Št. 1 Princip visokozmogljivega impulznega magnetronskega razprševanja
Tehnika visokozmogljivega pulznega magnetronskega razprševanja uporablja visoko vršno pulzno moč (2-3 velikostne rede višjo od običajnega magnetronskega razprševanja) in nizek delovni cikel pulza (0,5 %-10 %) za doseganje visokih stopenj disociacije kovin (> 50 %), kar izhaja iz značilnosti magnetronskega razprševanja, kot je prikazano na sliki 1, kjer je vršna gostota ciljnega toka I sorazmerna z eksponentno n-to potenco napetosti praznjenja U, I = kUn (n je konstanta, povezana s strukturo katode, magnetnim poljem in materialom). Pri nižjih gostotah moči (nizka napetost) je vrednost n običajno v območju od 5 do 15; z naraščajočo napetostjo praznjenja se gostota toka in gostota moči hitro povečata, pri visoki napetosti pa vrednost n postane 1 zaradi izgube omejitve magnetnega polja. Če je pri nizkih gostotah moči plinski razprševanje določeno s plinskimi ioni, ki so v normalnem pulznem načinu praznjenja; Če se pri visokih gostotah moči delež kovinskih ionov v plazmi poveča in nekateri materiali preidejo v način samorazprševanja, tj. plazma se vzdržuje z ionizacijo razpršenih nevtralnih delcev in sekundarnih kovinskih ionov, atomi inertnega plina, kot je Ar, pa se uporabljajo le za vžig plazme. Nato se razpršeni kovinski delci ionizirajo v bližini tarče in pospešijo nazaj, da bombardirajo razpršeno tarčo pod vplivom magnetnih in električnih polj, da se ohrani visok tok razelektritve, plazma pa je močno ionizirana kovinska delca. Zaradi učinka segrevanja tarče med razprševanjem, da se zagotovi stabilno delovanje tarče v industrijskih aplikacijah, gostota moči, ki se neposredno uporablja za tarčo, ne sme biti prevelika. Pri neposrednem vodnem hlajenju in toplotni prevodnosti materiala tarče mora biti toplotna prevodnost materiala tarče običajno 25 W/cm2 pod 25 W/cm2, pri posrednem vodnem hlajenju pa je toplotna prevodnost materiala tarče slaba, material tarče je posledica drobljenja zaradi toplotnih obremenitev ali vsebuje nizkohlapne zlitine in v drugih primerih je gostota moči lahko le 2 ~ 15 W/cm2 pod zahtevami za visoko gostoto moči. Problem pregrevanja tarče je mogoče rešiti z uporabo zelo ozkih visokozmogljivih impulzov. Anders definira visokozmogljivo impulzno magnetronsko razprševanje kot vrsto impulznega razprševanja, pri katerem najvišja gostota moči presega povprečno gostoto moči za 2 do 3 velikostne rede, razprševanje tarčnih ionov pa prevladuje v procesu razprševanja, atomi razprševanja tarče pa so močno disociirani.
Št. 2 Značilnosti nanašanja prevleke z visokozmogljivim impulznim magnetronskim razprševanjem
Visokozmogljivo pulzno magnetronsko razprševanje lahko ustvari plazmo z visoko stopnjo disociacije in visoko energijo ionov ter uporabi prednapetostni tlak za pospešitev nabitih ionov, postopek nanašanja prevleke pa je bombardiran z visokoenergijskimi delci, kar je tipično za IPVD tehnologijo. Energija in porazdelitev ionov imata zelo pomemben vpliv na kakovost in delovanje prevleke.
Glede IPVD je Anders, ki temelji na znanem Thortonovem strukturnem modelu regij, predlagal strukturni model regij, ki vključuje plazemsko nanašanje in ionsko jedkanje, ter razširil razmerje med strukturo prevleke ter temperaturo in zračnim tlakom v Thortonovem strukturnem modelu regij na razmerje med strukturo prevleke, temperaturo in energijo ionov, kot je prikazano na sliki 2. V primeru nizkoenergijskega ionskega nanašanja prevleke se struktura prevleke ujema z Thortonovim strukturnim conskim modelom. Z naraščanjem temperature nanašanja se prehod iz območja 1 (ohlapni porozni vlaknasti kristali) v območje T (gosti vlaknasti kristali), območje 2 (stebrnasti kristali) in območje 3 (območje rekristalizacije); z naraščanjem energije nanašanja ionov se temperatura prehoda iz območja 1 v območje T, območje 2 in območje 3 zmanjšuje. Visoko gosto vlaknaste kristale in stebrnaste kristale je mogoče pripraviti pri nizki temperaturi. Ko se energija nanesenih ionov poveča na velikost 1-10 eV, se bombardiranje in jedkanje ionov na površini nanesene prevleke poveča, debelina prevleke pa se poveča.
Št. 3 Priprava trde prevleke s tehnologijo visokozmogljivega pulznega magnetronskega razprševanja
Premaz, pripravljen s tehnologijo visokozmogljivega pulznega magnetronskega razprševanja, je gostejši, z boljšimi mehanskimi lastnostmi in visokotemperaturno stabilnostjo. Kot je prikazano na sliki 3, ima konvencionalni magnetronsko razpršeni premaz TiAlN stebrasto kristalno strukturo s trdoto 30 GPa in Youngovim modulom 460 GPa; premaz HIPIMS-TiAlN ima trdoto 34 GPa, medtem ko je Youngov modul 377 GPa; razmerje med trdoto in Youngovim modulom je merilo žilavosti premaza. Višja trdota in manjši Youngov modul pomenita boljšo žilavost. Premaz HIPIMS-TiAlN ima boljšo visokotemperaturno stabilnost, pri čemer se heksagonalna faza AlN izloči v konvencionalnem premazu TiAlN po visokotemperaturnem žarjenju pri 1000 °C 4 ure. Trdota premaza se pri visoki temperaturi zmanjša, medtem ko premaz HIPIMS-TiAlN ostane nespremenjen po toplotni obdelavi pri enaki temperaturi in času. Premaz HIPIMS-TiAlN ima tudi višjo začetno temperaturo visokotemperaturne oksidacije kot običajni premaz. Zato premaz HIPIMS-TiAlN kaže veliko boljše delovanje v visokohitrostnih rezalnih orodjih kot druga orodja, prevlečena s PVD postopkom.
Čas objave: 8. november 2022