Introdução à tecnologia HiPIMS

Princípio nº 1 da pulverização catódica magnetrônica pulsada de alta potência
A técnica de pulverização catódica magnetrônica pulsada de alta potência utiliza alta potência de pico de pulso (2 a 3 ordens de magnitude superior à pulverização catódica magnetrônica convencional) e baixo ciclo de trabalho de pulso (0,5% a 10%) para atingir altas taxas de dissociação metálica (>50%), o que deriva das características da pulverização catódica magnetrônica, conforme mostrado na Figura 1, onde a densidade de corrente de pico do alvo I é proporcional à potência exponencial n da tensão de descarga U, I = kUn (n é uma constante relacionada à estrutura do cátodo, ao campo magnético e ao material). Em densidades de potência mais baixas (baixa tensão), o valor de 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 de n torna-se 1 devido à perda do confinamento do campo magnético. Se em baixas densidades de potência a descarga de gás for determinada por íons gasosos, isso ocorre no modo de descarga pulsada normal; Em altas densidades de potência, a proporção de íons metálicos no plasma aumenta e alguns materiais sofrem uma transição, ou seja, entram no modo de autopulverização catódica. Nesse modo, o plasma é mantido pela ionização de partículas neutras pulverizadas e íons metálicos secundários, e átomos de gás inerte, como o argônio, são usados ​​apenas para iniciar o plasma. Após a ignição, as partículas metálicas pulverizadas são ionizadas próximas ao alvo e aceleradas de volta para bombardeá-lo sob a ação de campos magnéticos e elétricos, mantendo a descarga de alta corrente. O plasma, portanto, é composto por partículas metálicas altamente ionizadas. Devido ao efeito de aquecimento do processo de pulverização catódica no alvo, para garantir a operação estável do alvo em aplicações industriais, a densidade de potência aplicada diretamente ao alvo não pode ser muito alta. Geralmente, em casos de resfriamento direto por água e condutividade térmica do material do alvo inferior a 25 W/cm², a densidade de potência deve ser limitada a 2 a 15 W/cm². Em casos de resfriamento indireto por água, baixa condutividade térmica do material do alvo, fragmentação do material devido a estresse térmico ou presença de componentes de ligas pouco voláteis, a densidade de potência deve ficar entre 2 e 15 W/cm², muito abaixo dos requisitos para alta densidade de potência. O problema do superaquecimento do alvo pode ser resolvido com o uso de pulsos de alta potência muito estreitos. Anders define a pulverização catódica magnetrônica pulsada de alta potência como um tipo de pulverização 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 iônica do alvo domina o processo, resultando em átomos altamente dissociados.

Nº 2. Características da deposição de revestimento por pulverização catódica magnetrônica pulsada de alta potência.

A pulverização catódica por magnetron pulsado de alta potência pode produzir plasma com alta taxa de dissociação e alta energia iônica, e pode aplicar 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 a IPVD, com base no famoso modelo de região estrutural de Thorton, Anders propôs um modelo de região estrutural que inclui deposição por plasma e ataque iônico, estendendo a relação entre a estrutura do revestimento e a temperatura e pressão do ar do modelo de região estrutural de Thorton para a relação entre a estrutura do revestimento, a temperatura e a energia iônica, como mostrado na Figura 2. No caso de revestimento por deposição iônica de baixa energia, a estrutura do revestimento está em conformidade com o modelo de zona estrutural de Thorton. Com o aumento da temperatura de deposição, ocorre a transição da região 1 (cristais fibrosos porosos frouxos) para a região T (cristais fibrosos densos), 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. Cristais fibrosos de alta densidade e cristais colunares podem ser preparados em baixa temperatura. Quando a energia dos íons depositados aumenta para a ordem de 1 a 10 eV, o bombardeio e a corrosão dos íons na superfície dos revestimentos depositados são intensificados, e a espessura dos revestimentos aumenta.

Nº 3 Preparação de camada de revestimento duro por tecnologia de pulverização catódica magnetrônica pulsada de alta potência
O revestimento preparado pela tecnologia de pulverização catódica magnetrônica pulsada de alta potência (HIPIMS) é mais denso, com melhores propriedades mecânicas e maior estabilidade térmica. Como mostrado na Figura 3, o revestimento convencional de TiAlN depositado por pulverização catódica magnetrônica apresenta uma estrutura cristalina colunar com dureza de 30 GPa e módulo de Young de 460 GPa; o revestimento HIPIMS-TiAlN apresenta dureza de 34 GPa e módulo de Young de 377 GPa; a relação entre dureza e módulo de Young é uma medida da tenacidade do revestimento. Maior dureza e menor módulo de Young significam maior tenacidade. O revestimento HIPIMS-TiAlN apresenta melhor estabilidade térmica, com precipitação da fase hexagonal de AlN no revestimento convencional de TiAlN após tratamento térmico de recozimento a 1000 °C por 4 h. A dureza do revestimento diminui em altas temperaturas, enquanto a do revestimento HIPIMS-TiAlN permanece inalterada após tratamento térmico na mesma temperatura e tempo. O revestimento HIPIMS-TiAlN também apresenta uma temperatura de início de oxidação em alta temperatura mais elevada do que os revestimentos convencionais. Portanto, o revestimento HIPIMS-TiAlN demonstra um desempenho muito superior em ferramentas de corte de alta velocidade em comparação com outras ferramentas revestidas pelo processo PVD.