. Від нього на ви­ріб 2, який напилюється, подається від’ємне зміщення напруги від деся­тка вольт до 2...З кВ. Електромагнітні котушки стабілізують катодні плями на зовнішній поверхні матеріалу, що розпилюється, фокусують та прискорюють потік напилюваних часток, відхиляють заряджені частки з метою сепарації потоку.

Установки “Булат” мають пристрій для автоматичного напуску газу у вигляді гольчастого натікача 4. Атмосфера у камері контролюється мас-спектрометром 3, завдяки чому з'являється можливість створення плазмових струменів з регульованим вмістом іонів різних елементів.

Крім установок типу "Булат”, випускаються установки для конден­сації з металічної плазми при іонному бомбардуванні типу “Пуск”, “Юні - он" та інші.

Основним призначенням практично всіх установок є зміцнення рі­жучого інструменту. Крім того, вони можуть бути використані для нане­сення покриття на деталі самого широкого призначення.

Всеросійським інститутом авіаційних матеріалів (ВІАМ) розроблено установку для іонно-плазмового напилення МАР-1М. Вона призначена для нанесення іонно-плазмового дифузійного покриття з композицій жа­роміцних сплавів, яка забезпечує високу жароміцність, термостійкість та втомлювальну міцність деталей, що працюють при високих температу­рах.

Установки для ВКНП іонним розпиленням. Для отримання по­криття з металів, у тому числі тугоплавких, сплавів, напівпровідників, діелектриків та іншого покриття конструктивного призначенння, викорис­товують установки нанесення покриття шляхом іонного бомбардування.

Найбільше поширеня отримали установки з магнетронними розпи­люючими системами (МРС). Це такі установки як ZV1200, Z700P2/2 (фір­ми "Лейбольд-Хареус", Німеччина), МИР-16 МИР-2, MARS-650, УВН-6 та інші.

Порявняно з електронно-променевим випаровуванням МРС забез­печують на 2...З порядки вищу ступінь іонізації і дозволяють отримати покриття більшої номенклатури складових компонентів. Енергія розпи­люваних часток при магнетронному розпиленні на порядок вища, ніж при електронно-променевому.

Існує багато конструкційних варіантів МРС, які відрізняються спосо­бом створення магнітного поля, конструкцією катодного вузла, геометрі­єю мішені. Розроблено три базові конструкції магнетрону: циліндрична з циліндричним катодом, планарна з плоским катодом і так звана S-Gun з кільцевим конусоподібним катодом, яку іноді розглядають як різновид циліндричної (рис. 6.41).

Установка УВН-61, має циліндричну (коаксіальну) магнетронну сис­тему, в якій катод з матеріалу, що розпилюється, виконано у вигляді труби.

Магнетронна система встановлена у внутрішній порожнині труби і при цьому розпилюється зовнішня поверхня катоду (рис. 6.42).

Плазма локалізується у поверхні катода, що розпилюється за до­помогою кільцевого арочного магнітного поля. Підложки розташовують­ся навкруги катоду. Для наведеної схеми характерні щільності струму 60 мА/см" та досить висока рівномірність покриття.

/

2 3 4 ш/

/ / 'І [ ) Е с ' q

а

Я

2 Г

ПЕЗ

п

-ЕЗ-

г 4

Рис. 6.41, Конструктивні схеми магнетронних схем розпилення: (а) циліндрична з внутрішнім розташуванням катоду, (б) циліндрична з зовнішнім розташуванням катоду, (в) система з конічним катодом (S-Gun), (г) планарна система; 1 - катод (мішень); 2 - анод; 3 - підложкодержач; 4 - магнетронна система; 5 - екран. Стрілочками показано напрямок силових ліній магнітного поля

Установка УВН-61 (рис. 6.42} складається з основи, ковпакової ро­бочої камери з підковпачним пристроєм і механізму для підйому ковпа­ка, вакуумної системи, системи охолодження і пульта керування з елек­тричним блоком

Основу становить сталевий зварний каркас, закритий металевими панелями пульта керування. Ковпакова робоча камера 1 з випаровува­чем 2 і виробами 4 розташовані на базовій плиті 19, а усередині каркаса змонтовані всі інші системи й елементи. Ковпакова камера 1 являє со­бою металеву (з нержавіючої сталі) герметичну оболонку, що вакуумно щільно з'єднується з базовою плитою 19. Для спостереження за проце­сом напилювання ковпак має оглядове вікно.

Рис. 6.42. Зовнішній вигляд установки VBH-61: 1 - ковпак; 2 - випаровувач; 3 - натікач; 4 - деталь; 5 - клапан форвакуумного насоса; 6 - клапан високовакуумного насоса; 7, 8 - шкали вакууметра; 9 - вимикач живлення; 10 - контроль параметрів напилення; 11 - трансформатор; 12 - механічний (форвакуумний) насос; 13 - електронагрівач; 14 - маслонасосна станція гідропривода; 15 - паромасляний (високовакуумний) насос; 16 - затвор; 17 - контроль вакуума; 18 - органи керування гідролриводом; 19 - базова плита; 20 - змійовик; 21 - джерело живлення; 22 - контроль температури; 23 - контроль струму магнітрона

22 23

До камери припаяний змійовик, який призначений для охолодження або підігрівання камери холодною чи гарячою водою.

Для нанесення покриття досить часто використовують установки, в яких процес ведеться з використанням двох методів. Прикладом такої установки може бути установка УВН-75Р-2, схема якої представлена на рис. 6.43.

Електрична схема установки забезпечує живлення та керування тліючим розрядом при максимальному струмі 200 мА та напрузі 5 та електронно-променевим випаровувачем при максимальному струмі променю 200 мА і напрузі 10 кВ.

Більші можливості має інша модифікація установок такого типу: УВН-75П-1. Вона забезпечує іонне розпилення як на постійному, так і змінному струмі. При розпиленні металів, сплавів, з'єднань металічного типу на матеріал подається постійна напруга до 5 кВ. При розпиленні діелектриків використовується змінна напруга до 3 кВ з частотою 76 МГц. Крім того, установка має двохпроменевий електронний випаро­вувач, який працює на напрузі 6...10 кВ та струмі до 200 мА.

Рис. 6.43. Схема внутрікамерного устрою установки УВН-75Р-2: 1 - базова плита; 2 - електрон но-про мене вий випаровувач; 3-бункер деталей; 4 - багатопозиційна карусель; 5 - підігрівам виробів; 6 - ковпак вакуумної камери; 7 - виріб; 8 - магнетронна розпилювальна система; 9 - екран 1