Introducció a la tecnologia HiPIMS

Principi núm. 1 de la pulverització catòdica amb magnetró pulsat d'alta potència
La tècnica de pulverització catòdica amb magnetró pulsat d'alta potència utilitza una potència de pols de pic elevada (2-3 ordres de magnitud superior a la pulverització catòdica convencional) i un cicle de treball de pols baix (0,5%-10%) per aconseguir taxes de dissociació de metalls elevades (>50%), que es deriven de les característiques de pulverització catòdica amb magnetró, com es mostra a la Figura 1, on la densitat de corrent objectiu de pic I és proporcional a la potència exponencial n-èsima de la tensió de descàrrega U, I = kUn (n és una constant relacionada amb l'estructura del càtode, el camp magnètic i el material). A densitats de potència més baixes (baix voltatge), el valor n sol estar en el rang de 5 a 15; amb l'augment de la tensió de descàrrega, la densitat de corrent i la densitat de potència augmenten ràpidament, i a alt voltatge el valor n esdevé 1 a causa de la pèrdua de confinament del camp magnètic. Si a baixes densitats de potència, la descàrrega de gas està determinada per ions de gas que es troben en el mode de descàrrega pulsada normal; Si a densitats de potència elevades, la proporció d'ions metàl·lics al plasma augmenta i alguns materials canvien, és a dir, en el mode d'autopulverització, és a dir, el plasma es manté mitjançant la ionització de partícules neutres pulveritzades i ions metàl·lics secundaris, i els àtoms de gas inert com l'Ar s'utilitzen només per encendre el plasma, després de la qual cosa les partícules metàl·liques pulveritzades s'ionitzen prop de l'objectiu i s'acceleren de nou per bombardejar l'objectiu pulveritzat sota l'acció de camps magnètics i elèctrics per mantenir la descàrrega d'alt corrent, i el plasma són partícules metàl·liques altament ionitzades. A causa de l'efecte d'escalfament del procés de pulverització catòdica sobre l'objectiu, per tal de garantir el funcionament estable de l'objectiu en aplicacions industrials, la densitat de potència aplicada directament a l'objectiu no pot ser massa gran. En general, el refredament directe per aigua i la conductivitat tèrmica del material objectiu han de ser, en el cas de 25 W/cm2 per sota. El refredament indirecte per aigua és una conductivitat tèrmica deficient del material objectiu, el material objectiu causa la fragmentació a causa de l'estrès tèrmic o el material objectiu conté components d'aliatge de baixa volàtil i altres casos de densitat de potència només poden ser de 2 a 15 W/cm2 per sota, molt per sota dels requisits d'alta densitat de potència. El problema del sobreescalfament de l'objectiu es pot resoldre mitjançant polsos d'alta potència molt estrets. Anders defineix la pulverització catòdica magnetrònica pulsada d'alta potència com un tipus de pulverització catòdica pulsada on la densitat de potència màxima supera la densitat de potència mitjana en 2 o 3 ordres de magnitud, i la pulverització catòdica d'ions de l'objectiu domina el procés de pulverització catòdica i els àtoms de pulverització catòdica de l'objectiu estan altament dissociats.

Núm. 2 Les característiques de la deposició de recobriment per pulverització catòdica de magnetró pulsat d'alta potència

La polvorització catòdica amb magnetró pulsat d'alta potència pot produir plasma amb una alta taxa de dissociació i una alta energia iònica, i pot aplicar pressió de polarització per accelerar els ions carregats, i el procés de deposició del recobriment és bombardejat per partícules d'alta energia, que és una tecnologia IPVD típica. L'energia i la distribució dels ions tenen un impacte molt important en la qualitat i el rendiment del recobriment.
Sobre l'IPVD, basant-se en el famós model de regió estructural de Thorton, Anders va proposar un model de regió estructural que inclou la deposició de plasma i el gravat iònic, ampliant la relació entre l'estructura del recobriment i la temperatura i la pressió de l'aire en el model de regió estructural de Thorton a la relació entre l'estructura del recobriment, la temperatura i l'energia iònica, com es mostra a la Figura 2. En el cas del recobriment per deposició d'ions de baixa energia, l'estructura del recobriment s'ajusta al model de zona d'estructura de Thorton. Amb l'augment de la temperatura de deposició, la transició de la regió 1 (cristalls de fibra porosa solta) a la regió T (cristalls de fibra densa), la regió 2 (cristalls columnars) i la regió 3 (regió de recristal·lització); amb l'augment de l'energia dels ions de deposició, la temperatura de transició de la regió 1 a la regió T, la regió 2 i la regió 3 disminueix. Els cristalls de fibra d'alta densitat i els cristalls columnars es poden preparar a baixa temperatura. Quan l'energia dels ions dipositats augmenta fins a l'ordre d'1-10 eV, el bombardeig i el gravat d'ions a la superfície dels recobriments dipositats s'incrementa i el gruix dels recobriments augmenta.

Núm. 3 Preparació de la capa de recobriment dur mitjançant tecnologia de pulverització catòdica amb magnetró pulsat d'alta potència
El recobriment preparat mitjançant la tecnologia de pulverització catòdica amb magnetró pulsat d'alta potència és més dens, amb millors propietats mecàniques i estabilitat a alta temperatura. Com es mostra a la Figura 3, el recobriment convencional de TiAlN pulveritzat amb magnetró té una estructura cristal·lina columnar amb una duresa de 30 GPa i un mòdul de Young de 460 GPa; el recobriment HIPIMS-TiAlN té una duresa de 34 GPa, mentre que el mòdul de Young és de 377 GPa; la relació entre la duresa i el mòdul de Young és una mesura de la tenacitat del recobriment. Una duresa més alta i un mòdul de Young més petit signifiquen una millor tenacitat. El recobriment HIPIMS-TiAlN té una millor estabilitat a alta temperatura, amb la fase hexagonal d'AlN precipitada en el recobriment convencional de TiAlN després del tractament de recuit a alta temperatura a 1.000 °C durant 4 h. La duresa del recobriment disminueix a alta temperatura, mentre que el recobriment HIPIMS-TiAlN roman sense canvis després del tractament tèrmic a la mateixa temperatura i temps. El recobriment HIPIMS-TiAlN també té una temperatura d'inici d'oxidació a alta temperatura més alta que el recobriment convencional. Per tant, el recobriment HIPIMS-TiAlN mostra un rendiment molt millor en eines de tall d'alta velocitat que altres eines recobertes preparades mitjançant el procés PVD.