ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ РЕАКТИВНЫМ ТЕРМИЧЕСКИМ ИСПАРЕНИЕМ МЕТАЛЛА В СИЛЬНОТОЧНОМ РАЗРЯДЕ С ПОЛЫМ АНОДОМ (Итоговый)

Выполнен комплекс исследований, направленных на создание условий для низкотемпературного (~ 600°C) высокоскоростного (~ 5 мкм/ч) нанесения нанокристаллических покрытий из оксида алюминия со структурой корунда (α-Al₂O₃). Разработан и впервые реализован вакуумно-плазменный метод нанесения α-Al₂O₃-покрытий, основанный на реакционном термическом испарении металла в анодной дуге и обеспечивающий высокие скорости роста покрытий. Показано, что использование дополнительного полого анода, в апертуре которого совмещены поток кислорода и большая доля электронного тока разряда, обеспечивает значительное увеличение плотности ионного тока на поверхности растущего покрытия и степени диссоциации кислорода. Данное решение позволяет сохранить большие (более 5) значения отношения плотности тока ионов к потоку осаждаемых атомов при повышенной скорости нанесения покрытий и таким образом обеспечить высокую миграционную подвижность атомов, необходимую для формирования кристаллических фаз, при относительно низких температурах подложки. Показано, что степень диссоциации кислорода оказывает существенное влияние на структурно-фазовое состояние Al₂O₃-покрытий, повышение её величины способствует снижению температуры и расширению диапазона параметров ионного потока, при которых реализуются условия синтеза α-Al₂O₃. Определены условия стабильной работы газоразрядной системы с самонакаливаемым полым катодом и полым анодом. Решена задача по обеспечению стабильного испарения Al из неохлаждаемого тигля в атмосфере кислорода применением предварительной тренировки, обеспечивающей создание на внутренней поверхности тигля слоя оксикарбида алюминия, который устойчив при рабочих температурах и плохо смачивается расплавом. Исследовано влияние плотности ионного тока, регулируемого в диапазоне 0,5 – 8 мА/см², и напряжения смещения образцов 25 – 250 В на структурно-фазовое состояние и свойства Al₂O₃-покрытий, наносимых при температуре 600°С. Установлено, что существует некоторое максимальное значение энергии ионов, при достижении которого происходит переход от альфа к гамма-фазе, обусловленный уменьшением размера кристаллитов до критических значений (~ 12 нм). Влияние плотности ионного тока проявляется в наличии порогового значения параметра, при превышении которого создаются условия для формирования однофазных α-Al₂O₃-покрытия. При энергии ионов ~ 100 эВ величина пороговой плотности ионного тока составляла 2,5 мА/см². Показано, что зависимость внутренних напряжений в α-Al₂O₃-покрытиях от плотности ионного тока немонотонная. Снижение уровня внутренних напряжений (до ~ 0,5 ГПа), достигаемое увеличением плотности ионного тока более 7,5 мА/см², позволило получить адгезионно прочные α-Al₂O₃-покрытия толщиной вплоть до 10 мкм. Проведены эксперименты по высокоскоростному низкотемпературному нанесению Al₂O₃-покрытий на подложки из SiO₂- и Nd:YAG-керамики. Исследовано влияние мощности высокочастотного напряжения смещения образцов и толщины покрытий на структурно-фазовое состояние оксида. Показано, что для формирования адгезионно прочных покрытий методом реакционного анодного испарения с интенсивным ионным сопровождением (плотность ионного тока ~ 10 мА/см²) с долей альфа-фазы, близкой к 1, мощность ВЧ-смещения должна достигать 400 Вт, а толщину покрытий на подложках из SiO₂ и Nd:YAG необходимо ограничить на уровне 0,5 и 2 мкм соответственно. Разработан лабораторный образец системы нанесения покрытий методом реактивного термического испарения в анодной дуге, в которой реализуются режимы с отношения ионного флюенса к числу атомов покрытия ~ 7,5 при скорости роста покрытий ~ 5 мкм/ч, проведены успешные испытания по получению покрытий из ряда оксидов: алюминия, хрома, никеля, гадолиния, а также нитрида алюминия.