1. Yüksek güçlü darbeli manyetron püskürtme prensibi
Yüksek güçlü darbeli manyetron püskürtme tekniği, yüksek tepe darbe gücü (geleneksel manyetron püskürtmeye göre 2-3 kat daha yüksek) ve düşük darbe görev döngüsü (%0,5-%10) kullanarak, Şekil 1'de gösterildiği gibi, manyetron püskürtme özelliklerinden türetilen yüksek metal ayrışma oranlarına (>%50) ulaşır; burada tepe hedef akım yoğunluğu I, deşarj voltajı U'nun üssel n. kuvvetiyle orantılıdır, I = kUn (n, katot yapısı, manyetik alan ve malzeme ile ilgili bir sabittir). Daha düşük güç yoğunluklarında (düşük voltaj) n değeri genellikle 5 ile 15 arasındadır; deşarj voltajı arttıkça, akım yoğunluğu ve güç yoğunluğu hızla artar ve yüksek voltajda manyetik alan sınırlamasının kaybı nedeniyle n değeri 1 olur. Düşük güç yoğunluklarında, gaz deşarjı normal darbeli deşarj modunda gaz iyonları tarafından belirlenir; Yüksek güç yoğunluklarında, plazmadaki metal iyonlarının oranı artarsa ve bazı malzemeler yer değiştirirse, yani kendiliğinden püskürtme modundaysa, plazma püskürtülen nötr parçacıkların ve ikincil metal iyonlarının iyonlaşmasıyla korunur ve Ar gibi inert gaz atomları sadece plazmayı tutuşturmak için kullanılır; daha sonra püskürtülen metal parçacıkları hedef yakınında iyonlaşır ve manyetik ve elektrik alanların etkisi altında yüksek akım deşarjını sürdürmek için püskürtülen hedefi bombardıman etmek üzere geri hızlandırılır ve plazma yüksek oranda iyonize metal parçacıklardan oluşur. Püskürtme işlemi sırasında hedef üzerinde oluşan ısıtma etkisi nedeniyle, endüstriyel uygulamalarda hedefin kararlı çalışmasını sağlamak için, hedefe doğrudan uygulanan güç yoğunluğu çok yüksek olmamalıdır. Genellikle doğrudan su soğutma ve hedef malzemenin ısı iletkenliği durumunda 25 W/cm²'nin altında olmalıdır; dolaylı su soğutma, hedef malzemenin ısı iletkenliğinin düşük olması, termal gerilme nedeniyle hedef malzemenin parçalanması veya hedef malzemenin düşük uçucu alaşım bileşenleri içermesi gibi durumlarda güç yoğunluğu yalnızca 2~15 W/cm²'nin altında olabilir ki bu da yüksek güç yoğunluğu gereksinimlerinin çok altındadır. Hedefin aşırı ısınması sorunu, çok dar yüksek güçlü darbeler kullanılarak çözülebilir. Anders, yüksek güçlü darbeli manyetron püskürtmeyi, tepe güç yoğunluğunun ortalama güç yoğunluğunu 2 ila 3 kat aşan bir tür darbeli püskürtme olarak tanımlar; burada hedef iyon püskürtmesi püskürtme işlemine hakimdir ve hedef püskürtme atomları yüksek oranda ayrışır.
2. Yüksek güçlü darbeli manyetik püskürtme kaplama biriktirme işleminin özellikleri
Yüksek güçlü darbeli manyetron püskürtme, yüksek ayrışma oranına ve yüksek iyon enerjisine sahip plazma üretebilir ve yüklü iyonları hızlandırmak için ön gerilim basıncı uygulayabilir; kaplama biriktirme işlemi yüksek enerjili parçacıklarla bombardıman edilir, bu da tipik bir IPVD teknolojisidir. İyon enerjisi ve dağılımı, kaplama kalitesi ve performansı üzerinde çok önemli bir etkiye sahiptir.
IPVD hakkında, ünlü Thorton yapısal bölge modeline dayanarak, Anders plazma biriktirme ve iyon aşındırmayı içeren bir yapısal bölge modeli önerdi ve Thorton yapısal bölge modelindeki kaplama yapısı ile sıcaklık ve hava basıncı arasındaki ilişkiyi, Şekil 2'de gösterildiği gibi, kaplama yapısı, sıcaklık ve iyon enerjisi arasındaki ilişkiye genişletti. Düşük enerjili iyon biriktirme kaplamasında, kaplama yapısı Thorton yapısal bölge modeline uygundur. Biriktirme sıcaklığının artmasıyla, bölge 1'den (gevşek gözenekli lif kristalleri) bölge T'ye (yoğun lif kristalleri), bölge 2'ye (sütunlu kristaller) ve bölge 3'e (yeniden kristalleşme bölgesi) geçiş olur; biriktirme iyon enerjisinin artmasıyla, bölge 1'den bölge T'ye, bölge 2'ye ve bölge 3'e geçiş sıcaklığı azalır. Yüksek yoğunluklu lif kristalleri ve sütunlu kristaller düşük sıcaklıkta hazırlanabilir. Çökelen iyonların enerjisi 1-10 eV mertebesine yükseldiğinde, çökelen kaplamaların yüzeyinde iyon bombardımanı ve aşındırması artar ve kaplamaların kalınlığı da artar.
3. Yüksek güçlü darbeli manyetik püskürtme teknolojisi ile sert kaplama tabakasının hazırlanması
Yüksek güçlü darbeli manyetik püskürtme teknolojisiyle hazırlanan kaplama daha yoğundur, daha iyi mekanik özelliklere ve yüksek sıcaklık kararlılığına sahiptir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, geleneksel manyetik püskürtmeli TiAlN kaplama, 30 GPa sertliğe ve 460 GPa Young modülüne sahip sütunlu kristal bir yapıya sahiptir; HIPIMS-TiAlN kaplamanın sertliği 34 GPa iken Young modülü 377 GPa'dır; sertlik ve Young modülü arasındaki oran, kaplamanın tokluğunun bir ölçüsüdür. Daha yüksek sertlik ve daha küçük Young modülü, daha iyi tokluk anlamına gelir. HIPIMS-TiAlN kaplama, daha iyi yüksek sıcaklık kararlılığına sahiptir; geleneksel TiAlN kaplamada ise 1000 °C'de 4 saat yüksek sıcaklıkta tavlama işleminden sonra AlN altıgen fazı çökelmiştir. Kaplamanın sertliği yüksek sıcaklıkta azalırken, HIPIMS-TiAlN kaplama aynı sıcaklık ve süredeki ısıl işlemden sonra değişmeden kalır. HIPIMS-TiAlN kaplamanın yüksek sıcaklık oksidasyonunun başlangıç sıcaklığı, geleneksel kaplamaya göre daha yüksektir. Bu nedenle, HIPIMS-TiAlN kaplama, PVD işlemiyle hazırlanan diğer kaplamalı takımlara kıyasla yüksek hızlı kesici takımlarda çok daha iyi performans göstermektedir.
Yayın tarihi: 08.11.2022