HiPIMS tehnoloģijas ievads

Nr. 1 Augstas jaudas impulsa magnetrona izsmidzināšanas princips
Augstas jaudas impulsa magnetrona izsmidzināšanas tehnikā tiek izmantota augsta impulsa maksimālā jauda (par 2–3 lieluma kārtām augstāka nekā parastajā magnetrona izsmidzināšanas tehnikā) un zems impulsa darba cikls (0,5–10%), lai sasniegtu augstu metālu disociācijas ātrumu (>50%), kas ir atvasināts no magnetrona izsmidzināšanas raksturlielumiem, kā parādīts 1. attēlā, kur maksimālais mērķa strāvas blīvums I ir proporcionāls izlādes sprieguma U eksponenciālajai n-tajai jaudai, I = kUn (n ir konstante, kas saistīta ar katoda struktūru, magnētisko lauku un materiālu). Pie zemāka jaudas blīvuma (zems spriegums) n vērtība parasti ir diapazonā no 5 līdz 15; palielinoties izlādes spriegumam, strāvas blīvums un jaudas blīvums strauji palielinās, un pie augsta sprieguma n vērtība kļūst par 1 magnētiskā lauka ierobežošanas zuduma dēļ. Pie zema jaudas blīvuma gāzes izlādi nosaka gāzes joni, kas atrodas normālā impulsa izlādes režīmā; Ja jaudas blīvums ir augsts, metāla jonu īpatsvars plazmā palielinās, un daži materiāli pārslēdzas, tas ir, pašizsmidzināšanas režīmā, t.i., plazmu uztur izsmidzināto neitrālo daļiņu un sekundāro metāla jonu jonizācija, un inertās gāzes atomi, piemēram, Ar, tiek izmantoti tikai plazmas aizdedzināšanai, pēc tam izsmidzinātās metāla daļiņas tiek jonizētas mērķa tuvumā un paātrinātas atpakaļ, lai bombardētu izsmidzināto mērķi magnētiskā un elektriskā lauka ietekmē, lai uzturētu lielu strāvas izlādi, un plazma ir ļoti jonizēta metāla daļiņas. Sakarā ar izsmidzināšanas procesa siltuma efektu uz mērķi, lai nodrošinātu mērķa stabilu darbību rūpnieciskos lietojumos, tieši uz mērķi pielietotais jaudas blīvums nedrīkst būt pārāk liels, parasti tiešai ūdens dzesēšanai un mērķa materiāla siltumvadītspējai jābūt mazākai par 25 W/cm2, netiešai ūdens dzesēšanai mērķa materiāla siltumvadītspēja ir slikta, mērķa materiālam rodas fragmentācija termiskā sprieguma dēļ vai mērķa materiāls satur maz gaistošu sakausējumu komponentu, un citos gadījumos jaudas blīvums var būt tikai 2–15 W/cm2, kas ir krietni zemāk par augsta jaudas blīvuma prasībām. Mērķa pārkaršanas problēmu var atrisināt, izmantojot ļoti šaurus lielas jaudas impulsus. Anderss definē lielas jaudas impulsa magnetrona izsmidzināšanu kā impulsa izsmidzināšanas veidu, kurā maksimālais jaudas blīvums pārsniedz vidējo jaudas blīvumu par 2 līdz 3 lieluma kārtām, un mērķa jonu izsmidzināšana dominē izsmidzināšanas procesā, un mērķa izsmidzināšanas atomi ir ļoti disociēti.

Nr. 2. Augstas jaudas impulsa magnetrona izsmidzināšanas pārklājuma uzklāšanas raksturlielumi

Augstas jaudas impulsa magnetrona izsmidzināšana var radīt plazmu ar augstu disociācijas ātrumu un augstu jonu enerģiju, un var pielietot nobīdes spiedienu, lai paātrinātu lādētos jonus, un pārklājuma uzklāšanas procesu bombardē augstas enerģijas daļiņas, kas ir tipiska IPVD tehnoloģija. Jonu enerģijai un sadalījumam ir ļoti svarīga ietekme uz pārklājuma kvalitāti un veiktspēju.
Pamatojoties uz slaveno Tortona strukturālā reģiona modeli, Anderss ierosināja strukturālā reģiona modeli, kas ietver plazmas nogulsnēšanos un jonu kodināšanu, paplašināja pārklājuma struktūras, temperatūras un gaisa spiediena attiecības Tortona strukturālā reģiona modelī līdz pārklājuma struktūras, temperatūras un jonu enerģijas savstarpējai attiecībai, kā parādīts 2. attēlā. Zemas enerģijas jonu nogulsnēšanās pārklājuma gadījumā pārklājuma struktūra atbilst Tortona struktūras zonas modelim. Palielinoties nogulsnēšanās temperatūrai, notiek pāreja no 1. reģiona (irdeni poraini šķiedru kristāli) uz T reģionu (blīvi šķiedru kristāli), 2. reģionu (kolonnveida kristāli) un 3. reģionu (rekristalizācijas reģions); palielinoties nogulsnēšanās jonu enerģijai, pārejas temperatūra no 1. reģiona uz T reģionu, 2. reģionu un 3. reģionu samazinās. Augsta blīvuma šķiedru kristālus un kolonnveida kristālus var sagatavot zemā temperatūrā. Kad nogulsnēto jonu enerģija palielinās līdz 1–10 eV, jonu bombardēšana un kodināšana uz nogulsnētā pārklājuma virsmas tiek pastiprināta, un pārklājuma biezums palielinās.

Nr. 3 Cietā pārklājuma slāņa sagatavošana, izmantojot augstas jaudas impulsa magnetrona izsmidzināšanas tehnoloģiju
Ar lieljaudas impulsa magnetrona izsmidzināšanas tehnoloģiju sagatavotais pārklājums ir blīvāks, ar labākām mehāniskām īpašībām un augstu temperatūras stabilitāti. Kā parādīts 3. attēlā, parastais magnetrona izsmidzināšanas TiAlN pārklājums ir kolonnveida kristāla struktūra ar cietību 30 GPa un Janga moduli 460 GPa; HIPIMS-TiAlN pārklājuma cietība ir 34 GPa, bet Janga modulis ir 377 GPa; cietības un Janga moduļa attiecība ir pārklājuma izturības mērs. Augstāka cietība un mazāks Janga modulis nozīmē labāku izturību. HIPIMS-TiAlN pārklājumam ir labāka stabilitāte augstā temperatūrā, AlN heksagonālā fāzei izgulsnējoties parastajā TiAlN pārklājumā pēc augsttemperatūras atkvēlināšanas 1000 °C temperatūrā 4 stundas. Pārklājuma cietība samazinās augstā temperatūrā, savukārt HIPIMS-TiAlN pārklājums pēc termiskās apstrādes tajā pašā temperatūrā un laikā paliek nemainīgs. HIPIMS-TiAlN pārklājumam ir arī augstāka augsttemperatūras oksidēšanās sākuma temperatūra nekā parastajam pārklājumam. Tāpēc HIPIMS-TiAlN pārklājums uzrāda daudz labāku veiktspēju ātrgaitas griezējinstrumentos nekā citi pārklāti instrumenti, kas sagatavoti ar PVD procesu.