DE3152131A1

DE3152131A1 - Vacuum arc plasma device

Info

Publication number: DE3152131A1
Application number: DE813152131A
Authority: DE
Inventors: I Aksenov; V Khoroshikh; V Padalka; L Sablev; R Stupak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-25
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1982-08-26
Also published as: WO1982000075A1; FR2485863A1; IT1171327B; SE8200941L; GB2092419A; BR8103781A; SE427003B; JPS57500931A; FR2485863B1; GB2092419B; CH655632B; JPS6036468B2; DE3152131C2; IT8148744A0; US4551221A; CA1170315A; SU1040631A1

Description

1. Ivan Ivanovich AXENOV, Kharkov

2. Viktor Grigorievich BREN, Kharkov

3. Valentin Glebpvich PAÜALkA, Kharkov

4. Leonid Pavlovich SABLEV, Kharkov

5. Rimma Ivanovna STUPAK, Kharkov

6. Vladimir Maximovich KHOROSHIKH, Kharkov

UdSSR

Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage

Die Erfindung bezieht sich auf Vaküüm-Lichtbogeh^ Plasmaanlagen der im Patentanspruch 1 angegebenen Gattung und kann zum Auftragen von Metallüberzügen, zum Reinigen und Ätzen der Oberfläche von Erzeugnissen sowie zum Zerstäuben von Getterstoff verwendet werden.

Durch Metallaufdampfen im Vakuum werden Rostschutzüberzüge, Gleitbeläge sowie verschleißfeste, hitzebeständige, supraleitende, optische und sonstige über züge erzeugt. Solche überzüge können im Vakuum durch eine ElektrOnenstrahleinrichtung erzeugt werden, bei der ein Elektronenstrahl das Metall aus Schmelztiegeln verdampft * Bei Verwendung von Schmelztiegeln ist es jedoch nicht möglich, Überzüge aus hochschmelzenden Metallen zu erzeugen und die überzüge werden durch den Tiegelwerkstoff yerschmutzt.

530-(PM 86,838-E-61)-Sd-E

Reine überzüge aus beliebigen, einschließlich der hqchschmelzenden, Metallen können mit einer Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage erzeugt werden. In einer derartigen Anlage wird bei der Verdampfung einer selbstverzehrenden Kathode durch Bogenentladung ein stark ionisierter Plasmastrahl aus dem verdampfenden Metall mit hoher Energie und Teilchenkonzentration erzeugt, welcher bei der Kondensation einen überzug bildet. Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlagen bilden einen divergierenden Plasmastrom aus dem verdampfenden Stoff, wobei allerdings der Wirkungsgrad des Plasmastromes zum Auftragen von überzügen gering ist. Es ist daher erforderlich, zur effektiven Erzeugung von überzügen den Plasmastrahl· des verdampfenden Werkstoffes zu fokussieren.

Es ist eine Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage bekannt (SU-Erfinderschein 416789), welche eine selbstverzehrende Kathode, eine zu dieser koaxial angeordnete Anode sowie eine Zündelektrode enthält. Mittels der Zündelektrode wird eine Bogenentladung zwischen der selbstverzehrenden Kathode und der Anode erzeugt. Die selbstverzehrende Kathode erzeugt einen breit divergierenden Meta^plasmastrahl, wobei aber die Effektivität des verdampfenden Werkstoffes zur Erzeugung von überzügen gering ist. Somit ist es unzweckmäßig, diese Anlage zur Vakuummetallisierung zu verwenden.

Es ist ein Metall-Plasmaimpulsgenerator aus A.S. Jilmour, D.L. Loehwood "Pulsed metallic-plasma generators", Proc. JEEE, 60, 8, 977, 1972 bekannt, welcher eine selbstverzehrende Kathode, ein koaxial zur

Kathode angeordnetes Solenoid mit einer Anode sowie eine Zündelektrode enthält. Die Zündelektrode umfaßt die Kathode und ist von dieser durch einen Isolator getrennt. Das Zünden einer Bogenentladung wird durch einen Stromimpuls durchgeführt, unter dessen Einwirkung die an der Oberfläche des Isolators befindliche Leitschicht verdampft. Die Schicht regeneriert während des Brennens der Bogenentladung. Der durch die Kathode erzeugte Metallplasmastrahl wird durch das axial symmetrische Magnetfeld des Solenoids fokussiert und nimmt ein engeres Richtdiagramm an. Die Nutzung des verdampfenden Kathoden-Werkstoffes ist bei dieser Anlage erheblich höher. Jedoch wird die Strahlzunahme des verdampfenden Kathoden-Werkstoffes am Ausgang der Anlage durch teilweise Rückstrahlung der Ionen von der Magnetbarriere beschränkt, welche an den Stirnflächen des Solenoids entsteht. Darüber hinaus ist dieser Impulsgenerator wegen der könstruktionsmäßigen Besonderheiten der Zündelektrode für den stationären Betrieb ungeeignet.

Ferner ist eine Väkuum-Lichtbögeh-Plasmaanlage bekannt, welche eine effektivere Nutzung des sich verdämpfenden Kathoden-Werkstoffes im stationären Betrieb ermöglicht (s. den Artikel von I.I. Aksjönov, W.G. Padalkä, V.T. Töloka, W^M. Choröschich "Fokussirowkä potoka metallitscheskoj plasmy, generirujemogp stazionarnym erozionnym elektrodugowym uskoritelem", Sammelband "Istotschniki i uskoriteli plasmy",Ausg. 3, Charkow, 1978, S. 45-50) .Diese Anlage enthält ei^· ne selbstverzehrende Kathode mit einer Arbeitsstirnfläche , eine zur Kathode koaxial angeordnete Magnetspule» eine in dieser Spule angeordnete rohrförmige Anode sowie eine Zündelektrode. Die Zündelektrode erzeugt eine Bogenentladung und der von der Kathode er-

zeugte Metaliplasmastrahl wird durch das' axial symmetrische Magnetfeld des Solenoids fokussiert. Dies ermöglicht ein engeres Richtdiagramm des verdampfenden Kathoden-Werkstoffes und die Effektivität seiner Nutzung wird erhöht.

Jedoch wird auch in dieser Anlage ein Teil der lonenkomponente des Plasmastrahls von der Magnetbarriere zurückgespiegelt> welche im Betrieb durch Beugung der magnetischen Kraftlinien an der Stirnfläche des Solenoids gebildet wird. Dieser Teil trifft daher nicht auf die Unterlage. Ein weiterer Nachteil der Anlage ist ein instabiles Zünden und Brennen der Bogenentladung. Bei der Anordnung der Zündelektrode an der Arbeitsstirnfläche der Kathode versagt die Anlage durch Zerstörung der Zündelektrode bei der stationären Bogenentladung. Wenn die Zündelektrode an der Seitenfläche der Kathode angeordnet ist, wird die Stabilität des Zündvorganges beeinträchtigt, weil der an der Seitenfläche erregte Kathodenbrennfleck durch das Magnetfeld des Magneten in eine der Arbeitsstirnfläche der Kathode entgegengesetzte Richtung zurück- . prallt. Ein derartiger "Rückprall" endet mit dem Erlöschen der Bogenentladung. Ähnlich enden auch spontane "Ausläufe" des Kathodenbrennflecks von der Arbeitsstirnfläche der Kathode auf ihrer Seitenfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage zu schaffen, in welcher das Solenoid mit unterschiedlicher Windungszahl je Längeneinheit der Wicklung in bezug auf die Kathode, die rohrförmige Anode und die Zündelektrode derart angeordnet ist, daß durch die Gestalt und Größe

des erzeugten Magnetfeldes die effektivste Nutzung des verdampfenden Kathoden-Werkstoffes sowie ein stabiler Betrieb der Anlage sichergestellt wird.

Die gestellte Aufgabe wird in einer Vakuum-Lichtbogen-Plasmäanlage, welche eine selbstverzehrende Kathode mit einer Arbeitsstirnfläche, ein Solenoid und eine in diesem angeordnete rohrförmige Anode sowie eine Zündelektrode enthält, welche koaxial zur Kathode angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Solenoid die rohrförmige Anode und die Kathode umfaßt, daß die Windungszahl je Längeneinheit des Solenoids um die Kathode herum die Windungszahl je Längeneinheit im übrigen Teil des Solenoids übertrifft, und daß das Solenoid an der der Kathoden-Arbeitsstirnfläche der entgegengesetzten Seite über die Zündelektrode um einen Betrag hinausragt, der größer als die halbe Länge des um die Kathode herum angeordneten Teils des Solenoids ist.

Dies ermöglicht die Erzeugung eines Magnetfelds, dessen Maximum von der Zündelektrode in der zur Arbeitsstirnfläche entgegengesetzten Richtung verlagert ist. Demzufolge wird der durch die Kathode erzeugte Plasmasträhl in das axial symmetrische magnetische Längsfeld mit einer "Sperre" hinter der Arbeitsstirnfläche der Kathode injiziert. Der Plasmastrahl gelangt ungehindert zürn Ausgang der Anlage, weil er auf seinem Wege auf keine Potentialschwelle stößt, die ihn aufhalten könnte. Darüber hinaus wird die Iönenkomponente des Plasmas durch die in bezug· auf die Kathode positiv geladenen äquipotentialen Flächen, die sich hinter der Zündelektrode an der der Arbeitsstirnfläche der Kathode entgegengesetzten Seite verjüngen, mit aus*

reichender Effektivität an den Ausgang der Anlage zurückgespiegelt, und durch die Radialkomponente des elektrischen Feldes im Inneren der rohrförmigen Anode wird das Abwandern der Ionen an die Wandungen verhindert. ■ . - :

Ferner werden durch die Anordnung des Solenoids optimale Bedingungen für ein stabiles Zünden und Aufrechterhalten der Bogenentladung geschaffen. Tatsächlich wird der Kathodenbrennfleck beim Zünden an der Seitenfläche der Kathode in dem Abschnitt initiiert, wo der spitze Winkel zwischen den magnetischen Kraftlinien und der Oberfläche der Kathode zu deren Arbeitsstirnfläche hin gerichtet ist. Gemäß der Spitzwinkelregel wandert der Kathodenbrennfleck in diesem Fall über die Seitenfläche der Kathode an ihre Arbeitsstirnfläche. Daher werden praktisch alle von der Kathode erzeugten Ionen ohne Verluste an den Ausgang der Anlage transportiert, wodurch die höchste Effektivität der Nutzung.des verdampfenden Werkstoffes erreicht wird.

Das Solenoid ist zweckmäßig so auszuführen, daß die Windungszahl je Längeneinheit des die Kathode umfassenden Teils des Solenoids die Windungszahl je Längeneinheit des übrigen Teils des Solenoids um das Zweifache übertrifft.

Untersuchungen haben gezeigt, daß der Mechanismus zur Stabilisierung des Kathodenbrennflecks dann optimal ist, wenn die Windungszahl je Längeneinheit des die Kathode umfassenden Teils des Solenoids die Windungszahl je Längeneinheit des übrigen Teils des Solenoids mindestens um das Zweifache übertrifft.

Im folgenden wird ein Ausführüngsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung ausführlich erläutert, welche eine Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage im Querschnitt schematisch zeigt.

Die Vakuum-Lichtbogen-Plasmaanlage enthält eine selbstverzehrende Kathode 1 mit einer Seitenfläche 2 und einer Arbeitsstirnfläche 3, eine koaxial zur Kathode 1 angeordnete Magnetspule 4, eine in der Spule 4 gelagerte rohrförmige Anode 5 sowie eine Zünd-,elektrode 6 auf einem keramischen Verbindungssteg 7, welcher an der Seitenfläche 2 der Kathode 1 anliegt. Die Anode 5 ist innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 8 untergebracht, auf welchem die Spule 4 angeordnet .ist/' ■. " ^ ; ^: ■ "; ..- ■.■', ■·;.■ ■ - ■ ■; .' .'. ';. '■ ■".. ." ; ..-; ■■./...' ·'

Ein Teil 9 der Spüle 4 umfaßt die Kathode 1 in einer Länge von 100 cm. Eine Hälfte des Teils 9 des Solenoids 4 befindet sich hinter der Zündelektrode 6 an der der Arbeitsstirnfläche 3 der Kathode 1 entgegengesetzten Seite. Die Kathode 1 und die Zündelektrode 6 weisen Vakuum-Stromeinführungen 10 und 11 auf, welche durch einen am zylindrischen Gehäuse 8 angeordneten Stirndeckel 12 abgedichtet durchgehen.

Das zylindrische Gehäuse 8 steht mit einer Vakuumkammer 1 3 in Verbindung, in der eine unterlage 14 untergebracht ist. Zur Kühlung der rohrförmigen Anode 5 ist ein Hohlraum 15 vorgesehen. Der Hohlraum zur Kühlung der Kathode 1 ist in der Zeichnung nicht gezeigt. Ferner ist ein Zündimpulsgenerator 16 und eine Lichtbogenspeiseanlage 17 vorgesehen. Die Gleichstromspeisüngsquelle des Solenoids 4 ist in der Zeichnurig nicht g<ezeigt. ■ ■;;V.;.-··.-.^:.."' ^:' ■' :■ .■,'-■ .■■:',■''

Die Wirkungsweise der Vakuum-Lichtbogen-Plasinaanlage ist folgende:

Durch Einschalten der Speisungsquelle 17 der Bogenentladung und der Speisequelle des Magneten 4 wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftliriienverlauf gestrichelt angedeutet ist.

Die maximale magnetische Feldstärke des Magneten 4 entfällt auf den Teil, welcher in der Nähe der
Zündelektrode 6 an der der Arbeitsstirnfläche 3 entgegengesetzten Seite liegt. Der Zündimpulsgenerator
16 der Zündelektrode 6 wird eingeschaltet und es entsteht eine Funkenentladung an der Oberfläche des keramischen Stegs 7 der Zündelektrode 6, die den Kathodenbrennfleck der Bogenentladung zwischen der Seitenfläche 2 der Kathode 1 und der rohrförmigen Anode 5 bildet. Der Kathodenbrennfleck wandert in Richtung der
Arbeitsstirnfläche 3 der Kathode 1, weil sich die magnetischen Kraftlinien mit der Seitenfläche 2 der Kathode 1 unter einem spitzen Winkel schneiden, der zur
Arbeitsstirnfläche 3 der Kathode 1 hin gerichtet ist, und gelangt an die Arbeitsstirnfläche 3, indem er unregelmäßige Bewegungen ausführt.

Unter Einwirkung des elektrischen Feldes, dessen Äquipotentiallinien durch die Gestalt des Magnetfeldes bestimmt wird, wird der erzeugte Plasmastrahl aus dem verdampfenden Werkstoff der Kathode 1 vollständig zum Unterlagenhalter 14 gerichtet, an welchem die zu
behandelnden Werkstücke (nicht gezeigt) befestigt sind.

Der Plasmastrahl aus dem verdampften Werkstoff

der Kathode 1 wird längs der rohrförmigen Anode praktisch ohne Verluste transportiert, weil das elektrische Radialfeld das Abwandern der Ionenkomponente des Plasmastrahls an die Anodenwände verhindert.

Claims

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Dr.-Ing. W. TIMPE

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Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer nat. W. SCHMITT-FUMIAN