č.1 Princip vysokovýkonného pulzního magnetronového naprašování
Technika pulzního magnetronového naprašování s vysokým výkonem využívá vysoký špičkový pulzní výkon (o 2–3 řády vyšší než konvenční magnetronové naprašování) a nízký pracovní cyklus pulzu (0,5 % – 10 %) k dosažení vysokých rychlostí disociace kovu (> 50 %), což je odvozena z magnetronové charakteristiky naprašování, jak je znázorněno na obr. 1, kde maximální hustota cílového proudu I je úměrná exponenciální n-té mocnině vybíjecího napětí U, I = kUn (n je konstanta vztažená ke struktuře katody, magnetickému poli a materiál).Při nižších výkonových hustotách (nízké napětí) je hodnota n obvykle v rozmezí 5 až 15;s rostoucím vybíjecím napětím se proudová hustota a hustota výkonu rychle zvyšují a při vysokém napětí se hodnota n stává 1 v důsledku ztráty magnetického pole.Při nízkých výkonových hustotách je výboj plynu určen plynovými ionty, které jsou v režimu normálního pulzního výboje;pokud se při vysokých výkonových hustotách zvyšuje podíl kovových iontů v plazmatu a některé materiály se přepínají, to je v režimu samonaprašování, tj. plazma je udržováno ionizací naprašovaných neutrálních částic a sekundárních kovových iontů a atomů inertního plynu jako je Ar se používají pouze k zapálení plazmatu, načež jsou rozprášené kovové částice ionizovány v blízkosti terče a urychleny zpět, aby bombardovaly naprašovaný terč působením magnetických a elektrických polí, aby se udržoval vysoký proudový výboj, a plazma je vysoce ionizované kovové částice.Kvůli procesu rozprašování zahřívacího efektu na terči, aby byl zajištěn stabilní provoz terče v průmyslových aplikacích, hustota výkonu přímo aplikovaná na terč nemůže být příliš velká, obecně přímé chlazení vodou a tepelná vodivost materiálu terče by měla být v případě 25 W / cm2 níže, nepřímé vodní chlazení, tepelná vodivost materiálu terče je špatná, materiál terče způsobený fragmentací v důsledku tepelného namáhání nebo materiál terče obsahuje málo těkavé slitiny a jiné případy hustoty výkonu mohou být pouze v 2 ~ 15 W / cm2 níže, hluboko pod požadavky na vysokou hustotu výkonu.Problém přehřívání terče lze vyřešit použitím velmi úzkých vysokovýkonných pulzů.Anders definuje vysokovýkonné pulzní magnetronové naprašování jako druh pulzního naprašování, kde špičková hustota výkonu převyšuje průměrnou hustotu výkonu o 2 až 3 řády a cílové iontové naprašování dominuje procesu naprašování a atomy naprašování cíle jsou vysoce disociované. .
č. 2 Charakteristika vysokovýkonného pulzního magnetronového naprašování nanášení povlaků
Pulzní magnetronové naprašování s vysokým výkonem může produkovat plazma s vysokou rychlostí disociace a vysokou energií iontů a může vyvíjet předpětí k urychlení nabitých iontů a proces nanášení povlaku je bombardován vysokoenergetickými částicemi, což je typická technologie IPVD.Energie a distribuce iontů mají velmi důležitý vliv na kvalitu a výkon povlaku.
O IPVD, založeném na slavném modelu strukturální oblasti Thorton, Anders navrhl model strukturální oblasti, který zahrnuje plazmovou depozici a iontové leptání, rozšířil vztah mezi strukturou povlaku a teplotou a tlakem vzduchu v modelu strukturální oblasti Thorton na vztah mezi strukturou povlaku, teplota a energie iontů, jak je znázorněno na obr. 2. V případě povlaku nanášením iontů s nízkou energií odpovídá struktura povlaku modelu struktury Thortonovy zóny.Se zvyšující se teplotou nanášení dochází k přechodu z oblasti 1 (volné porézní vláknité krystaly) do oblasti T (husté vláknité krystaly), oblasti 2 (sloupcové krystaly) a oblasti 3 (rekrystalizační oblast);s rostoucí energií depozičního iontu se teplota přechodu z oblasti 1 do oblasti T, oblasti 2 a oblasti 3 snižuje.Vláknité krystaly s vysokou hustotou a sloupcové krystaly lze připravit při nízké teplotě.Když se energie deponovaných iontů zvýší na řádově 1-10 eV, bombardování a leptání iontů na povrchu deponovaných povlaků se zvýší a tloušťka povlaků se zvýší.
č.3 Příprava vrstvy tvrdého povlaku technologií vysokovýkonného pulzního magnetronového naprašování
Povlak připravený technologií vysokovýkonného pulzního magnetronového naprašování je hustší, s lepšími mechanickými vlastnostmi a vysokou teplotní stabilitou.Jak je znázorněno na obr. 3, konvenční magnetronem naprašovaný povlak TiAlN má sloupcovou krystalovou strukturu s tvrdostí 30 GPa a Youngovým modulem 460 GPa;povlak HIPIMS-TiAlN má tvrdost 34 GPa, zatímco Youngův modul je 377 GPa;poměr mezi tvrdostí a Youngovým modulem je mírou houževnatosti povlaku.Vyšší tvrdost a menší Youngův modul znamenají lepší houževnatost.Povlak HIPIMS-TiAlN má lepší stabilitu při vysokých teplotách, přičemž šestihranná fáze AlN se vysráží v konvenčním povlaku TiAlN po zpracování vysokoteplotním žíháním při 1000 °C po dobu 4 hodin.Tvrdost povlaku při vysoké teplotě klesá, zatímco povlak HIPIMS-TiAlN zůstává po tepelném zpracování při stejné teplotě a době nezměněn.Povlak HIPIMS-TiAlN má také vyšší počáteční teplotu vysokoteplotní oxidace než konvenční povlak.Povlak HIPIMS-TiAlN proto vykazuje mnohem lepší výkon ve vysokorychlostních řezných nástrojích než jiné nástroje s povlakem připravené procesem PVD.
Čas odeslání: List-08-2022