Вступ до технології HiPIMS

№1 Принцип потужного імпульсного магнетронного розпилення
Технологія імпульсного магнетронного розпилення високої потужності використовує високу пікову потужність імпульсу (на 2-3 порядки вище, ніж звичайне магнетронне розпилення) і низький імпульсний цикл (0,5%-10%) для досягнення високої швидкості дисоціації металу (>50%), що виходить із характеристик магнетронного розпилення, як показано на малюнку 1, де пікова щільність струму мішені I пропорційна експоненціальній n-й степені напруги розряду U, I = kUn (n є константою, пов’язаною зі структурою катода, магнітним полем і матеріал).При меншій щільності потужності (низька напруга) значення n зазвичай знаходиться в діапазоні від 5 до 15;зі збільшенням напруги розряду щільність струму та щільність потужності швидко зростають, а при високій напрузі значення n стає 1 через втрату обмеження магнітного поля.Якщо при низькій густині потужності газовий розряд визначається іонами газу, то в нормальному режимі імпульсного розряду;якщо при високій густині потужності частка іонів металу в плазмі збільшується, і деякі матеріали перемикаються, тобто в режим саморозпилення, тобто плазма підтримується за рахунок іонізації розпилених нейтральних частинок і вторинних іонів металу та атомів інертного газу такі як Ar, використовуються лише для запалювання плазми, після чого розпорошені металеві частинки іонізуються поблизу мішені та прискорюються назад, щоб бомбардувати розпилену мішень під дією магнітних і електричних полів для підтримки сильного струму розряду, і плазма дуже сильно іонізовані частинки металу.Завдяки процесу розпилення нагрівання мішені, щоб забезпечити стабільну роботу мішені в промисловому застосуванні, щільність потужності, що безпосередньо прикладається до мішені, не може бути занадто великою, як правило, пряме водяне охолодження та теплопровідність цільового матеріалу має бути у випадку нижче 25 Вт/см2, непряме водяне охолодження, теплопровідність матеріалу мішені низька, матеріал мішені спричинений фрагментацією внаслідок термічної напруги або матеріал мішені містить компоненти сплаву з низьким рівнем летких та інші випадки щільності потужності можуть бути лише в 2 ~ 15 Вт / см2 нижче, набагато нижче вимог високої щільності потужності.Проблему перегріву мішені можна вирішити за допомогою дуже вузьких імпульсів високої потужності.Андерс визначає високопотужне імпульсне магнетронне розпилення як різновид імпульсного розпилення, де пікова щільність потужності перевищує середню щільність потужності на 2-3 порядки величини, а розпилення цільових іонів домінує в процесі розпилення, а атоми цільового розпилення сильно дисоційовані. .

№2 Характеристики потужного імпульсного магнетронного напилення осадження покриттів

Високопотужне імпульсне магнетронне розпилення може створювати плазму з високою швидкістю дисоціації та високою енергією іонів, і може застосовувати тиск зміщення для прискорення заряджених іонів, а процес осадження покриття бомбардується частинками високої енергії, що є типовою технологією IPVD.Енергія та розподіл іонів мають дуже важливий вплив на якість та продуктивність покриття.
Про IPVD, заснований на відомій моделі структурної області Тортона, Андерс запропонував модель структурної області, яка включає плазмове осадження та іонне травлення, розширив зв’язок між структурою покриття та температурою та тиском повітря в моделі структурної області Тортона до зв’язку між структурою покриття, температуру та енергію іонів, як показано на малюнку 2. У випадку покриття з осадженням іонів з низькою енергією структура покриття відповідає структурній зонній моделі Тортона.З підвищенням температури осадження відбувається перехід від області 1 (пухкі пористі волокнисті кристали) до області Т (щільні волокнисті кристали), області 2 (стовпчасті кристали) і області 3 (область рекристалізації);зі збільшенням енергії іонів осадження температура переходу від області 1 до області T, області 2 і області 3 зменшується.Волокнисті кристали високої щільності та стовпчасті кристали можна отримати при низькій температурі.Коли енергія осаджених іонів збільшується до порядку 1-10 еВ, посилюється бомбардування і травлення іонів на поверхні осаджених покриттів і збільшується товщина покриттів.

№ 3 Підготовка шару твердого покриття за технологією імпульсного магнетронного напилення високої потужності
Покриття, виготовлене за технологією імпульсного магнетронного напилення високої потужності, є більш щільним, має кращі механічні властивості та високу температурну стабільність.Як показано на малюнку 3, звичайне магнетронне напилення покриття TiAlN є стовпчастою кристалічною структурою з твердістю 30 ГПа та модулем Юнга 460 ГПа;покриття HIPIMS-TiAlN має твердість 34 ГПа, а модуль Юнга становить 377 ГПа;співвідношення між твердістю та модулем Юнга є мірою міцності покриття.Вища твердість і менший модуль Юнга означають кращу міцність.Покриття HIPIMS-TiAlN має кращу високотемпературну стабільність, з гексагональною фазою AlN, що виділяється в звичайному покритті TiAlN після високотемпературного відпалу при 1000 °C протягом 4 годин.Твердість покриття знижується при високій температурі, тоді як покриття HIPIMS-TiAlN залишається незмінним після термічної обробки при тій же температурі та часі.Покриття HIPIMS-TiAlN також має вищу температуру початку високотемпературного окислення, ніж звичайне покриття.Таким чином, покриття HIPIMS-TiAlN демонструє набагато кращу продуктивність у високошвидкісних різальних інструментах, ніж інші інструменти з покриттям, виготовлені за допомогою процесу PVD.