Introdución á tecnoloxía HiPIMS

Principio nº 1 da pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia
A técnica de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia emprega unha potencia de pulso máxima elevada (2-3 ordes de magnitude superior á pulverización catódica con magnetrón convencional) e un ciclo de traballo de pulso baixo (0,5 %-10 %) para acadar altas taxas de disociación de metais (>50 %), o que se deriva das características de pulverización catódica con magnetrón, como se mostra na imaxe 1, onde a densidade de corrente obxectivo máxima I é proporcional á potencia exponencial n-ésima da tensión de descarga U, I = kUn (n é unha constante relacionada coa estrutura do cátodo, o campo magnético e o material). A densidades de potencia máis baixas (baixa tensión), o valor de n adoita estar no rango de 5 a 15; co aumento da tensión de descarga, a densidade de corrente e a densidade de potencia aumentan rapidamente, e a alta tensión o valor de n convértese en 1 debido á perda de confinamento do campo magnético. Se a densidades de potencia baixas, a descarga de gas está determinada por ións de gas que se atopan no modo de descarga pulsada normal; Se a densidades de potencia elevadas, a proporción de ións metálicos no plasma aumenta e algúns materiais cambian, é dicir, no modo de autopulverización, é dicir, o plasma mantense mediante a ionización de partículas neutras pulverizadas e ións metálicos secundarios, e os átomos de gas inerte como o Ar úsanse só para acender o plasma, despois do cal as partículas metálicas pulverizadas ionízanse preto do obxectivo e aceleranse de volta para bombardear o obxectivo pulverizado baixo a acción de campos magnéticos e eléctricos para manter a descarga de alta corrente, e o plasma son partículas metálicas altamente ionizadas. Debido ao efecto de quecemento do proceso de pulverización catódica sobre o obxectivo, para garantir o funcionamento estable do obxectivo en aplicacións industriais, a densidade de potencia aplicada directamente ao obxectivo non pode ser demasiado grande. Xeralmente, a refrixeración directa por auga e a condutividade térmica do material obxectivo deben ser, no caso de, 25 W/cm2 por debaixo. A refrixeración indirecta por auga require unha condutividade térmica deficiente do material obxectivo, a fragmentación do material obxectivo debido á tensión térmica ou a presenza de compoñentes de aliaxe de baixa volatilidade, entre outros casos, a densidade de potencia só pode ser de 2 a 15 W/cm2, moi por debaixo dos requisitos de alta densidade de potencia. O problema do sobrequecemento do obxectivo pódese resolver utilizando pulsos de alta potencia moi estreitos. Anders define a pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia como un tipo de pulverización catódica pulsada onde a densidade de potencia máxima supera a densidade de potencia media en 2 ou 3 ordes de magnitude, e a pulverización catódica de ións do obxectivo domina o proceso de pulverización catódica, e os átomos de pulverización catódica do obxectivo están altamente disociados.

Nº 2 As características da deposición de revestimentos por pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia

A pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia pode producir plasma con alta taxa de disociación e alta enerxía iónica, e pode aplicar presión de polarización para acelerar os ións cargados, e o proceso de deposición do revestimento é bombardeado por partículas de alta enerxía, o que é unha tecnoloxía IPVD típica. A enerxía e a distribución dos ións teñen un impacto moi importante na calidade e o rendemento do revestimento.
Sobre a IPVD, baseándose no famoso modelo de rexión estrutural de Thorton, Anders propuxo un modelo de rexión estrutural que inclúe a deposición por plasma e o gravado iónico, ampliando a relación entre a estrutura do revestimento e a temperatura e a presión do aire no modelo de rexión estrutural de Thorton á relación entre a estrutura do revestimento, a temperatura e a enerxía iónica, como se mostra na imaxe 2. No caso do revestimento por deposición de ións de baixa enerxía, a estrutura do revestimento adáptase ao modelo de zona da estrutura de Thorton. Co aumento da temperatura de deposición, a transición da rexión 1 (cristais de fibra porosa solta) á rexión T (cristais de fibra densa), rexión 2 (cristais columnares) e rexión 3 (rexión de recristalización); co aumento da enerxía dos ións de deposición, a temperatura de transición da rexión 1 á rexión T, rexión 2 e rexión 3 diminúe. Os cristais de fibra de alta densidade e os cristais columnares pódense preparar a baixa temperatura. Cando a enerxía dos ións depositados aumenta ata a orde de 1-10 eV, o bombardeo e o gravado dos ións na superficie dos revestimentos depositados melloran e o grosor dos revestimentos aumenta.

Nº 3 Preparación da capa de revestimento duro mediante tecnoloxía de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia
O revestimento preparado mediante a tecnoloxía de pulverización catódica por magnetrón pulsado de alta potencia é máis denso, con mellores propiedades mecánicas e estabilidade a alta temperatura. Como se mostra na imaxe 3, o revestimento convencional de TiAlN pulverizado por magnetrón ten unha estrutura cristalina columnar cunha dureza de 30 GPa e un módulo de Young de 460 GPa; o revestimento HIPIMS-TiAlN ten unha dureza de 34 GPa mentres que o módulo de Young é de 377 GPa; a relación entre a dureza e o módulo de Young é unha medida da tenacidade do revestimento. Unha maior dureza e un módulo de Young máis pequeno significan unha mellor tenacidade. O revestimento HIPIMS-TiAlN ten unha mellor estabilidade a alta temperatura, coa fase hexagonal de AlN precipitada no revestimento convencional de TiAlN despois dun tratamento de recocido a alta temperatura a 1.000 °C durante 4 h. A dureza do revestimento diminúe a alta temperatura, mentres que o revestimento HIPIMS-TiAlN permanece sen cambios despois do tratamento térmico á mesma temperatura e tempo. O revestimento HIPIMS-TiAlN tamén ten unha temperatura de inicio de oxidación a alta temperatura máis alta que o revestimento convencional. Polo tanto, o revestimento HIPIMS-TiAlN mostra un rendemento moito mellor en ferramentas de corte de alta velocidade que outras ferramentas revestidas preparadas mediante o proceso PVD.