Uvod u HiPIMS tehnologiju

Br. 1 Princip magnetronskog raspršivanja velike snage impulsnim magnetronom
Tehnika magnetronskog raspršivanja velike snage koristi visoku vršnu snagu impulsa (2-3 reda veličine veću od konvencionalnog magnetronskog raspršivanja) i nizak radni ciklus impulsa (0,5%-10%) kako bi se postigle visoke stope disocijacije metala (>50%), što je izvedeno iz karakteristika magnetronskog raspršivanja, kao što je prikazano na slici 1, gdje je vršna gustoća struje mete I proporcionalna eksponencijalnoj n-toj potenciji napona pražnjenja U, I = kUn (n je konstanta povezana sa strukturom katode, magnetskim poljem i materijalom). Pri nižim gustoćama snage (niski napon) vrijednost n je obično u rasponu od 5 do 15; s povećanjem napona pražnjenja, gustoća struje i gustoća snage brzo rastu, a pri visokom naponu vrijednost n postaje 1 zbog gubitka ograničenja magnetskog polja. Ako je pri niskim gustoćama snage, plinsko pražnjenje određeno plinskim ionima, odnosno u normalnom pulsnom režimu pražnjenja; Ako se pri visokim gustoćama snage udio metalnih iona u plazmi povećava i neki materijali prelaze u režim samoraspršivanja, tj. plazma se održava ionizacijom raspršenih neutralnih čestica i sekundarnih metalnih iona, a atomi inertnog plina poput Ar koriste se samo za paljenje plazme, nakon čega se raspršene metalne čestice ioniziraju u blizini mete i ubrzavaju natrag kako bi bombardirale raspršenu metu pod djelovanjem magnetskih i električnih polja kako bi se održalo visokostrujno pražnjenje, a plazma je visoko ionizirana metalna čestica. Zbog efekta zagrijavanja mete u procesu raspršivanja, kako bi se osigurao stabilan rad mete u industrijskim primjenama, gustoća snage direktno primijenjena na metu ne smije biti prevelika. Generalno, direktno hlađenje vodom i toplinska provodljivost materijala mete trebaju biti u slučaju 25 W/cm2 ispod, indirektno hlađenje vodom, toplinska provodljivost materijala mete je slaba, materijal mete je uzrokovan fragmentacijom zbog termičkog naprezanja ili materijal mete sadrži nisko isparljive legure i u drugim slučajevima gustoća snage može biti samo 2 ~ 15 W/cm2 ispod, što je daleko ispod zahtjeva za visoku gustoću snage. Problem pregrijavanja mete može se riješiti korištenjem vrlo uskih impulsa velike snage. Anders definira magnetronsko raspršivanje velike snage impulsnim magnetronom kao vrstu impulsnog raspršivanja gdje vršna gustoća snage premašuje prosječnu gustoću snage za 2 do 3 reda veličine, a raspršivanje iona mete dominira procesom raspršivanja, a atomi raspršivanja mete su visoko disocirani.

Br. 2 Karakteristike nanošenja premaza magnetronskim raspršivanjem velike snage impulsnim magnetronskim raspršivanjem

Pulsno magnetronsko raspršivanje velike snage može proizvesti plazmu s visokom stopom disocijacije i visokom energijom iona, te može primijeniti prednaponski pritisak za ubrzavanje nabijenih iona, a proces nanošenja premaza bombardiraju čestice visoke energije, što je tipično za IPVD tehnologiju. Energija i distribucija iona imaju vrlo važan utjecaj na kvalitetu i performanse premaza.
Što se tiče IPVD-a, zasnovanog na poznatom Thortonovom modelu strukturne regije, Anders je predložio model strukturne regije koji uključuje plazma depoziciju i jonsko nagrizanje, proširivši odnos između strukture premaza i temperature i pritiska zraka u Thortonovom modelu strukturne regije na odnos između strukture premaza, temperature i energije iona, kao što je prikazano na slici 2. U slučaju premaza depozicijom iona niske energije, struktura premaza odgovara zonskom modelu Thortonove strukture. S povećanjem temperature depozicije, prelazi se iz regije 1 (labavi porozni kristali vlakana) u regiju T (gusti kristali vlakana), regiju 2 (stupčasti kristali) i regiju 3 (regija rekristalizacije); s povećanjem energije jona depozicije, temperatura prelaska iz regije 1 u regiju T, regiju 2 i regiju 3 se smanjuje. Kristali vlakana visoke gustoće i stupčasti kristali mogu se pripremiti na niskoj temperaturi. Kada se energija deponovanih iona poveća na red veličine 1-10 eV, bombardiranje i nagrizanje iona na površini deponovanog premaza se pojačava, a debljina premaza se povećava.

Br. 3 Priprema tvrdog premaznog sloja tehnologijom magnetronskog raspršivanja velike snage impulsnim magnetronskim raspršivanjem
Premaz pripremljen tehnologijom magnetronskog raspršivanja velike snage je gušći, s boljim mehaničkim svojstvima i stabilnošću na visokim temperaturama. Kao što je prikazano na slici 3, konvencionalni TiAlN premaz nanesen magnetronskim raspršivanjem ima stupčastu kristalnu strukturu s tvrdoćom od 30 GPa i Youngovim modulom od 460 GPa; HIPIMS-TiAlN premaz ima tvrdoću od 34 GPa, dok je Youngov modul 377 GPa; odnos između tvrdoće i Youngovog modula je mjera žilavosti premaza. Veća tvrdoća i manji Youngov modul znače bolju žilavost. HIPIMS-TiAlN premaz ima bolju stabilnost na visokim temperaturama, s heksagonalnom fazom AlN koja se taloži u konvencionalnom TiAlN premazu nakon tretmana žarenja na visokim temperaturama na 1.000 °C tokom 4 sata. Tvrdoća premaza se smanjuje na visokim temperaturama, dok HIPIMS-TiAlN premaz ostaje nepromijenjen nakon termičke obrade na istoj temperaturi i vremenu. HIPIMS-TiAlN premaz također ima višu početnu temperaturu oksidacije na visokim temperaturama u odnosu na konvencionalni premaz. Stoga, HIPIMS-TiAlN premaz pokazuje mnogo bolje performanse u alatima za brzu reznu obradu u odnosu na druge alate s premazom pripremljene PVD postupkom.