Introducción a la tecnología HiPIMS

No.1 Principio de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia
La técnica de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia utiliza una potencia de pulso pico alta (2-3 órdenes de magnitud más alta que la pulverización catódica con magnetrón convencional) y un ciclo de trabajo de pulso bajo (0,5 %-10 %) para lograr altas tasas de disociación del metal (>50 %), que se deriva de las características de pulverización catódica del magnetrón, como se muestra en la Imagen 1, donde la densidad de corriente objetivo pico I es proporcional a la potencia n-ésima exponencial del voltaje de descarga U, I = kUn (n es una constante relacionada con la estructura del cátodo, el campo magnético y materia).A densidades de potencia más bajas (bajo voltaje), el valor de n suele estar en el rango de 5 a 15;con el aumento del voltaje de descarga, la densidad de corriente y la densidad de potencia aumentan rápidamente y, a alto voltaje, el valor n se vuelve 1 debido a la pérdida del confinamiento del campo magnético.Si a densidades de potencia bajas, la descarga de gas está determinada por los iones de gas que se encuentran en el modo de descarga pulsada normal;si a altas densidades de potencia, la proporción de iones metálicos en el plasma aumenta y algunos materiales cambian, es decir, en el modo de autopulverización, es decir, el plasma se mantiene mediante la ionización de partículas neutras pulverizadas, iones metálicos secundarios y átomos de gas inerte tales como Ar se usan solo para encender el plasma, después de lo cual las partículas de metal pulverizadas se ionizan cerca del objetivo y se aceleran de nuevo para bombardear el objetivo pulverizado bajo la acción de campos magnéticos y eléctricos para mantener la descarga de alta corriente, y el plasma es altamente Partículas de metal ionizado.Debido al proceso de pulverización catódica del efecto de calentamiento en el objetivo, para garantizar el funcionamiento estable del objetivo en aplicaciones industriales, la densidad de potencia aplicada directamente al objetivo no puede ser demasiado grande, generalmente refrigeración directa por agua y conductividad térmica del material objetivo. debe ser en el caso de 25 W / cm2 a continuación, refrigeración indirecta por agua, la conductividad térmica del material objetivo es deficiente, el material objetivo causado por la fragmentación debido a la tensión térmica o el material objetivo contiene componentes de aleación de baja volatilidad y otros casos de densidad de potencia solo pueden estar en 2 ~ 15 W / cm2 por debajo, muy por debajo de los requisitos de alta densidad de potencia.El problema del sobrecalentamiento del objetivo se puede resolver utilizando pulsos de alta potencia muy estrechos.Anders define la pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia como un tipo de pulverización catódica pulsada en la que la densidad de potencia máxima supera la densidad de potencia media en 2 o 3 órdenes de magnitud, y la pulverización iónica objetivo domina el proceso de pulverización catódica, y los átomos pulverizadores objetivo están muy disociados. .

No.2 Las características de la deposición de recubrimiento por pulverización catódica de magnetrón pulsado de alta potencia

La pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia puede producir plasma con una alta tasa de disociación y alta energía de iones, y puede aplicar una presión de polarización para acelerar los iones cargados, y el proceso de deposición del recubrimiento es bombardeado por partículas de alta energía, que es una tecnología típica de IPVD.La energía iónica y la distribución tienen un impacto muy importante en la calidad y el rendimiento del recubrimiento.
Acerca de IPVD, basado en el famoso modelo de región estructural de Thorton, Anders propuso un modelo de región estructural que incluye deposición de plasma y grabado iónico, extendió la relación entre la estructura del recubrimiento y la temperatura y la presión del aire en el modelo de región estructural de Thorton a la relación entre la estructura del recubrimiento, temperatura y energía de iones, como se muestra en la Imagen 2. En el caso de un recubrimiento por deposición de iones de baja energía, la estructura del recubrimiento se ajusta al modelo de zona de estructura de Thorton.Con el aumento de la temperatura de depósito, la transición de la región 1 (cristales de fibra porosa suelta) a la región T (cristales de fibra densa), región 2 (cristales columnares) y región 3 (región de recristalización);con el aumento de la energía iónica de deposición, la temperatura de transición de la región 1 a la región T, la región 2 y la región 3 disminuye.Los cristales de fibra de alta densidad y los cristales columnares se pueden preparar a baja temperatura.Cuando la energía de los iones depositados aumenta al orden de 1-10 eV, se potencia el bombardeo y ataque de iones sobre la superficie de los revestimientos depositados y aumenta el grosor de los revestimientos.

No.3 Preparación de una capa de recubrimiento duro mediante tecnología de pulverización catódica con magnetrón pulsado de alta potencia
El recubrimiento preparado por la tecnología de pulverización catódica de magnetrón pulsado de alta potencia es más denso, con mejores propiedades mecánicas y estabilidad a altas temperaturas.Como se muestra en la Imagen 3, el recubrimiento de TiAlN pulverizado con magnetrón convencional es una estructura de cristal columnar con una dureza de 30 GPa y un módulo de Young de 460 GPa;el recubrimiento HIPIMS-TiAlN tiene una dureza de 34 GPa mientras que el módulo de Young es de 377 GPa;la relación entre la dureza y el módulo de Young es una medida de la tenacidad del recubrimiento.Una dureza más alta y un módulo de Young más pequeño significan una mejor tenacidad.El recubrimiento HIPIMS-TiAlN tiene una mejor estabilidad a altas temperaturas, con la fase hexagonal de AlN precipitada en el recubrimiento convencional de TiAlN después del tratamiento de recocido a alta temperatura a 1000 °C durante 4 h.La dureza del recubrimiento disminuye a alta temperatura, mientras que el recubrimiento HIPIMS-TiAlN permanece sin cambios después del tratamiento térmico a la misma temperatura y tiempo.El recubrimiento HIPIMS-TiAlN también tiene una temperatura de inicio de oxidación a alta temperatura más alta que el recubrimiento convencional.Por lo tanto, el recubrimiento HIPIMS-TiAlN muestra un rendimiento mucho mejor en herramientas de corte de alta velocidad que otras herramientas recubiertas preparadas por el proceso PVD.