PVD (фізічнае нанясенне з паравой фазы) пакрыццё, таксама вядомае як тонкаплёнкавае пакрыццё, — гэта тэхніка, якая прадугледжвае выпарванне цвёрдага матэрыялу ў вакууме і нанясенне яго на паверхню вырабу. Аднак гэтыя пакрыцці — гэта не проста металічныя пласты. Замест гэтага складаныя матэрыялы наносяцца атам за атамам, у выніку чаго ўтвараецца тонкі, звязаны металічны або металакерамічны павярхоўны пласт, які значна паляпшае знешні выгляд, даўгавечнасць і/або функцыянальнасць вырабу.
Гэты метад шырока выкарыстоўваецца, сярод іншага, у аэракасмічнай, аўтамабільнай і медыцынскай прамысловасці, каб забяспечыць даўгавечны выгляд ювелірных вырабаў, лепшую працяглую працу і зручнасць чысткі.
Але што такое працэс нанясення PVD-пакрыццяў? Як яны наносяцца на паверхню вырабу? Гэтага блога будзе дастаткова, каб падрабязна разгледзець гэтае пытанне. Такім чынам, пачнем.
Працэс пакрыцця PVD
Метады PVD можна выкарыстоўваць для нанясення аднаслаёвых, шматслаёвых і шматступеньчатых пакрыццяў, а таксама сплаваў розных складаў і структур. Гэтыя стратэгіі пастаянна мяняюцца і працягваюць натхняць многія даследаванні.
Тэхналогія тонкіх плёнак PVD ўключае ў сябе шырокі спектр метады нанясення такія як электронна-прамянёвае або гарачае выпарэнне, рэактыўнае выпарэнне і іённае пакрыццё. Працэсы, заснаваныя на распыленні, плазмай або іённым пучком, таксама ўваходзяць у тэхніку PVD.
PVD таксама выкарыстоўваецца для апісання адкладання крыніцы дугі, якое можа быць фільтравана ці не. Найбольш распаўсюджаным Працэсы PVD Для нанясення тонкіх плёнак выкарыстоўваюцца распыленне (або катоднае напыленне) і выпарэнне. Выпарэнне — гэта працэс нанясення тонкага пласта атамаў з выкарыстаннем цяпла. У той час як атамы або малекулы аддзяляюцца ад цвёрдай мішэні пад уздзеяннем газападобных іонаў у рэжыме распылення (плазма). Абедзве стратэгіі былі ўдасканалены ў шэраг розных метадаў.
Цеплавое выпарэнне
Тэрмічнае выпарэнне — гэта добра вядомы метад нанясення тонкага слоя, пры якім зыходны матэрыял выпараецца ў вакуумнай камеры пры ціску ніжэй за 1 × 10⁻⁶ тор (1.3 × 10⁻⁴ Па) з-за высокатэмпературнага нагрэву, што дазваляе часцінкам пары лягчэй і непасрэдна трапляць на падкладку, дзе яны зноў застываюць. Вакуумнае нанясенне — гэта традыцыйная назва працэсу тэрмічнага выпарэння.
У гэтай працэдуры выкарыстоўваецца лодка для ўтрымання зарада або рэзістыўная шпулька ў выглядзе парашка або цвёрдага бруска. Рэзістыўная лодка/шпулька падвяргаецца ўздзеянню велізарнага пастаяннага току (DC) для дасягнення высокіх тэмператур плаўлення, неабходных для металаў, дзе высокі вакуум (ніжэй 10-4 Па) спрыяе выпарэнню металу і яго наступнаму пераносу на падкладку. Гэты падыход асабліва карысны для матэрыялаў з нізкай тэмпературай плаўлення. На малюнку ніжэй паказаны два тыпы працэсаў тэрмічнага выпарэння.
Працэс тэрмічнага выпарвання
Для нанясення тонкіх плёнак часцей за ўсё выкарыстоўваецца рэзістыўны нагрэў. Рэзістыўна нагрэтая нітка або лодочка, звычайна вырабленая з тугаплаўкіх металаў, такіх як W, Mo або Ta, з керамічнымі пакрыццямі або без іх, выпарвае зыходныя матэрыялы. Электронна-прамянёвае нанясенне выкарыстоўваецца для выпарвання тугаплаўкіх металаў, паколькі просты рэзістыўны нагрэў не здольны выпарыць матэрыялы з высокай тэмпературай плаўлення.
Распыленне
Распыленне — гэта працэс PVD, пры якім выбуховыя, энергетычныя часціцы атамнага памеру выклікаюць фізічнае выпарэнне атамаў з паверхні. Распыленне дазваляе лепш кантраляваць склад шматэлементных плёнак, а таксама пашыраць дыяпазон матэрыялаў, якія можна наносіць.
Напыленне — гэта працэдура, якая выкарыстоўваецца для пакрыцця падкладкі вельмі тонкім функцыянальным пакрыццём. Працэдура пачынаецца з электрычнага зарада, які падаецца на распыляльны катод, што стварае плазму, якая прымушае матэрыял выкідвацца з паверхні мішэні. Асновай працэсу з'яўляецца іённая бамбардзіроўка зыходнага матэрыялу, або мішэні.
Але як адбываецца распыленне? Распыленне можна выкарыстоўваць для нанясення плёнак элементарных матэрыялаў, а таксама плёнак сплаваў, захоўваючы пры гэтым склад матэрыялу мішэні. Гэта магчыма таму, што матэрыял выдаляецца з мішэні пласт за пластом, што з'яўляецца адной з ключавых пераваг працэсу. Гэта дазваляе наносіць больш складаныя сплавы, такія як Al-Si-Cu для металізацыі паўправаднікоў і металічныя сплавы Cr-A-lY для пакрыццяў лапатак турбін самалётаў.
Этапы нанясення PVD-пакрыцця
PVD (фізічнае асаджэнне з паравой фазы) — гэта працэс нанясення пакрыцця выпарэннем, які ўключае перанос матэрыялу на атамным узроўні. наступная паслядоўнасць крокі можна выкарыстоўваць для апісання працэсу.
(1) Матэрыял, які падлягае асаджванню, пераўтвараецца ў пару з дапамогай фізічных метадаў (высокатэмпературны вакуум або газавая плазма),
(2) пара перамяшчаецца ад крыніцы да месца з нізкім ціскам, і
(3) пара кандэнсуецца на падкладцы, утвараючы тонкую плёнку.
Метады PVD звычайна выкарыстоўваюцца для нанясення тонкіх плёнак таўшчынёй ад некалькіх нанаметраў да тысяч нанаметраў. З іх дапамогай можна ствараць шматслаёвыя пакрыцці, градыентныя кампазіцыйныя пакрыцці, вельмі тоўстыя пакрыцці і асобна стаячыя структуры.
Падкладка для PVD-пакрыцця
Найважнейшае пытанне — які тып падкладкі можна выкарыстоўваць для PVD-пакрыцця? Большасць металаў можна пакрываць PVD-пакрыццём, у той час як некаторыя матэрыялы патрабуюць базавага пласта нікеля і хрому для павышэння каразійнай устойлівасці. PVD-пакрыццё — гэта універсальны метад, які можна ўжываць да шырокага спектру матэрыялаў, у тым ліку да тэрмапластаў. У гэтых матэрыялах выкарыстоўваецца тэхніка LTAVD (нізкатэмпературнае дугавое нанясенне з паравой фазы), пры якой металічныя пакрыцці наносяцца пры больш нізкай тэмпературы, чым PVD.
Некаторыя асноўныя матэрыялы лепш трымаюцца на металічным пакрыцці, чым іншыя. Вельмі важна выбраць правільны працэс, каб атрымаць найбольш трывалую і прывабную аздабленне металу. Для дасягнення найлепшых вынікаў можа спатрэбіцца нікелевае або храмаванае гальванічнае пакрыццё ў залежнасці ад матэрыялу. Некаторыя матэрыялы лягчэй за іншыя ўбіраюць PVD-пакрыцці.
- Тытан, графіт і нержавеючая сталь — прыклады матэрыялаў, якія можна пакрываць без выкарыстання базавага пласта.
- Сталь, латунь і медзь — звычайна нікель/хром пакрываюць гальванічным пакрыццём перад апрацоўкай PVD для павышэння каразійнай устойлівасці, але можна наносіць і непасрэдна.
- Пластыкавыя, алюмініевыя і цынкавыя адліўкі — звычайна выкарыстоўваецца метад нізкатэмпературнага дугавога асаджэння з паравой фазы (LTAVD) для павышэння каразійнай устойлівасці.
Большасць падкладак была замацавана ў вакуумнай камеры ў сярэднім вертыкальным становішчы, а некаторыя былі размешчаны на рознай вышыні. Большасць падкладак была размешчана ў сярэднім вертыкальным становішчы, а некалькі — унізе і ўверсе трымальніка падкладак.
PVD-пакрыцці становяцца ўсё больш папулярнымі для аздаблення металаў, паколькі іх можна наносіць на шырокі спектр падкладак або асноўных матэрыялаў. Розныя колеры можна атрымаць у залежнасці ад газаў, якія падаюцца падчас працэсу PVD. Пры выкарыстанні PVD-пакрыццяў для паліроўкі металу вам не трэба прытрымлівацца металічных колераў, якія папулярныя ў многіх галінах прамысловасці.
Перад нанясеннем узоры былі абястлушчаны і ачышчаны на аўтаматызаванай ультрагукавой лініі ачысткі прамысловага памеру.
Падрыхтоўка ўзораў для пакрыцця PVD
Падрыхтоўка ўзору для PVD-пакрыцця вельмі важная. Але як падрыхтаваць узор для PVD-пакрыцця? Якія крокі трэба зрабіць?
На аб'ектах масавай вытворчасці падкладка перад нанясеннем PVD-пакрыцця ачышчаецца ультрагукам. Ачыстка — гэта шматэтапная працэдура, пасля якой выконваюцца прамыванне і сушка.
Жорны былі падрыхтаваны для PVD з выкарыстаннем метаду ультрагукавой ачысткі. Алеі, змазкі, астуджальная эмульсія і часціцы павінны быць максімальна выдалены з дэталяў перад нанясеннем пакрыцця.
Першы этап быў ультрагукавым абястлушчваннем з дапамогай абястлушчвальніка (pH~11) у дэіянізаванай вадзе для выдалення паверхневых забруджванняў (працягласць ачысткі 15 хвілін), а затым ультрагукавое прамыванне ў дэіянізаванай вадзе і сушка чыстым гарачым паветрам.
Перавагі PVD-пакрыцця
PVD-пакрыццё выкарыстоўваецца з-за яго некалькіх Перавагі, У тым ліку:
(i) пакрыцці, атрыманыя метадам PVD, могуць мець лепшыя ўласцівасці, чым матэрыял падкладкі;
(ii) можна выкарыстоўваць усе віды неарганічных і некаторыя віды арганічных матэрыялаў;
(iii) гэты працэс больш экалагічна чысты, чым многія іншыя працэсы, такія як гальваніка.
Але як PVD-пакрыццё паляпшае механічныя ўласцівасці вырабу? Давайце абмяркуем гэта падрабязней.
Падвышаная трываласць
Медыцынскі або хірургічны інструмент з PVD-пакрыццём праслужыць у 10 разоў даўжэй, чым той, які не быў пакрыты. PVD-пакрыццё дадае тонкае, але трывалае пакрыццё матэрыялу, які даўжэй схільны да карозіі.
Прадукцыйнасць і трываласць
Дадатковае пакрыццё робіць матэрыял больш трывалым, таму PVD-пакрыццё медыцынскіх вырабаў спрыяе даўгавечнасці. Паколькі меншая небяспека ўвагнутасцей або сколаў, больш трывалы хірургічны інструмент палепшыць функцыянальнасць прылады.
Медыцынскія прылады з PVD-пакрыццём паляпшаюць змазку і робяць іх больш воданепранікальнымі. Медыцынскія інструменты з PVD-пакрыццём ствараюць больш біясумяшчальны інструмент, які не рэагуе на косці, біялагічныя вадкасці або тканіны, у залежнасці ад матэрыялу, пакрытага на прыладзе.
Завострыванне
PVD-пакрыццё можа дапамагчы хірургічнаму інструменту даўжэй захоўваць вострыню ляза або ляза, паляпшаючы ўтрыманне ляза.
Змена
Для нанясення пакрыццяў на медыцынскі інструмент можна выкарыстоўваць розныя каляровыя PVD-матэрыялы. Гэта дазваляе адрозніваць падобныя інструменты або класіфікаваць пэўныя расходныя матэрыялы.
Змазка дэталяў механічных кампанентаў, якія знаходзяцца ў руху, з'яўляецца праблемай у аўтамабільнай прамысловасці. Прыкладамі такіх дэталяў з'яўляюцца шасцярні, поршні, кулачкі і падшыпнікі. PVD-пакрыцці забяспечылі выдатнае рашэнне гэтай праблемы. Яны змяняюць уласцівасці паверхні апрацаваных дэталяў, зніжаючы каэфіцыенты трэння і павялічваючы зносаўстойлівасць.
.
З іншага боку, PVD мае некаторыя недахопы, у тым ліку
(i) праблемы з пакрыццём складаных формаў;
(ii) высокі кошт працэсу і нізкі аб'ём вытворчасці; і
(iii) складанасць працэсу.
Прамысловае прымяненне PVD-пакрыццяў
Метады PVD выкарыстоўваюцца для пакрыцця матэрыялаў у розных галінах прамысловасці, у тым ліку
- Рэжучы інструмент, фрэзерны інструмент, свідравальны інструмент, ліццёвы інструмент, дэталі рухавіка і падшыпнікі.
- У аўтамабільным бізнэсе, бытавой тэхніцы, пісьмовых прыладах, сектары электронікі і цацачнай прамысловасці,
- Дэкаратыўнае пакрыццё стварае металічны эфект на пластыку.
- Лінзы, оптыка, акуляры, сэнсарныя экраны і люстэркі пакрытыя аптычным пакрыццём.
- Медыцынскія прылады, такія як імплантаты, кардыёстымулятары і хірургічнае абсталяванне, пакрытыя зносаўстойлівым пакрыццём.
- Зносаўстойлівае пакрыццё і металізаванае пакрыццё для крышталічных крэмніевых сонечных элементаў на аснове шкла сонечных элементаў.
- Пакавальны матэрыял з металізаваным пластом.
Тонкія пакрыцці метадам фізічнага асаджэння з паравой фазы (PVD) у апошнія гады сталі ўсё больш распаўсюджанымі для ўсіх тыпаў рэжучых інструментаў. Гэтыя тэхналогіі ў цяперашні час шырока выкарыстоўваюцца, сярод іншага, у вытворчасці свердзелаў, фрэз і свідравін.
Пасля дзесяці гадоў паспяховага прымянення пакрыццяў TiN PVD у рэзцы, штампоўцы, халодным фармаванні, ліцці пластмас пад ціскам і ліцці пад ціскам некаторых металічных сплаваў, пакрыцці TiN атрымалі прызнанне паляпшэння ў металаапрацоўцы высокатрывалых і абразіўных сталей, а таксама каляровых металаў. Высокая тэрмаўстойлівасць пакрыцця TiAlN (да 700 ° C) аказалася вырашальным фактарам, што паказвае на тое, што гэтае пакрыццё варта выкарыстоўваць, калі патрабуецца павышаная ўстойлівасць да акіслення.
Фота Крыс Ейтс on Unsplash
Пакрыцці CrN (PVD) знаходзяць сваё месца ў пастаянна пашыраным, але ўсё яшчэ селектыўным асартыменце масавай прадукцыі. Яны могуць быць выраблены ў выглядзе адзінарных пакрыццяў CrN пры ўмераных і высокіх тэмпературах, а таксама ў выглядзе падвойных пакрыццяў TiN+CrN. Пры высокіх тэмпературах нізкавольтная тэрмаэлектронная дуга ў БАІ 730М Для нанясення CrN выкарыстоўваўся апарат, а пры нізкіх тэмпературах (ніжэй за 250 °C) — метад плазменна-прамянёвага распылення ў апараце SPUTRON.
Умовы для паспяховага эндапратэзавання суставаў вельмі строгія; патрабуецца збалансаванае спалучэнне механічных якасцей і добрай біясумяшчальнасці. Дзякуючы сваёй адноснай інертнасці, выдатным апорным уласцівасцям і выдатнай зносаўстойлівасці, сплавы на аснове Co-Cr выкарыстоўваюцца ўжо шмат гадоў.
Аднак існуе рызыка таго, што павольнае назапашванне іонаў металаў, такіх як кобальт і хром, можа прывесці да негатыўных клінічных наступстваў. Такім чынам, узнікае пытанне: якім павінна быць магчымае рашэнне гэтай праблемы?
Пасля гэтага тонкі пласт TiN быў нанесены метадам фізічнага асаджэння з паравой фазы, каб паменшыць выкід патэнцыйна небяспечных іёнаў металаў з хірургічных імплантатаў на аснове Co-Cr-Mo (PVD). Для вывучэння каразійных уласцівасцей in vitro выкарыстоўваліся электрахімічныя метады і атамна-абсарбцыйны аналіз.
Conclusion
PVD-пакрыццё таксама вядома як тонкаплёнкавае пакрыццё. Гэта тэхніка нанясення адна- і шматслаёвых пакрыццяў на ўзоры. Існуе мноства метадаў нанясення PVD-пакрыцця, але найбольш распаўсюджанымі з'яўляюцца выпарэнне і распыленне. У гэтых метадах мы можам выкарыстоўваць матэрыялы з нізкай і высокай тэмпературай плаўлення. PVD-пакрыццё можна наносіць на шырокі спектр матэрыялаў, у тым ліку на тэрмапласты. Перад нанясеннем PVD-пакрыцця ўзор павінен быць падрыхтаваны і ачышчаны ў ультрагукавым ачышчальніку. Існуе шырокі спектр прамысловых ужыванняў, у тым ліку аўтамабілебудаванне, медыцынскія імплантаты, аэракасмічная прамысловасць і г.д. Тым не менш, у вас ёсць якія-небудзь пытанні аб PVD-пакрыцці? Не саромейцеся, проста паведаміце нам, запоўніўшы каментар ніжэй.
