№1 Принцип на високомощностно импулсно магнетронно разпрашване
Техниката на магнетронно разпрашване с висока мощност използва висока пикова импулсна мощност (с 2-3 порядъка по-висока от конвенционалното магнетронно разпрашване) и нисък работен цикъл на импулса (0,5%-10%), за да постигне високи скорости на дисоциация на метала (>50%), което се получава от характеристиките на магнетронното разпрашване, както е показано на Фиг. 1, където пиковата плътност на целевия ток I е пропорционална на експоненциалната n-та степен на разрядното напрежение U, I = kUn (n е константа, свързана със структурата на катода, магнитното поле и материала). При по-ниски плътности на мощността (ниско напрежение) стойността на n обикновено е в диапазона от 5 до 15; с увеличаването на разрядното напрежение плътността на тока и плътността на мощността се увеличават бързо, а при високо напрежение стойността на n става 1 поради загубата на ограничение на магнитното поле. Ако при ниски плътности на мощността газовият разряд се определя от газови йони, т.е. в нормален импулсен режим на разряд; Ако при висока плътност на мощността делът на металните йони в плазмата се увеличи и някои материали преминат в режим на саморазпрашване, т.е. плазмата се поддържа чрез йонизация на разпрашени неутрални частици и вторични метални йони, а атомите на инертен газ, като аргон, се използват само за запалване на плазмата. След това разпрашените метални частици се йонизират близо до мишената и се ускоряват обратно, за да бомбардират разпрашената мишена под действието на магнитни и електрически полета, за да се поддържа високият ток на разряда, а плазмата е силно йонизирана от метални частици. Поради нагряващия ефект върху мишената по време на процеса на разпрашване, за да се осигури стабилна работа на мишената в промишлени приложения, плътността на мощността, директно приложена към мишената, не може да бъде твърде голяма. Обикновено при директно водно охлаждане топлопроводимостта на материала на мишената трябва да бъде под 25 W/cm2, при индиректно водно охлаждане топлопроводимостта на материала на мишената е ниска, материалът на мишената е фрагментиран поради термично напрежение или съдържа нисколетливи сплави и в други случаи плътността на мощността може да бъде само под 2~15 W/cm2, което е далеч под изискванията за висока плътност на мощност. Проблемът с прегряването на мишената може да бъде решен чрез използване на много тесни импулси с висока мощност. Андерс определя импулсното магнетронно разпрашване с висока мощност като вид импулсно разпрашване, при което пиковата плътност на мощността надвишава средната плътност на мощността с 2 до 3 порядъка, а разпрашването на йоните на мишената доминира в процеса на разпрашване, а атомите, участващи в разпрашването на мишената, са силно дисоциирани.
№2 Характеристики на отлагането на покритие чрез магнетронно разпрашване с висока мощност
Високоенергийното импулсно магнетронно разпрашване може да произведе плазма с висока скорост на дисоциация и висока йонна енергия, като прилага преднапрежение за ускоряване на заредените йони, а процесът на отлагане на покритието се бомбардира от високоенергийни частици, което е типично за IPVD технологията. Енергията и разпределението на йоните имат много важно влияние върху качеството и производителността на покритието.
Относно IPVD, базиран на известния модел на структурните области на Тортън, Андерс предлага модел на структурните области, който включва плазмено отлагане и йонно ецване, разширявайки връзката между структурата на покритието и температурата и налягането на въздуха в модела на структурните области на Тортън до връзката между структурата на покритието, температурата и енергията на йоните, както е показано на Фиг. 2. В случай на покритие с нискоенергийно йонно отлагане, структурата на покритието съответства на зоновия модел на структурата на Тортън. С повишаване на температурата на отлагане, преходът от област 1 (рохкави порести влакнести кристали) към област T (плътни влакнести кристали), област 2 (колонови кристали) и област 3 (област на прекристализация); с повишаване на енергията на йоните на отлагане, температурата на преход от област 1 към област T, област 2 и област 3 намалява. Влакнестите кристали с висока плътност и колоновидните кристали могат да бъдат получени при ниска температура. Когато енергията на отложените йони се увеличи до порядъка на 1-10 eV, бомбардирането и ецването на йони върху повърхността на отложените покрития се засилва и дебелината на покритията се увеличава.
№3 Приготвяне на твърд покривен слой чрез технология за импулсно магнетронно разпрашване с висока мощност
Покритието, получено чрез технология за магнетронно разпрашване с висока мощност, е по-плътно, с по-добри механични свойства и стабилност при висока температура. Както е показано на Фиг. 3, конвенционалното магнетронно разпрашено TiAlN покритие е колонна кристална структура с твърдост от 30 GPa и модул на Юнг от 460 GPa; покритието HIPIMS-TiAlN е с твърдост от 34 GPa, докато модулът на Юнг е 377 GPa; съотношението между твърдостта и модула на Юнг е мярка за жилавостта на покритието. По-високата твърдост и по-малкият модул на Юнг означават по-добра жилавост. Покритието HIPIMS-TiAlN има по-добра стабилност при висока температура, като хексагоналната фаза AlN се утаява в конвенционалното TiAlN покритие след обработка с високотемпературно отгряване при 1000 °C в продължение на 4 часа. Твърдостта на покритието намалява при висока температура, докато покритието HIPIMS-TiAlN остава непроменено след термична обработка при същата температура и време. Покритието HIPIMS-TiAlN също има по-висока начална температура на високотемпературно окисление в сравнение с конвенционалното покритие. Следователно, покритието HIPIMS-TiAlN показва много по-добри характеристики при високоскоростни режещи инструменти, отколкото други инструменти с покритие, получени чрез PVD процес.
Време на публикуване: 08 ноември 2022 г.