Установка Avinit для нанесення функціональних нанопокриттів

Методи і обладнання

Нанесення нових функціональних наношарових композиційних покриттів Avinit на деталі машин, ріжучі інструменти здійснюється на створеному в НТЦ високопродуктивному обладнанні Avinit з використанням нанотехнологій, розроблених у НТЦ «Нанотехнологія», яке дозволяє реалізувати комплексні методи нанесення покриттів (плазмохімічні CVD, вакуум- (вакуум-дугові, магнетронні), процеси іонного насичення та іонної обробки), об’єднані в одному технологічному циклі.

Блок-схема установки Avinit

Реєстрація та керування основними технологічними параметрами процесів нанесення таких покриттів здійснюється з використанням спеціальної автоматизованої системи. Це дозволяє вибирати найбільш оптимальні прийоми та методи обробки поверхні та нанесення покриттів або їх комбінації для досягнення максимального техніко-економічного ефекту під час вирішення конкретних завдань.

Автоматизована система збору даних та управління технологічними процесами нанесення покриттів.

Розроблена та виготовлена система управління допускає суттєве масштабування та досить недороге та значне збільшення як швидкодії та точності, так і кількості каналів вимірювання/управління.

На даний момент на установках Avinit використовується система збору даних та керування в наступній конфігурації:

6 – мікропроцесорних блоків управління на всіх функціональних вузлах установки, кожен забезпечує 8 каналів 10 розрядного АЦП і до 40 каналів цифрового (релейного) управління, 2 канали ШІМ, а також компараторні входи, входи лічильників та годинник реального часу для синхронізації процесів (джерела живлення , відкачувальна система, система напуску газів, система керування). Мікропроцесорні блоки можуть здійснювати управління як по закладеної в них програмі управління, так і виконуючи команди в покроковому режимі від комп’ютера (напівавтоматичне управління для відпрацювання технологічних процесів).
2 – 8-канальних 12 бітних АЦП до 100 000 вибірок за секунду (збір та обробка основних параметрів процесів)
1-1-канальний 16 бітний АЦП до 1 000 000 вибірок на секунду (калібрування та обробка критичних на час процесів)
1-8 канальний блок прямого керування найбільш критичними параметрами безпосередньо від комп’ютера.

Оператор має можливість переглядати дані як у реальному часі, так і з архіву, а також керувати доступними йому функціональними можливостями установки (наприклад: точність управління потенціалом підкладки близько 5 В в інтервалі 0-2000В струмом дуги 1 А в інтервалі 30-200А). Аналогічні можливості з центральних моментів та інших зумовлених функцій, які можна побудувати з набору контрольованих параметрів.

Розмежування доступних оператору параметрів складає основі системи управління доступу до ресурсів OS Linux.

Панель управління відкачувальною системою

Протокол автоматизованої системи реєстрації основних технологічних параметрів

Особливості обладнання та нанопокриттів Avinit

Значне збільшення спектру джерел, що забезпечується комплексністю використовуваних методів, дозволяє отримувати покриття практично з будь-яких елементів і сплавів, тугоплавких оксидів, карбідів, нітридів, металокерамічних композицій на основі тугоплавких металів і оксидів, що суттєво розширює можливості створення принципово нових матеріалів та покриттів вузлів та деталей різного призначення, що працюють в екстремальних умовах за температурою, впливом агресивних середовищ, механічних навантажень.

При отриманні покриттів Avinit забезпечується можливість переходу до нанодіапазону для реалізації процесів контрольованого формування багатокомпонентних нано- та мікроструктурних покриттів із заданими характеристиками, що містять велику кількість шарів різного хімічного складу (металеві, нітридні, карбідні, оксидні та ін.) завтовшки від одиниць до сотень. . Структура шарів забезпечується програмованими узгодженими режимами роботи джерел плазми (як PVD, так і CVD), робочих газів (аргон, азот, вуглець- і кисневмісні гази) та високого потенціалу, що прикладається до підкладинки.

Покриття Avinit осідають на прецизійних поверхнях високого класу чистоти (до V=12-13) без зниження класу чистоти поверхні. Це досягається використанням у розроблюваних технологіях ефективних методів очищення поверхні – у тліючому розряді Ar, у плазмовому розряді високої щільності та металевими іонами при напрузі вище нульової точки зростання, а також попередженням пошкодження поверхні мікродугами за допомогою передбаченої в установці Avinit ефективної трирівневої системи дугогасіння забезпечує високу якість очищення поверхні від оксидів та інших забруднень без електричних пробоїв.

Осадження покриттів ведеться при низьких температурах, що не перевищують температур відпуску матеріалу основи, що забезпечує збереження механічних характеристик виробів, що покриваються.

Правильний вибір індивідуальних матеріалів шарів, методів осадження та оптимізація технологічних параметрів створюють передумови синтезу матеріалів з комплексом унікальних властивостей, у т. ч. із винятково високою твердістю, міцністю, хімічною стабільністю, низьким коефіцієнтом тертя та підвищеною зносостійкістю.

Розроблені програмні продукти дозволяють перейти до мікроконструювання функціональних покриттів та забезпечити отримання заданих нано- та мікрошарових багатокомпонентних покриттів та вийти на якісно новий рівень щодо подальшого модифікування та вдосконалення конструкцій покриттів типу Avinit™, стабільності технологій та підвищення контролю якості при нанесенні таких покриттів.

Розроблено принципово нові процеси (PVD та гібридні PVD+CVD) контрольованого формування багатокомпонентних нано- та мікрошарових покриттів у системах «метал-азот» та «метал-вуглець» із застосуванням вакуум-плазмових (PVD) та плазмохімічних (CVD) процесів.

Для реалізації контрольованого формування багатокомпонентних нано- та мікроструктурних покриттів розроблено технології з використанням комплексних вакуум-плазмових та плазмохімічних процесів, що активуються нерівноважною низькотемпературною плазмою, у поєднанні з іонно-плазмовим модифікуванням поверхні.

Розроблено технології та обладнання для нанесення багатошарових зміцнюючих нанопокриттів Avinitз метою покращення функціональних характеристик деталей енергетичного та загального машинобудування.

Характеристики

Покриття нанесені з використанням нанотехнологій.
Товщина покриття 3-5 мкм.
Збереження класу чистоти поверхні Ra = 0,025 – 0,036 мкм.
Прекрасне зчеплення з основою.

Застосування: Антифрикційні зносостійкі покриття для підвищення трибологічних характеристик пар тертя

Особливості нанопокриттів:

Наноструктури покриттів.
Покриття мають наношарову структуру і складаються з шарів на основі титану, молібдену та їх сполук з азотом у різних поєднаннях завтовшки ~ 10-15 нм.
Мікротвердість 10000-15000 МПа (залежно від складу покриття).
Нанесення покриттів зберігає клас чистоти поверхні (початкова шорсткість відповідає 12-13 класу чистоти).
Низькотемпературні процеси забезпечують нанесення покриттів, що мають хорошу адгезію до основи при температурах, що не перевищують 200ºС, що не призводить до зниження твердості основи.

Сферична поверхня плунжера з наношаровим покриттям на основі Ti

Плунжер із мікрошаровим покриттям на основі Mo

Золотники гідравлічних агрегатів з покриттям Avinit C/P 320

Методи

Комбіновані методи “Hi-Tech”

Методи осадження з газової фази (CVD і PECVD)

Метод вакуум-дугового нанесення покриттів

Магнетронний метод нанесення покриттів

Комбіновані методи нанесення покриттів”Hi-Tech”

Методи осадження з газової фази CVD і PECVD)

Формування покриттів CVD методом відбувається за рахунок протікання на нагрітій поверхні виробів гетерогенних процесів розкладання (водневого відновлення) металовмісних хімічних сполук, що знаходяться в реакційному об’ємі газоподібному стані.

Завдяки високій рухливості та інтенсивності процесів масопереносу, властивих газоподібним середовищам, метод CVD покриттів має виняткову “криючу” здатність. Можливість забезпечувати високі масові потоки металовмісного з’єднання в газоподібному стані до поверхні, що покривається дозволяє реалізувати високу продуктивність процесів нанесення покриття, в яких швидкість зростання може досягати від декількох сотень мікрон на годину до декількох міліметрів на годину.

Висока поверхнева рухливість адсорбованих металовмісних сполук дозволяє в CVD процесах отримувати покриття з щільністю, близькою до теоретичної, при температурах ~ 0,15-0,3 від температури плавлення матеріалу, що недоступно для інших методів нанесення покриттів, а також утворювати досконалі епітаксійні покриття.

Відносна простота очищення від більшості домішкових елементів на стадії отримання металовмісних сполук завдяки вибірковості процесів хімічної взаємодії вихідних продуктів на нагрітій поверхні, додаткова дистиляція в процесі його переведення в газоподібний стан із твердого або рідкого стану, в якому ці сполуки зазвичай знаходяться за нормальних умов, зумовлюють високу ступінь чистоти одержуваних CVD методом покриттів.

Потужним інструментом впливу як на кінетику CVD процесів нанесення покриттів, так і властивості покриттів є плазмова підтримка (PECVD). Застосування різних прийомів збудження плазми в реакційному обсязі та керування її параметрами дозволяє інтенсифікувати процеси зростання покриттів, зрушувати їх в область нижчих температур, робить керованішими процеси формування заданого мікрорельєфу та структури покриття, домішкового складу та інших характеристик покриття.

Переваги методів:

Унікальні структура та властивості іонно-конденсованих матеріалів (аморфні, нанокристалічні, мікрошарові структури, надвисока твердість, висока чистота, виключно висока міцність зчеплення з різними підкладинками, особливі фізико-хімічні, електрофізичні та ін. властивості).
Екологічна чистота та широка гама покриттів (практично з будь-яких елементів), у тому числі W, Re, Ta, Nb, Cr, V, Ti, Al, B, їх сплави, тугоплавкі оксиди, карбіди, нітриди, а також металокерамічні композиції на основі тугоплавких металів та оксидів.
Можливість варіювання швидкості нанесення покриттів у широких межах від одиниць до декількох тисяч мікрометрів на годину, що дозволяє контрольованим чином отримувати як тонкі плівки із заданою структурою та складом, так і формувати вироби з товщиною стінок до 10 і більше мм із різних, у тому числі , важкообробних (наприклад, W) матеріалів і унікальних сплавів з компонентів, що не змішуються (наприклад, Mo-Cu) (іонно-плазмова металургія).
Найвища “криюча” здатність серед усіх відомих методів, що забезпечує формування однорідних по товщині покриттів на поверхнях складної геометрії, включаючи глухі отвори, внутрішні порожнини та труби з L/d >> 1 (L -довжина труби, d – її діаметр) .

Серед відомих методів нанесення покриттів високої якості методи CVD та PECVD знаходяться поза конкуренцією у більшості випадків, коли необхідно:

Наносити рівномірні по товщині високощільні покриття на вироби складної форми з розвиненою поверхнею, в тому числі, на внутрішні поверхні, протяжні і глухі порожнини, отвори, труби з відношенням L/d>1.
Отримувати покриття з тугоплавких, важкообробних металів, сплавів і з’єднань із щільністю близькою до теоретичної та високої чистоти, формувати їх самонесучі вироби різної геометрії.
Наносити покриття на порошки та інші сипучі матеріали, просочувати (ущільнювати) пористі структури.

Нанесення рівномірних покриттів на протяжні вироби

Використання газофазних та плазмохімічних методів у комплексі з іншими методами нанесення покриттів та модифікування поверхні (методів іонного легування, імплантації, вакуум-плазмовими, дифузійними, вакуум-термічними методами та ін.) ще більшою мірою розширює можливості створення принципово нових матеріалів та покриттів.

Найбільш ефективним є застосування CVD та PECVD методів для:

Нанесення жароміцних та теплостійких покриттів з тугоплавких металів, сплавів, з’єднань на вузли та деталі машин, приладів, що працюють в умовах великих теплових навантажень.
Нанесення покриттів для захисту від корозії в агресивних та особливо агресивних рідких та газових середовищах, для захисту від високотемпературної та атмосферної корозії.
Виготовлення тиглів та технологічного оснащення для виробництва особливо чистих напівпровідникових матеріалів, матеріалів для оптичних та оптоелектронних приладів.
Одержання напівпровідникових матеріалів та епітаксійних покриттів.
Отримання струмопровідних, бар’єрних та інших функціональних покриттів у виробах радіоелектронної та мікроелектронної промисловості.
Металізації сипучих матеріалів (алмазів, порошків), просочення графіту, волокнистих матеріалів.
Нанесення покриттів для захисту від корозії в агресивних та особливо агресивних рідких та газових середовищах, для захисту від високотемпературної та атмосферної корозії.

Метод вакуум-дугового нанесення покриттів

Джерелом напилюваного матеріалу у вакуум-дуговому методі служить катод розрядного проміжку, в якому збуджується дуговий розряд при зниженому тиску (у вакуумі). На відміну від дугового розряду при нормальному (атмосферному) тиску вакуумний дуговий розряд відбувається в парах металу, при цьому розряд локалізується в невеликих областях, що мають мікронні розміри і переміщуються хаотично по поверхні катода. Щільність енергії в таких областях, які називаються катодними плямами, досягає значень 109 Вт/см2. Завдяки цьому за час ~ 5 – 40 нсек. (Час спокою катодної плями при його хаотичному русі) тиск парів металу досягає значень ~105 Па, а ступінь іонізації парів металу може становити величину, близьку до 100%. Енергія іонів у плазмі дугового розряду має значення 5-20 еВ.

Ці особливості вакуум-дугового розряду, в основному, і визначають можливості методу отримання покриттів з високим ступенем адгезії, щільності, різного структурного стану і фазового складу.

Вакуум-дуговий метод дозволяє:

- Отримувати покриття практично з будь-яких металів, сплавів та провідних сполук;
- Проводячи процеси осадження в реакційно-здатних газоподібних середовищах (N2, O2, CH4 та ін.), одержувати покриття з оксидів, нітридів, карбідів металів, оксикарбонітридів та складніших сполук;
- Прикладаючи до виробу негативний потенціал, проводити попередньо іонно-плазмове очищення поверхні, розігрівати виріб та підтримувати його температуру на необхідному рівні, модифікувати структуру покриття, що зростає, та змінювати інші його характеристики.
Найбільш ефективне застосування для:
- Нанесення тонкоплівкових зміцнювальних, зносо- та ерозійно-стійких покриттів на ріжучий інструмент, прес-форми, деталі машин та механізмів та ін.
- Нанесення захисних та захисно-декоративних покриттів у хімічній, машинобудівній галузях, автомобілебудуванні, виробництві медінструментів, товарів народного споживання та ін.
- Нанесення покриттів для захисту від корозії в агресивних та особливо агресивних рідких та газових середовищах.
- Отримання покриттів та матеріалів для оптичних та оптоелектронних приладів.

Магнетронний метод нанесення

Дія магнетронного джерела заснована на розпиленні матеріалу мішені-катода при його бомбардуванні іонами робочого газу, що утворюються в плазмі аномального тліючого розряду, що збуджується в схрещених електричному та магнітному полях. Магнетронна розпилювальна система (МРС) є одним із різновидів схем діодного розпилення.

До основних робочих характеристик МРС відносяться напруга та сила струму розряду, питома потужність на катоді, тиск робочого газу та магнітна індукція. Як робочого газу МРС зазвичай використовують аргон. Тиск робочого газу підтримується в діапазоні 10-2-1,0 Па, напруга розряду – 300-800 ст. Магнітна індукція поблизу поверхні катода має значення 0,03-0,1 Тл. За таких умов щільність струму на ціль становить лише кілька тисяч ампер на м2, а поверхнева щільність енергії ~ 106 Вт/м2.

Магнетронні розпилювальні системи на постійному струмі можуть працювати тільки з мішенями з провідних матеріалів. Якщо використовуються високочастотні джерела живлення, можливе розпилення також і мішеней з непровідних матеріалів (ВЧ-магнетрони).

Магнетронний метод дозволяє:

Отримувати покриття практично з будь-яких металів, сплавів, напівпровідників і діелектриків без порушення стехіометрії або вихідного співвідношення компонентів мішені, що розпилюється;
Використовуючи суміші робочого та реакційних газів (N2, O2, CH4, СО, SO2 та ін.) та розпилювані мішені з металів або сплавів, одержувати покриття з оксидів, нітридів, карбідів, сульфідів металів та ін. з’єднань, у т.ч. і тих, які неможливо одержати методами звичайного термічного випаровування;
Виробляти обробку поверхонь, що покриваються в плазмі тліючого розряду з метою їх іонного очищення та активації перед нанесенням покриттів.
Нанесення тонкоплівкових провідних, ізолюючих та інших покриттів в електронній, радіотехнічній промисловості, приладобудуванні та інших областях;
Нанесення просвітлювальних, відбивних, захисних та інших покриттів на деталі оптичних систем та приладів;
Нанесення зміцнювальних, захисних та захисно-декоративних покриттів на метали, діелектричні матеріали, скло, пластмаси у виробництві виробів різного призначення.