PVD-Beschichtung (Physical Vapor Deposition), auch als Dünnschichtbeschichtung bekannt, ist eine Technik, bei der ein festes Material im Vakuum verdampft und auf der Oberfläche eines Produkts abgelagert wird. Diese Beschichtungen bestehen jedoch nicht nur aus Metallschichten. Stattdessen werden komplexe Materialien Atom für Atom abgelagert, wodurch eine dünne, gebundene Metall- oder Metallkeramik-Oberflächenschicht entsteht, die das Aussehen, die Haltbarkeit und/oder die Funktion eines Produkts erheblich verbessert.
Diese Methode wird unter anderem in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Medizinindustrie häufig eingesetzt, um ein langlebiges schmuckähnliches Aussehen, eine bessere Langzeitleistung und eine bequeme Reinigung zu erzielen.
Aber wie läuft der PVD-Beschichtungsprozess ab? Wie wird er auf der Produktoberfläche aufgebracht? Dieser Blog wird ausreichen, um dies im Detail zu untersuchen. Also, fangen wir an.
PVD-Beschichtungsprozess
Mit PVD-Methoden können einschichtige, mehrschichtige und mehrfach abgestufte Beschichtungssysteme sowie Legierungszusammensetzungen und -strukturen abgeschieden werden. Diese Strategien ändern sich ständig und sind weiterhin eine Inspirationsquelle für zahlreiche Untersuchungen.
Die PVD-Dünnschichttechnologie umfasst ein breites Spektrum an Ablagerungstechniken wie Elektronenstrahl- oder Heißbootverdampfung, reaktive Verdampfung und Ionenplattierung. Prozesse, die auf Sputtern, sei es mittels Plasma oder Ionenstrahl, basieren, zählen ebenfalls zu den PVD-Techniken.
PVD wird auch zur Beschreibung der Lichtbogenquellenabscheidung verwendet, die gefiltert werden kann oder nicht. Am weitesten verbreitet PVD-Prozesse Für die Dünnschichtabscheidung sind Sputtern (oder kathodisches Sprühen) und Verdampfen geeignet. Beim Verdampfen wird eine dünne Atomschicht unter Einsatz von Wärme abgeschieden. Beim Sputtern (Plasma) hingegen werden die Atome oder Moleküle durch den Aufprall gasförmiger Ionen vom festen Target gelöst. Beide Strategien wurden zu einer Reihe unterschiedlicher Techniken verfeinert.
Thermische Verdampfung
Die thermische Verdampfung ist eine bekannte Methode zum Auftragen einer dünnen Schicht, bei der das Ausgangsmaterial in einer Vakuumkammer unter 1 × 10−6 Torr (1.3 × 10−4 Pa) durch Hochtemperaturerhitzung verdampft, wodurch die Dampfpartikel verdampft werden gelangen leichter und direkter auf einen Untergrund, wo sie sich wieder verfestigen. Vakuumbedampfung ist die traditionelle Bezeichnung für das thermische Verdampfungsverfahren.
Bei diesem Verfahren wird ein ladungshaltendes Schiffchen oder eine Widerstandsspule in Form eines Pulvers oder eines massiven Stabs verwendet. Das Widerstandsboot/die Widerstandsspule wird einem großen Gleichstrom (DC) ausgesetzt, um die für Metalle erforderlichen hohen Schmelztemperaturen zu erreichen, wo das Hochvakuum (unten) herrscht 10-4 Pa) unterstützt die Verdampfung des Metalls und den anschließenden Transport zum Substrat. Dieser Ansatz ist besonders nützlich für Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt. Die folgende Abbildung zeigt zwei Arten von thermischen Verdampfungsprozessen.
Thermischer Verdampfungsprozess
Für die Abscheidung dünner Filme wird am häufigsten Widerstandserwärmung eingesetzt. Ein widerstandsbeheiztes Filament oder Schiffchen, das normalerweise aus hochschmelzenden Metallen wie W, Mo oder Ta mit oder ohne Keramikbeschichtung besteht, verdampft die Ausgangsmaterialien. Zur Verdampfung hochschmelzender Metalle wird eine Elektronenstrahlabscheidung eingesetzt, da eine einfache Widerstandserwärmung nicht in der Lage ist, Materialien mit hohem Schmelzpunkt zu verdampfen.
Sputterabscheidung
Beim Sputtern handelt es sich um einen PVD-Prozess, bei dem durch Strahlen energiereiche und atomar große Partikel die physikalische Verdampfung von Atomen von einer Oberfläche bewirken. Die Sputter-Abscheidung ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Zusammensetzung von Multielementfilmen sowie eine größere Auswahl an abzuscheidenden Materialien.
Sputterbeschichtung ist ein Verfahren, bei dem ein Substrat mit einer sehr dünnen, funktionellen Schicht beschichtet wird. Der Vorgang beginnt damit, dass eine elektrische Ladung an eine Sputterkathode angelegt wird, wodurch ein Plasma entsteht, das dazu führt, dass das Material von der Targetoberfläche ausgestoßen wird. Die Grundlage des Prozesses ist der Ionenbeschuss des Ausgangsmaterials bzw. Ziels.
Illustration des Sputterprozesses
Aber wie läuft die Sputterabscheidung ab? Nun, Sputterabscheidung kann verwendet werden, um sowohl elementare Materialfilme als auch Legierungsfilme abzuscheiden, wobei die Zusammensetzung des Zielmaterials erhalten bleibt. Dies ist möglich, weil das Material Schicht für Schicht vom Ziel entfernt wird, was einer der Hauptvorteile des Verfahrens ist. Dies ermöglicht die Abscheidung komplizierterer Legierungen wie Al-Si-Cu für die Halbleitermetallisierung und metallischer Cr-A-lY-Legierungen für die Beschichtung von Flugzeugturbinenschaufeln.
Schritte der PVD-Beschichtung
PVD (Physical Vapour Deposition) ist ein Verdampfungsbeschichtungsverfahren, das einen Materialtransfer auf atomarer Ebene beinhaltet. Der folgende Reihenfolge Zur Beschreibung des Prozesses können mehrere Schritte verwendet werden.
(1) Das abzuscheidende Material wird durch physikalische Methoden (Hochtemperaturvakuum oder Gasplasma) in Dampf umgewandelt.
(2) der Dampf wird von seiner Quelle an einen Ort mit niedrigem Druck übertragen und
(3) Der Dampf kondensiert auf dem Substrat und erzeugt einen dünnen Film.
PVD-Methoden werden typischerweise zur Abscheidung dünner Filme mit Dicken im Bereich von wenigen Nanometern bis zu Tausenden von Nanometern verwendet. Mit ihnen können mehrschichtige Beschichtungen, Beschichtungen mit abgestufter Zusammensetzung, sehr dicke Beschichtungen und freistehende Strukturen hergestellt werden.
Substrat für PVD-Beschichtung
Das Wichtigste ist, welche Art von Substrat kann für die PVD-Beschichtung verwendet werden? Nun, die meisten Metalle können PVD-beschichtet werden, während einige Materialien eine Nickel- und Chrom-Basisschicht erfordern, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Die PVD-Beschichtung ist eine vielseitige Methode, die auf eine Vielzahl von Materialien, einschließlich Thermoplasten, angewendet werden kann. Bei diesen Materialien kommt die LTAVD-Technik (Low-temperature arc vapour deposition) zum Einsatz, bei der Metallbeschichtungen bei einer niedrigeren Temperatur als PVD abgeschieden werden.
Einige Grundmaterialien haften besser an der Metallabscheidung als andere. Es ist wichtig, das richtige Verfahren auszuwählen, um die haltbarste und ansprechendste Metalloberfläche zu erhalten. Je nach Material kann für optimale Ergebnisse eine galvanische Vernickelung oder Verchromung erforderlich sein. Einige Materialien absorbieren PVD-Beschichtungen leichter als andere.
- Titan, Graphit und Edelstahl sind Beispiele für Materialien, die ohne Verwendung einer Grundschicht beschichtet werden können.
- Stahl, Messing und Kupfer – Typischerweise wird Nickel/Chrom vor der PVD-Bearbeitung galvanisiert, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, kann aber auch direkt aufgetragen werden
- Kunststoff-, Aluminium- und Zinkgussteile – Verwendet normalerweise das LTAVD-Verfahren (Low-Temperature Arc Vapour Deposition) für überlegene Korrosionsbeständigkeit.
Der Großteil der Substrate wurde in der Vakuumkammer in mittlerer vertikaler Position fixiert, während einige in unterschiedlichen Höhen positioniert waren. Der Großteil der Substrate wurde in der Mitte der vertikalen Position platziert, einige wenige unten und oben auf dem Substrathalter.
PVD-Beschichtungen erfreuen sich bei der Metallveredelung zunehmender Beliebtheit, da sie auf eine Vielzahl von Substraten oder Grundmaterialien aufgetragen werden können. Je nach den während des PVD-Prozesses eingebrachten Gasen können unterschiedliche Farben erzielt werden. Wenn Sie PVD-Beschichtungen zum Polieren Ihres Metalls verwenden, müssen Sie sich nicht auf metallische Farben beschränken, die in vielen Branchen beliebt sind.
Die Proben wurden vor der Abscheidung entfettet und in einer industriellen Ultraschallreinigungsanlage gereinigt.
Probenvorbereitung für die PVD-Beschichtung
Die Probenvorbereitung für die PVD-Beschichtung ist sehr wichtig. Aber wie sollte eine Probe für die PVD-Beschichtung vorbereitet werden? Welche Schritte sollten unternommen werden?
In Massenproduktionsanlagen wird das Substrat vor dem Aufbringen der PVD-Beschichtung mittels Ultraschall gereinigt. Die Reinigung ist ein mehrstufiger Vorgang, an den sich das Spülen und Trocknen anschließt.
Grate wurden mithilfe der Ultraschallreinigungstechnik für die PVD vorbereitet. Öle, Schmierstoffe, Kühlemulsion und Partikel müssen vor dem Beschichten so weit wie möglich von den Teilen entfernt werden.
Der erste Schritt war die Ultraschallentfettung mit einem Entfetter (pH-Wert ~11) in entionisiertem Wasser, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen (Reinigungsdauer 15 Minuten), gefolgt von einer Ultraschallspülung in entionisiertem Wasser und Trocknung in reiner Heißluft.
Vorteile der PVD-Beschichtung
PVD-Beschichtung wird aufgrund ihrer Vielseitigkeit verwendet Vorteilen darunter:
(i) Durch PVD gebildete Beschichtungen können bessere Eigenschaften als das Substratmaterial aufweisen;
(ii) alle Arten anorganischer und einige Arten organischer Materialien können verwendet werden;
(iii) das Verfahren ist umweltfreundlicher als viele andere Verfahren, beispielsweise die Galvanisierung.
Aber wie verbessert eine PVD-Beschichtung die mechanischen Eigenschaften eines Produkts? Lassen Sie uns das im Detail besprechen.
Verbesserte Haltbarkeit
Ein medizinisches oder chirurgisches Werkzeug mit PVD-Beschichtung überlebt zehnmal länger als eines ohne PVD-Beschichtung. Durch die PVD-Beschichtung entsteht eine dünne, aber robuste Materialschicht, deren Korrosion länger dauert.
Leistung und Stärke
Die zusätzliche Beschichtung macht das Material widerstandsfähiger, daher trägt die PVD-Beschichtung medizinischer Artikel zur Haltbarkeit bei. Da die Gefahr von Dellen oder Absplitterungen geringer ist, verbessert ein robusteres chirurgisches Instrument die Funktion des Geräts.
Medizinische Geräte mit PVD-Beschichtung verbessern die Gleitfähigkeit und machen sie wasserbeständiger. Medizinische Werkzeuge mit PVD-Beschichtung schaffen ein biokompatibleres Werkzeug, das je nach Material, mit dem das Gerät beschichtet ist, nicht auf Knochen, biologische Flüssigkeiten oder Gewebe reagiert.
Schärfen
Eine PVD-Beschichtung kann dazu beitragen, dass die Klinge oder Schneide eines chirurgischen Werkzeugs länger scharf bleibt, indem sie die Schnitthaltigkeit verbessert.
Variation
Zur Beschichtung eines medizinischen Werkzeugs können verschiedene farbige PVD-Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Dies kann verwendet werden, um zwischen ähnlichen Werkzeugen zu unterscheiden oder bestimmte Verbrauchsmaterialien zu kategorisieren.
Die Schmierung von Teilen in beweglichen mechanischen Komponenten ist ein Problem in der Automobilindustrie. Beispiele für solche Teile sind Zahnräder, Kolben, Nocken und Lager. PVD-Beschichtungen bieten eine hervorragende Lösung für diese Herausforderung. Sie verändern die Oberflächeneigenschaften der behandelten Teile, senken den Reibungskoeffizienten und erhöhen die Verschleißfestigkeit.
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PVD hingegen weist einige Nachteile auf, darunter:
(i) Probleme beim Beschichten komplexer Formen;
(ii) hohe Prozesskosten und geringer Output; Und
(iii) Prozesskomplexität.
Industrielle Anwendungen der PVD-Beschichtung
PVD-Methoden werden zum Beschichten von Materialien in einer Vielzahl von Industrieanwendungen eingesetzt, darunter
- Schneidwerkzeuge, Fräswerkzeuge, Bohrwerkzeuge, Formwerkzeuge, Motorteile und Lager.
- Im Fahrzeuggeschäft, bei Haushaltsgeräten, Schreibgeräten, im Elektronikbereich und in der Spielwarenindustrie
- Die dekorative Beschichtung erzeugt auf Kunststoffen einen metallischen Eindruck.
- Linsen, Optiken, Brillen, Touchscreens und Spiegel sind alle mit einer optischen Beschichtung versehen.
- Medizinische Geräte wie Implantate, Herzschrittmacher und chirurgische Geräte werden mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen.
- Verschleißfeste Beschichtung und Metallisierungsbeschichtung für Solarzellenglas für kristalline Silizium-Solarzellen.
- Verpackungsmaterial mit einer Metallisierungsschicht.
Dünne PVD-Beschichtungen (Physical Vapour Deposition) sind in den letzten Jahren für alle Arten von Schneidinstrumenten immer häufiger geworden. Diese Technologien werden derzeit unter anderem bei der Herstellung von Bohrern, Fräsern und Bohrern in großem Umfang eingesetzt.
TiN-PVD-Beschichtungen wurden nach zehnjähriger erfolgreicher Anwendung beim Schneiden, Stanzen, Kaltumformen, Spritzgießen von Kunststoffen und Druckgießen einiger Metalllegierungen als Verbesserung für die Metallbearbeitung mit hochfesten und abrasiven Stählen sowie Nichteisenmetallen erkannt. Die hohe thermische Stabilität der TiAlN-Beschichtung (bis zu 700 ° C) schien der entscheidende Faktor zu sein, was darauf hindeutet, dass diese Beschichtung verwendet werden sollte, wenn eine überlegene Oxidationsbeständigkeit erforderlich ist.
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CrN (PVD)-Beschichtungen halten Einzug in ein immer breiteres, aber immer noch selektives Spektrum von Massenprodukten. Sie können als einzelne CrN-Beschichtungen bei mittleren und hohen Temperaturen sowie als doppelte TiN+CrN-Beschichtungen hergestellt werden. Bei hohen Temperaturen entsteht ein thermionischer Lichtbogen mit niedriger Spannung BAI 730M Zur Abscheidung von CrN wurde eine Apparatur verwendet, während bei niedrigen Temperaturen (unter 250 °C) ein Plasmastrahl-Sputterverfahren in einer SPUTRON-Apparatur zum Einsatz kam.
Die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Gelenkendoprothetik sind sehr streng; Voraussetzung ist eine ausgewogene Mischung aus mechanischen Eigenschaften und guter Biokompatibilität. Aufgrund ihrer relativen Inertheit, hervorragenden Tragfähigkeit und hervorragenden Verschleißfestigkeit werden Legierungen auf Co-Cr-Basis seit vielen Jahren verwendet.
Es besteht jedoch das Risiko, dass eine langsame Anreicherung von Metallionen wie Kobalt und Chrom zu negativen klinischen Ergebnissen führen könnte. Daher stellt sich die Frage; Was sollte die mögliche Lösung dafür sein?
Anschließend wurde mittels physikalischer Gasphasenabscheidung eine dünne Schicht TiN aufgebracht, um die Freisetzung potenziell gefährlicher Metallionen aus chirurgischen Implantaten auf Co-Cr-Mo-Basis (PVD) zu verringern. Zur Untersuchung der In-vitro-Korrosionsleistung wurden elektrochemische Techniken und Atomabsorptionsanalysen eingesetzt.
Fazit
PVD-Beschichtung wird auch als Dünnschichtbeschichtung bezeichnet. Hierbei handelt es sich um eine Technik zur Aufbringung ein- und mehrschichtiger Beschichtungen auf Proben. Es gibt viele Techniken zum Auftragen einer PVD-Beschichtung, die am häufigsten angewandten Methoden sind jedoch Aufdampfen und Sputtern. Bei diesen Methoden können wir Materialien mit niedrigem und hohem Schmelzpunkt verwenden. Die PVD-Beschichtung kann auf eine Vielzahl von Materialien, einschließlich Thermoplasten, aufgebracht werden. Vor der PVD-Beschichtung sollte die Probe vorbereitet und in einem Ultraschallentfetter gereinigt werden. Es gibt ein breites Spektrum industrieller Anwendungen, darunter Automobil, medizinische Implantate, Luft- und Raumfahrt usw. Haben Sie dennoch Fragen zur PVD-Beschichtung? Zögern Sie nicht und lassen Sie es uns einfach wissen, indem Sie unten einen Kommentar hinterlassen.
