Научные и технологические принципы нанесения покрытий методами физического и химического осаждения : методы получения и исследования покрытий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2560 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

Ф.В. Кирюханцев-Корнеев 
 
 

Научные и технологические
принципы нанесения покрытий 
методами физического и 
химического осаждения 

Методы получения и исследования покрытий 

Практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2015 

УДК 621.762:620.18 
 
К43 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. И.В. Блинков 

Кирюханцев-Корнеев Ф.В. 
К43  
Научные и технологические принципы нанесения покрытий 
методами физического и химического осаждения : методы получения и исследования покрытий : практикум / Ф.В. Кирюханцев-Корнеев. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 56 с. 
ISBN 978-5-87623-924-2 

Практикум содержит описание семи работ, при выполнении которых студенты знакомятся с современными методами нанесения покрытий, реализуемыми в нормальных условиях и в вакууме, а также основными методами контроля структуры и состава покрытий. 
Практикум предназначен для магистрантов, обучающихся по направлению «Металлургия». 

УДК 621.762:620.18 

© Ф.В. Кирюханцев-Корнеев, 2015 
ISBN 978-5-87623-924-2 
© НИТУ «МИСиС», 2015 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Получение покрытий методами плазменного 
напыления и плазменной наплавки ........................................................5 
2. Нанесение покрытий с использованием несбалансированных 
магнетронных распылительных систем ...............................................10 
3. Получение покрытий методами контактного диффузионного 
насыщения...............................................................................................17 
4. Осаждение пленок алмазоподобного углерода с помощью 
технологии PACVD................................................................................23 
5. Применение метода импульсного катодно-дугового 
испарения для осаждения покрытий из керамических 
мишеней...................................................................................................29 
6. Исследование покрытий с использованием оптической 
эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда .................................37 
7. Исследование покрытий с помощью растровой электронной 
микроскопии и энергодисперсионного анализа ..................................47 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Нанесение покрытий и обработка поверхности являются одними 
из активно развивающихся направлений современного материаловедения. Непрерывно разрабатываются новые составы покрытий с 
улучшенными функциональными характеристиками, совершенствуются методы нанесения покрытий и модификации поверхности, внедряются новые методы исследования структуры и измерения свойств 
покрытий. Данный практикум содержит описание практических работ, охватывающих различные методы нанесения покрытий, а также 
их исследования. 
Выполнение практических работ знакомит студентов с технологическим оборудованием для нанесения покрытий, приборами для 
исследования состава и структуры покрытий. Каждая работа представляет собой небольшое законченное исследование с применением 
технологий и методов, ранее рассмотренных на лекциях. Рассмотрены следующие способы нанесения покрытий и обработки поверхности: плазменное напыление и наплавка, катодно-дуговое испарение, 
магнетронное напыление, химическое осаждение с активацией плазмой, диффузионное насыщение, а также современные способы диагностики структурных характеристик покрытий, такие как оптическая 
эмиссионная спектроскопия, растровая электронная микроскопия, 
энергодисперсионный микроанализ.  
Для допуска к работе студенты отвечают на контрольные вопросы, выданные преподавателем. Данные вопросы представлены в соответствующих разделах практикума. При выполнении работ группа 
в зависимости от численности делится на подгруппы, каждая из которых выполняет один из вариантов задания, указанных преподавателем. После оформления студентами результатов и необходимых 
расчетов проводится защита выполненной работы. 

1. Получение покрытий методами плазменного 
напыления и плазменной наплавки 

1.1. Цель работы 

Ознакомление с устройством плазмотрона и методами нанесения 
покрытий с его использованием.  

1.2. Теоретическое введение 

Нанесение покрытий с применением низкотемпературной плазмы 
широко применяется в различных областях промышленности. Плазменное напыление по сравнению с другими газотермическими методами, такими как газопламенное, детонационное и электродуговое 
напыление, имеет ряд преимуществ, среди которых надо отметить: 
1) высокие температуры газового потока, позволяющие расплавлять 
и наносить практически любые материалы, включая керамические, 
независимо от их температуры плавления; 2) как правило, в процессе 
используются нейтральные или инертные газы, что обеспечивает 
минимальное окисление наносимого материала и поверхности подложки-изделия; 3) гибкость при выборе типа исходного материала – 
его можно подавать в виде порошка, проволоки сплошного сечения, 
порошковой проволоки, прутка; 4) за счет управления параметрами напыления возможно проводить процесс нанесения покрытия при температуре подложки 100…300 °С; 5) относительная легкость регулирования энергетических и газодинамических параметров напыления. 
В общем случае установка для плазменного напыления состоит из 
плазменной горелки (плазмотрона), системы подачи напыляемого 
материала, системы водяного охлаждения, источника постоянного 
напряжения, системы охлаждения этого источника напряжения, системы подачи газов (плазмообразующего и транспортирующего), 
пульта управления, системы блокировок, устройства для перемещения изделия или горелки. Рядом с плазмотроном должна быть обеспечена вытяжная вентиляция (удаление образующихся ядовитых газов, таких как озон, оксиды азота и др.). Основной узел установки 
напыления – плазмотрон, как правило, состоит из корпуса с каналами 
для подвода плазмообразующего/транспортирующего газа и ввода 
материала, водоохлаждаемого медного анода, вольфрамового катода 
и расположенного между ними изолятора.  

Плазмотрон применяется также при нанесении покрытий методом 
плазменной наплавки. Материал может подаваться в виде проволоки 
или порошка в зону взаимодействия высокотемпературного потока с 
подложкой (ванну расплава), а также в виде порошка вводиться непосредственно внутрь плазмотрона. Кроме того, возможна схема, 
когда происходит наплавление материала, предварительно нанесенного на подложку в виде порошка. 

1.3. Оборудование и материалы 

Для проведения работы используется установка «Мультиплаз 
2500» (ОАО «Мультиплаз», РФ). Питание установки осуществляется 
от сети переменного тока напряжением 220 В при частоте 50 Гц. Напряжение холостого хода не более 48 В. Максимальная потребляемая 
мощность 2,5 кВт. Максимальная температура плазменного факела 
8000 °С. В качестве рабочей жидкости могут быть использованы дистиллированная вода, смесь воды с этиловым спиртом (1:1). Максимальный расход рабочей жидкости 0,25 л/ч. Конструкция горелки 
обеспечивает ее работоспособность в любом пространственном положении. Предусмотрена возможность работы в режимах «закрытый 
анод», когда электрическая дуга горит между катодом и анодом, и 
«открытый анод», когда она от катода замыкается на подложку, 
имеющую положительный потенциал. Принципиальная схема используемого в работе плазмотрона показана на рис. 1.1. 

 

Рис. 1.1. Схема плазмотрона «Мультиплаз 2500» 

Все узлы плазменной горелки располагаются в пластмассовом 
корпусе, состоящем из двух боковин, вставленный внутрь металлический корпус-бачок заполнен влаговпитывающим материалом. 
Подвижный катодный узел, на который подается отрицательное напряжение от блока питания, состоит из катододержателя, в переднюю часть которого ввинчивается сменный катод. На сопло-анод 
подается положительное напряжение от блока питания. Сопло-анод и 
катод образуют разрядный промежуток. Внутри него за счет энергии 
электрической дуги происходит испарение рабочей жидкости, пары 
которой играют роль плазмообразующего газа.  
В качестве подложек используются пластины 60×60×2 мм из стали типа Ст.3. 
В качестве исходного материала для нанесения покрытий могут 
применяться: медная проволока круглая электротехническая (ТУ 16705.492–2005) диаметром от 0,2 до 3 мм, проволока стальная 
Св-06Х19Н9Т (ГОСТ 2246–70) диаметром от 0,3 до 2 мм, сварочная 
проволока Св-08А диаметром 3 мм или др., а также порошковые смеси 
на основе систем Co–Cr (стеллит), WC–W2C (рэлит), Ni–Cr–B–Si или др.  
В качестве флюсов при плазменной наплавке могут использоваться смеси на основе KCl, NaCl, LiCl, CaF2, B2O3 и др.  

1.4. Порядок проведения работы 
и указания по охране труда 

1. Подготовить рабочие жидкости, смешав в заданных пропорциях дистиллированную воду и этиловый спирт. 
2. Провести заправку отключенного от блока питания плазмотрона рабочими жидкостями до появления капель жидкости из сопла.  
3. Зачистить полученные от преподавателя пластины-подложки и 
проволоку на абразивной бумаге. 
4. Подложки и проволоку обработать растворителями, провести сушку. 
5. Зажать подложку в устройство для закрепления образцов, помещенное в вытяжной шкаф.  
6. На один из образцов нанести связывающее вещество, наплавляемый порошок и флюс выбранных составов. 

Действия с п. 7 по п. 12 проводятся преподавателем. Используется 
режим плазмотрона «закрытый анод». Работы проводятся в защитных очках и рукавицах при включенной вытяжной вентиляции.  
7. Подключить плазмотрон к блоку питания. Включить кабель питания в розетку с заземлением.  

8. Перевести выключатель «MODE I» в положение 6. Вращая 
крышку механизма управления катодом, установить ход пусковой 
кнопки около 3 мм. 
9. Нажать «ON» на панели блока питания, при этом индикатор напряжения показывает 200…350 В. В течение следующих 5 с до упора 
нажать и отпустить пусковую кнопку плазмотрона. Индикатор должен показывать 30…70 В. 
10. Дождаться стабилизации горения плазмы и достижения напряжения на индикаторе 120…140 В.  
11. Проводится демонстрация возможностей обработки материала 
плазмотроном, включая плазменное напыление материала проволоки 
на стальные подложки, плазменную наплавку порошка и проволоки. 
12. При необходимости проводить дозаправку плазмотрона сразу 
после выключения блока питания, рабочей жидкостью через горловину или в горячем состоянии путем погружения выходного сопла в 
емкость с рабочей жидкостью. 
13. Провести выключение плазмотрона нажатием кнопки «OFF». 
Отключить блок питания от розетки. Отключить плазмотрон от блока питания.  
14. Дождаться охлаждения образцов до комнатной температуры. 
Провести осмотр. Описать результаты наблюдения в лабораторный 
журнал. 

1.5. Обработка результатов эксперимента 

При проведении эксперимента в рабочий журнал заносятся марки 
электродов и подложек, характеристики и описание режимов обработки, результаты визуального анализа образцов с покрытиями, описание дефектов, выводы по эксперименту. На заключительном этапе 
студенты получают от преподавателя данные по нанесению покрытий Al2O3 методом плазменного напыления при варьировании мощности, типа исходного материала (Al2O3, Al + Al2O3), включая значения пористости, механические и трибологические характеристики. 
Данные записываются в таблицу, которая выдается преподавателем в 
виде раздаточного материала. Строятся зависимости перечисленных 
характеристик от режимов нанесения. Записываются выводы, дается 
объяснение зависимостей. 

1.6. Требования к отчету о работе 

Отчет о работе должен содержать теоретическую часть, описание 
опыта, цель опыта с учетом индивидуального задания, основные характеристики используемого оборудования, таблицы и графики, отражающие результаты опытов, выводы по проделанной работе.  

Литература 

Балдаев Л. Газотермическое напыление. М.: Маркет ДС, 2007. 344 с. 
Дударева О.А. Методы обработки поверхности деталей перед нанесением покрытий. Саратов : СГТУ, 2007. 96 с. 
Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. М.: Металлургия, 1992. 432 c. 
Пузряков А. Теоретические основы технологии плазменного напыления. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 360 с. 

Контрольные вопросы 

Проверка готовности к проведению работы 
1. Что такое плазма? 
2. Опишите основные элементы плазмотрона. 
3. Преимущества и недостатки схем «открытый анод» и «нейтральная проволока». 
4. Меры безопасности при работе с установками плазменного напыления и наплавки. 
5. Какие материалы могут быть использованы в качестве исходных для плазменного напыления и наплавки?  
6. Опишите основные операции по подготовке исходных материалов и подложек перед нанесением покрытий. 

Основные вопросы для сдачи работы 
1. Структурные особенности покрытий, полученных методами 
плазменного напыления. 
2. Какие факторы влияют на тепловые характеристики плазменного напыления?  
3. Назовите основные параметры эффективности плазменного напыления. 
4. Достоинства и недостатки метода плазменного напыления. 
5. Достоинства и недостатки метода плазменной наплавки. 
6. Опишите различные схемы реализации плазменной наплавки. 
7. Виды брака при плазменном напылении. 

2. Нанесение покрытий с использованием 
несбалансированных магнетронных 
распылительных систем 

2.1. Цель работы 

Ознакомление с конструкциями магнетронных распылительных 
систем несбалансированного типа и технологией нанесения нанослойных покрытий. 

2.2. Теоретическое введение 

Магнетронные распылительные системы (МРС) широко применяются на практике для нанесения декоративных, износостойких, 
жаростойких, резистивных и оптических покрытий. МРС по конфигурации магнитных полей можно условно разделить на две группы: 
1) сбалансированные и 2) несбалансированные. 
Для гибкого управления структурой и свойствами покрытий в 
процессе нанесения важно иметь возможность регулировать параметры плазмы в широком диапазоне, плотность ионного тока на подложку от примерно 0,2 до 2 мА/см2 и энергию бомбардирующих ионов от единиц до сотен электронвольт. Энергию ионов можно легко 
регулировать подачей отрицательного смещения на проводящую 
подложку, однако величина потока ионов ограничена плотностью 
плазмы вблизи подложки, которая обычно в сбалансированных МРС 
экспоненциально уменьшается при удалении от катода. Задачу получения соответствующего потока ионов можно решить за счет использования несбалансированных МРС.  
В сбалансированной МРС внутренние и внешние магниты формируют поле, где все силовые линии, выходящие из мишени от одного 
полюса, замыкаются на другом, в области мишени. В сбалансированной МРС зона плотной плазмы ограничивается на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности мишени. Если подложка установлена за пределами этой области, плотности тока ионов на подложку недостаточно для модификации структуры покрытия. Для 
осаждения плотных покрытий без больших внутренних напряжений 
предпочтительны большие потоки ионов низкой энергии (порядка 
100 эВ). Необходимые для этого условия могут быть реализованы в 
несбалансированных МРС. Обычно используется следующая схема. 

Внешний полюс магнита усилен относительно центрального, а область распространения покинувших ловушку электронов ограничена 
усиленным боковым магнитным полем. Осевое магнитное поле заставляет электроны, покинувшие область разряда, двигаться по направлению к подложке. При компенсации возникающего объемного 
отрицательного заряда ионы вытягиваются из области разряда и ускоряются в направлении подложки. Повышение концентрации электронов приводит к увеличению сечения возбуждения атомов и диссоциации молекул в зоне мишень–подложка. Продольная составляющая поля достигается увеличением объема постоянных магнитов 
по внешнему краю мишени или применением дополнительного электромагнита. Также дополнительная магнитная система может быть 
помещена за подложку при ее небольшой толщине. Несбалансированную схему легче реализовать в многокатодных МРС. В двухкатодных (дуальных) МРС магниты обоих магнетронов могут быть 
расположены с идентичной («зеркальная» схема) или противоположной («замкнутая» схема) полярностью. «Замкнутая» схема применяется в многокатодных МРС с 4, 6, 8 магнетронами, окружающими 
вращающийся подложкодержатель. Устройства подобного типа получили обозначение CFUBMS (closed field unbalanced magnetron sputtering). Сравнение эффектов, связанных с интенсификацией ионной 
бомбардировки (выражается соотношением ион/атом, а также ионным током на подложке) при использовании сбалансированных и 
несбалансированных магнетронных систем (BMS и UBMS соответственно), а также системы CFUBMS, представлено на рис. 2.1. 
Интенсификация ионной бомбардировки подложки приводит к 
оптимизации структуры, увеличению плотности покрытий, а, следовательно, и к увеличению механических свойств, износостойкости, 
коррозионной стойкости и других характеристик покрытий.  
При решении обратной задачи, связанной с понижением плотности ионного тока на подложку при получении покрытий с управляемой повышенной пористостью, применяют другую схему несбалансированной МРС, где центральный полюс магнита усилен относительно внешнего, а незамкнутые линии поля с центральной области 
имеют радиальную направленность, при этом практически устраняется осевая составляющая магнитного поля, что определяет низкий 
ионный ток на подложку и, как правило, приводит к осаждению покрытий с высокой пористостью.