Panimula sa Teknolohiya ng HiPIMS

Blg. 1 Prinsipyo ng high power pulsed magnetron sputtering
Ang high power pulsed magnetron sputtering technique ay gumagamit ng high peak pulse power (2-3 orders of magnitude na mas mataas kaysa sa conventional magnetron sputtering) at low pulse duty cycle (0.5%-10%) upang makamit ang mataas na metal dissociation rates (>50%), na hango sa mga katangian ng magnetron sputtering, gaya ng ipinapakita sa Pic 1, kung saan ang peak target current density na I ay proporsyonal sa exponential nth power ng discharge voltage na U, I = kUn (ang n ay isang constant na may kaugnayan sa cathode structure, magnetic field at materyal). Sa mas mababang power densities (mababang boltahe) ang n value ay karaniwang nasa hanay na 5 hanggang 15; sa pagtaas ng discharge voltage, ang current density at power density ay mabilis na tumataas, at sa mataas na boltahe ang n value ay nagiging 1 dahil sa pagkawala ng magnetic field confinement. Kung sa mababang power densities, ang gas discharge ay natutukoy ng mga gas ion na nasa normal na pulsed discharge mode; Kung sa mataas na densidad ng kuryente, ang proporsyon ng mga metal ion sa plasma ay tumataas at ang ilang mga materyales ay nagbabago, ibig sabihin ay nasa self-sputtering mode, ibig sabihin, ang plasma ay pinapanatili ng ionization ng mga sputtered neutral particle at secondary metal ion, at ang mga inert gas atom tulad ng Ar ay ginagamit lamang upang sindihan ang plasma, pagkatapos nito ang mga sputtered metal particle ay i-ionize malapit sa target at pabilisin pabalik upang bombahin ang sputtered target sa ilalim ng aksyon ng magnetic at electric field upang mapanatili ang mataas na current discharge, at ang plasma ay highly ionized metal particle. Dahil sa proseso ng sputtering ng epekto ng pag-init sa target, upang matiyak ang matatag na operasyon ng target sa mga aplikasyong pang-industriya, ang densidad ng kuryente na direktang inilalapat sa target ay hindi maaaring maging masyadong malaki, sa pangkalahatan, ang direktang paglamig ng tubig at ang thermal conductivity ng target na materyal ay dapat na nasa kaso ng 25 W/cm2 sa ibaba, ang hindi direktang paglamig ng tubig, ang thermal conductivity ng target na materyal ay mahina, ang target na materyal na dulot ng fragmentation dahil sa thermal stress o ang target na materyal ay naglalaman ng mababang volatile alloy components at iba pang mga kaso ng power density ay maaari lamang nasa 2 ~ 15 W/cm2 sa ibaba, na malayong mas mababa sa mga kinakailangan ng mataas na densidad ng kuryente. Ang problema ng sobrang pag-init ng target ay maaaring malutas sa pamamagitan ng paggamit ng napakakitid na high power pulses. Tinutukoy ni Anders ang high-power pulsed magnetron sputtering bilang isang uri ng pulsed sputtering kung saan ang peak power density ay lumampas sa average na densidad ng kuryente ng 2 hanggang 3 order ng magnitude, at ang target ion sputtering ang nangingibabaw sa proseso ng sputtering, at ang mga atomo ng target sputtering ay lubos na dissociated.

Blg. 2 Ang mga katangian ng high power pulsed magnetron sputtering coating deposition

Ang high power pulsed magnetron sputtering ay maaaring makagawa ng plasma na may mataas na dissociation rate at mataas na ion energy, at maaaring maglapat ng bias pressure upang mapabilis ang mga charged ions, at ang proseso ng coating deposition ay binobomba ng mga high-energy particle, na isang tipikal na teknolohiya ng IPVD. Ang ion energy at distribution ay may napakahalagang epekto sa kalidad at performance ng coating.
Tungkol sa IPVD, batay sa sikat na Thorton structural region model, iminungkahi ni Anders ang isang structural region model na kinabibilangan ng plasma deposition at ion etching, pinalawak ang ugnayan sa pagitan ng coating structure at temperatura at air pressure sa Thorton structural region model patungo sa ugnayan sa pagitan ng coating structure, temperatura at ion energy, tulad ng ipinapakita sa Pic 2. Sa kaso ng low energy ion deposition coating, ang coating structure ay sumusunod sa Thorton structure zone model. Sa pagtaas ng deposition temperature, ang transition mula sa region 1 (loose porous fiber crystals) patungo sa region T (dense fiber crystals), region 2 (columnar crystals) at region 3 (recrystallization region); sa pagtaas ng deposition ion energy, ang transition temperature mula sa region 1 patungo sa region T, region 2 at region 3 ay bumababa. Ang high-density fiber crystals at columnar crystals ay maaaring ihanda sa mababang temperatura. Kapag ang enerhiya ng mga deposited ions ay tumaas sa order na 1-10 eV, ang bombardment at etching ng mga ions sa deposited coatings surface ay pinahuhusay at ang kapal ng mga coatings ay tumataas.

Blg. 3 Paghahanda ng matigas na patong ng patong gamit ang high power pulsed magnetron sputtering technology
Ang patong na inihanda gamit ang high power pulsed magnetron sputtering technology ay mas siksik, na may mas mahusay na mekanikal na katangian at mataas na estabilidad ng temperatura. Gaya ng ipinapakita sa Larawan 3, ang kumbensyonal na magnetron sputtered TiAlN coating ay isang columnar crystal structure na may katigasan na 30 GPa at Young's modulus na 460 GPa; ang HIPIMS-TiAlN coating ay 34 GPa katigasan habang ang Young's modulus ay 377 GPa; ang ratio sa pagitan ng katigasan at Young's modulus ay isang sukatan ng katigasan ng patong. Ang mas mataas na katigasan at mas maliit na Young's modulus ay nangangahulugan ng mas mahusay na katigasan. Ang HIPIMS-TiAlN coating ay may mas mahusay na katatagan sa mataas na temperatura, kung saan ang AlN hexagonal phase ay namuo sa kumbensyonal na TiAlN coating pagkatapos ng high temperature annealing treatment sa 1,000 °C sa loob ng 4 na oras. Ang katigasan ng patong ay bumababa sa mataas na temperatura, habang ang HIPIMS-TiAlN coating ay nananatiling hindi nagbabago pagkatapos ng heat treatment sa parehong temperatura at oras. Ang HIPIMS-TiAlN coating ay mayroon ding mas mataas na onset temperature ng high temperature oxidation kaysa sa conventional coating. Samakatuwid, ang HIPIMS-TiAlN coating ay nagpapakita ng mas mahusay na performance sa high-speed cutting tools kaysa sa iba pang coated tools na inihanda gamit ang prosesong PVD.