Zasada nr 1 rozpylania magnetronowego impulsowego o dużej mocy
Technika rozpylania magnetronowego o dużej mocy impulsowej wykorzystuje wysoką moc szczytową impulsu (2-3 rzędy wielkości wyższą niż konwencjonalne rozpylanie magnetronowe) i niski współczynnik wypełnienia impulsu (0,5%-10%) w celu osiągnięcia wysokich szybkości dysocjacji metalu (>50%), co wynika z charakterystyk rozpylania magnetronowego, jak pokazano na Rys. 1, gdzie szczytowa gęstość prądu docelowego I jest proporcjonalna do wykładniczej n-tej potęgi napięcia rozładowania U, I = kUn (n jest stałą związaną ze strukturą katody, polem magnetycznym i materiałem). Przy niższych gęstościach mocy (niskie napięcie) wartość n zwykle mieści się w zakresie od 5 do 15; wraz ze wzrostem napięcia rozładowania gęstość prądu i gęstość mocy szybko rosną, a przy wysokim napięciu wartość n staje się 1 z powodu utraty ograniczenia pola magnetycznego. Jeśli przy niskich gęstościach mocy wyładowanie gazowe jest określone przez jony gazu, które znajdują się w normalnym trybie rozładowania impulsowego; jeśli przy dużych gęstościach mocy, proporcja jonów metalu w plazmie wzrasta, a niektóre materiały przełączają się, to znaczy w tryb samonapylania, tj. plazma jest utrzymywana przez jonizację napylonych neutralnych cząstek i wtórnych jonów metali, a atomy gazu obojętnego, takie jak Ar, są używane tylko do zapalenia plazmy, po czym napylone cząstki metalu są jonizowane w pobliżu celu i przyspieszane z powrotem, aby bombardować napylony cel pod działaniem pól magnetycznych i elektrycznych w celu utrzymania wysokiego prądu wyładowania, a plazma jest wysoce zjonizowanymi cząstkami metalu. Ze względu na proces rozpylania efektu nagrzewania celu, w celu zapewnienia stabilnej pracy celu w zastosowaniach przemysłowych, gęstość mocy bezpośrednio przyłożona do celu nie może być zbyt duża. Zazwyczaj bezpośrednie chłodzenie wodne i przewodność cieplna materiału celu powinny być w przypadku 25 W/cm2 poniżej, pośrednie chłodzenie wodne, przewodność cieplna materiału celu jest słaba, materiał celu jest rozdrobniony z powodu naprężeń cieplnych lub materiał celu zawiera niskolotne składniki stopu i w innych przypadkach gęstość mocy może być tylko w 2 ~ 15 W/cm2 poniżej, znacznie poniżej wymagań wysokiej gęstości mocy. Problem przegrzania celu można rozwiązać, stosując bardzo wąskie impulsy wysokiej mocy. Anders definiuje impulsowe rozpylanie magnetronowe wysokiej mocy jako rodzaj impulsowego rozpylania, w którym szczytowa gęstość mocy przekracza średnią gęstość mocy o 2 do 3 rzędów wielkości, a rozpylanie jonów docelowych dominuje w procesie rozpylania, a atomy rozpylania docelowego są silnie zdysocjowane.
Nr 2 Charakterystyka osadzania powłok metodą rozpylania magnetronowego o dużej mocy impulsowej
Impulsowe rozpylanie magnetronowe o dużej mocy pozwala na wytwarzanie plazmy o wysokiej szybkości dysocjacji i wysokiej energii jonów. Ponadto, za pomocą ciśnienia polaryzacji, jony naładowane są przyspieszane. Proces osadzania powłoki jest bombardowany cząstkami o wysokiej energii, co jest typową technologią IPVD. Energia i rozkład jonów mają bardzo istotny wpływ na jakość i wydajność powłoki.
O IPVD, w oparciu o słynny model obszarów strukturalnych Thortona, Anders zaproponował model obszarów strukturalnych, który obejmuje osadzanie plazmowe i trawienie jonowe, rozszerzył zależność między strukturą powłoki a temperaturą i ciśnieniem powietrza w modelu obszarów strukturalnych Thortona na zależność między strukturą powłoki, temperaturą i energią jonów, jak pokazano na rys. 2. W przypadku powłoki osadzanej jonami o niskiej energii, struktura powłoki jest zgodna z modelem stref strukturalnych Thortona. Wraz ze wzrostem temperatury osadzania, przejście z obszaru 1 (luźne kryształy włókien porowatych) do obszaru T (gęste kryształy włókien), obszaru 2 (kryształy kolumnowe) i obszaru 3 (obszar rekrystalizacji); wraz ze wzrostem energii jonów osadzania, temperatura przejścia z obszaru 1 do obszaru T, obszaru 2 i obszaru 3 maleje. Kryształy włókien o wysokiej gęstości i kryształy kolumnowe można przygotować w niskiej temperaturze. Gdy energia osadzonych jonów wzrośnie do wartości rzędu 1-10 eV, bombardowanie i trawienie jonami powierzchni osadzonych powłok ulega wzmocnieniu, a grubość powłok ulega zwiększeniu.
Nr 3 Przygotowanie twardej warstwy powłoki metodą rozpylania magnetronowego impulsowego o dużej mocy
Powłoka przygotowana w technologii wysokoenergetycznego impulsowego napylania magnetronowego jest gęstsza, charakteryzuje się lepszymi właściwościami mechanicznymi i wysoką stabilnością temperaturową. Jak pokazano na rys. 3, konwencjonalna powłoka TiAlN napylana magnetronowo ma kolumnową strukturę krystaliczną o twardości 30 GPa i module Younga 460 GPa; powłoka HIPIMS-TiAlN ma twardość 34 GPa, a moduł Younga 377 GPa; stosunek twardości do modułu Younga jest miarą wytrzymałości powłoki. Wyższa twardość i niższy moduł Younga oznaczają lepszą wytrzymałość. Powłoka HIPIMS-TiAlN charakteryzuje się lepszą stabilnością temperaturową, ponieważ faza heksagonalna AlN wytrąca się w konwencjonalnej powłoce TiAlN po wyżarzaniu w wysokiej temperaturze 1000°C przez 4 godziny. Twardość powłoki maleje w wysokiej temperaturze, podczas gdy powłoka HIPIMS-TiAlN pozostaje niezmieniona po obróbce cieplnej w tej samej temperaturze i czasie. Powłoka HIPIMS-TiAlN charakteryzuje się również wyższą temperaturą początku utleniania w wysokiej temperaturze niż powłoka konwencjonalna. Dlatego powłoka HIPIMS-TiAlN wykazuje znacznie lepszą wydajność w narzędziach skrawających o dużej prędkości niż inne narzędzia powlekane metodą PVD.
Czas publikacji: 08-11-2022