Princípio nº 1 da pulverização catódica pulsada de alta potência
A técnica de pulverização catódica pulsada de magnetron de alta potência usa alta potência de pulso de pico (2-3 ordens de magnitude maior do que a pulverização catódica convencional) e baixo ciclo de trabalho de pulso (0,5%-10%) para atingir altas taxas de dissociação de metal (>50%), que é derivada das características de pulverização catódica, como mostrado na Figura 1, onde a densidade de corrente alvo de pico I é proporcional à potência n exponencial da tensão de descarga U, I = kUn (n é uma constante relacionada à estrutura do cátodo, campo magnético e material). Em densidades de potência mais baixas (baixa tensão), o valor n geralmente está na faixa de 5 a 15; com o aumento da tensão de descarga, a densidade de corrente e a densidade de potência aumentam rapidamente, e em alta tensão, o valor n se torna 1 devido à perda de confinamento do campo magnético. Se em baixas densidades de potência, a descarga de gás for determinada por íons de gás que estão no modo de descarga pulsada normal; se em altas densidades de potência, a proporção de íons metálicos no plasma aumenta e alguns materiais mudam, ou seja, no modo de autopulverização catódica, ou seja, o plasma é mantido pela ionização de partículas neutras pulverizadas e íons metálicos secundários, e átomos de gás inerte, como Ar, são usados apenas para acender o plasma, após o que as partículas metálicas pulverizadas são ionizadas perto do alvo e aceleradas de volta para bombardear o alvo pulverizado sob a ação de campos magnéticos e elétricos para manter a descarga de alta corrente, e o plasma é composto por partículas metálicas altamente ionizadas. Devido ao efeito de aquecimento do processo de pulverização catódica sobre o alvo, a fim de garantir a operação estável do alvo em aplicações industriais, a densidade de potência aplicada diretamente ao alvo não pode ser muito grande. Geralmente, o resfriamento direto com água e a condutividade térmica do material alvo devem ser, no caso de 25 W/cm² abaixo. No resfriamento indireto com água, a condutividade térmica do material alvo é baixa, o material alvo causado por fragmentação devido ao estresse térmico ou o material alvo contém componentes de liga de baixa volatilidade e outros casos de densidade de potência podem ser apenas em 2 ~ 15 W/cm² abaixo, muito abaixo dos requisitos de alta densidade de potência. O problema do superaquecimento do alvo pode ser resolvido usando pulsos de alta potência muito estreitos. Anders define a pulverização catódica de magnetron pulsado de alta potência como um tipo de pulverização catódica pulsada em que a densidade de potência de pico excede a densidade de potência média em 2 a 3 ordens de magnitude, e a pulverização catódica de íons alvo domina o processo de pulverização catódica, e os átomos de pulverização catódica alvo são altamente dissociados.
No.2 As características da deposição de revestimento de pulverização catódica de magnetron pulsado de alta potência
A pulverização catódica pulsada de alta potência (PSP) pode produzir plasma com alta taxa de dissociação e alta energia iônica, aplicando pressão de polarização para acelerar os íons carregados. O processo de deposição do revestimento é bombardeado por partículas de alta energia, o que é típico da tecnologia IPVD. A energia e a distribuição dos íons têm um impacto muito importante na qualidade e no desempenho do revestimento.
Sobre IPVD, com base no famoso modelo de região estrutural de Thorton, Anders propôs um modelo de região estrutural que inclui deposição de plasma e corrosão iônica, estendeu a relação entre estrutura de revestimento e temperatura e pressão de ar no modelo de região estrutural de Thorton para a relação entre estrutura de revestimento, temperatura e energia iônica, como mostrado na Figura 2. No caso de revestimento de deposição iônica de baixa energia, a estrutura de revestimento está em conformidade com o modelo de zona de estrutura de Thorton. Com o aumento da temperatura de deposição, a transição da região 1 (cristais de fibra porosa solta) para a região T (cristais de fibra densa), região 2 (cristais colunares) e região 3 (região de recristalização); com o aumento da energia iônica de deposição, a temperatura de transição da região 1 para a região T, região 2 e região 3 diminui. Os cristais de fibra de alta densidade e cristais colunares podem ser preparados em baixa temperatura. Quando a energia dos íons depositados aumenta para a ordem de 1-10 eV, o bombardeio e a corrosão dos íons na superfície dos revestimentos depositados são aumentados e a espessura dos revestimentos é aumentada.
No.3 Preparação de camada de revestimento duro por tecnologia de pulverização catódica de magnetron pulsado de alta potência
O revestimento preparado pela tecnologia de pulverização catódica pulsada de magnetron de alta potência é mais denso, com melhores propriedades mecânicas e alta estabilidade térmica. Conforme mostrado na Figura 3, o revestimento convencional de TiAlN pulverizado por magnetron é uma estrutura cristalina colunar com dureza de 30 GPa e módulo de Young de 460 GPa; o revestimento HIPIMS-TiAlN tem dureza de 34 GPa, enquanto o módulo de Young é de 377 GPa; a razão entre a dureza e o módulo de Young é uma medida da tenacidade do revestimento. Maior dureza e menor módulo de Young significam melhor tenacidade. O revestimento HIPIMS-TiAlN tem melhor estabilidade em altas temperaturas, com a fase hexagonal de AlN precipitada no revestimento convencional de TiAlN após tratamento de recozimento em alta temperatura a 1.000 °C por 4 h. A dureza do revestimento diminui em alta temperatura, enquanto o revestimento HIPIMS-TiAlN permanece inalterado após tratamento térmico na mesma temperatura e tempo. O revestimento HIPIMS-TiAlN também apresenta uma temperatura de início de oxidação em alta temperatura mais alta do que o revestimento convencional. Portanto, o revestimento HIPIMS-TiAlN apresenta desempenho muito superior em ferramentas de corte de alta velocidade do que outras ferramentas revestidas preparadas pelo processo PVD.
Horário da publicação: 08/11/2022