مقدمة عن تقنية HiPIMS

المبدأ الأول لعملية رش المغنطرون النبضي عالي الطاقة
تستخدم تقنية الترسيب بالرش المغنطروني النبضي عالي القدرة طاقة نبضية قصوى عالية (أعلى بمقدار 2-3 مراتب من الترسيب المغنطروني التقليدي) ودورة تشغيل نبضية منخفضة (0.5%-10%) لتحقيق معدلات تفكك عالية للمعادن (>50%)، وهي مشتقة من خصائص الترسيب المغنطروني، كما هو موضح في الشكل 1، حيث تتناسب كثافة تيار الهدف القصوى I طرديًا مع القوة n لجهد التفريغ U، I = kUn (حيث n ثابت مرتبط ببنية الكاثود والمجال المغناطيسي والمادة). عند كثافات الطاقة المنخفضة (الجهد المنخفض)، تتراوح قيمة n عادةً بين 5 و15؛ ومع زيادة جهد التفريغ، تزداد كثافة التيار وكثافة الطاقة بسرعة، وعند الجهد العالي تصبح قيمة n مساوية لـ 1 بسبب فقدان حصر المجال المغناطيسي. أما عند كثافات الطاقة المنخفضة، فيُحدد تفريغ الغاز بواسطة أيونات الغاز، أي في وضع التفريغ النبضي العادي. إذا زادت نسبة أيونات المعادن في البلازما عند كثافات الطاقة العالية، وتحولت بعض المواد، أي في وضع التذرية الذاتية، يتم الحفاظ على البلازما عن طريق تأين الجسيمات المتعادلة المتذرية وأيونات المعادن الثانوية، وتستخدم ذرات الغاز الخامل مثل الأرجون فقط لإشعال البلازما، وبعد ذلك تتأين جسيمات المعادن المتذرية بالقرب من الهدف وتتسارع مرة أخرى لقصف الهدف المتذري تحت تأثير المجالات المغناطيسية والكهربائية للحفاظ على تفريغ التيار العالي، وتكون البلازما عبارة عن جسيمات معدنية متأينة للغاية. نظراً لتأثير التسخين الناتج عن عملية التذرية على الهدف، ولضمان استقرار تشغيل الهدف في التطبيقات الصناعية، يجب ألا تتجاوز كثافة الطاقة المطبقة عليه مباشرةً 25 واط/سم². في حالة التبريد المباشر بالماء، يجب ألا تتجاوز الموصلية الحرارية لمادة الهدف 25 واط/سم². أما في حالة التبريد غير المباشر بالماء، أو ضعف الموصلية الحرارية لمادة الهدف، أو تفتت مادة الهدف نتيجة الإجهاد الحراري، أو احتواء مادة الهدف على مكونات سبائك منخفضة التطاير، فيجب ألا تتجاوز كثافة الطاقة 2-15 واط/سم²، وهي أقل بكثير من متطلبات كثافة الطاقة العالية. يمكن حل مشكلة ارتفاع درجة حرارة الهدف باستخدام نبضات طاقة عالية ضيقة النطاق. يُعرّف أندرس التذرية المغنطرونية النبضية عالية الطاقة بأنها نوع من التذرية النبضية تتجاوز فيها ذروة كثافة الطاقة متوسط ​​كثافة الطاقة بمقدار 2 إلى 3 مراتب، حيث يهيمن تذرية أيونات الهدف على عملية التذرية، وتكون ذرات الهدف المتذرية متفككة بشكل كبير.

رقم 2: خصائص ترسيب الطلاء بالرش المغناطيسي النبضي عالي الطاقة

تُنتج عملية الترسيب بالرش المغناطيسي النبضي عالي الطاقة بلازما ذات معدل تفكك عالٍ وطاقة أيونية عالية، كما يُمكن تطبيق ضغط انحياز لتسريع الأيونات المشحونة، وتتعرض عملية ترسيب الطلاء لقصف بجزيئات عالية الطاقة، وهي تقنية نموذجية للترسيب الفيزيائي للبخار المحفز بالبلازما (IPVD). وتؤثر طاقة الأيونات وتوزيعها بشكل كبير على جودة الطلاء وأدائه.
فيما يتعلق بتقنية الترسيب الفيزيائي للبخار الأيوني (IPVD)، استنادًا إلى نموذج ثورنتون الشهير للمناطق الهيكلية، اقترح أندرس نموذجًا للمناطق الهيكلية يشمل الترسيب البلازمي والحفر الأيوني، ووسع نطاق العلاقة بين بنية الطلاء ودرجة الحرارة وضغط الهواء في نموذج ثورنتون ليشمل العلاقة بين بنية الطلاء ودرجة الحرارة وطاقة الأيونات، كما هو موضح في الشكل 2. في حالة طلاء الترسيب الأيوني منخفض الطاقة، تتوافق بنية الطلاء مع نموذج ثورنتون للمناطق الهيكلية. مع ارتفاع درجة حرارة الترسيب، يحدث انتقال من المنطقة 1 (بلورات ليفية مسامية فضفاضة) إلى المنطقة T (بلورات ليفية كثيفة)، ثم المنطقة 2 (بلورات عمودية)، وأخيرًا المنطقة 3 (منطقة إعادة التبلور). ومع ارتفاع طاقة أيونات الترسيب، تنخفض درجة حرارة الانتقال من المنطقة 1 إلى المنطقة T، ثم المنطقة 2، وأخيرًا المنطقة 3. ويمكن تحضير البلورات الليفية عالية الكثافة والبلورات العمودية عند درجة حرارة منخفضة. عندما تزداد طاقة الأيونات المترسبة إلى رتبة 1-10 إلكترون فولت، يتم تعزيز قصف الأيونات وحفرها على سطح الطلاءات المترسبة ويزداد سمك الطلاءات.

رقم 3: تحضير طبقة طلاء صلبة بتقنية الترسيب المغناطيسي النبضي عالي الطاقة
تتميز الطبقة المُحضّرة بتقنية الترسيب المغناطيسي النبضي عالي الطاقة بكثافة أعلى، وخصائص ميكانيكية أفضل، وثبات حراري عالٍ. كما هو موضح في الصورة 3، فإن طبقة TiAlN المُرسبة بالترسيب المغناطيسي التقليدي ذات بنية بلورية عمودية، وصلابتها 30 جيجا باسكال، ومعامل يونغ 460 جيجا باسكال؛ بينما تبلغ صلابة طبقة HIPIMS-TiAlN 34 جيجا باسكال، ومعامل يونغ 377 جيجا باسكال. وتُعد نسبة الصلابة إلى معامل يونغ مقياسًا لمتانة الطبقة، حيث تشير الصلابة الأعلى ومعامل يونغ الأقل إلى متانة أفضل. تتميز طبقة HIPIMS-TiAlN بثبات حراري عالٍ، حيث تترسب المرحلة السداسية من AlN في طبقة TiAlN التقليدية بعد معالجتها بالتلدين عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. تنخفض صلابة الطلاء عند درجات الحرارة العالية، بينما يبقى طلاء HIPIMS-TiAlN دون تغيير بعد المعالجة الحرارية عند نفس درجة الحرارة والمدة. كما يتميز طلاء HIPIMS-TiAlN بدرجة حرارة بدء أعلى للأكسدة عند درجات الحرارة العالية مقارنةً بالطلاءات التقليدية. لذلك، يُظهر طلاء HIPIMS-TiAlN أداءً أفضل بكثير في أدوات القطع عالية السرعة مقارنةً بالأدوات المطلية الأخرى المُحضّرة بتقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD).