Introducción a la tecnología HiPIMS

Principio n.º 1 de la pulverización catódica por magnetrón pulsado de alta potencia
La técnica de pulverización catódica por magnetrón pulsado de alta potencia utiliza una alta potencia de pulso pico (2-3 órdenes de magnitud mayor que la pulverización catódica por 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 la pulverización catódica por magnetrón, como se muestra en la Fig. 1, donde la densidad de corriente del objetivo pico I es proporcional a la potencia exponencial n 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 de 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 de 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 auto-pulverización, el plasma se mantiene por la ionización de partículas neutras pulverizadas e iones metálicos secundarios, y los átomos de gas inerte como el 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 es de partículas metálicas altamente ionizadas. Debido al efecto de calentamiento del proceso de pulverización catódica sobre el objetivo, para garantizar el funcionamiento estable del objetivo en aplicaciones industriales, la densidad de potencia aplicada directamente al objetivo no puede ser demasiado alta, generalmente refrigeración directa por agua y conductividad térmica del material del objetivo debe ser inferior a 25 W/cm2, refrigeración indirecta por agua, baja conductividad térmica del material del objetivo, fragmentación del material del objetivo debido a estrés térmico o material del objetivo que contiene componentes de aleación de baja volatilidad y otros casos 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 puede resolverse utilizando pulsos de alta potencia muy estrechos. Anders define la pulverización catódica por magnetrón pulsado de alta potencia como un tipo de pulverización catódica pulsada donde la densidad de potencia pico supera la densidad de potencia promedio en 2 a 3 órdenes de magnitud, y la pulverización iónica del objetivo domina el proceso de pulverización, y los átomos pulverizados del objetivo están altamente disociados.

N.º 2. Características de la deposición de recubrimientos mediante pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia.

La pulverización catódica por magnetrón pulsado de alta potencia puede generar 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 ve sometido al bombardeo de partículas de alta energía, lo que constituye una tecnología IPVD típica. 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 presión de 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 Fig. 2. En el caso del recubrimiento de deposición de iones de baja energía, la estructura del recubrimiento se ajusta al modelo de zona estructural de Thorton. Con el aumento de la temperatura de deposición, la transición de la región 1 (cristales de fibra porosos sueltos) a la región T (cristales de fibra densos), región 2 (cristales columnares) y 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, región 2 y 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 intensifica el bombardeo y el grabado de iones sobre la superficie de los recubrimientos depositados, y aumenta el espesor de los recubrimientos.

Nº 3 Preparación de la capa de recubrimiento duro mediante tecnología de pulverización catódica por magnetrón pulsado de alta potencia.
El recubrimiento preparado mediante la tecnología de pulverización catódica por magnetrón pulsado de alta potencia es más denso, con mejores propiedades mecánicas y estabilidad a altas temperaturas. Como se muestra en la Fig. 3, el recubrimiento convencional de TiAlN pulverizado por magnetrón tiene 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 menor módulo de Young significan una mejor tenacidad. El recubrimiento HIPIMS-TiAlN tiene una mejor estabilidad a altas temperaturas, con la fase hexagonal de AlN precipitada en el recubrimiento convencional de TiAlN 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 elevada que los recubrimientos convencionales. Por lo tanto, el recubrimiento HIPIMS-TiAlN ofrece un rendimiento mucho mejor en herramientas de corte de alta velocidad que otras herramientas recubiertas mediante el proceso PVD.