Nr 1 Zasada pulsacyjnego rozpylania magnetronowego o dużej mocy
Technika rozpylania magnetronowego o dużej mocy wykorzystuje wysoką szczytową moc impulsu (2-3 rzędy wielkości wyższą niż konwencjonalne rozpylanie magnetronowe) i niski cykl pracy impulsu (0,5%-10%), aby osiągnąć wysoki współczynnik dysocjacji metalu (>50%), który wyprowadza się z charakterystyki rozpylania magnetronowego, jak pokazano na rys. 1, gdzie szczytowa docelowa gęstość prądu I jest proporcjonalna do wykładniczej n-tej potęgi napięcia wyładowania U, I = kUn (n jest stałą związaną ze strukturą katody, polem magnetycznym i materiał).Przy niższych gęstościach mocy (niskie napięcie) wartość n zwykle mieści się w zakresie od 5 do 15;wraz ze wzrostem napięcia rozładowania gęstość prądu i gęstość mocy gwałtownie rosną, a przy wysokim napięciu wartość n przyjmuje wartość 1 z powodu utraty ograniczenia pola magnetycznego.Jeśli przy niskich gęstościach mocy, wyładowanie gazowe jest określane przez jony gazu, które są w normalnym trybie wyładowania pulsacyjnego;jeśli przy dużych gęstościach mocy udział jonów metali w plazmie wzrasta i niektóre materiały przełączają się, czyli w tryb samorozpylania, tj. plazma jest utrzymywana przez jonizację napylonych cząstek obojętnych i jonów metali wtórnych oraz atomów gazu obojętnego takie jak Ar są używane tylko do zapłonu plazmy, po czym rozpylone cząsteczki metalu są jonizowane w pobliżu celu i przyspieszane z powrotem, aby zbombardować rozpylony cel pod działaniem pól magnetycznych i elektrycznych w celu utrzymania wyładowania o wysokim natężeniu, a plazma jest wysoce zjonizowane cząstki metali.Ze względu na proces rozpylania efektu ogrzewania na celu, aby zapewnić stabilną pracę celu w zastosowaniach przemysłowych, gęstość mocy bezpośrednio przyłożona do celu nie może być zbyt duża, ogólnie bezpośrednie chłodzenie wodą i przewodność cieplna materiału docelowego powinno być w przypadku 25 W/cm2 poniżej, pośrednie chłodzenie wodą, przewodność cieplna materiału docelowego jest słaba, materiał docelowy spowodowany fragmentacją z powodu naprężeń termicznych lub materiał docelowy zawiera składniki stopowe o niskiej lotności, a inne przypadki gęstości mocy mogą być tylko w 2 ~ 15 W/cm2 poniżej, znacznie poniżej wymagań dużej gęstości mocy.Problem przegrzania celu można rozwiązać stosując bardzo wąskie impulsy dużej mocy.Anders definiuje pulsacyjne rozpylanie magnetronowe o dużej mocy jako rodzaj rozpylania pulsacyjnego, w którym szczytowa gęstość mocy przekracza średnią gęstość mocy o 2 do 3 rzędów wielkości, a docelowe rozpylanie jonowe dominuje w procesie rozpylania, a docelowe atomy rozpylania są wysoce zdysocjowane .
Nr 2 Charakterystyka osadzania powłok przez napylanie katodowe magnetronowe o dużej mocy
Pulsacyjne rozpylanie magnetronowe o dużej mocy może wytwarzać plazmę o dużej szybkości dysocjacji i wysokiej energii jonów oraz może wywierać nacisk polaryzacyjny w celu przyspieszenia naładowanych jonów, a proces osadzania powłoki jest bombardowany cząstkami o wysokiej energii, co jest typową technologią IPVD.Energia i dystrybucja jonów mają bardzo istotny wpływ na jakość i wydajność powłoki.
Jeśli chodzi o IPVD, w oparciu o słynny model regionu strukturalnego Thortona, Anders zaproponował model regionu strukturalnego, który obejmuje osadzanie plazmowe i trawienie jonowe, rozszerzył związek między strukturą powłoki a temperaturą i ciśnieniem powietrza w modelu regionu strukturalnego Thortona na związek między strukturą powłoki, temperatura i energia jonów, jak pokazano na rys. 2. W przypadku niskoenergetycznego osadzania jonów struktura powłoki jest zgodna ze strefowym modelem struktury Thortona.Wraz ze wzrostem temperatury osadzania następuje przejście od obszaru 1 (luźne porowate włókniste kryształy) do obszaru T (gęste włókniste kryształy), obszaru 2 (kryształy kolumnowe) i obszaru 3 (obszar rekrystalizacji);wraz ze wzrostem energii jonów osadzania temperatura przejścia z regionu 1 do regionu T, regionu 2 i regionu 3 maleje.Kryształy włókien o dużej gęstości i kryształy kolumnowe można wytwarzać w niskiej temperaturze.Gdy energia osadzanych jonów wzrasta do rzędu 1-10 eV, bombardowanie i wytrawianie jonów na powierzchni osadzanych powłok ulega wzmocnieniu oraz zwiększa się grubość powłok.
Nr 3 Przygotowanie twardej warstwy powłoki za pomocą technologii pulsacyjnego rozpylania magnetronowego dużej mocy
Powłoka przygotowana za pomocą technologii rozpylania magnetronowego o dużej mocy jest gęstsza, ma lepsze właściwości mechaniczne i stabilność w wysokiej temperaturze.Jak pokazano na rys. 3, konwencjonalna powłoka TiAlN napylana magnetronowo jest kolumnową strukturą krystaliczną o twardości 30 GPa i module Younga 460 GPa;powłoka HIPIMS-TiAlN ma twardość 34 GPa, natomiast moduł Younga 377 GPa;stosunek twardości do modułu Younga jest miarą wytrzymałości powłoki.Większa twardość i mniejszy moduł Younga oznaczają lepszą udarność.Powłoka HIPIMS-TiAlN ma lepszą stabilność w wysokich temperaturach, z heksagonalną fazą AlN wytrąconą w konwencjonalnej powłoce TiAlN po wyżarzaniu w wysokiej temperaturze w 1000 ° C przez 4 godziny.Twardość powłoki zmniejsza się w wysokiej temperaturze, natomiast powłoka HIPIMS-TiAlN pozostaje niezmieniona po obróbce cieplnej w tej samej temperaturze i czasie.Powłoka HIPIMS-TiAlN ma również wyższą temperaturę początku utleniania w wysokiej temperaturze niż konwencjonalna powłoka.Dlatego powłoka HIPIMS-TiAlN wykazuje znacznie lepsze parametry w narzędziach skrawających z dużą prędkością niż inne narzędzia powlekane przygotowane w procesie PVD.
Czas postu: 08-11-2022