Uvod u HiPIMS tehnologiju

Br. 1 Princip visokoenergetskog pulsirajućeg magnetronskog raspršivanja
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 ionima plina, odnosno u normalnom pulsnom načinu pražnjenja; Ako se pri visokim gustoćama snage udio metalnih iona u plazmi povećava i neki materijali prelaze u način rada 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 učinka zagrijavanja na metu tijekom procesa raspršivanja, kako bi se osigurao stabilan rad mete u industrijskim primjenama, gustoća snage izravno primijenjena na metu ne smije biti prevelika. Općenito, kod izravnog hlađenja vodom i toplinske vodljivosti materijala mete, toplinska vodljivost materijala mete trebala bi biti u slučaju 25 W/cm2 ispod, kod neizravnog hlađenja vodom toplinska vodljivost materijala mete je slaba, materijal mete je fragmentiran zbog toplinskog naprezanja ili sadrži niskohlapljive 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 pulsirajuće magnetronsko raspršivanje velike snage kao vrstu pulsirajućeg 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 pulsirajućim magnetronskim raspršivanjem velike snage

Pulsno magnetronsko raspršivanje velike snage može proizvesti plazmu s visokom stopom disocijacije i visokom energijom iona, te može primijeniti prednaponski tlak za ubrzanje nabijenih iona, a proces nanošenja premaza bombardiran je česticama visoke energije, što je tipična IPVD tehnologija. Energija i distribucija iona imaju vrlo važan utjecaj na kvalitetu i performanse premaza.
Što se tiče IPVD-a, na temelju poznatog Thortonovog modela strukturne regije, Anders je predložio model strukturne regije koji uključuje taloženje plazmom i ionsko nagrizanje, proširivši odnos između strukture premaza i temperature i tlaka 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 niskoenergetskim ionskim taloženjem, struktura premaza odgovara Thortonovom modelu zone strukture. S porastom temperature taloženja, prijelaz iz regije 1 (labavi porozni kristali vlakana) u regiju T (gusti kristali vlakana), regiju 2 (stupčasti kristali) i regiju 3 (regija rekristalizacije); s porastom energije iona taloženja, temperatura prijelaza 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 nanesenih iona poveća na red veličine 1-10 eV, bombardiranje i nagrizanje iona na površini nanesenog 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; omjer između tvrdoće i Youngovog modula mjera je 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 1000 °C tijekom 4 sata. Tvrdoća premaza smanjuje se na visokim temperaturama, dok HIPIMS-TiAlN premaz ostaje nepromijenjen nakon toplinske obrade na istoj temperaturi i vremenu. HIPIMS-TiAlN premaz također ima višu početnu temperaturu oksidacije na visokim temperaturama od konvencionalnog premaza. Stoga HIPIMS-TiAlN premaz pokazuje puno bolje performanse u alatima za brzu rezanje od drugih alata s premazom pripremljenih PVD postupkom.