No.1 Принцип на високомощно импулсно магнетронно разпръскване
Техниката на импулсно магнетронно разпрашване с висока мощност използва висока пикова импулсна мощност (2-3 порядъка по-висока от конвенционалното магнетронно разпрашване) и нисък импулсен работен цикъл (0,5%-10%), за да се постигнат високи скорости на дисоциация на метала (>50%), което се извлича от характеристиките на магнетронно разпръскване, както е показано на Фигура 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 с структурата на катода, магнитното поле и материал).При по-ниска плътност на мощността (ниско напрежение) стойността на n обикновено е в диапазона от 5 до 15;с нарастващото разрядно напрежение, плътността на тока и плътността на мощността нарастват бързо и при високо напрежение стойността n става 1 поради загубата на ограничение на магнитното поле.Ако при ниска плътност на мощността газовият разряд се определя от газови йони, който е в нормален импулсен режим на разреждане;ако при висока плътност на мощността делът на металните йони в плазмата се увеличава и някои материали се превключват, това е в режим на саморазпръскване, т.е. плазмата се поддържа чрез йонизация на разпръснати неутрални частици и вторични метални йони и атоми на инертен газ като Ar се използват само за запалване на плазмата, след което разпръснатите метални частици се йонизират в близост до мишената и се ускоряват обратно, за да бомбардират разпръснатата цел под действието на магнитни и електрически полета, за да поддържат силния токов разряд, а плазмата е силно йонизирани метални частици.Поради процеса на разпръскване на ефекта на нагряване върху мишената, за да се осигури стабилна работа на мишената в индустриални приложения, плътността на мощността, директно приложена към мишената, не може да бъде твърде голяма, обикновено директно водно охлаждане и топлопроводимост на целевия материал трябва да бъде в случай на 25 W / cm2 по-долу, непряко водно охлаждане, термичната проводимост на целевия материал е лоша, целевият материал, причинен от фрагментация поради термичен стрес или целевият материал съдържа ниско летливи сплавни компоненти и други случаи на плътност на мощността могат да бъдат само в 2 ~ 15 W / cm2 по-долу, далеч под изискванията за висока плътност на мощността.Проблемът с прегряването на целта може да бъде решен чрез използване на много тесни импулси с висока мощност.Андерс определя високомощното импулсно магнетронно разпръскване като вид импулсно разпръскване, при което пиковата плътност на мощността надвишава средната плътност на мощността с 2 до 3 порядъка и разпрашаването на целевите йони доминира процеса на разпрашаване, а целевите разпрашващи атоми са силно дисоциирани .
No.2 Характеристиките на отлагането на покритие чрез импулсно магнетронно разпрашване с висока мощност
Високомощното импулсно магнетронно разпръскване може да произведе плазма с висока скорост на дисоциация и висока йонна енергия и може да приложи налягане на отклонение за ускоряване на заредените йони, а процесът на отлагане на покритието се бомбардира от високоенергийни частици, което е типична IPVD технология.Енергията и разпределението на йони имат много важно влияние върху качеството и ефективността на покритието.
Относно IPVD, базиран на известния модел на структурна област на Thorton, Anders предложи модел на структурна област, който включва плазмено отлагане и йонно ецване, разшири връзката между структурата на покритието и температурата и налягането на въздуха в модела на структурната област на Thorton до връзката между структурата на покритието, температура и йонна енергия, както е показано на снимка 2. В случай на покритие с нискоенергийно йонно отлагане, структурата на покритието отговаря на модела на структурната зона на Тортън.С повишаване на температурата на отлагане, преходът от област 1 (рехави порести влакнести кристали) към област Т (плътни влакнести кристали), област 2 (колонни кристали) и област 3 (рекристализация област);с увеличаването на йонната енергия на отлагане, температурата на прехода от регион 1 към регион Т, регион 2 и регион 3 намалява.Влакнестите кристали с висока плътност и колонните кристали могат да се приготвят 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.
No.3 Подготовка на твърд покривен слой чрез високомощна импулсна магнетронна разпрашваща технология
Покритието, получено чрез импулсна магнетронна разпрашваща технология с висока мощност, е по-плътно, с по-добри механични свойства и висока температурна стабилност.Както е показано на Фигура 3, конвенционалното магнетронно разпръснато TiAlN покритие е колонна кристална структура с твърдост от 30 GPa и модул на Юнг от 460 GPa;покритието HIPIMS-TiAlN е с твърдост 34 GPa, докато модулът на Young е 377 GPa;съотношението между твърдостта и модула на Юнг е мярка за якостта на покритието.По-висока твърдост и по-малък модул на Юнг означават по-добра якост.Покритието HIPIMS-TiAlN има по-добра стабилност при висока температура, с хексагонална фаза AlN, утаена в конвенционалното покритие TiAlN след високотемпературно отгряване при 1000 °C за 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 окисляване в сравнение с конвенционалното покритие.Следователно покритието HIPIMS-TiAlN показва много по-добра производителност при високоскоростни режещи инструменти в сравнение с други инструменти с покритие, приготвени чрез PVD процес.
Време на публикуване: 8 ноември 2022 г