Full Text

Преимущество метода электродугового испарения (ЭДИ) связано с его уникальной способностью генерировать плазму высокой плотности, которая образуется при практически полной ионизации катодного материала в катодных пятнах вакуумной дуги [1]. Катодное пятно является эмиссионным центром разряда на поверхности катода, представляющего собой небольшую, ярко светящуюся область, через которую ток передается между катодом и столбом дуги [2, 3]. Катодные пятна подразделяются на два типа. Катодные пятна типа 1 появляются на первой стадии дуги, если поверхность катода покрыта диэлектрическими пленками, включениями, химическими примесями и загрязнениями. Незначительная эрозия в пятнах типа 1 имеет нетепловой характер, это связано с последовательными взрывами микронеровностей на поверхности катода. Их воспламенение требует меньшего напряжения по сравнению с пятнами типа 2 [4]. Катодное пятно типа 2 состоит из нескольких активно излучающих зон и функционирует на своей очищаемой поверхности. Эрозия пятен типа 2 носит термический характер и намного больше, чем эрозия пятен типа 1. Время перехода от пятен типа 1 к пятнам типа 2 больших размеров зависит от тока разряда и теплофизических свойств материала катода [5], в то время как плотность тока эмиссии и существующий тип излучения становятся зависимыми от температуры катода, температуры пятна катода и напряженности электрического поля, создаваемого вблизи поверхности катода [6, 7]. Температура и размер катодного пятна являются регуляторами, контролирующими условия испарения атомов и поддержания разряда. Максимальный уровень температуры в небольших катодных пятнах достигается за более короткий промежуток времени, чем в больших пятнах. Уменьшение размера катодного пятна влияет на электрическое поле, изменение плотности ионного тока и степень ионизации потока плазмы [7]. Процесс эмиссии трансформируется из автоэлектронного в термоавтоэлектронный по мере увеличения катодного пятна. Непрерывное движение катодных пятен вдоль ограниченной рабочей поверхности катода приводит к определенной средней равновесной температуре поверхности, определяемой условиями охлаждения, а также диаметром и длиной катода [5]. Интенсивное тепловое воздействие на поверхность катода вызывает сложные физико-химические процессы, которые приводят к структурным и фазовым превращениям в зоне эрозии катода [8, 9]. Материал катодной поверхности очень быстро превращается из твердого состояния в плазму при ЭДИ [8]. Из-за высокой плотности энергии в области катодного пятна во время процессов взрыва образуются как однофазные системы: твердое тело, жидкость, газ (пар) и плазма, так и двухфазные системы: твердое тело-жидкость, жидкость-газ и твердое тело-газ (в случае металлического катода). Фазовые превращения, происходящие при превращении из твердого катодного материала в плазму, - это то, что обеспечивает работу дугового разряда и делает плазму катодной дуги и осажденные пленки такими особенными [10]. Перераспределение фазовой концентрации по поверхности катода и градиент состава образующихся пленок являются следствием деформации катода при длительном сроке эксплуатации и нарушения теплоотвода от некоторых катодных пятен, что приводит к локальному плавлению его поверхностного слоя в зоне эрозии [9, 11]. Эмиссия макрочастиц, выбрасываемых из катодного пятна в процессе осаждения пленки, приводит к снижению качества пленки. Система принудительного охлаждения обеспечивает такой режим работы катода, при котором величина средней температуры его поверхности недостаточна для протекания тока посредством термоэлектронной эмиссии и увеличения количества макрочастиц [6, 12]. Поддержание температуры катода на заданном уровне может быть достигнуто путем уменьшения, поддержания или контроля тока дуги во времени, а также ускорения движения катодных пятен [12-14]. В нескольких научных работах обсуждается связь размера катодного пятна с шероховатостью поверхности [15, 16], загрязнением [17, 18] и температурой [5] поверхности, включениями [6, 19], управляемым магнитным полем [7] и свойствами материала, такими как работа выхода электрона [15] и когезионная энергия [11, 12, 16]. В работе [17] структурные превращения устанавливаются в материале поверхности катодов и/или мишеней из Ti и Zr с одинаковыми теплофизическими свойствами во время процесса ЭДИ, магнетронного распыления на постоянном токе или при их одновременном проведении. Представляет большой интерес установление зависимости структурно-фазовых превращений в катодных пятнах вакуумной дуги от их температуры для управления процессом испарения Al- и Ti-катодов и сохранения их теплофизических и физико-механических свойств. Целью статьи является изучение поведения теплофизических и физико-механических свойств Ti и Al в процессе испарения катодов в зависимости от температуры катодных пятен и протекающих в них структурно-фазовых превращений. Статья также направлена на установление промышленного способа охлаждения, позволяющего предотвратить градиент температуры по поверхности и поперечному сечению катодов. Характеристики материалов и методики исследований Пленки Ti1-хAlxN, выбранные в качестве модельных, были нанесены ЭДИ на автоматизированной установке УРМ 3.279.048, оснащенной двумя электродуговыми испарителями и четырьмя магнетронными распылителями на постоянном токе. Технологические и температурные параметры процесса осаждения пленок Ti1-хAlxN приведены в табл. 1. Таблица 1 Технологические и температурные параметры осаждения пленки Ti1-хAlxN № п/п Параметр Значения 1 Высокое напряжение U, В 600-1000 2 Скорость нагрева подложки, К/мин 10-45 3 Температура подложки, К 600-1000 4 Давление газовой смеси, Па 0,5-1,0 5 Соотношение газов в смеси Ar/N2, % 50: 50 6 Ток дуги, А 75 7 Напряжение смещения на подложке Uсм, В -200, -280 8 Расстояние катод-подложка, мм 310 ± 20 9 Продолжительность осаждения подслоя TiN, мин 10 10 Продолжительность осаждения пленки Ti1-хAlxN, мин 30 11 Тестовый образец Материал VK8 (HG30) Размер, мм 10´10´3 и 3´3´2 В качестве материала легкоплавкого катода использовали алюминий технической чистоты марки А85: Al - 99,85 вес. %, Si - 0,06 вес. %; Fe - 0,08 вес. %; Cu - 0,01 вес. %; Mn - 0,02 вес. %; Mg - 0,02 вес. %; Zn - 0,02 вес. %; Ga - 0,02 вес. %; Ti - 0,008 вес. %; другие - 0,02 вес. % (ГОСТ 11069 2001 (EN AW-1085)). В качестве материала тугоплавкого катода использовали титан технической чистоты марки ВТ-1-00 (ERTi-1): Ti - 99,42 вес. %; Si - 0,08 вес. %; Fe - 0,2 вес. %; C - 0,05 вес. %; O - 0,1 вес. %; N - 0,04 вес. %; H - 0,008 вес. %; другие - 0,1 вес. % (ОСТ 1.90013-71). Для охлаждения катодов использовали проточную или оборотную воду. Технологические параметры осаждения пленки приведены в табл. 1 [18, 20-22]. Экспериментально установлено, что температура проточной воды постоянна в процессе осаждения пленки. Разница между значениями температуры оборотной и проточной воды ~10 °С увеличивается в процессе осаждения на ~2-3 °С. Повышение температуры подложки Tподл и начальной температуры пленки Tн.п было достигнуто после увеличения высокого напряжения и продолжительности его приложения к подложке во время ее ионной очистки - нагрева электродуговым испарителем. Давление газовой смеси и напряжение смещения на подложке увеличивали для повышения скорости нагрева пленки во время ее осаждения. Для повышения адгезии пленки Ti1-хAlxN наносили адгезионный подслой TiN. Температура поверхности подложки после ее ионной очистки, а также температура подслоя и пленки Ti1-хAlxN после их осаждения определялись с помощью инфракрасного бесконтактного пирометра Thermix. Перед началом технологического процесса резистивный нагреватель, расположенный в центре камеры, включали на 20 мин для удаления остаточной влаги и газов. Скорость вращения подложки при осаждении пленки Ti1-хAlxN составляла 20 м/с. Микроструктуру зоны эрозии катодных пятен Ti и Al изучали с помощью полевого эмиссионного электронного микроскопа Ultra 55 в зависимости от способа их охлаждения [23-25]. Особенности теплофизических и физико-механических свойств катодного материала Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку и не претерпевает полиморфных превращений. В зависимости от температуры различают три агрегатных состояния алюминия: твердый кристалл 0-933 К, жидкость 933-2766,8 К, идеальный одноатомный газ 2766,8-6000 К [26]. Особенности теплофизических и физико-механических свойств технического Al - низкие значения: температуры плавления Tпл, плотности ρ, теплоемкости cp0, предела прочности sв, условного предела текучести s0,2, предела ползучести sп, модуля Юнга E и модуля сдвига G. В то же время у алюминия высокие значения теплопроводности l, коэффициента теплового расширения α, текучести, коэффициента испарения Kи и скорости испарения Vи. Титан является полиморфным металлом и существует в двух аллотропных модификациях, которые различаются по структуре атомной решетки: 0-1155,5 К - α-Ti и 1155,5-1933 К - β-Ti [26]. В зависимости от температуры различают три агрегатных состояния титана: 0-1155,5 К - кристалл α, 1155-1933 К - кристалл b, 1933-3591 К - жидкость, 3591-6000 К - идеальный одноатомный газ. Титан по сравнению с Al обладает более высокими значениями: Тпл, cp0, ρ, sв, s0,2, Е, G и жидкотекучести, предотвращающими деформацию катода при длительной эксплуатации. При значении температуры ˃500 К отношение прочности к удельному весу у титана выше, чем у алюминия; с повышением температуры размягчение титана происходит медленнее, чем у алюминия. Это превосходство титана сохраняется до приблизительно 800 К, после чего активность титана становится определяющим фактором. Однако титан обладает многократно меньшими значениями: l, α, Kи и Vи. Физико-механические и теплофизические свойства катодных материалов алюминия и титана зависят не только от их агрегатного / полиморфного состояния, но и от температуры катодных пятен и градиента температур по сечению катода (табл. 2-3). Таблица 2 Физико-механические и теплофизические свойства алюминия и титана [25, 27, 28, 29]. А85 (EN AW-1085) ВТ-1-00 (ERTi-1) Пространственная группа Fm3m С6mmc Элементарные параметры ячейки, нм Гранецентрированная кубическая решетка a = 0,4040 нм a-Ti - низкотемпературная фаза с гексагональной плотно упакованной решеткой (а = 0,2951 нм, c = 0,4697 нм); β-Ti - высокотемпературная фаза с кубической объемно-центрированной решеткой (а = 0,3306 нм, низкая плотность) Температура начала рекристаллизации, К 423 853 (окончание 943 К) Температура литья, К 963-983 1733-1753 Температура кипения, °C 3040 3560 Температура испарения, К 1423 1819 Удельная теплота испарения, кДж/моль 10,53 8,8 Коэффициент испарения, атом/ион 1,24 0,38 Жидкотекучесть, мм 317 Минимум 500 Энергия когезии, эВ / атом 3,34 α-Ti - 5,17 Предел ползучести siT, МПa 50 - при 293 К, 7 - при 473 К Низкий до 523 К Изменяется при росте температуры Относительное удлинение δ5, % 25-30 20-40 δ5 - увеличивается при росте температуры Относительное сужение Y, % 50-60 45-65 Y - увеличивается при росте температуры Твердость, HB 13-15 103 Коэффициент Пуассона μ 0,33 0,35-0,38 Модуль сдвига G, ГПа 22,5-26,5 46 Прочность на сдвиг, МПа от 48 до 79 - Предел прочности sB, МПа от 73 до 140 - Условный предел текучести s0,2, МПа от 17 до 120 - Максимальная температура механического воздействия, К 170 773 Структурно-фазовые превращения в материале зоны эрозии алюминиевого катода в зависимости от его теплового состояния В результате электронно-микроскопического исследования было установлено, что под воздействием давления плазмы в зоне эрозии катодных пятен 2-го типа образуются кратеры размером от 60 до 500 мкм (рис. 1, а-г). Процесс вытеснения расплава из кратеров указывает на фазовое превращение из однофазной solid-системы в двухфазную solid-liquid-систему. Процесс вытеснения высокоскоростных струй плазмы ионизированного материала катода из кратеров диаметром до 100 мкм сопровождается образованием микроструй и микрокапель по границам кратеров (см. рис. 1, а-в). Во время функционирования катодного пятна жидкие микрокапли покидают катод со скоростью до 5 · 104 см/с, что свидетельствует о наличии высокого давления на катод в области зоны эрозии [4, 30]. Увеличение глобулярных стержневых структур наблюдается в кратерах диаметром ~500 мкм (рис. 1, г, д). Первичная неравновесная тонкая дендритная структура на плоских участках зоны эрозии указывает на неравномерность температуры по поверхности и поперечному сечению Al-катода и, как следствие, его неоднородное испарение (рис. 1, е). Подобные кратеры были обнаружены Ютнером и Клебергом на медном катоде с высокой теплопроводностью λ = 401 Вт·м-1·град-1 при 293 К, что выше, чем у алюминия [4, 8]. Неоднородное стравливание алюминия в зоне эрозии катода, несмотря на равномерное охлаждение проточной водой, обусловлено кристаллографической анизотропией Al (рис. 1, ж). Коэффициент кристаллографической анизотропии алюминия особенно резко увеличивается при T ≥ 573 К, процессы разрушения кристаллической решетки начинаются при температуре 900 К, близкой к его температуре плавления. Для алюминия существует большая зависимость модуля сдвига G от температуры. Эта зависимость характерна для ГЦК-металлов и проявляется в более сильной зависимости упругой постоянной алюминия с11 от температуры, которая уменьшается быстрее, чем с44. Образование при испарении алюминия двухфазной системы solid-liquid происходит по пяти причинам. Во-первых, температура литья (TAl = 963…983 К) и испарения (1423 К) литого катода Al превышает температуру его рекристаллизации (423 К) и температуру плавления - точку перехода solid-liquid (933 К) (см. табл. 2). Во-вторых, уменьшение более чем в 2 раза теплопроводности Таблица 3 Физико-механические и теплофизические свойства алюминия и титана в зависимости от температуры [25-33] Свойство Al и Ti Температура, К 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 Скорость испарения, г/ (см2∙с). Давление насыщенного пара, Па Al 0,85∙10-4 13,3∙10-1 7,5∙10-4 133,3∙10-1 Ti 6,32∙10-17 6,58∙10-13 1,03∙10-14 1,13∙10-10 6,96∙10-13 7,94∙10-9 2,38∙10-11 2,83∙10-7 4,90∙10-10 6,04∙10-6 6,68∙10-9 8,52∙10-5 6,52∙10-8 8,59∙10-4 4,83∙10-7 6,56∙10-3 2,86∙10-6 4,00∙10-2 1,38∙10-5 0,198 2,63∙10-5 0,382 5,58∙10-5 0,821 5,84∙10-4 9,02 Плотность, г/см3 Al Solid 2,697-2,699 Liquid 2,357 2,332 2,304 2,289 Ti Solid 4,35 4,35 4,32 Теплопроводность λ, Вт·м-1·К-1 Al Solid 237 240 236 231 225 218 210 Liquid 90,7 93 96,4 99,4 102 105 107 109 111 112 113 114 114 115 Ti Solid 21,9 17,7 17,7 17,7 17,7 20 19,0 23,5 Теплоемкость cp0, кал·моль-1 · град-1 Al Solid 5,814 6,163 6,45 6,717 6,999 7,37 7,901 7,588 Liquid 7,588 Ti Crystal alpha 5,996 6,341 6,559 6,755 6,976 7,229 7,499 7,767 8,025 α→β 8,296 8,556 8,816 9,076 9,336 9,596 9,856 10,116 10,376 Crystal beta 6,206 6,28 6,358 6,439 6,525 6,618 6,718 6,825 6,94 7,068 7,21 7,367 7,54 7,73 7,94 8,16 8,39 8,63 8,86 9,09 Liquid 6,206 6,28 6,358 6,439 6,525 6,618 6,718 6,825 6,94 7,068 8,500 Энтропия S 0 Al Solid 6,805 8,528 9,934 11,134 12,19 13,147 14,044 17,603 18,326 18,956 19,593 20,156 20,679 21,169 21,629 22,063 22,473 22,567 23,232 23,585 Liquid 5,457 10,65 12,343 13,727 14,896 15,909 16,603 17,603 18,326 18,966 19,594 20,156 20,679 21,169 21,629 22,063 22,473 22,862 23,233 23,585 Ti Crystal alpha 7,362 9,139 10,978 11,791 12,848 13,796 14,663 15,467 16,220 16,929 17,603 18,247 18,864 19,458 20,332 20,588 21,128 21,653 Crystal beta 8,729 10,525 11,934 13,101 14,1 14,977 15,762 16,475 17,131 17,741 18,312 18,852 19,366 19,858 20,333 20,793 21,24 21,677 22,103 22,521 Коэффициент линейного термического расширения α·10-6, К-1 Al 23,58 24,9 26,5 28,2 30,4 33,5 37,3 Ti 9,5 - вдоль оси а; 5,6 - вдоль оси с 10,5 11,86 Предел прочности sв, МПа Al 115-234 65,3 55,0 37,3 28,4 23,3 12,2 8,3 Ti 265-440 130-220 Условный предел текучести σ0,2, МПа Al 60 47 39 Ti 294 250 196 142 113 Модуль Юнга, ГПа Al 71 70 66 56 50 50 27 Ti 115 110 101 88 146 ГПа - в направлении оси а, 106 ГПа - в направлении оси c Предел ползучести sп, МПа Al Ti Пониженная скорость ползучести Не зависит Зависит от длительности приложения напряжения Рис. 1. Формирование кратеров на поверхности зоны эрозии алюминиевого катода, охлаждаемого оборотной водой: а - кратеры диаметром до 100 мкм; б, в - увеличенные фрагменты микроструй и микрокапель; г - кратеры до 500 мкм с высокоскоростными струями плазмы ионизированного материала катода по периметру кратера; д, е - тонкая структура поверхности катода с мелкой дендритной структурой поверхности; ж - неравномерное стравление зоны эрозии катода Al, охлаждаемого проточной водой поверхности катода, даже при увеличении теплоемкости алюминия, дополнительно повышает температуру катодного пятна и скорость его испарения. Увеличение теплоемкости катода по сечению снижает эффективность отвода от него тепла. В-третьих, алюминий с многократно меньшими силами межатомного взаимодействия, характеризующимися энергией когезии, обладает большей чувствительностью к градиенту температуры по сечению катода по сравнению с титаном. В-четвертых, во время фазового превращения solid-liquid энтропия резко возрастает, что связано с переходом в состояние с большим беспорядком. В-пятых, уменьшение модуля упругости, предела текучести, предела прочности, ползучести и долговременной прочности алюминия изменяет поведение катода во время испарения. Нарушение отвода тепла от отдельных участков катода при его испарении, вызванное повышением температуры оборотной воды, приводит к локальному плавлению поверхностного слоя в зоне эрозии катода и перераспределению концентрации фазы по его поверхности. Дополнительное повышение температуры по всему сечению катода Al приводит к повышению пластичности и увеличению объема катода на 6,60 %. Увеличение размера кратеров до 500 мкм (см. рис. 1, г) и укрупнение глобулярных стержневых структур (см. рис. 1, д) является результатом потери прочности и жесткости, особенно поверхности катодного пятна, и снижения усилий и энергозатрат на его деформацию. Можно сделать вывод, что начальной температурой для изменения свойств алюминия принята температура тока фазового перехода ~913 К (см. табл. 3). Однако анизотропия кристаллографической решетки и упругих свойств алюминия проявляется в меньшей степени, поскольку при фазовом превращении solid-liquid в условиях непрерывного изменения внешних параметров (температура и давление) плотность, теплопроводность, прочность и жесткость алюминия уменьшаются, теплоемкость достигает максимального значения и стабилизируется, энтропия и коэффициент термического расширения повышаются. Постоянство температуры катодного пятна Al позволяет поддерживать постоянными вышеуказанные теплофизические и физико-механические свойства алюминия, снизить содержание liquid-фазы в плазменном потоке, уменьшить размер и количество макрочастиц. Стабилизация температуры катода по его поперечному сечению предотвращает деформацию катода и изменение его формы. Локальное плавление поверхности зоны эрозии Al катодного пятна наблюдается только в точках выхода различных дефектов (см. рис. 1, ж). Структурно-фазовые превращения в материале зоны эрозии титанового катода в зависимости от его теплового состояния Результирующие термические (часто называемые внешними напряжениями) и механические напряжения в зоне эрозии катодного пятна Ti, вызванные его низкой теплопроводностью и градиентом температуры поперечного сечения катода, приводят к пластической деформации с развитием характерного рельефа (рис. 2, а) [34-37]. Пластинчатая структура материала катодного алюминия, характерная для определенных условий формирования, зависит не только от особенностей упругих и неупругих полей, но и от наличия своеобразной текстуры кристаллитов, когда их разориентации, по существу, анизотропны (монотекстура), поэтому нет препятствий для группировки кристаллитов на одной из плоскостей. Увеличение температуры оборотной воды приводит к недостаточному отводу тепла от зоны эрозии титанового катода, многократному увеличению коэффициента и скорости испарения зерен титана с различной кристаллографической ориентацией, а также к укрупнению пластинчатой структуры (рис. 2, б). Высокая плотность, прочность и низкая теплопроводность титана и небольшое ее увеличение не препятствуют развитию этого процесса. Увеличение пластинчатой структуры также вызывает рост давления газовой смеси. Способ охлаждения титанового катода проточной водой и поддержание средней температуры Ti-катода постоянной обеспечивают режим работы катода, в котором средняя температура поверхности недостаточна для протекания тока из-за термоэлектронной эмиссии. В результате микроскопических взрывов титановый катод разрушается небольшими порциями, следы которых видны на электронных микрофотографиях в виде микроскопических кратеров (с диаметром 350-400 нм) (рис. 2, в). Образование конусообразных кратеров в зоне эрозии титанового катода, равномерно охлаждаемого проточной водой, может быть вызвано точечным включением загрязняющего материала с более низким Kи по сравнению с основным материалом (см. рис. 2, в). Изменение размера кратеров вдоль поверхности зоны эрозии титанового катода обусловлено анизотропией теплофизических свойств его поверхности. Наноразмерные зерна, образующиеся на поверхности кратеров, указывают на порядок испарения титана (рис. 2, г). Температура изготовления литого катода Ti (TTi = 1733…1753 К), температура испарения титана (1819 К) выше температуры его рекристаллизации (853-943 К) и температуры полиморфного превращения α → β (1155,5 К), однако ниже температуры фазового перехода solid-liquid (1933 К) и температуры плавления (1941 К) (см. табл. 2). Следовательно, титан испаряется в твердом состоянии (сублимируется) с протеканием фазового превращения из однофазной solid-системы в двухфазную solid-plasma-систему [28]. В условиях ограниченного охлаждения катода оборотной водой локального плавления зоны эрозии титанового катода не наблюдается, поскольку титан имеет более высокую температуру плавления Tпл. Первой причиной формирования рельефной поверхности с поверхностными неоднородностями зоны эрозии катодного пятна титана является анизотропия его модуля Юнга E и коэффициента теплового расширения α, а также анизотропия в направлениях скорости испарения Рис. 2. Особенности рельефа поверхности Ti-катода: a - пластинчатая структура поверхности зоны эрозии Ti-катода; б - огрубление пластинчатой структуры (охлаждение оборотной водой). Микроскопические кратеры (в) c поверхностной мелкодисперсной структурой (г) при охлаждении Al-катода проточной водой [5, 38] для зерен титана с различными кристаллографическими ориентациями (см. табл. 2). Вторая причина - увеличение α и линейное уменьшение E, приводящее к расширению объема катода с потерей способности титана к упругой деформации и уменьшению вероятности потери геометрии в Ti. Третья причина - рост зерна при повышении температуры выше 1155,5 К, повышение пластичности и снижение прочностных свойств титана sв и s0,2 (см. табл. 2). Четвертая вероятная причина - увеличение скорости испарения титана. Наконец, политропное превращение α → β, происходящее в титане без фазового превращения твердое тело → жидкость, приводит к небольшому изменению теплопроводности и стабилизации энтропии. Однако уменьшение теплоемкости β-Ti снижает скорость испарения титана и может снизить его содержание в сформированной пленке Ti1-xAlxN. Однако катод становится менее чувствительным к отводу тепла с уменьшением теплоемкости по его поперечному сечению. Меньшее образование кратеров на поверхности катода Ti без вытеснения расплава из кратеров объясняется тем, что потенциал ионизации титана выше, чем у алюминия, а теплопроводность титана значительно ниже, чем у алюминия. В результате этого катодные капли в потенциале дуги в парах титана выше и, соответственно, выделяемая тепловая мощность в катодном пятне больше, а скорость нагрева материала ниже. Таким образом, на поверхности титана, по сравнению с поверхностью алюминия, при отсутствии на них тонких диэлектрических пленок создаются менее благоприятные условия для размножения взрывоопасных центров электронной эмиссии, образующих катодное пятно за счет модификации поверхности [39, 40]. Наблюдается снижение скорости ползучести, особенно технического титана, что приводит к растрескиванию при постоянных термических и механических нагрузках. Трещин в зоне эрозии титанового катодного пятна не обнаружено. Выводы При испарении катодного пятна Al при температуре выше его температуры плавления 933 К в нем происходит фазовое превращение: твердое вещество → твердое вещество - жидкость. Катодно-дуговое испарение легкоплавкого алюминиевого катода наиболее чувствительно к температуре охлаждающей воды. Повышение температуры катодного пятна сопровождается уменьшением его теплопроводности в 2,5 раза, плотности на 15 %, физико-механических свойств sв и s0,2 в 15-30 раз, резким снижением модуля сдвига G, который более чувствителен к повышению температуры, увеличением коэффициента теплового расширения, ускорением кристаллографической анизотропии и увеличением энтропии в 2 раза. Они приводят к ускорению роста температуры катодного пятна и перераспределению концентрации фазы в нем, увеличению размера зерна, потере жесткости и увеличению объема катодного пятна, разориентации двухфазной системы. Испарение титана происходит в твердом состоянии (сублимируется), а в катодном пятне образуется двухфазная твердоплазменная система. Температура разупрочнения титана медленнее, чем у Al из-за его свойств. Однако при ограниченном охлаждении КС наблюдается резкое снижение скорости ползучести (при Т ˃ 923 К) и вязкости, увеличение размера зерна (при Т ≥ 1155,5 К), анизотропное увеличение коэффициента теплового расширения, а также анизотропное уменьшение упругих характеристик - модуля Юнга E и модуля сдвига G. Это приводит к ухудшению способности титана к упругой деформации и увеличению его склонности к растрескиванию, ухудшению физико-механических свойств Ti, уменьшению количества титана в образующейся Ti1-хAlхN-пленке, нежелательному неравномерному росту объема катода и увеличению дефекта кристаллической решетки. Кроме того, скорость испарения титана и его неоднородность по поверхности катода и в пленке Ti1-xAlxN уменьшаются в условиях ограниченного охлаждения Ti. Структурное и агрегатное состояние катода и макрочастиц является функцией теплофизических и физико-механических свойств катодных пятен материала Ti и Al, температуры и равномерности его распределения по поверхности и сечению катода. Структурно-дефектное состояние пленки Ti1-xAlxN является функцией теплофизических и физико-механических свойств соединений основных металлов пленки Ti и Al с азотом, равномерности нагрева подложки по поверхности и ее поперечному сечению. В результате исследования была установлена зависимость микроструктуры пленки Ti1-xAlxN как от давления газовой смеси, так и от начальной температуры и скорости нагрева пленки в процессе ее осаждения. Эта зависимость была определена на основе разработанной модели структурных зон пленки Ti1-xAlxN. Структура пленок Ti1-xAlxN, образующихся при испарении катодной дуги, аналогична структурам, образующимся на катодном пятне. Таким образом, прослеживается наследственность одновременно протекающих процессов в катодных пятнах и на подложке при катодно-дуговом испарении. Выравнивание средней температуры катодного пятна способствует равномерному перераспределению и выравниванию концентрации фаз в зоне эрозии катодного пятна. Структурно-фазовые превращения в алюминии не протекают при поддержании средней температуры его поверхности ниже текущей температуры потока за счет термоионного излучения. Температура выравнивания по сечению титанового катода предотвращает образование термических и механических напряжений в катоде, приводящих к его деформации. Чтобы сохранить теплофизические и физико-механические свойства металлов катодов Ti и Al, необходимо иметь равномерное распределение температуры по поверхности и поперечному сечению катодного пятна при его испарении. Промышленный метод охлаждения катодов проточной водой позволяет поддерживать постоянную температуру катодных пятен Ti и Al и предотвращать возникновение в них структурных и фазовых превращений. Неравновесные процессы, протекающие на поверхностях катода и образующихся пленках, аналогично обусловлены динамикой изменения тепловых условий протекающих в них процессов. Для прогнозирования поведения катодов с целью обеспечения продления сроков эксплуатации и минимизации дефектности формируемых пленок необходимо иметь модели поведения их материалов в процессе испарения.

About the authors

A. L Kameneva

Perm National Research Polytechnic University

N. V Kameneva

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 87

PDF (Russian) - 22

Refbacks

• There are currently no refbacks.