PVD-belægning (fysisk dampaflejring), også kendt som tyndfilmsbelægning, er en teknik, der involverer fordampning af et fast materiale i vakuum og aflejring af det på et produkts overflade. Disse belægninger er dog ikke blot metallag. I stedet aflejres komplekse materialer atom for atom, hvilket resulterer i et tyndt, bundet metal- eller metal-keramisk overfladelag, der dramatisk forbedrer et produkts udseende, holdbarhed og/eller funktion.
Denne metode anvendes i vid udstrækning inden for blandt andet luftfarts-, bil- og medicinalindustrien for at give et langvarigt smykkelignende udseende, bedre langsigtet ydeevne og nem rengøring.
Men hvad er processen bag PVD-belægninger? Hvordan aflejres de på produktoverfladen? Denne blog vil være nok til at udforske dette i detaljer. Så lad os komme i gang.
PVD-belægningsproces
PVD-metoder kan bruges til at aflejre enkeltlags-, flerlags- og flergraduerede belægningssystemer, såvel som legeringssammensætninger og -strukturer. Disse strategier ændrer sig konstant, og de fortsætter med at være en kilde til inspiration for adskillige undersøgelser.
PVD-tyndfilmsteknologi omfatter en bred vifte af aflejringsteknikker såsom elektronstråle- eller hot-boat-fordampning, reaktiv fordampning og ionbelægning. Processer baseret på sputtering, hvad enten det er ved hjælp af plasma eller en ionstråle, er ligeledes inkluderet i PVD-teknikker.
PVD bruges også til at beskrive aflejring af lysbuekilder, som kan filtreres eller ej. Den mest udbredte PVD-processer Til tyndfilmsaflejring anvendes sputtering (eller katodisk sprøjtning) og fordampning. Fordampning er processen med at aflejre et tyndt lag af atomer ved hjælp af varme i processen. Hvorimod atomerne eller molekylerne løsnes fra det faste mål ved påvirkning af gasformige ioner i sputtertilstanden (plasma). Begge strategier er blevet forfinet til en række forskellige teknikker.
Termisk fordampning
Termisk fordampning er en velkendt metode til at belægge et tyndt lag, hvor kildematerialet fordamper i et vakuumkammer under 1 × 10⁻⁶ torr (1.3 × 10⁻⁴ Pa) på grund af højtemperaturopvarmning, hvilket gør det muligt for damppartiklerne lettere og mere direkte at bevæge sig til et substrat, hvor de størkner igen. Vakuumaflejring er det traditionelle navn for den termiske fordampningsproces.
I denne procedure anvendes en ladningsholdende båd eller resistiv spole i form af et pulver eller en fast stang. Den resistive båd/spole udsættes for en enorm jævnstrøm (DC) for at opnå de høje smeltetemperaturer, der kræves for metaller, hvor det høje vakuum (under 10-4 Pa) hjælper med fordampningen af metallet og den efterfølgende transport til substratet. Denne fremgangsmåde er især nyttig til materialer med lavt smeltepunkt. Figuren nedenfor viser to typer termiske fordampningsprocesser.
Termisk fordampningsproces
Til aflejring af tynde film anvendes resistiv opvarmning typisk. Et resistivt opvarmet filament eller en båd, normalt dannet af ildfaste metaller som W, Mo eller Ta med eller uden keramiske belægninger, fordamper kildematerialerne. Elektronstråleaflejring bruges til at fordampe ildfaste metaller, fordi simpel resistiv opvarmning ikke er i stand til at fordampe materialer med højt smeltepunkt.
Sputteraflejring
Sputtering er en PVD-proces, hvor sprængning, energiske partikler i atomstørrelse forårsager fysisk fordampning af atomer fra en overflade. Sputteraflejring giver mulighed for mere kontrol over sammensætningen af multielementfilm samt et bredere udvalg af materialer, der kan aflejres.
Sputter belægning er en procedure, der bruges til at belægge et substrat med en meget tynd, funktionel belægning. Proceduren begynder med en elektrisk ladning, der påføres en sputterkatode, hvilket skaber et plasma, som får materialet til at blive udstødt fra måloverfladen. Ionbombardement af kildematerialet, eller målet, er grundlaget for processen.
Illustration af sputteringprocessen
Men hvordan foregår sputteraflejring? Sputteraflejring kan bruges til at aflejre elementære materialefilm såvel som legeringsfilm, samtidig med at målmaterialets sammensætning bevares. Dette er muligt, fordi materialet fjernes lag for lag fra målet, hvilket er en af processens vigtigste fordele. Dette muliggør aflejring af mere komplicerede legeringer som Al-Si-Cu til halvledermetallisering og metal-Cr-A-lY-legeringer til belægninger af flyturbineblade.
Trin i PVD-belægning
PVD (fysisk dampaflejring) er en fordampningsbelægningsproces, der involverer materialeoverførsel på atomniveau. følgende sekvens af trin kan bruges til at beskrive processen.
(1) Det materiale, der skal aflejres, omdannes til damp ved hjælp af fysiske metoder (højtemperaturvakuum eller gasformigt plasma),
(2) dampen overføres fra sin kilde til et lavtrykssted, og
(3) dampen kondenserer på substratet og danner en tynd film.
PVD-metoder bruges typisk til at aflejre tynde film med tykkelser fra et par nanometer til tusindvis af nanometer. Flerlagsbelægninger, graduerede kompositionsaflejringer, meget tykke aflejringer og fritstående strukturer kan alle fremstilles ved hjælp af dem.
Underlag til PVD-belægning
Det vigtigste er, hvilken type substrat der kan bruges til PVD-belægning? De fleste metaller kan PVD-belægges, mens nogle materialer kræver et basislag af nikkel og krom for at forbedre korrosionsbestandigheden. PVD-belægning er en alsidig metode, der kan anvendes på en bred vifte af materialer, herunder termoplast. LTAVD-teknikken (Low-temperature arc vapor deposition), som aflejrer metalbelægninger ved en lavere temperatur end PVD, anvendes i disse materialer.
Nogle basismaterialer klæber bedre til metalaflejringen end andre. Det er afgørende at vælge den rigtige proces for at opnå den mest holdbare og tiltalende metalfinish. Elektroplettering med nikkel eller krom kan være nødvendig for at opnå de bedste resultater, afhængigt af materialet. Nogle materialer absorberer PVD-belægninger lettere end andre.
- Titanium, grafit og rustfrit stål er eksempler på materialer, der kan belægges uden brug af et basislag.
- Stål, messing og kobber – Typisk elektropletteres nikkel/krom før PVD-behandling for forbedret korrosionsbestandighed, men kan påføres direkte
- Plast-, aluminium- og zinkstøbegods – Bruger typisk lavtemperatur-lysbuedampaflejringsmetoden (LTAVD) for overlegen korrosionsbestandighed.
Størstedelen af substraterne blev fikseret i vakuumkammeret i den midterste lodrette position, mens nogle blev placeret i varierende højder. Størstedelen af substraterne blev placeret i midten af den lodrette position, med nogle få i bunden og toppen af substratholderen.
PVD-belægninger bliver mere og mere populære til metalbehandling, fordi de kan anvendes på en bred vifte af substrater eller basismaterialer. Forskellige farver kan opnås afhængigt af de gasser, der introduceres under PVD-processen. Når du bruger PVD-belægninger til at polere dit metal, behøver du ikke at holde dig til metalliske farver, som er populære i mange brancher.
Prøverne blev affedtet og rengjort i en automatiseret ultralydsrenselinje i industriel størrelse inden aflejring.
Prøveforberedelse til PVD-belægning
Prøveforberedelsen til PVD-belægning er meget vigtig. Men hvordan skal en prøve forberedes til PVD-belægning? Hvilke trin skal tages?
I masseproduktionsanlæg rengøres substratet med ultralyd, inden PVD-belægningen påføres. Rengøring er en flertrinsprocedure efterfulgt af skylning og tørring.
Grater blev forberedt til PVD ved hjælp af ultralydsrensningsteknik. Olier, smøremidler, køleemulsion og partikler skal fjernes fra delene så meget som muligt før belægning.
Det første trin var ultralydsaffedtning med et affedtningsmiddel (pH~11) i deioniseret vand for at fjerne overfladeforurenende stoffer (rengøringsvarighed 15 minutter), efterfulgt af ultralydsskylning i deioniseret vand og tørring i ren varm luft.
Fordele ved PVD-belægning
PVD-belægning anvendes på grund af dens mange fordele, Herunder:
(i) belægninger dannet af PVD kan have bedre egenskaber end substratmaterialet;
(ii) alle typer uorganiske og visse typer organiske materialer kan anvendes;
(iii) processen er mere miljøvenlig end mange andre processer, såsom galvanisering.
Men hvordan forbedrer PVD-belægning produktets mekaniske egenskaber? Lad os diskutere dette i detaljer.
Forbedret holdbarhed
Et medicinsk eller kirurgisk værktøj, der er PVD-belagt, vil overleve 10 gange længere end et, der ikke er det. PVD-belægning tilføjer et tyndt, men robust lag af materiale, der tager længere tid at korrodere.
Ydeevne og styrke
Den ekstra belægning gør materialet hårdere, derfor bidrager PVD-belægning på medicinske artikler til holdbarheden. Fordi der er mindre risiko for buler eller afskalning, vil et mere robust kirurgisk instrument forbedre enhedens funktion.
PVD-belagte medicinske apparater forbedrer smøringen og gør dem mere vandafvisende. PVD-belagte medicinske værktøjer skaber et mere biokompatibelt værktøj, der ikke-reaktivt over for knogler, biologiske væsker eller væv, afhængigt af det materiale, der er belagt på enheden.
Slibning
PVD-belægning kan hjælpe et kirurgisk værktøj med at holde bladet eller kanten skarpere i længere tid ved at forbedre kantfastholdelsen.
Variation
Forskellige farvede PVD-belægningsmaterialer kan bruges til at belægge et medicinsk værktøj. Dette kan bruges til at skelne mellem lignende værktøjer eller til at kategorisere specifikke forsyninger.
Smøring af dele i mekaniske komponenter i bevægelse er et problem i bilindustrien. Gear, stempler, knaster og lejer er eksempler på disse dele. PVD-belægninger har været en fantastisk løsning på denne udfordring. De ændrer de behandlede dele overfladeegenskaber, sænker friktionskoefficienter og øger slidstyrken.
.
PVD har derimod nogle ulemper, herunder
(i) problemer med belægning af komplekse former;
(ii) høje procesomkostninger og lavt output; og
(iii) proceskompleksitet.
PVD-belægnings industrielle anvendelser
PVD-metoder bruges til at belægge materialer i en række forskellige industriapplikationer, herunder
- Skæreværktøj, fræseværktøj, boreværktøj, støbeværktøj, motordele og lejer.
- Inden for bilbranchen, husholdningsapparater, skriveredskaber, elektroniksektoren og legetøjsindustrien,
- Den dekorative belægning skaber et metallisk indtryk på plastik.
- Linser, optik, briller, berøringsskærme og spejle er alle belagt med en optisk belægning.
- Medicinsk udstyr, såsom implantater, pacemakere og kirurgisk udstyr, er belagt med en slidstærk belægning.
- Slidstærk belægning og metalliseringsbelægning af solcelleglas til krystallinske siliciumsolceller.
- Emballagemateriale med et metalliseringslag.
Tynde PVD-belægninger (fysisk dampaflejring) er blevet mere og mere almindelige til alle typer skæreinstrumenter i de senere år. Disse teknologier anvendes i øjeblikket i vid udstrækning i produktionen af borehoveder, fræsere og udborehoveder, blandt andet.
TiN PVD-belægninger blev anerkendt som en forbedring for metalbearbejdning med højstyrkestål og slibende stål samt ikke-jernholdige metaller efter ti års succesfuld anvendelse inden for skæring, stansning, koldformning, sprøjtestøbning af plast og trykstøbning af visse metallegeringer. Den høje termiske stabilitet af TiAlN-belægning (op til 700 ° C) syntes at være den afgørende faktor, hvilket indikerede, at denne belægning bør anvendes, når der kræves overlegen oxidationsbestandighed.
Photo by Chris Yates on Unsplash
CrN (PVD)-belægninger finder vej til et stadigt voksende, men stadig selektivt udvalg af masseproducerede varer. De kan fremstilles som enkelte CrN-belægninger ved moderate og høje temperaturer, såvel som dobbelte TiN+CrN-belægninger. Ved høje temperaturer kan en lavspændingstermionisk lysbue i en ... BAI 730M Et andet apparat blev brugt til at aflejre CrN, hvorimod der ved lave temperaturer (under 250 °C) blev anvendt en plasmastrålesputteringsmetode i et SPUTRON-apparat.
Betingelserne for en vellykket ledalloplastik er meget strenge; en velafbalanceret blanding af mekaniske egenskaber og god biokompatibilitet er påkrævet. På grund af deres relative inerte egenskaber, fremragende bærende egenskaber og fremragende slidstyrke er Co-Cr-baserede legeringer blevet anvendt i mange år.
Der er dog en risiko for, at en langsom ophobning af metalioner som kobolt og krom kan føre til negative kliniske resultater. Spørgsmålet er derfor, hvad den mulige løsning på dette bør være?
Derefter blev et tyndt lag TiN påført ved hjælp af fysisk dampaflejring for at mindske udledningen af potentielt farlige metalioner fra Co-Cr-Mo-baserede kirurgiske implantater (PVD). Elektrokemiske teknikker og atomabsorptionsanalyse blev anvendt til at undersøge in vitro-korrosionsevnen.
Konklusion
PVD-belægning er også kendt som tyndfilmsbelægning. Dette er en teknik til at påføre enkelt- og flerlagsbelægninger på prøver. Der findes mange teknikker til at påføre PVD-belægning, men de mest almindeligt anvendte metoder er fordampning og sputtering. I disse metoder kan vi anvende materialer med lavt og højt smeltepunkt. PVD-belægning kan påføres en bred vifte af materialer, herunder termoplast. Prøven skal forberedes og rengøres i en ultralydsaffedter før PVD-belægning. Der er en bred vifte af industrielle anvendelser, herunder bilindustrien, medicinske implantater, luftfart osv. Har du stadig spørgsmål om PVD-belægning? Tøv ikke med at give os besked ved at kommentere nedenfor.
