مقدمة عن تقنية HiPIMS

رقم 1 مبدأ الاخرق المغنطروني النبضي ذو الطاقة العالية
تستخدم تقنية رش المغنطرون النبضي عالي الطاقة قوة نبضة عالية (2-3 أوامر أعلى من رش المغنطرون التقليدي) ودورة عمل نبض منخفضة (0.5٪ -10٪) لتحقيق معدلات تفكك المعادن العالية (> 50٪) ، والتي مشتق من خصائص رش المغنطرون ، كما هو موضح في الصورة 1 ، حيث تتناسب ذروة كثافة التيار المستهدف I مع القوة الأسية n لجهد التفريغ U ، I = kUn (n هو ثابت متعلق بهيكل الكاثود ، المجال المغناطيسي والمواد).عند كثافات الطاقة المنخفضة (الجهد المنخفض) تكون القيمة n عادة في حدود 5 إلى 15 ؛مع زيادة جهد التفريغ ، تزداد كثافة التيار وكثافة الطاقة بسرعة ، وعند الجهد العالي تصبح قيمة n 1 بسبب فقدان حبس المجال المغناطيسي.إذا كانت كثافة الطاقة منخفضة ، يتم تحديد تفريغ الغاز بواسطة أيونات الغاز الموجودة في وضع التفريغ النبضي العادي ؛في حالة كثافات عالية الطاقة ، تزداد نسبة أيونات المعادن في البلازما وتتحول بعض المواد ، أي في وضع الرش الذاتي ، أي يتم الحفاظ على البلازما من خلال تأين الجسيمات المتعادلة المتساقطة وأيونات المعادن الثانوية ، وذرات الغاز الخامل مثل Ar تُستخدم فقط لإشعال البلازما ، وبعد ذلك تتأين جزيئات المعدن المتطايرة بالقرب من الهدف وتتسارع مرة أخرى لقصف الهدف المتطاير تحت تأثير المجالات المغناطيسية والكهربائية للحفاظ على التفريغ العالي للتيار ، وتكون البلازما عالية جدًا الجسيمات المعدنية المؤينة.بسبب عملية الاخرق لتأثير التسخين على الهدف ، من أجل ضمان التشغيل المستقر للهدف في التطبيقات الصناعية ، لا يمكن أن تكون كثافة الطاقة المطبقة مباشرة على الهدف كبيرة جدًا ، والتبريد المباشر بالمياه بشكل عام والتوصيل الحراري للمواد المستهدفة يجب أن يكون في حالة 25 وات / سم 2 أدناه ، تبريد المياه غير المباشر ، الموصلية الحرارية للمواد المستهدفة ضعيفة ، المادة المستهدفة الناتجة عن التجزئة بسبب الإجهاد الحراري أو المواد المستهدفة تحتوي على مكونات سبيكة متطايرة منخفضة وحالات أخرى من كثافة الطاقة يمكن أن تكون فقط في 2 ~ 15 واط / سم 2 أدناه ، أقل بكثير من متطلبات كثافة الطاقة العالية.يمكن حل مشكلة ارتفاع درجة حرارة الهدف باستخدام نبضات عالية الطاقة ضيقة جدًا.يعرّف أندرس رشاش المغنطرون النبضي عالي الطاقة بأنه نوع من الرش النبضي حيث تتجاوز كثافة القدرة القصوى متوسط ​​كثافة الطاقة بمقدار 2 إلى 3 أوامر من حيث الحجم ، ويسيطر رش الأيونات المستهدفة على عملية الرش ، ويتم فصل ذرات الاخرق المستهدفة بدرجة كبيرة .

رقم 2 خصائص ترسب طلاء الاخرق المغنطروني النبضي ذو الطاقة العالية

يمكن أن ينتج عن رش المغنطرون النبضي عالي الطاقة بلازما ذات معدل تفكك عالٍ وطاقة أيونات عالية ، ويمكن أن يطبق ضغطًا متحيزًا لتسريع الأيونات المشحونة ، ويتم قصف عملية ترسيب الطلاء بجزيئات عالية الطاقة ، وهي تقنية IPVD نموذجية.إن طاقة الأيونات وتوزيعها لهما تأثير مهم للغاية على جودة الطلاء وأدائه.
حول IPVD ، استنادًا إلى نموذج منطقة Thorton الهيكلية الشهير ، اقترح Anders نموذجًا هيكليًا للمنطقة يتضمن ترسيب البلازما وحفر الأيونات ، ومدد العلاقة بين بنية الطلاء ودرجة الحرارة وضغط الهواء في نموذج منطقة Thorton الهيكلية للعلاقة بين بنية الطلاء ، درجة الحرارة والطاقة الأيونية ، كما هو موضح في الصورة 2. في حالة الطلاء بترسيب الأيونات منخفض الطاقة ، يتوافق هيكل الطلاء مع نموذج منطقة هيكل Thorton.مع زيادة درجة حرارة الترسيب ، والانتقال من المنطقة 1 (بلورات الألياف المسامية السائبة) إلى المنطقة T (بلورات الألياف الكثيفة) ، والمنطقة 2 (البلورات العمودية) والمنطقة 3 (منطقة إعادة التبلور) ؛مع زيادة طاقة أيون الترسيب ، تنخفض درجة حرارة الانتقال من المنطقة 1 إلى المنطقة T والمنطقة 2 والمنطقة 3.يمكن تحضير بلورات الألياف عالية الكثافة والبلورات العمودية عند درجة حرارة منخفضة.عندما تزداد طاقة الأيونات المترسبة إلى ترتيب 1-10 eV ، يتم تعزيز قصف وحفر الأيونات على سطح الطلاء المترسب وزيادة سمك الطلاء.

رقم 3 تحضير طبقة طلاء صلبة بواسطة تقنية رش المغنطرون النبضي عالي الطاقة
الطلاء المحضر بتقنية رش المغنطرون النبضي عالي الطاقة يكون أكثر كثافة ، مع خصائص ميكانيكية أفضل واستقرار في درجات الحرارة العالية.كما هو مبين في صورة 3 ، فإن طلاء TiAlN المغنطروني التقليدي عبارة عن هيكل بلوري عمودي بصلابة 30 جيجا باسكال ومعامل يونج يبلغ 460 جيجا باسكال ؛طلاء HIPIMS-TiAlN يبلغ صلابة 34 جيجا باسكال بينما معامل يونج هو 377 جيجا باسكال ؛النسبة بين الصلابة ومعامل يونغ هي مقياس لمتانة الطلاء.صلابة أعلى ومعامل يونغ أصغر يعني صلابة أفضل.يتميز طلاء HIPIMS-TiAlN باستقرار أفضل في درجات الحرارة العالية ، مع طور سداسي AlN المترسب في طلاء TiAlN التقليدي بعد معالجة التلدين بدرجة حرارة عالية عند 1000 درجة مئوية لمدة 4 ساعات.تنخفض صلابة الطلاء عند درجة حرارة عالية ، بينما يظل طلاء HIPIMS-TiAlN دون تغيير بعد المعالجة الحرارية بنفس درجة الحرارة والوقت.يحتوي طلاء HIPIMS-TiAlN أيضًا على درجة حرارة بداية أعلى للأكسدة بدرجة حرارة عالية من الطلاء التقليدي.لذلك ، يُظهر طلاء HIPIMS-TiAlN أداءً أفضل بكثير في أدوات القطع عالية السرعة مقارنةً بالأدوات المطلية الأخرى المعدة بواسطة عملية PVD.