Какие из методов PVD ,обеспечивают получение наибольшей адгезионной прочности покрытий? Ответ обоснуйте.

Наибольшая адгезионная прочность достигается в методах: осаждение дуговым разрядом или конденсации с ионной бомбардировкой (метод КИБ),а так же в методе HIPIMS.

Метод заключается в зажигании в вакууме сильноточного дугового разряда, в котором распыляемый мат-л служит одним из электродов.

1)если мишень является катодом, то реализуется так называемое осаждение с холодным катодом, дуга горит в парах катода; мишень(К) охлаждается, реализуется схема с холодным катодом (КИБ); это наиболее распространенный вариант.

2)дуга горит в системе А-К-мишень, но мишень не охлаждается, происходит разогрев катода до высоких темпер-р, дуга горит в парах катода, в рез-те возникает дуговой разряд с термоэлектронной эмиссией.

3)если мишень является анодом, то метод называется осаждение с горячим катодом.

При горении дугового разряда происходит перемещение катодного пятна по поверхности мишени. В области катодного пятна происходит процесс испарения и распыления мат-ла. Испарение - за счет локального нагрева в катодном пятне, а распыле-ние – за счёт бомбардировки.

Основная часть продуктов эрозии состоит из паровой фазы. Также в потоке присутствуют твердые (осколочной фазы) и/или жидкие частицы с размером 0,1-100мкм (капельной фазы). При прохождении атомарного потока мат-ла через плазму дуги происходит его ионизация. Перенос осуществляется с высокой скоростью. Все составляющие потока конденсируются на подложке(атомы, иониз. атомы, частицы ж. и тв. фазы).Характеристики6 Р=10-5-101 Па, высокие энергии частиц 0,1-10эВ, =>самая max энергия частиц=>метод эффективный! Высокий коэффициент ионизации (доля ионов в потоке)=20-90%, скорость роста покрытий до 1-3 мкм/мин.

Причины возникновения капельной фазы:

-поглощение газов расплавом металла,

-неравномерность структуры.

Характеристики разряда: Uр=20-50В, Uх.х.(источника питания)=60-80В, I=200-300А. Для зажигания (инициирования) разряда используются специальные устройства, например:

-вспомогательный электрод, который замыкается на катод и инициируется разряд;

-плавкие вставки(тонкая проволока между А и К, подаётся напряжение, проволока сгорает, инициируется дуга); -дополнительный источник плазмы(независимый).

При распылении применяют неэродирующие аноды. Их работа должна протекать в ненапряженном тепловом режиме. Следует стремиться к диффузионному распределению разря-да по поверхности анода. Анодное пятно перемещается по поверхности со скоростью 104м/с (это выше, чем у К), что предохраняет анод от разрушения (не успевает разогреться).

Основы применения метода КИБ на практике:

При нанесении покрытия на проводящие поверхности процесс обычно проводят в 2 стадии: первоначально на подложку подается напряжение смещения 1-2 кВ при наличии

Между плазмой и погруженной в нее проводящей поверхностью с разностью потенциалов формируется пограничный слой. В пределах этого слоя ионы дополнительно ускоряются, при этом вследствие интенсивного распыления ионами поверхность очищается. Помимо распыления, ионы внедряются в материал изделия, участвуя в формировании псевдо-диффузионного слоя.

Этот слой и обеспечивает очень высокую адгезию. На второй стадии напряжение смещения уменьшается до 100 В., при таком режиме начинает преобладать конденсация ионов наносимого материала на поверхность, а не ионное распыление.

Метод HIPIMS.

Магнетронное распыление импульсами высокой мощности (HIPIMS) – это новая PVD-технология для предварительной обработки подложки и нанесения покрытий. Как отражено в названии, HIPIMS является технологией магнетронного распыления с важным отличием – мощность на катодах составляет 1-3 kWcm-2 – это в 100 раз больше, чем в традиционном магнетронном распылении. Мощность используется в коротких импульсах и малом коэффициенте заполнения в размере 1%, во избежание перегревания изделия. При предельных мощностях, используемых на катоде, плазма около мишени достигает очень высоких плотностей 1013-1014 ионов/см3 (для сравнения: плотность плазмы в традиционном разряде постоянного тока составляет 1010ионов/см3). Так как металлические атомы распыляются с мишени, они входят в плотную плазму и ионизируются с высокой эффективностью. Значимость ионов металла сложно переоценить. Ионы металлы можно использовать для предварительной обработки перед нанесением покрытия для усиления адгезии. При напылении, ионы металла поступают с полной энергией, предоставляемой напряжением смещения, которое улучшает мобильность атомов на поверхности и гарантирует устранение любой пористости.

Предварительная обработка с усиленной адгезией

Адгезия покрытий к подложке определяется свойствами поверхности раздела. Необходимо очистить подложку методом распыления для получения чистой поверхности раздела, свободной от инородных оксидных и карбид-основных загрязнений. Также важно избегать введения дефектов или ионов газа в поверхность. Если газ имплантируется, это приводит к образованию пузырей и охрупчиванию, что ослабляет поверхность раздела. Когда имплантируются ионы метала, они образуют сильные металлические взаимосвязи с металлической подложкой и обеспечивают гладкий переход от подложки к покрытию. Хотя катодные дуговые разряды могут использоваться для введения металлических ионов, дополнительная капельная фаза привносит дополнительные дефекты роста, которые ухудшают свойства трибологического износа, коррозионной и окислительной защиты покрытий. Решением является метод HIPIMS, который обеспечивает ионы металла и полное удаление капельной фазы. При использовании этого метода трудно различить, где находится поверхность раздела, потому что кристалл покрытия растет как продолжение подложки. Этот тип роста называется эпитаксиальным и является условием, при котором образуется сильная взаимосвязь между подложкой и покрытием.

Вопрос 30.