№1 Принцип импульсного магнетронного напыления большой мощности
В методе импульсного магнетронного распыления высокой мощности используется высокая пиковая мощность импульса (на 2-3 порядка выше, чем при обычном магнетронном распылении) и низкий рабочий цикл импульса (0,5–10 %) для достижения высокой скорости диссоциации металла (> 50 %). получается из характеристик магнетронного распыления, как показано на рис. 1, где пиковая плотность тока мишени I пропорциональна экспоненциальной n-й степени разрядного напряжения U, I = kUn (n — константа, связанная со структурой катода, магнитным полем и материал).При более низкой плотности мощности (низкое напряжение) значение n обычно находится в диапазоне от 5 до 15;с увеличением напряжения разряда плотность тока и плотность мощности быстро увеличиваются, и при высоком напряжении значение n становится равным 1 из-за потери удержания магнитного поля.Если при малых плотностях мощности газовый разряд определяется ионами газа, то это обычный импульсный режим разряда;если при больших плотностях мощности увеличивается доля ионов металлов в плазме и некоторые материалы переключаются, то есть в режим самораспыления, т.е. плазма поддерживается за счет ионизации распыленных нейтральных частиц и вторичных ионов металлов, а также атомов инертных газов такие как Ar, используются только для воспламенения плазмы, после чего распыленные частицы металла ионизируются вблизи мишени и ускоряются обратно, чтобы бомбардировать распыленную мишень под действием магнитных и электрических полей для поддержания сильноточного разряда, а плазма сильно ионизированные частицы металла.Из-за процесса распыления нагревающего воздействия на цель, чтобы обеспечить стабильную работу цели в промышленных применениях, плотность мощности, непосредственно подаваемая на цель, не может быть слишком большой, как правило, прямое водяное охлаждение и теплопроводность материала цели. должно быть в случае ниже 25 Вт/см2, непрямое водяное охлаждение, плохая теплопроводность материала мишени, материал мишени, вызванный фрагментацией из-за термического стресса, или материал мишени содержит низколетучие компоненты сплава, а другие случаи удельной мощности могут быть только в 2 ~ 15 Вт/см2 ниже, что намного ниже требований высокой удельной мощности.Проблема перегрева мишени может быть решена за счет использования очень узких импульсов большой мощности.Андерс определяет мощное импульсное магнетронное распыление как вид импульсного распыления, при котором пиковая плотность мощности превышает среднюю плотность мощности на 2–3 порядка, а распыление ионами-мишенями доминирует в процессе распыления, а распыляемые атомы мишени сильно диссоциированы. .
№ 2 Характеристики нанесения покрытия методом импульсного магнетронного напыления высокой мощности
Импульсное магнетронное распыление высокой мощности может производить плазму с высокой скоростью диссоциации и высокой энергией ионов, а также может применяться давление смещения для ускорения заряженных ионов, а процесс осаждения покрытия бомбардируется высокоэнергетическими частицами, что является типичной технологией IPVD.Энергия и распределение ионов оказывают очень важное влияние на качество и характеристики покрытия.
Что касается IPVD, на основе известной модели структурной области Тортона Андерс предложил модель структурной области, которая включает плазменное осаждение и ионное травление, расширил взаимосвязь между структурой покрытия, температурой и давлением воздуха в модели структурной области Тортона на взаимосвязь между структурой покрытия, температура и энергия ионов, как показано на рис. 2. В случае покрытия с низкоэнергетическим ионным осаждением структура покрытия соответствует модели зоны структуры Тортона.С повышением температуры осаждения происходит переход от области 1 (рыхлые пористые волокнистые кристаллы) к области Т (плотные волокнистые кристаллы), области 2 (столбчатые кристаллы) и области 3 (область рекристаллизации);с увеличением энергии ионов осаждения температура перехода из области 1 в область Т, область 2 и область 3 снижается.Волокнистые кристаллы высокой плотности и столбчатые кристаллы могут быть получены при низкой температуре.При увеличении энергии осаждаемых ионов до порядка 1-10 эВ усиливается бомбардировка и травление ионов на поверхности осаждаемых покрытий и увеличивается толщина покрытий.
№3 Подготовка слоя твердого покрытия по технологии импульсного магнетронного напыления большой мощности
Покрытие, полученное по технологии мощного импульсного магнетронного напыления, более плотное, с лучшими механическими свойствами и высокой температурной стабильностью.Как показано на рис. 3, обычное покрытие TiAlN, напыленное магнетроном, представляет собой столбчатую кристаллическую структуру с твердостью 30 ГПа и модулем Юнга 460 ГПа;покрытие HIPIMS-TiAlN имеет твердость 34 ГПа, модуль Юнга 377 ГПа;отношение между твердостью и модулем Юнга является мерой ударной вязкости покрытия.Более высокая твердость и меньший модуль Юнга означают лучшую ударную вязкость.Покрытие HIPIMS-TiAlN обладает лучшей стабильностью при высоких температурах, при этом гексагональная фаза AlN выделяется в обычном покрытии TiAlN после высокотемпературного отжига при 1000 °C в течение 4 часов.Твердость покрытия снижается при высокой температуре, в то время как покрытие HIPIMS-TiAlN остается неизменным после термообработки при той же температуре и времени.Покрытие HIPIMS-TiAlN также имеет более высокую температуру начала высокотемпературного окисления, чем обычное покрытие.Таким образом, покрытие HIPIMS-TiAlN показывает гораздо лучшие характеристики в высокоскоростных режущих инструментах, чем другие инструменты с покрытием, изготовленные методом PVD.
Время публикации: 08 ноября 2022 г.