Nr. 1 Principe van hoogvermogen gepulste magnetron sputtering
De hoogvermogen gepulste magnetron sputtertechniek maakt gebruik van een hoog piekpulsvermogen (2-3 ordes van grootte hoger dan conventionele magnetron sputtering) en een lage puls duty cycle (0,5%-10%) om hoge metaaldissociatiesnelheden (> 50%) te bereiken. Dit is afgeleid van de magnetron sputterkarakteristieken, zoals weergegeven in Afbeelding 1, waarbij de piekstroomdichtheid I evenredig is met de exponentiële n-de macht van de ontladingsspanning U, I = kUn (n is een constante gerelateerd aan de kathodestructuur, het magnetische veld en het materiaal). Bij lagere vermogensdichtheden (lage spanning) ligt de n-waarde gewoonlijk in het bereik van 5 tot 15; met toenemende ontladingsspanning nemen de stroomdichtheid en vermogensdichtheid snel toe, en bij hoge spanning wordt de n-waarde 1 vanwege het verlies van magnetische veldinsluiting. Indien bij lage vermogensdichtheden de gasontlading wordt bepaald door gasionen die zich in de normale gepulste ontladingsmodus bevinden; bij hoge vermogensdichtheden neemt het aandeel metaalionen in het plasma toe en schakelen sommige materialen over, dat wil zeggen in de zelfsputtende modus, d.w.z. het plasma wordt in stand gehouden door de ionisatie van gesputterde neutrale deeltjes en secundaire metaalionen, en inerte gasatomen zoals Ar worden alleen gebruikt om het plasma te ontsteken, waarna de gesputterde metaaldeeltjes in de buurt van het doelwit worden geïoniseerd en terug worden versneld om het gesputterde doelwit te bombarderen onder invloed van magnetische en elektrische velden om de hoge stroomontlading te behouden, en het plasma bestaat uit sterk geïoniseerde metaaldeeltjes. Vanwege het sputterproces van het verwarmingseffect op het doelwit, om de stabiele werking van het doelwit in industriële toepassingen te garanderen, mag de vermogensdichtheid die rechtstreeks op het doelwit wordt toegepast niet te groot zijn, over het algemeen moet directe waterkoeling en de thermische geleidbaarheid van het doelwitmateriaal in het geval van 25 W / cm2 lager zijn, indirecte waterkoeling, de thermische geleidbaarheid van het doelwitmateriaal is slecht, het doelwitmateriaal wordt veroorzaakt door fragmentatie als gevolg van thermische spanning of het doelwitmateriaal bevat laag-vluchtige legeringscomponenten en andere gevallen van vermogensdichtheid kan slechts 2 ~ 15 W / cm2 lager zijn, ver onder de vereisten voor een hoge vermogensdichtheid. Het probleem van oververhitting van het doelwit kan worden opgelost door zeer smalle pulsen met hoog vermogen te gebruiken. Anders definieert gepulseerde magnetronsputtering met hoog vermogen als een soort gepulseerde sputtering waarbij de piekvermogensdichtheid de gemiddelde vermogensdichtheid met 2 tot 3 ordes van grootte overschrijdt, en het sputteren van doelwitionen het sputterproces domineert, en de sputteratomen van het doelwit sterk gedissocieerd zijn.
Nr. 2 De kenmerken van hoogvermogen gepulste magnetron sputtercoating depositie
Hoogvermogen gepulste magnetron sputtering kan plasma produceren met een hoge dissociatiesnelheid en hoge ionenenergie, en kan biasdruk toepassen om de geladen ionen te versnellen. Het coatingdepositieproces wordt gebombardeerd met hoogenergetische deeltjes, wat een typische IPVD-technologie is. De ionenenergie en -verdeling hebben een zeer belangrijke invloed op de kwaliteit en prestaties van de coating.
Wat betreft IPVD, gebaseerd op het beroemde Thorton-model voor structurele regio's, stelde Anders een model voor structurele regio's voor dat plasmadepositie en ionenetsen omvatte. Hij breidde de relatie tussen de coatingstructuur en temperatuur en luchtdruk in het Thorton-model voor structurele regio's uit naar de relatie tussen de coatingstructuur, temperatuur en ionenenergie, zoals weergegeven in Afbeelding 2. In het geval van coating met lage-energie-ionendepositie voldoet de coatingstructuur aan het Thorton-model voor structuurzones. Naarmate de depositietemperatuur toeneemt, vindt de overgang plaats van regio 1 (losse poreuze vezelkristallen) naar regio T (dichte vezelkristallen), regio 2 (kolomvormige kristallen) en regio 3 (herkristallisatiegebied); naarmate de ionenenergie van de depositie toeneemt, neemt de overgangstemperatuur van regio 1 naar regio T, regio 2 en regio 3 af. De vezelkristallen en kolomvormige kristallen met hoge dichtheid kunnen bij lage temperatuur worden geproduceerd. Wanneer de energie van de afgezette ionen toeneemt tot de orde van 1-10 eV, wordt het bombardement en de etsing van ionen op het oppervlak van de afgezette coating versterkt en neemt de dikte van de coating toe.
Nr. 3 Voorbereiding van een harde coatinglaag door middel van hoogvermogen gepulste magnetron sputtertechnologie
De coating, vervaardigd met behulp van gepulste magnetronsputtertechnologie met hoog vermogen, is dichter, met betere mechanische eigenschappen en een hoge temperatuurstabiliteit. Zoals weergegeven in afbeelding 3, heeft de conventionele magnetrongesputteerde TiAlN-coating een kolomvormige kristalstructuur met een hardheid van 30 GPa en een Young's modulus van 460 GPa; de HIPIMS-TiAlN-coating heeft een hardheid van 34 GPa, terwijl de Young's modulus 377 GPa bedraagt; de verhouding tussen hardheid en Young's modulus is een maat voor de taaiheid van de coating. Een hogere hardheid en een lagere Young's modulus betekenen een betere taaiheid. De HIPIMS-TiAlN-coating heeft een betere hoge temperatuurstabiliteit, met een hexagonale AlN-fase die in de conventionele TiAlN-coating neerslaat na een gloeibehandeling bij hoge temperatuur bij 1000 °C gedurende 4 uur. De hardheid van de coating neemt af bij hoge temperatuur, terwijl de HIPIMS-TiAlN-coating onveranderd blijft na warmtebehandeling bij dezelfde temperatuur en tijd. HIPIMS-TiAlN-coating heeft ook een hogere aanvangstemperatuur van oxidatie bij hoge temperatuur dan conventionele coatings. Hierdoor presteert de HIPIMS-TiAlN-coating veel beter in hogesnelheidssnijgereedschappen dan andere gecoate gereedschappen die via het PVD-proces zijn vervaardigd.
Plaatsingstijd: 8 november 2022