Introducció a la tecnologia HiPIMS

Núm. 1 Principi de pols de magnetró d'alta potència
La tècnica de pols de pols de magnetró d'alta potència utilitza una potència de pols de pic alta (2-3 ordres de magnitud superior a la pols de magnetró convencional) i un cicle de treball de pols baix (0,5% -10%) per aconseguir altes taxes de dissociació de metalls (>50%), que es deriva de les característiques de polverització del magnetró, tal com es mostra a la imatge 1, on la densitat màxima de corrent objectiu I és proporcional a la potència exponencial enèsima de la tensió de descàrrega U, I = kUn (n és una constant relacionada amb l'estructura del càtode, camp magnètic). i material).A densitats de potència més baixes (baixa tensió) el valor n sol estar en el rang de 5 a 15;amb l'augment de la tensió de descàrrega, la densitat de corrent i la densitat de potència augmenten ràpidament, i a alta tensió el valor n es converteix en 1 a causa de la pèrdua de confinament del camp magnètic.Si a densitats de potència baixes, la descàrrega de gas està determinada pels ions de gas que es troben en el mode de descàrrega polsada normal;si a densitats de potència altes, la proporció d'ions metàl·lics al plasma augmenta i alguns materials canvien, és a dir, en el mode d'autopropagació, és a dir, el plasma es manté mitjançant la ionització de partícules neutres i ions metàl·lics secundaris i àtoms de gas inert. com l'Ar només s'utilitzen per encendre el plasma, després de la qual cosa les partícules metàl·liques polveritzades s'ionitzen a prop de l'objectiu i s'acceleren de nou per bombardejar l'objectiu polveritzat sota l'acció de camps magnètics i elèctrics per mantenir la descàrrega d'alta corrent, i el plasma és altament partícules metàl·liques ionitzades.A causa del procés de pulverització de l'efecte d'escalfament a l'objectiu, per tal d'assegurar el funcionament estable de l'objectiu en aplicacions industrials, la densitat de potència aplicada directament a l'objectiu no pot ser massa gran, generalment la refrigeració directa per aigua i la conductivitat tèrmica del material objectiu. hauria de ser en el cas de 25 W / cm2 per sota, refrigeració indirecta per aigua, la conductivitat tèrmica del material objectiu és deficient, el material objectiu causat per la fragmentació a causa de l'estrès tèrmic o el material objectiu conté components d'aliatge volàtils i altres casos de densitat de potència només es poden trobar en 2 ~ 15 W / cm2 per sota, molt per sota dels requisits d'alta densitat de potència.El problema del sobreescalfament de l'objectiu es pot resoldre utilitzant polsos d'alta potència molt estrets.Anders defineix la polsada de magnetrons polsats d'alta potència com una mena de polsades polsades on la densitat de potència màxima supera la densitat de potència mitjana en 2 o 3 ordres de magnitud, i la polsada d'ions objectiu domina el procés de pols i els àtoms de pols es troben altament dissociats. .

Núm. 2 Les característiques de la deposició de recobriment per pols de magnetró d'alta potència

La polsació de magnetrons polsats d'alta potència pot produir plasma amb una alta taxa de dissociació i una gran energia iònica, i pot aplicar una pressió de polarització per accelerar els ions carregats, i el procés de deposició del recobriment és bombardejat per partícules d'alta energia, que és una tecnologia IPVD típica.L'energia i la distribució iònica tenen un impacte molt important en la qualitat i el rendiment del recobriment.
Sobre IPVD, basat en el famós model de regió estructural de Thorton, Anders va proposar un model de regió estructural que inclou la deposició de plasma i el gravat d'ions, va ampliar la relació entre l'estructura del recobriment i la temperatura i la pressió de l'aire en el model de la regió estructural de Thorton a la relació entre l'estructura del recobriment, temperatura i energia iònica, tal com es mostra a la imatge 2. En el cas del recobriment de deposició d'ions de baixa energia, l'estructura del recobriment s'ajusta al model de zona d'estructura de Thorton.Amb l'augment de la temperatura de deposició, la transició de la regió 1 (cristalls de fibra porosa solta) a la regió T (cristalls de fibra densa), la regió 2 (cristalls columnars) i la regió 3 (regió de recristal·lització);amb l'augment de l'energia dels ions de deposició, la temperatura de transició de la regió 1 a la regió T, la regió 2 i la regió 3 disminueix.Els cristalls de fibra d'alta densitat i els cristalls columnars es poden preparar a baixa temperatura.Quan l'energia dels ions dipositats augmenta a l'ordre d'1-10 eV, es millora el bombardeig i el gravat dels ions a la superfície dels recobriments dipositats i augmenta el gruix dels recobriments.

Núm. 3 Preparació de la capa de recobriment dur mitjançant tecnologia de pols de magnetró d'alta potència
El recobriment preparat mitjançant la tecnologia de pols de magnetró d'alta potència és més dens, amb millors propietats mecàniques i estabilitat a alta temperatura.Tal com es mostra a la imatge 3, el recobriment convencional de TiAlN amb magnetró és una estructura de cristall columnar amb una duresa de 30 GPa i un mòdul de Young de 460 GPa;el recobriment HIPIMS-TiAlN té una duresa de 34 GPa mentre que el mòdul de Young és de 377 GPa;la relació entre la duresa i el mòdul de Young és una mesura de la duresa del recobriment.Una duresa més alta i un mòdul de Young més petit signifiquen una millor duresa.El recobriment HIPIMS-TiAlN té una millor estabilitat a alta temperatura, amb una fase hexagonal AlN precipitada en el recobriment TiAlN convencional després d'un tractament de recuit a alta temperatura a 1.000 ° C durant 4 h.La duresa del recobriment disminueix a alta temperatura, mentre que el recobriment HIPIMS-TiAlN es manté sense canvis després del tractament tèrmic a la mateixa temperatura i temps.El recobriment HIPIMS-TiAlN també té una temperatura d'inici d'oxidació a alta temperatura més alta que el recobriment convencional.Per tant, el recobriment HIPIMS-TiAlN mostra un rendiment molt millor en eines de tall d'alta velocitat que altres eines recobertes preparades pel procés PVD.