Introducere în tehnologia HiPIMS

Principiul nr. 1 al pulverizării catodice cu magnetron pulsat de mare putere
Tehnica de pulverizare cu magnetron pulsat de mare putere utilizează o putere de vârf a impulsurilor mare (cu 2-3 ordine de mărime mai mare decât pulverizarea convențională cu magnetron) și un ciclu de funcționare a impulsurilor scăzut (0,5%-10%) pentru a obține rate ridicate de disociere a metalelor (>50%), care derivă din caracteristicile de pulverizare cu magnetron, așa cum se arată în Figura 1, unde densitatea de curent țintă de vârf I este proporțională cu puterea exponențială a n-a a tensiunii de descărcare U, I = kUn (n este o constantă legată de structura catodului, câmpul magnetic și material). La densități de putere mai mici (tensiune joasă), valoarea lui n este de obicei în intervalul 5-15; odată cu creșterea tensiunii de descărcare, densitatea de curent și densitatea de putere cresc rapid, iar la tensiune înaltă, valoarea lui n devine 1 datorită pierderii confinării câmpului magnetic. La densități de putere mici, descărcarea de gaz este determinată de ionii de gaz care se află în modul normal de descărcare pulsată; Dacă la densități de putere mari, proporția de ioni metalici din plasmă crește și unele materiale trec, adică în modul de auto-pulverizare, adică plasma este menținută prin ionizarea particulelor neutre pulverizate și a ionilor metalici secundari, iar atomii de gaz inert, cum ar fi Ar, sunt utilizați doar pentru a aprinde plasma, după care particulele metalice pulverizate sunt ionizate în apropierea țintei și accelerate înapoi pentru a bombarda ținta pulverizată sub acțiunea câmpurilor magnetice și electrice pentru a menține descărcarea de curent ridicată, iar plasma este formată din particule metalice puternic ionizate. Datorită efectului de încălzire al procesului de pulverizare asupra țintei, pentru a asigura funcționarea stabilă a acesteia în aplicații industriale, densitatea de putere aplicată direct țintei nu poate fi prea mare. În general, răcirea directă cu apă și conductivitatea termică a materialului țintă ar trebui să fie, în cazul răcirii indirecte cu apă, de 25 W/cm2. În cazul răcirii indirecte, conductivitatea termică a materialului țintă este slabă, materialul țintă este fragmentat din cauza stresului termic sau dacă materialul țintă conține componente din aliaje cu volatilitate scăzută, iar în alte cazuri, densitatea de putere poate fi doar de 2 ~ 15 W/cm2, mult sub cerințele de densitate mare de putere. Problema supraîncălzirii țintei poate fi rezolvată prin utilizarea unor impulsuri de putere mare foarte înguste. Anders definește pulverizarea magnetronică pulsată de mare putere ca un tip de pulverizare pulsată în care densitatea de putere de vârf depășește densitatea medie de putere cu 2 până la 3 ordine de mărime, iar pulverizarea ionilor țintă domină procesul de pulverizare, iar atomii țintei sunt puternic disociați.

Nr. 2 Caracteristicile depunerii de acoperire prin pulverizare catodică magnetronică pulsată de mare putere

Pulverizarea magnetronică pulsată de mare putere poate produce plasmă cu rată de disociere ridicată și energie ionică ridicată și poate aplica presiune de polarizare pentru a accelera ionii încărcați, iar procesul de depunere a acoperirii este bombardat de particule cu energie ridicată, ceea ce reprezintă o tehnologie IPVD tipică. Energia și distribuția ionilor au un impact foarte important asupra calității și performanței acoperirii.
În ceea ce privește IPVD, bazat pe faimosul model Thorton al regiunilor structurale, Anders a propus un model Thorton al regiunilor structurale care include depunerea prin plasmă și gravarea ionică, extinzând relația dintre structura acoperirii și temperatură și presiunea aerului în modelul Thorton al regiunilor structurale la relația dintre structura acoperirii, temperatură și energia ionilor, așa cum se arată în Figura 2. În cazul acoperirii cu depunere de ioni de energie scăzută, structura acoperirii se conformează modelului Thorton al zonei structurii. Odată cu creșterea temperaturii de depunere, trecerea de la regiunea 1 (cristale din fibre poroase libere) la regiunea T (cristale din fibre dense), regiunea 2 (cristale columnare) și regiunea 3 (regiunea de recristalizare); odată cu creșterea energiei ionilor de depunere, temperatura de tranziție de la regiunea 1 la regiunea T, regiunea 2 și regiunea 3 scade. Cristalele din fibre de înaltă densitate și cristalele columnare pot fi preparate la temperatură scăzută. Când energia ionilor depuși crește până la ordinul a 1-10 eV, bombardamentul și gravarea ionilor pe suprafața acoperirilor depuse sunt intensificate, iar grosimea acoperirilor crește.

Nr. 3 Prepararea stratului de acoperire dur prin tehnologia de pulverizare catodică cu magnetron pulsat de mare putere
Acoperirea preparată prin tehnologia de pulverizare magnetronică pulsată de mare putere este mai densă, cu proprietăți mecanice mai bune și stabilitate la temperatură ridicată. După cum se arată în Figura 3, acoperirea convențională de TiAlN pulverizată prin magnetron are o structură cristalină columnară cu o duritate de 30 GPa și un modul Young de 460 GPa; acoperirea HIPIMS-TiAlN are o duritate de 34 GPa, în timp ce modulul Young este de 377 GPa; raportul dintre duritate și modulul Young este o măsură a tenacității acoperirii. O duritate mai mare și un modul Young mai mic înseamnă o tenacitate mai bună. Acoperirea HIPIMS-TiAlN are o stabilitate mai bună la temperatură ridicată, faza hexagonală de AlN fiind precipitată în acoperirea convențională de TiAlN după tratamentul de recoacere la temperatură înaltă la 1.000 °C timp de 4 ore. Duritatea acoperirii scade la temperatură ridicată, în timp ce acoperirea HIPIMS-TiAlN rămâne neschimbată după tratamentul termic la aceeași temperatură și timp. Acoperirea HIPIMS-TiAlN are, de asemenea, o temperatură de debut a oxidării la temperatură înaltă mai ridicată decât acoperirea convențională. Prin urmare, acoperirea HIPIMS-TiAlN prezintă performanțe mult mai bune în sculele de tăiere de mare viteză decât alte scule acoperite preparate prin procesul PVD.