Uvod u HiPIMS tehnologiju

Br.1 Princip pulsnog magnetronskog raspršivanja velike snage
Tehnika pulsnog magnetronskog raspršivanja velike snage koristi visoku vršnu snagu impulsa (2-3 reda veličine veće od konvencionalnog magnetronskog raspršivanja) i nizak radni ciklus impulsa (0,5%-10%) za postizanje visokih stopa disocijacije metala (>50%), što se izvodi iz karakteristika magnetronskog raspršivanja, kao što je prikazano na slici 1, gdje je vršna ciljna gustina struje I proporcionalna eksponencijalnoj n-toj potenciji napona pražnjenja U, I = kUn (n je konstanta povezana sa strukturom katode, magnetnim poljem i materijal).Pri nižim gustoćama snage (nizak napon) vrijednost n je obično u rasponu od 5 do 15;sa povećanjem napona pražnjenja, gustina struje i gustina snage brzo rastu, a na visokom naponu vrednost n postaje 1 zbog gubitka ograničenja magnetnog polja.Ako je pri niskim gustoćama snage, plinsko pražnjenje je određeno plinskim ionima koji je u normalnom režimu impulsnog pražnjenja;ako se pri velikim gustoćama snage povećava udio metalnih jona u plazmi i neki materijali se mijenjaju, odnosno u režimu samorasprskavanja, tj. plazma se održava ionizacijom raspršenih neutralnih čestica i sekundarnih metalnih jona, te atoma inertnog plina kao što je Ar se koriste samo za paljenje plazme, nakon čega se raspršene metalne čestice ioniziraju u blizini mete i ubrzavaju natrag da bombardiraju raspršenu metu pod djelovanjem magnetskog i električnog polja kako bi se održalo pražnjenje velike struje, a plazma je jako jonizovane metalne čestice.Zbog procesa raspršivanja efekta grijanja na metu, kako bi se osigurao stabilan rad mete u industrijskim primjenama, gustina snage direktno primijenjena na metu ne može biti prevelika, općenito direktno hlađenje vodom i toplinska provodljivost ciljanog materijala treba biti u slučaju 25 W/cm2 ispod, indirektno vodeno hlađenje, toplinska provodljivost ciljanog materijala je loša, ciljni materijal uzrokovan fragmentacijom zbog termičkog naprezanja ili ciljni materijal sadrži nisko hlapljive komponente legure i drugi slučajevi gustine snage mogu biti samo u 2 ~ 15 W/cm2 ispod, daleko ispod zahtjeva velike gustine snage.Problem pregrijavanja cilja može se riješiti korištenjem vrlo uskih impulsa velike snage.Anders definira pulsno magnetronsko raspršivanje velike snage kao vrstu impulsnog raspršivanja gdje vršna gustina snage premašuje prosječnu gustinu snage za 2 do 3 reda veličine, a ciljno ionsko raspršivanje dominira procesom raspršivanja, a atomi ciljanog raspršivanja su visoko disocirani .

Br.2 Karakteristike nanošenja prevlake velike snage impulsnim magnetron raspršivanjem

Pulsirano magnetronsko raspršivanje velike snage može proizvesti plazmu s visokom brzinom disocijacije i visokom energijom jona, i može primijeniti bias pritisak za ubrzanje nabijenih iona, a proces taloženja premaza je bombardiran česticama visoke energije, što je tipična IPVD tehnologija.Energija i distribucija jona imaju veoma važan uticaj na kvalitet i performanse premaza.
O IPVD-u, zasnovanom na poznatom Thortonovom modelu strukturne regije, Anders je predložio model strukturne regije koji uključuje taloženje plazme i ionsko jetkanje, proširio odnos između strukture prevlake i temperature i tlaka zraka u Thortonovom modelu strukturne regije na odnos između strukture prevlake, temperatura i energija jona, kao što je prikazano na slici 2. U slučaju niskoenergetskog ionskog taloženja premaza, struktura prevlake je u skladu sa modelom zone Thorton strukture.Sa povećanjem temperature taloženja, prelazak iz regiona 1 (labavi porozni kristali vlakana) u region T (gusti kristali vlakana), region 2 (stubčasti kristali) i region 3 (rekristalizacija);sa povećanjem energije jona taloženja, temperatura prijelaza iz regije 1 u područje T, područje 2 i područje 3 opada.Kristali vlakana visoke gustine i stupasti kristali mogu se pripremiti na niskoj temperaturi.Kada se energija deponovanih jona poveća do reda od 1-10 eV, pojačava se bombardovanje i jetkanje jona na površini deponovane prevlake i povećava se debljina prevlake.

Br.3 Priprema sloja tvrdog premaza pomoću tehnologije pulsnog magnetronskog raspršivanja velike snage
Premaz pripremljen tehnologijom pulsnog magnetronskog raspršivanja velike snage je gušći, sa boljim mehaničkim svojstvima i visokom temperaturnom stabilnošću.Kao što je prikazano na slici 3, konvencionalni TiAlN premaz raspršen magnetronom je stupasta kristalna struktura sa tvrdoćom od 30 GPa i Youngovim modulom od 460 GPa;HIPIMS-TiAlN premaz je tvrdoće 34 GPa, dok je Youngov modul 377 GPa;odnos između tvrdoće i Youngovog modula je mjera žilavosti premaza.Veća tvrdoća i manji Youngov modul znače bolju žilavost.HIPIMS-TiAlN premaz ima bolju stabilnost pri visokim temperaturama, sa AlN heksagonalnom fazom istaloženom u konvencionalnom TiAlN premazu nakon visokotemperaturnog žarenja na 1000 °C tokom 4 h.Tvrdoća premaza se smanjuje na visokoj temperaturi, dok HIPIMS-TiAlN premaz ostaje nepromijenjen nakon termičke obrade pri istoj temperaturi i vremenu.HIPIMS-TiAlN premaz također ima višu temperaturu početka visokotemperaturne oksidacije od konvencionalnog premaza.Stoga, HIPIMS-TiAlN premaz pokazuje mnogo bolje performanse kod alata za sečenje velike brzine od drugih obloženih alata pripremljenih PVD postupkom.