Introdução à Tecnologia HiPIMS

No.1 Princípio de pulverização catódica de magnetron pulsado de alta potência
A técnica de pulverização catódica pulsada de alta potência usa alta potência de pulso de pico (2-3 ordens de magnitude maior do que a pulverização catódica convencional de magnetron) e ciclo de trabalho de pulso baixo (0,5%-10%) para atingir altas taxas de dissociação de metal (> 50%), que é derivado das características de pulverização do magnetron, como mostrado na figura 1, onde a densidade de corrente alvo de pico I é proporcional à exponencial n-ésima potência da tensão de descarga U, I = kUn (n é uma constante relacionada à estrutura do cátodo, campo magnético e materiais).Em densidades de potência mais baixas (baixa tensão), o valor n geralmente está na faixa de 5 a 15;com o aumento da tensão de descarga, a densidade de corrente e a densidade de potência aumentam rapidamente e, em alta tensão, o valor n torna-se 1 devido à perda do confinamento do campo magnético.Se em densidades de baixa potência, a descarga de gás é determinada por íons de gás que estão no modo de descarga pulsada normal;se em densidades de alta potência, a proporção de íons metálicos no plasma aumenta e alguns materiais mudam, ou seja, no modo de auto-sputtering, ou seja, o plasma é mantido pela ionização de partículas neutras pulverizadas e íons metálicos secundários e átomos de gás inerte como Ar são usados ​​apenas para inflamar o plasma, após o que as partículas de metal pulverizadas são ionizadas perto do alvo e aceleradas de volta para bombardear o alvo pulverizado sob a ação de campos magnéticos e elétricos para manter a descarga de alta corrente, e o plasma é altamente partículas metálicas ionizadas.Devido ao processo de pulverização do efeito de aquecimento no alvo, a fim de garantir a operação estável do alvo em aplicações industriais, a densidade de potência aplicada diretamente ao alvo não pode ser muito grande, geralmente resfriamento direto a água e condutividade térmica do material alvo deve ser no caso de 25 W / cm2 abaixo, resfriamento indireto a água, a condutividade térmica do material alvo é baixa, o material alvo causado pela fragmentação devido ao estresse térmico ou o material alvo contém componentes de liga voláteis baixos e outros casos de densidade de potência só podem ser em 2 ~ 15 W / cm2 abaixo, muito abaixo dos requisitos de alta densidade de potência.O problema de superaquecimento do alvo pode ser resolvido usando pulsos de alta potência muito estreitos.Anders define a pulverização catódica pulsada de alta potência como um tipo de pulverização catódica pulsada em que a densidade de potência de pico excede a densidade de potência média em 2 a 3 ordens de magnitude, e a pulverização catódica do íon alvo domina o processo de pulverização catódica, e os átomos alvo pulverizados são altamente dissociados .

No.2 As características da deposição de revestimento por pulverização catódica pulsada de alta potência

A pulverização catódica pulsada de alta potência pode produzir plasma com alta taxa de dissociação e alta energia de íons, e pode aplicar pressão de polarização para acelerar os íons carregados, e o processo de deposição de revestimento é bombardeado por partículas de alta energia, que é uma tecnologia IPVD típica.A energia e a distribuição dos íons têm um impacto muito importante na qualidade e no desempenho do revestimento.
Sobre o IPVD, baseado no famoso modelo de região estrutural de Thorton, Anders propôs um modelo de região estrutural que inclui deposição de plasma e ataque de íons, estendeu a relação entre estrutura de revestimento e temperatura e pressão do ar no modelo de região estrutural de Thorton para a relação entre estrutura de revestimento, temperatura e energia iônica, como mostrado na Figura 2. No caso de revestimento de deposição de íons de baixa energia, a estrutura do revestimento está em conformidade com o modelo de zona de estrutura de Thorton.Com o aumento da temperatura de deposição, ocorre a transição da região 1 (cristais de fibras porosas soltas) para a região T (cristais de fibras densas), região 2 (cristais colunares) e região 3 (região de recristalização);com o aumento da energia iônica de deposição, a temperatura de transição da região 1 para a região T, região 2 e região 3 diminui.Os cristais de fibra de alta densidade e os cristais colunares podem ser preparados a baixa temperatura.Quando a energia dos íons depositados aumenta para a ordem de 1-10 eV, o bombardeio e ataque de íons na superfície dos revestimentos depositados é intensificado e a espessura dos revestimentos é aumentada.

No.3 Preparação da camada de revestimento duro por tecnologia de pulverização catódica pulsada de alta potência
O revestimento preparado pela tecnologia de pulverização catódica pulsada de alta potência é mais denso, com melhores propriedades mecânicas e estabilidade em altas temperaturas.Como mostrado na Figura 3, o revestimento TiAlN pulverizado com magnetron convencional é uma estrutura de cristal colunar com uma dureza de 30 GPa e um módulo de Young de 460 GPa;o revestimento HIPIMS-TiAlN tem dureza de 34 GPa enquanto o módulo de Young é de 377 GPa;a razão entre a dureza e o módulo de Young é uma medida da tenacidade do revestimento.Maior dureza e menor módulo de Young significam melhor tenacidade.O revestimento HIPIMS-TiAlN tem melhor estabilidade em alta temperatura, com a fase hexagonal AlN precipitada no revestimento TiAlN convencional após tratamento de recozimento em alta temperatura a 1.000 °C por 4 h.A dureza do revestimento diminui em alta temperatura, enquanto o revestimento HIPIMS-TiAlN permanece inalterado após o tratamento térmico na mesma temperatura e tempo.O revestimento HIPIMS-TiAlN também tem uma temperatura inicial mais alta de oxidação em alta temperatura do que o revestimento convencional.Portanto, o revestimento HIPIMS-TiAlN apresenta desempenho muito melhor em ferramentas de corte de alta velocidade do que outras ferramentas revestidas preparadas pelo processo PVD.