УДК 538.95
МОДЕРНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПЛЕНОК С ЗАДАННЫМИ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ
Modernization and atomization industrial vacuum equipment for receiving multifunctional films with received structure and properties
. Пермский государственный технический университет. Доцент. к. т.н. г. Пермь, Россия, *****@***ru, (342)2242405.
. Марийский государственный технический университет. Доцент. к. т.н. г. Йошкар-Ола, Россия, *****@***ru.
Научный центр «Порошкового материаловедения» ГОУВПО «Пермский государственный технический университет». Инженер. г. Пермь, Россия, *****@***pstu. ac. ru, (342)2391199.
A. L. Kameneva. State educational institution of the higher vocational education Perm state technical university. Perm. Russia. *****@***ru. 8(342)2242405. Associate professor. Candidate of science.
N. shentsov. Mari State Technical University. Joshkar-Ola. Russia. *****@***ru. (8362) 650085. Associate professor. Candidate of science.
A. J. Klochkov. State educational institution of the higher vocational education Perm state technical university. Perm. Russia. *****@***pstu. ac. ru. 8(342)2391199. Engineer.
В научном центре «Порошкового материаловедения» ГОУВПО ПГТУ модернизирована и автоматизирована промышленная вакуумная установка электродугового испарения УРМ 3.279.048 путем дополнительного размещения в вакуумную камеру четырех магнетронов и резистивного нагревателя; усовершенствования существующих источников высокого и опорного напряжения (смещения) на подложке, конструкции подложкодержателя. In State educational institution of the higher vocational education Perm state technical university the industrial vacuum setup URМ 3.279.048 arc evaporation was modernized and automatized. It was equipped with four dc magnetrons and resistance-type heater. Available source of high and supporting (removal) voltage, construction of substrate holder were improved.
Ключевые слова: модернизация и автоматизация вакуумного оборудования, магнетронное распыление, электродуговое испарение, многослойные упрочняющие и защитные пленки, переменная структура и состав пленок.
Modernization and automation of evacuating equipment, magnetron sputtering, arc evaporation, multi-layer protective and harden films, variable structure and composition.
Введение
Эксплуатационная стойкость большинства деталей машин, технологического инструмента и пар трения (в дальнейшем изделий), испытывающих воздействие истирающих, ударных, динамических (знакопеременных, теплосиловых и т. д.) нагрузок и агрессивной среды, в значительной степени определяется их поверхностными свойствами. Создание прогрессивных материалов многофункциональных пленок, в частности многослойных упрочняющих и защитных с переменным составом, строением и структурой, позволяющих максимально увеличить работоспособность и эксплуатационную надежность изделий различного назначения, является актуальной научной и практически значимой задачей. Одним из способов повышения работоспособности и надежности изделий, работающих в экстремальных технологических условиях, является нанесение многофункциональных пленок. Используемое промышленное вакуумное оборудование, предназначенное для производства пленок четко определенного состава, не отвечает указанным требованиям. Задача получения пленок с комплексом функциональных свойств, заданным составом и структурой на оборудовании, основанном на работе однотипных источников плазмы, за один непрерывный процесс технически сложна и трудоемка, в связи с тем, что требуется прерывание или остановка технологического процесса, сложные и дорогостоящие технологические приемы. Решить данную проблему возможно на оборудовании, основанном на работе различных источников плазмы и позволяющем получить пленки с градиентом структуры, свойств, химического и фазового состава и реализовать принцип разделения функций между слоями пленки.
Основные задачи представленной работы: модернизация и последующая автоматизация промышленной вакуумной установки электродугового испарения для получения в течение одного технологического цикла экономичных многофункциональных пленок со стабильными эксплуатационными характеристиками.
Методика эксперимента.
Для получения за один непрерывный технологический процесс большого количества слоев различного состава, строения и структуры без изменения исходных материалов, необходимости перемещения подложки из одной камеры в другую и получения в конечном итоге многофункциональной пленки с заданным составом и строением, либо с градиентом состава, структуры и свойств модернизировали промышленную установку УРМ 3.279.048 электродугового испарения путем дополнительного размещения на боковой и верхней стенке вакуумной камеры по два магнетрона. Два и более магнетрона одновременно использовали для увеличения степени ионизации процесса получения пленки. Резистивный нагреватель дополнительно устанавливали в центральную часть вакуумной камеры для равномерного прогрева и поддержания температуры подложки с низкой температурой отпуска постоянной в процессе осаждения пленки. Разработали и изготовили источник питания подложки с высоким и опорным напряжением, систему охлаждения установки, газовую систему с двухканальным натекателем для максимальной реализации возможностей установки, равномерного охлаждения функциональных узлов и вакуумной камеры, использования нескольких газов и поддержания колебания давления в вакуумной камере в диапазоне ±2,5% от диапазона шкалы. Систему управления установкой автоматизировали для управления и стабилизации технологического процесса получения многофункциональной пленки.
Описание и технические характеристики функциональных узлов модернизированной установки электродугового испарения и магнетронного распыления УРМЗ 3.279.048 (в дальнейшем установки)
Принципиальная схема модернизированной установки приведена на рис. 1, технические характеристики установки – в табл. 1.
Особенность магнитной системы магнетрона состоит в том, что над поверхностью мишени создается не только арочное магнитное поле, но и дополнительное поле, которое «выталкивается» от мишени и способствует дополнительной ионизации распыленных частиц. Магнитная система включает в себя магнитопровод, постоянные магниты NeFeB, центральный и боковой полюсные наконечники. Вводы охлаждения служат элементами крепления магнитной системы и катода к фланцу вакуумной системы. Втулки из фторопласта и прокладки из вакуумной резины обеспечивают изоляцию, вакуумное уплотнение и подачу к магнетрону питающего напряжения. Диодная система: плоский катод - мишень и кольцевой анод позволяет достичь высоких плотностей разрядного тока и высоких скоростей осаждения, слабого воздействия вторичных электронов на подложку, однако неравномерность электрического и магнитного полей и, соответственно, плотность разрядного тока (искривление разряда) приводят к тому, что распылению в основном подвергается узкая кольцеобразная область мишени.
Технические характеристики магнетрона (рис. 2):
- диаметр мишени –125 мм,
- величина магнитной индукции на поверхности мишени 0,03–0,1 Тл,
- рабочий ток магнетрона 3–6 А,
- рабочее напряжение на магнетроне 300–700 В,
- возможность работы в среде реактивных газов N2, O2 и др.
Четыре одинаковых блока питания магнетронов расположены в стойке питания магнетронов, блок управления магнетронов - в стойке управления (блок питания и блок управления магнетрона в дальнейшем - источник питания магнетрона). Переключатель реле Р1-Р4, амперметр и вольтметр расположены в блоке управления. Трехфазное напряжение подают на трансформаторы TV1, TV2, TV3. Управление выходной мощностью осуществляют ступенчато с помощью коммутации первичных обмоток трансформаторов реле Р1–Р4. Первичные обмотки подключают по схеме «звезда», а вторичные обмотки - по схеме «треугольник». Выпрямленное диодами VD1–VD2 напряжение через балансный резистор R2 подают на магнетрон. Контроль тока осуществляют с помощью шунта R1, контроль напряжения – с помощью делителя R3–R8. Для предотвращения возникновения на мишени микродуг, защиты от короткого замыкания и стабилизации тока разряда применены трансформаторы с большой индуктивностью рассеивания.
Технические характеристики источника питания магнетрона (рис. 3):
- питающая сеть 3х380 В, 50 Гц,
- мощность, потребляемая от сети, не более 4 кВт.
٠ Блок питания подложки выполнен по схеме, аналогичной блокам питания магнетронов. Дополнительно предусмотрены два диапазона и плавная регулировка напряжения на подложке (табл.1). Возможно кратковременное (продолжительностью 20 мс) отключение блока питания при возникновении микродуг на подложке.
٠ Блоки питания и управления испарителями и резистивным нагревателем. Стандартные блоки питания испарителей и нагревателя расположены в стойке питания нагревателя и испарителей, блоки их управления - в стойке управления.
Управление блоками питания магнетронов, дуговых испарителей, подложки и нагревателя осуществляют, как с помощью переключателей на блоке управления (ручной режим), так и дистанционно с ЭВМ через сетевой интерфейс RS-485.
Описание автоматизированной системы управления, измерения и поддержания давления в вакуумной камере установки УРМЗ 3.279.048 электродугового испарения и магнетронного распыления
Автоматизированная система управления (АСУ) установки представляет собой 10 функционально обособленных блоков, связанных в одну информационную сеть (RS-485), управляемую персональным компьютером (ПК), структурная схема АСУ установки и типовая схема вакуумной системы представлены на рис. 4 и рис. 5. Основные режимы работы установки: ручное управление, автоматическое управление.
٠ Автоматизированная цифровая многоканальная система измерения и поддержания давления в вакуумной камере (рис. 6)
Система включает в себя цифровой ионизационно-термопарный вакуумметр с непрерывным диапазоном измерения давления и автоматической дегазацией датчиков; цифровой натекатель газа, содержащий два встроенных прецизионных регулятора с теплометрическими измерителями расхода газа. Вакуумметр работает с термопарными преобразователями ПМТ-2, ПМТ-4М и ионизационными преобразователями ПМИ-2, ПМИ-51, ПМИ-10-2. Натекатель имеет 2 режима работы: поддержание давления в вакуумной камере и процентного соотношения газов, поддержание заданного расхода газов по 2 каналам. Управление приборами системы возможно, как с клавиатуры на корпусе (автономно), так и дистанционно с ЭВМ через сетевой интерфейс RS-485.
Заключение
Созданное модернизированная и автоматизированная вакуумная установка электродугового испарения и магнетронного распыления, основанная на одновременной или попеременной работе различных источников плазмы, позволяет в течение одного технологического цикла без изменения состава исходных материалов пленки, сложных модификаций и остановки технологического процесса получить экономичные многофункциональные пленки с разделением функций между слоями и точно заданными свойствами за счет управления и регулировки составом и свойствами каждого слоя с высокой степенью точности. Установку можно легко адаптировать к получению конкретной пленки для конкретного применения, что позволяет производить любые типы пленок с широким диапазоном физико-химических и физико-механических свойств для самых разных сфер применения и расширить сферу потенциального использования экономичных одно - и многокомпонентных пленок.
Сформированные на созданном оборудовании многофункциональные пленки будут способствовать улучшению у изнашиваемой поверхности изделия таких эксплуатационных характеристик, как: износостойкость, коррозионностойкость, ударостойкость, трещиностойкость, сопротивляемость сопрягаемых поверхностей упругопластическим деформациям, усталостным и циклическим процессам схватывания, теплостойкость.
В научном центре «Порошкового материаловедения» на модернизированной и автоматизированной вакуумной установке УРМЗ 3.279.048 электродугового испарения и магнетронного распыления упрочняющие и защитные многофункциональные пленки наносят на изделия авиационной, оборонной и нефтяной промышленности в рамках договоров, заключенных с предприятиями Пермского края.
Таблица 1
Основные параметры и характеристики установки УРМЗ 3.279.048
Подрисуночные надписи
Рис. 1. Вакуумная камера модернизированной установки: 1 – магнетроны, 2 – электродуговые испарители, 3 – резистивный нагреватель, 4 – планетарный механизм подложкодержателя
Рис. 2. Сборочный чертеж магнетрона
Рис. 3. Схема блока питания магнетрона
Рис. 4. Структурная схема АСУ установки
Рис. 5. Типовая схема вакуумной системы установки
Рис. 6. Автоматизированная цифровая многоканальная система измерения и поддержания давления в вакуумной камере: А - электронный блок вакуумметра; B - провод питания 220В; С - термопарная лампа; D - ионизационная лампа; E - электронный блок натекателя; G - сигнальные кабели; H - кабель обмена данными с IBM, J - IBM; L - кабель обмена данными между блоками; M - кабель для подключения дополнительных устройств в
сеть; N, O - вход рабочих газов; P, R - выход рабочих газов
Рис. 1. , , . Модернизация и автоматизация промышленного вакуумного оборудования для получения многофункциональных пленок с заданными структурой и свойствами
Рис. 2. , , . Модернизация и автоматизация промышленного вакуумного оборудования для получения многофункциональных пленок с заданными структурой и свойствами
Рис. 3. , , . Модернизация и автоматизация промышленного вакуумного оборудования для получения многофункциональных пленок с заданными структурой и свойствами
Рис. 4. , , . Модернизация и автоматизация промышленного вакуумного оборудования для получения многофункциональных пленок с заданными структурой и свойствами
Рис. 5. , , . Модернизация и автоматизация промышленного вакуумного оборудования для получения многофункциональных пленок с заданными структурой и свойствами
Рис. 6. , , . Модернизация и автоматизация промышленного вакуумного оборудования для получения многофункциональных пленок с заданными структурой и свойствами
