كيف يتم ترسيب طلاء PVD وما مدى فائدته؟

طلاء الترسيب البخاري الفيزيائي (PVD)، المعروف أيضًا باسم طلاء الغشاء الرقيق، هو تقنية تتضمن تبخير مادة صلبة في فراغ وترسيبها على سطح المنتج. ومع ذلك، لا تتكون هذه الطلاءات من طبقات معدنية فحسب. بل يتم ترسيب المواد المعقدة ذرة بذرة، مما ينتج عنه طبقة سطحية معدنية أو سيراميكية معدنية رقيقة ومترابطة تعمل على تحسين مظهر المنتج ومتانته و/أو وظيفته بشكل كبير.

يتم استخدام هذه الطريقة على نطاق واسع في صناعات الطيران والسيارات والصناعات الطبية، من بين صناعات أخرى، لتوفير مظهر طويل الأمد يشبه المجوهرات، وأداء أفضل على المدى الطويل، وسهولة التنظيف.

ولكن ما هي عملية طلاء PVD؟ وكيف يتم ترسيبه على سطح المنتج؟ ستكون هذه المدونة كافية لاستكشاف هذا الأمر بالتفصيل. لذا، فلنبدأ.

 عملية طلاء PVD

يمكن استخدام طرق PVD لترسيب أنظمة طلاء أحادية الطبقة، ومتعددة الطبقات، ومتعددة التدرج، بالإضافة إلى تركيبات وهياكل السبائك. تتغير هذه الاستراتيجيات دائمًا، وتظل مصدر إلهام للعديد من التحقيقات.

تتضمن تقنية الأغشية الرقيقة PVD مجموعة واسعة من تقنيات الترسيب مثل شعاع الإلكترون أو التبخر بالقارب الساخن، والتبخر التفاعلي، والطلاء الأيوني. يتم أيضًا تضمين العمليات المعتمدة على الرش، سواء بالبلازما أو الشعاع الأيوني، في تقنيات PVD.

 يستخدم PVD أيضًا لوصف ترسيب مصدر القوس، والذي يمكن ترشيحه أم لا. الأكثر انتشارا عمليات PVD لترسيب الأغشية الرقيقة يتم الرش (أو الرش الكاثودي) والتبخر. التبخر هو عملية ترسيب طبقة رقيقة من الذرات باستخدام الحرارة في هذه العملية. حيث يتم إزاحة الذرات أو الجزيئات من الهدف الصلب عن طريق تأثير الأيونات الغازية في وضع الاخرق (البلازما). وقد تم تنقيح كلا الاستراتيجيتين في عدد من التقنيات المتميزة.

التبخر الحراري  

التبخر الحراري هو طريقة معروفة لطلاء طبقة رقيقة تتبخر فيها المادة المصدر في غرفة مفرغة أقل من 1 × 10−6 تور (1.3 × 10−4 باسكال) بسبب التسخين بدرجة الحرارة العالية، مما يسمح لجزيئات البخار بالتبخر. تذهب بسهولة أكبر وبشكل مباشر إلى الركيزة، حيث تتصلب مرة أخرى. الترسيب الفراغي هو الاسم التقليدي لعملية التبخر الحراري.

 يتم استخدام قارب يحمل الشحنة أو ملف مقاوم على شكل مسحوق أو قضيب صلب في هذا الإجراء. يتم تعريض القارب/الملف المقاوم لتيار مباشر ضخم (DC) لتحقيق درجات حرارة الانصهار العالية المطلوبة للمعادن، حيث يكون الفراغ العالي (أدناه) 10-4 باسكال) يساعد في تبخر المعدن ونقله لاحقًا إلى الركيزة. هذا النهج مفيد بشكل خاص للمواد ذات نقطة الانصهار المنخفضة. يوضح الشكل أدناه نوعين من عمليات التبخر الحراري.

                                        عملية التبخر الحراري 

لترسيب الأغشية الرقيقة، يتم استخدام التسخين المقاوم في أغلب الأحيان. خيوط أو قارب مقاوم للحرارة، يتكون عادةً من معادن مقاومة للحرارة مثل W أو Mo أو Ta مع أو بدون طلاء سيراميك، يبخر المواد المصدر. يتم استخدام ترسيب شعاع الإلكترون لتبخير المعادن المقاومة للحرارة لأن التسخين المقاوم البسيط غير قادر على تبخير المواد ذات نقطة الانصهار العالية.

ترسب الاخرق

الرش هو عملية PVD حيث تتسبب الجسيمات النشطة ذات الحجم الذري في التبخر الفيزيائي للذرات من السطح. يتيح الترسيب بالرش مزيدًا من التحكم في تكوين الأفلام متعددة العناصر بالإضافة إلى نطاق أوسع من المواد التي سيتم ترسيبها.

طلاء الرش هو إجراء يستخدم لتغليف الركيزة بطبقة رقيقة جدًا وعملية. يبدأ الإجراء بشحنة كهربائية يتم تطبيقها على الكاثود المتخرق، مما يؤدي إلى إنشاء بلازما، مما يؤدي إلى طرد المادة من السطح المستهدف. القصف الأيوني للمادة المصدر، أو الهدف، هو أساس العملية.

                                               رسم توضيحي لعملية الاخرق 

ولكن كيف تتم عملية الترسيب بالرش؟ حسنًا، يمكن استخدام عملية الترسيب بالرش لترسيب أغشية المواد الأولية وكذلك أغشية السبائك مع الحفاظ على تركيبة المادة المستهدفة. وهذا ممكن لأن المادة تُزال طبقة تلو الأخرى من الهدف، وهي إحدى المزايا الرئيسية لهذه العملية. وهذا يتيح ترسيب سبائك أكثر تعقيدًا مثل Al-Si-Cu لطلاء أشباه الموصلات وسبائك Cr-A-lY المعدنية لطلاء شفرات توربينات الطائرات.

                                            معلمات عملية PVD 

خطوات طلاء PVD

PVD (ترسيب البخار الفيزيائي) هي عملية طلاء تبخير تتضمن نقل المواد على المستوى الذري. ال التسلسل التالي من الخطوات يمكن استخدامها لوصف العملية.

 (1) يتم تحويل المادة المراد ترسيبها إلى بخار باستخدام الطرق الفيزيائية (الفراغ ذو درجة الحرارة العالية أو البلازما الغازية)،

 (2) يتم نقل البخار من مصدره إلى موقع الضغط المنخفض، و

 (3) يتكثف البخار على الركيزة لإنتاج طبقة رقيقة.

 تُستخدم عادةً طرق PVD لترسيب أغشية رقيقة بسماكة تتراوح من بضعة نانومترات إلى آلاف النانومترات. يمكن تصنيع الطلاءات متعددة الطبقات، والرواسب المركبة المتدرجة، والرواسب السميكة جدًا، والهياكل القائمة بذاتها باستخدامها.

الركيزة لطلاء PVD

الشيء الأكثر أهمية هو أي نوع من الركيزة يمكن استخدامه لطلاء PVD؟ حسنًا، يمكن طلاء معظم المعادن بتقنية PVD، بينما تتطلب بعض المواد طبقة أساسية من النيكل والكروم لتحسين مقاومة التآكل. يعد طلاء PVD طريقة متعددة الاستخدامات يمكن تطبيقها على مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك اللدائن الحرارية. يتم استخدام تقنية LTAVD (ترسيب البخار القوسي عند درجة حرارة منخفضة)، والتي ترسب الطلاءات المعدنية عند درجة حرارة أقل من PVD، في هذه المواد.

تلتصق بعض المواد الأساسية بالترسيب المعدني بشكل أفضل من غيرها. ومن الأهمية بمكان اختيار العملية المناسبة من أجل الحصول على أكثر التشطيبات المعدنية متانة وجاذبية. قد تكون هناك حاجة إلى الطلاء الكهربائي بالنيكل أو الكروم للحصول على أفضل النتائج، اعتمادًا على المادة. تمتص بعض المواد طلاءات PVD بسهولة أكبر من غيرها.

• يعد التيتانيوم والجرافيت والفولاذ المقاوم للصدأ أمثلة على المواد التي يمكن طلاءها دون استخدام طبقة أساسية.
• الفولاذ والنحاس والنحاس - عادةً ما يتم طلاء النيكل/الكروم بالكهرباء قبل معالجة PVD لتحسين مقاومة التآكل، ولكن يمكن تطبيقه مباشرة
•  مصبوبات البلاستيك والألمنيوم والزنك - تستخدم عادةً طريقة ترسيب البخار القوسي في درجات الحرارة المنخفضة (LTAVD) لمقاومة فائقة للتآكل.

تم تثبيت غالبية الركائز في غرفة التفريغ في الوضع الرأسي الأوسط، بينما تم وضع بعضها على ارتفاعات متفاوتة. تم وضع غالبية الركائز في منتصف الوضع الرأسي، مع وجود عدد قليل منها في أسفل وأعلى حامل الركيزة.

أصبحت طلاءات PVD شائعة الاستخدام بشكل متزايد في تشطيب المعادن لأنها يمكن تطبيقها على مجموعة واسعة من الركائز أو المواد الأساسية. يمكن تحقيق ألوان مختلفة اعتمادًا على الغازات التي يتم إدخالها أثناء عملية PVD. عند استخدام طلاءات PVD لتلميع المعدن، لا يتعين عليك الالتزام بالألوان المعدنية، والتي تحظى بشعبية في العديد من الصناعات.

 تمت إزالة الشحوم من العينات وتنظيفها في خط تنظيف آلي بالموجات فوق الصوتية بالحجم الصناعي قبل الترسيب.

تحضير العينة لطلاء PVD

يعد تحضير العينة لطلاء PVD أمرًا ضروريًا للغاية. ولكن، كيف ينبغي تحضير العينة لطلاء PVD؟ ما هي الخطوات التي ينبغي اتخاذها؟

 في مرافق الإنتاج الضخم، يتم تنظيف الركيزة باستخدام الموجات فوق الصوتية قبل وضع طلاء PVD. التنظيف هو إجراء متعدد الخطوات يتبعه الشطف والتجفيف.

تم تحضير نتوءات PVD باستخدام تقنية التنظيف بالموجات فوق الصوتية. يجب إزالة الزيوت ومواد التشحيم ومستحلب التبريد والجسيمات من الأجزاء قدر الإمكان قبل الطلاء.

كانت المرحلة الأولى عبارة عن إزالة الشحوم بالموجات فوق الصوتية باستخدام مزيل الشحوم (الرقم الهيدروجيني~11) في الماء منزوع الأيونات لإزالة الملوثات السطحية (مدة التنظيف 15 دقيقة)، يليها الشطف بالموجات فوق الصوتية في الماء منزوع الأيونات والتجفيف في الهواء الساخن النقي.

مزايا طلاء PVD

يتم استخدام طلاء PVD نظرًا لتعدد خصائصه مزايا، بما في ذلك:

(ط) قد يكون للطلاءات المتكونة بواسطة PVD خصائص أفضل من مادة الركيزة؛

 (2) يمكن استخدام جميع أنواع المواد غير العضوية وبعض أنواع المواد العضوية؛

 (3) تكون هذه العملية صديقة للبيئة أكثر من العديد من العمليات الأخرى، مثل الطلاء الكهربائي.

ولكن كيف تعمل تقنية طلاء PVD على زيادة الخواص الميكانيكية للمنتج؟ دعونا نناقش هذا الأمر بالتفصيل.

متانة محسنة

إن الأداة الطبية أو الجراحية المطلية بتقنية PVD ستبقى أطول بعشر مرات من تلك التي لم يتم طلاءها. يضيف طلاء PVD غطاءً رقيقًا وقويًا من المواد التي تستغرق وقتًا أطول للتآكل.

الأداء والقوة

إن الطلاء المضاف يجعل المادة أكثر صلابة، وبالتالي فإن طلاء PVD يساعد في زيادة المتانة. ولأن خطر الانبعاج أو التشقق أقل، فإن الأداة الجراحية الأكثر قوة ستحسن وظيفة الجهاز.

تعمل الأجهزة الطبية المطلية بـ PVD على تحسين التشحيم وجعلها أكثر مقاومة للماء. تعمل الأدوات الطبية المطلية بـ PVD على إنشاء أداة أكثر توافقًا حيويًا ولا تتفاعل مع العظام أو السوائل البيولوجية أو الأنسجة، اعتمادًا على المادة المطلية على الجهاز.

شحذ

يمكن لطلاء PVD أن يساعد الأداة الجراحية في الحفاظ على شفرتها أو حافتها أكثر وضوحًا لفترة أطول من خلال تعزيز الاحتفاظ بالحواف.

الاختلافات / التنوعات

يمكن استخدام مواد طلاء PVD ملونة مختلفة لطلاء أداة طبية. ويمكن استخدام هذا للتمييز بين الأدوات المتشابهة أو لتصنيف مستلزمات محددة.

يعد تزييت الأجزاء في المكونات الميكانيكية المتحركة من الأمور التي تثير القلق في صناعة السيارات. وتعد التروس والمكابس والكامات والمحامل أمثلة على هذه الأجزاء. وقد وفرت طلاءات PVD حلاً رائعًا لهذا التحدي. فهي تعمل على تغيير خصائص سطح الأجزاء المعالجة، مما يؤدي إلى خفض معاملات الاحتكاك وزيادة مقاومة التآكل

.

PVD، من ناحية أخرى، لديه بعض العيوب، بما في ذلك

 (ط) القضايا المتعلقة بطلاء الأشكال المعقدة؛

(2) ارتفاع تكلفة العملية وانخفاض الإنتاج؛ و

(ثالثا) تعقيد العملية.

التطبيقات الصناعية لطلاء PVD

تُستخدم طرق PVD لتغليف المواد في مجموعة متنوعة من تطبيقات الصناعات، بما في ذلك

• أدوات القطع، وأدوات الطحن، وأدوات الحفر، وأدوات القولبة، وأجزاء المحرك، والمحامل.
• في تجارة المركبات والأجهزة المنزلية وأدوات الكتابة وقطاع الإلكترونيات وصناعة الألعاب،
• يخلق الطلاء الزخرفي انطباعًا معدنيًا على البلاستيك.
•  العدسات والبصريات والنظارات وشاشات اللمس والمرايا كلها مغطاة بطبقة بصرية.
• الأجهزة الطبية، مثل الأجهزة المزروعة وأجهزة تنظيم ضربات القلب والمعدات الجراحية، تكون مغلفة بطبقة مقاومة للتآكل.
• طلاء زجاجي مقاوم للتآكل وطلاء معدني للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري.
• مواد التعبئة والتغليف مع طبقة المعدن.

أصبحت الطلاءات الرقيقة PVD (ترسيب البخار الفيزيائي) شائعة بشكل متزايد لجميع أنواع أدوات القطع في السنوات الأخيرة. تُستخدم هذه التقنيات حاليًا على نطاق واسع في إنتاج لقم الثقب، وقواطع الطحن، ولقم الثقب، من بين عناصر أخرى.

تم التعرف على طلاءات TiN PVD كتحسين لأعمال المعادن ذات القوة العالية والفولاذ الكاشط وكذلك المعادن غير الحديدية بعد عشر سنوات من التطبيق الناجح في القطع واللكم والتشكيل البارد وقولبة حقن البلاستيك وصب بعض السبائك المعدنية. الاستقرار الحراري العالي لطلاء TiAlN (يصل إلى 700 ° C) يبدو أنه العامل الحاسم، مما يشير إلى أنه يجب استخدام هذا الطلاء عند الحاجة إلى مقاومة أكسدة فائقة.

                                 تصوير كريس ياتس on Unsplash

تجد طلاءات CrN (PVD) طريقها إلى نطاق متزايد الاتساع ولكن لا يزال انتقائيًا من السلع ذات الإنتاج الضخم. يمكن تصنيعها كطلاء CrN فردي عند درجات حرارة متوسطة وعالية، بالإضافة إلى طلاء مزدوج TiN+CrN. عند درجات حرارة عالية، قوس حراري منخفض الجهد في أ باي 730 م تم استخدام جهاز لترسيب CrN، بينما في درجات حرارة منخفضة (أقل من 250 درجة مئوية)، تم استخدام طريقة الاخرق بشعاع البلازما في جهاز SPUTRON.

شروط نجاح جراحة مفاصل المفاصل صارمة للغاية؛ مطلوب مزيج متوازن من الصفات الميكانيكية والتوافق الحيوي الجيد. نظرًا لخمولها النسبي، وخصائص تحملها المتميزة، ومقاومة التآكل الممتازة، فقد تم استخدام السبائك القائمة على Co-Cr لسنوات عديدة.

ومع ذلك، هناك خطر من أن يؤدي التراكم البطيء لأيونات المعادن مثل الكوبالت والكروم إلى نتائج سريرية سلبية. وهكذا يطرح السؤال؛ ما ينبغي أن يكون الحل الممكن لهذا؟

بعد ذلك، تم وضع طبقة رقيقة من TiN باستخدام الترسيب الفيزيائي للبخار لتقليل تصريف أيونات المعادن التي يحتمل أن تكون خطرة من الغرسات الجراحية المعتمدة على Co-Cr-Mo (PVD). تم استخدام التقنيات الكهروكيميائية وتحليل الامتصاص الذري لفحص أداء التآكل في المختبر.

خاتمة

يُعرف طلاء PVD أيضًا بطبقة الأغشية الرقيقة. هذه تقنية لإيداع طبقات مفردة ومتعددة الطبقات على العينات. هناك الكثير من التقنيات لترسيب طلاء PVD ولكن الطرق الأكثر شيوعًا هي التبخر والرش. في هذه الطرق، يمكننا الاستفادة من المواد ذات نقطة الانصهار المنخفضة والعالية. يمكن تطبيق طلاء PVD على مجموعة واسعة من المواد بما في ذلك اللدائن الحرارية. يجب تحضير العينة وتنظيفها باستخدام مزيل الشحوم بالموجات فوق الصوتية قبل طلاء PVD. هناك مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية التي تشمل السيارات، والمزروعات الطبية، والفضاء، وما إلى ذلك. ومع ذلك، هل لديك أي أسئلة حول طلاء PVD؟ لا تتردد فقط أخبرنا بذلك من خلال التعليق أدناه.