Introducción a la tecnología HiPIMS

Principio n.° 1 de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia
La técnica de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia utiliza una alta potencia de pulso de pico (2-3 órdenes de magnitud más alta que la pulverización catódica con magnetrón convencional) y un ciclo de trabajo de pulso bajo (0,5%-10%) para lograr altas tasas de disociación de metal (>50%), que se deriva de las características de pulverización catódica con magnetrón, como se muestra en la Imagen 1, donde la densidad de corriente objetivo de pico I es proporcional a la n-ésima potencia exponencial del voltaje de descarga U, I = kUn (n es una constante relacionada con la estructura del cátodo, el campo magnético y el material). A densidades de potencia más bajas (bajo voltaje), el valor n suele estar en el rango de 5 a 15; con el aumento del voltaje de descarga, la densidad de corriente y la densidad de potencia aumentan rápidamente, y a alto voltaje, el valor n se convierte en 1 debido a la pérdida de confinamiento del campo magnético. Si a bajas densidades de potencia, la descarga de gas está determinada por iones de gas que están en el modo de descarga pulsada normal; Si a altas densidades de potencia, la proporción de iones metálicos en el plasma aumenta y algunos materiales cambian, es decir, en el modo de autopulverización, es decir, el plasma se mantiene mediante la ionización de partículas neutras pulverizadas y iones metálicos secundarios, y los átomos de gas inerte como Ar se utilizan solo para encender el plasma, después de lo cual las partículas metálicas pulverizadas se ionizan cerca del objetivo y se aceleran de nuevo para bombardear el objetivo pulverizado bajo la acción de campos magnéticos y eléctricos para mantener la descarga de alta corriente, y el plasma son partículas metálicas altamente ionizadas. Debido al efecto de calentamiento del objetivo durante el proceso de pulverización catódica, para garantizar su funcionamiento estable en aplicaciones industriales, la densidad de potencia aplicada directamente al objetivo no debe ser demasiado alta. Generalmente, con refrigeración directa por agua, la conductividad térmica del material del objetivo debe ser inferior a 25 W/cm². En caso de refrigeración indirecta por agua, la conductividad térmica del material del objetivo es baja, la fragmentación del material debido al estrés térmico o el contenido de componentes de aleación poco volátiles, etc., la densidad de potencia solo puede ser inferior a 2 ~ 15 W/cm², muy por debajo de los requisitos de alta densidad de potencia. El problema del sobrecalentamiento del objetivo se puede solucionar utilizando pulsos de alta potencia muy estrechos. Anders define la pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia como un tipo de pulverización catódica pulsada en la que la densidad de potencia máxima supera la densidad de potencia media en 2 o 3 órdenes de magnitud, la pulverización catódica de iones del objetivo domina el proceso y los átomos de la pulverización catódica del objetivo están altamente disociados.

N.° 2 Características de la deposición de recubrimiento por pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia

La pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia puede producir plasma con alta tasa de disociación y alta energía iónica, y puede aplicar presión de polarización para acelerar los iones cargados. El proceso de deposición del recubrimiento se bombardea con partículas de alta energía, una tecnología típica de IPVD. La energía y la distribución de los iones tienen un impacto muy importante en la calidad y el rendimiento del recubrimiento.
Acerca de IPVD, basado en el famoso modelo de región estructural de Thorton, Anders propuso un modelo de región estructural que incluye deposición de plasma y grabado iónico, extendiendo la relación entre la estructura del recubrimiento y la temperatura y la presión del aire en el modelo de región estructural de Thorton a la relación entre la estructura del recubrimiento, la temperatura y la energía iónica, como se muestra en la Figura 2. En el caso del recubrimiento por deposición iónica de baja energía, la estructura del recubrimiento se ajusta al modelo de zona de estructura de Thorton. Con el aumento de la temperatura de deposición, la transición de la región 1 (cristales de fibra porosa suelta) a la región T (cristales de fibra densa), la región 2 (cristales columnares) y la región 3 (región de recristalización); con el aumento de la energía iónica de deposición, la temperatura de transición de la región 1 a la región T, la región 2 y la región 3 disminuye. Los cristales de fibra de alta densidad y los cristales columnares se pueden preparar a baja temperatura. Cuando la energía de los iones depositados aumenta al orden de 1-10 eV, se mejora el bombardeo y el grabado de iones en la superficie de los recubrimientos depositados y aumenta el espesor de los recubrimientos.

N.° 3 Preparación de la capa de recubrimiento duro mediante tecnología de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia
El recubrimiento preparado mediante la tecnología de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia es más denso, con mejores propiedades mecánicas y estabilidad a altas temperaturas. Como se muestra en la Figura 3, el recubrimiento de TiAlN pulverizado con magnetrón convencional presenta una estructura cristalina columnar con una dureza de 30 GPa y un módulo de Young de 460 GPa; el recubrimiento HIPIMS-TiAlN tiene una dureza de 34 GPa, mientras que el módulo de Young es de 377 GPa; la relación entre la dureza y el módulo de Young es una medida de la tenacidad del recubrimiento. Una mayor dureza y un módulo de Young menor implican una mejor tenacidad. El recubrimiento HIPIMS-TiAlN presenta una mejor estabilidad a altas temperaturas, con la fase hexagonal de AlN precipitada en el recubrimiento de TiAlN convencional después del tratamiento de recocido a alta temperatura a 1000 °C durante 4 h. La dureza del recubrimiento disminuye a alta temperatura, mientras que el recubrimiento HIPIMS-TiAlN permanece inalterado después del tratamiento térmico a la misma temperatura y tiempo. El recubrimiento HIPIMS-TiAlN también presenta una temperatura de inicio de oxidación a alta temperatura más alta que el recubrimiento convencional. Por lo tanto, el recubrimiento HIPIMS-TiAlN muestra un rendimiento mucho mejor en herramientas de corte de alta velocidad que otras herramientas recubiertas preparadas mediante el proceso PVD.