Le revêtement PVD (dépôt physique en phase vapeur), également connu sous le nom de revêtement en couche mince, est une technique qui consiste à vaporiser un matériau solide sous vide et à le déposer sur la surface d'un produit. Ces revêtements ne sont cependant pas de simples couches métalliques. Au lieu de cela, des matériaux complexes sont déposés atome par atome, ce qui donne une fine couche de surface métallique ou métal-céramique collée qui améliore considérablement l'apparence, la durabilité et/ou la fonction d'un produit.
Cette méthode est largement utilisée dans les industries aérospatiale, automobile et médicale, entre autres, pour offrir un aspect durable semblable à celui d'un bijou, de meilleures performances à long terme et une commodité de nettoyage.
Mais quel est le processus de revêtement PVD ? Comment est-il déposé sur la surface du produit ? Ce blog suffira à explorer cela en détail. Alors, commençons.
Processus de revêtement PVD
Les méthodes PVD peuvent être utilisées pour déposer des systèmes de revêtement monocouches, multicouches et multigradués, ainsi que des compositions et structures d'alliage. Ces stratégies sont en constante évolution et continuent d’être une source d’inspiration pour de nombreuses enquêtes.
La technologie des couches minces PVD comprend une large gamme de techniques de dépôt comme l'évaporation par faisceau d'électrons ou par bateau chaud, l'évaporation réactive et le placage ionique. Les procédés basés sur la pulvérisation cathodique, que ce soit par plasma ou par faisceau d'ions, sont également inclus dans les techniques PVD.
Le PVD est également utilisé pour décrire le dépôt d'une source d'arc, qui peut être filtré ou non. Le plus répandu Processus PVD pour le dépôt de couches minces sont la pulvérisation cathodique (ou pulvérisation cathodique) et l'évaporation. L'évaporation est le processus de dépôt d'une fine couche d'atomes en utilisant de la chaleur. Tandis que les atomes ou molécules sont délogés de la cible solide par l'impact d'ions gazeux en mode pulvérisation (plasma). Les deux stratégies ont été affinées en un certain nombre de techniques distinctes.
Évaporation Thermique
L'évaporation thermique est une méthode bien connue pour revêtir une couche mince dans laquelle le matériau source s'évapore dans une chambre à vide inférieure à 1 × 10−6 torr (1.3 × 10−4 Pa) en raison d'un chauffage à haute température, permettant aux particules de vapeur de aller plus facilement et directement sur un substrat, où ils se solidifient à nouveau. Le dépôt sous vide est le nom traditionnel du processus d’évaporation thermique.
Un bateau de maintien de charge ou une bobine résistive sous la forme d'une poudre ou d'une barre solide est utilisé dans cette procédure. Le bateau/bobine résistive est exposé à un énorme courant continu (DC) pour atteindre les températures de fusion élevées requises pour les métaux, où le vide poussé (en dessous de 10-4 Pa) facilite l'évaporation du métal et son transport ultérieur vers le substrat. Cette approche est particulièrement utile pour les matériaux à bas point de fusion. La figure ci-dessous représente deux types de processus d'évaporation thermique.
Processus d'évaporation thermique
Pour le dépôt de couches minces, le chauffage résistif est le plus souvent utilisé. Un filament ou un bateau chauffé par résistance, généralement formé de métaux réfractaires comme W, Mo ou Ta avec ou sans revêtements céramiques, évapore les matériaux sources. Un dépôt par faisceau d'électrons est utilisé pour évaporer les métaux réfractaires, car un simple chauffage résistif est incapable d'évaporer des matériaux à point de fusion élevé.
Dépôt par pulvérisation cathodique
La pulvérisation cathodique est un processus PVD dans lequel des particules explosives, énergétiques et de taille atomique provoquent la vaporisation physique des atomes d'une surface. Le dépôt par pulvérisation cathodique permet un meilleur contrôle sur la composition des films multiéléments ainsi qu'une plus large gamme de matériaux à déposer.
Revêtement par pulvérisation est un procédé utilisé pour recouvrir un substrat d'un revêtement fonctionnel très fin. La procédure commence par une charge électrique appliquée à une cathode de pulvérisation, qui crée un plasma qui provoque l'expulsion du matériau de la surface cible. Le bombardement ionique du matériau source, ou de la cible, constitue la base du processus.
Illustration du processus de pulvérisation
Mais comment se déroule le dépôt par pulvérisation cathodique ? Le dépôt par pulvérisation cathodique peut être utilisé pour déposer des films de matériaux élémentaires ainsi que des films d'alliages tout en conservant la composition du matériau cible. Cela est possible car le matériau est retiré couche par couche de la cible, ce qui constitue l'un des principaux avantages du procédé. Cela permet le dépôt d'alliages plus complexes comme l'Al-Si-Cu pour la métallisation des semi-conducteurs et les alliages métalliques Cr-A-lY pour les revêtements des pales de turbines d'avion.
Étapes du revêtement PVD
Le PVD (dépôt physique en phase vapeur) est un processus de revêtement par vaporisation qui implique un transfert de matière au niveau atomique. Le séquence suivante Plusieurs étapes peuvent être utilisées pour décrire le processus.
(1) Le matériau à déposer est transformé en vapeur par des méthodes physiques (vide à haute température ou plasma gazeux),
(2) la vapeur est transférée de sa source vers un endroit à basse pression, et
(3) la vapeur se condense sur le substrat pour produire un film mince.
Les méthodes PVD sont généralement utilisées pour déposer des films minces d’épaisseurs allant de quelques nanomètres à des milliers de nanomètres. Des revêtements multicouches, des dépôts de compositions graduées, des dépôts très épais et des structures autoportantes peuvent tous être réalisés en les utilisant.
Substrat pour revêtement PVD
Le plus important est de savoir quel type de substrat peut être utilisé pour le revêtement PVD ? Eh bien, la plupart des métaux peuvent être recouverts de PVD, tandis que certains matériaux nécessitent une couche de base en nickel et en chrome pour améliorer la résistance à la corrosion. Le revêtement PVD est une méthode polyvalente qui peut être appliquée à une large gamme de matériaux, notamment les thermoplastiques. La technique LTAVD (Low-temperature arc vapor deposition), qui dépose des revêtements métalliques à une température plus basse que le PVD, est utilisée dans ces matériaux.
Certains matériaux de base adhèrent mieux au dépôt de métal que d'autres. Il est essentiel de sélectionner le processus approprié afin d'obtenir la finition métallique la plus durable et la plus attrayante. Selon le matériau, un placage électrolytique au nickel ou au chrome peut être nécessaire pour obtenir les meilleurs résultats. Certains matériaux absorbent les revêtements PVD plus facilement que d'autres.
- Le titane, le graphite et l'acier inoxydable sont des exemples de matériaux pouvant être revêtus sans utiliser de couche de base.
- Acier, laiton et cuivre – Généralement, le nickel/chrome est galvanisé avant le traitement PVD pour améliorer la résistance à la corrosion, mais peut être appliqué directement.
- Pièces moulées en plastique, en aluminium et en zinc – Utilise généralement la méthode de dépôt en phase vapeur à l'arc à basse température (LTAVD) pour une résistance supérieure à la corrosion.
La majorité des substrats ont été fixés dans la chambre à vide en position verticale médiane, tandis que certains ont été positionnés à différentes hauteurs. La majorité des substrats ont été placés au milieu de la position verticale, avec quelques-uns en bas et en haut du porte-substrat.
Les revêtements PVD sont de plus en plus populaires pour la finition des métaux, car ils peuvent être appliqués sur une large gamme de substrats ou de matériaux de base. Différentes couleurs peuvent être obtenues en fonction des gaz introduits pendant le processus PVD. Lorsque vous utilisez des revêtements PVD pour polir votre métal, vous n'êtes pas obligé de vous en tenir aux couleurs métalliques, qui sont populaires dans de nombreux secteurs.
Les échantillons ont été dégraissés et nettoyés dans une ligne de nettoyage ultrasonique automatisée de taille industrielle avant le dépôt.
Préparation des échantillons pour le revêtement PVD
La préparation des échantillons pour le revêtement PVD est essentielle. Mais comment préparer un échantillon pour le revêtement PVD ? Quelles mesures faut-il prendre ?
Dans les installations de production de masse, le substrat est nettoyé par ultrasons avant la pose du revêtement PVD. Le nettoyage est une procédure en plusieurs étapes suivie d'un rinçage et d'un séchage.
Les bavures ont été préparées pour le PVD en utilisant la technique de nettoyage par ultrasons. Les huiles, lubrifiants, émulsions de refroidissement et particules doivent être éliminées autant que possible des pièces avant le revêtement.
La première étape était un dégraissage aux ultrasons avec un dégraissant (pH~11) dans de l'eau désionisée pour éliminer les contaminants de surface (durée de nettoyage 15 minutes), suivi d'un rinçage par ultrasons dans de l'eau déminéralisée et d'un séchage à l'air chaud pur.
Avantages du revêtement PVD
Le revêtement PVD est utilisé en raison de ses nombreux avantages, comprenant:
(i) les revêtements formés par PVD peuvent avoir de meilleures propriétés que le matériau du substrat ;
(ii) tous les types de matériaux inorganiques et certains types de matériaux organiques peuvent être utilisés ;
(iii) le procédé est plus respectueux de l'environnement que de nombreux autres procédés, tels que la galvanoplastie.
Mais comment le revêtement PVD augmente-t-il les propriétés mécaniques du produit ? Discutons-en en détail.
Durabilité améliorée
Un outil médical ou chirurgical qui a été plaqué PVD survivra 10 fois plus longtemps qu’un autre qui ne l’a pas été. Le placage PVD ajoute une couche de matériau mince mais robuste qui met plus de temps à se corroder.
Performance et solidité
Le placage ajouté rend le matériau plus résistant, c'est pourquoi le revêtement PVD des articles médicaux contribue à leur durabilité. Comme il y a moins de risque de bosselage ou d'écaillage, un instrument chirurgical plus robuste améliorera le fonctionnement de l'appareil.
Les dispositifs médicaux à revêtement PVD améliorent la lubrification et les rendent plus résistants à l’eau. Les outils médicaux avec revêtement PVD créent un outil plus biocompatible qui ne réagit pas aux os, aux fluides biologiques ou aux tissus, en fonction du matériau appliqué sur l'appareil.
Affûtage
Le revêtement PVD peut aider un outil chirurgical à conserver sa lame ou son bord plus affûté plus longtemps en améliorant la rétention des bords.
Variation
Divers matériaux de revêtement PVD colorés peuvent être utilisés pour plaquer un outil médical. Cela peut être utilisé pour distinguer des outils similaires ou pour catégoriser des fournitures spécifiques.
La lubrification des pièces des composants mécaniques en mouvement est une préoccupation dans l'industrie automobile. Les engrenages, les pistons, les cames et les roulements en sont des exemples. Les revêtements PVD ont apporté une solution fantastique à ce défi. Ils modifient les propriétés de surface des pièces traitées, abaissant les coefficients de frottement et augmentant la résistance à l'usure
.
Le PVD, en revanche, présente certains inconvénients, notamment
(i) les problèmes liés au revêtement de formes complexes ;
(ii) le coût élevé du processus et le faible rendement ; et
(iii) la complexité du processus.
Applications industrielles du revêtement PVD
Les méthodes PVD sont utilisées pour revêtir des matériaux dans diverses applications industrielles, notamment
- Outillage de coupe, outillage de fraisage, outillage de perçage, outillage de moulage, pièces de moteur et roulements.
- Dans le secteur de l'automobile, de l'électroménager, des outils d'écriture, de l'électronique et de l'industrie du jouet,
- Le revêtement décoratif crée une impression métallique sur les plastiques.
- Les lentilles, optiques, lunettes, écrans tactiles et miroirs sont tous recouverts d'un revêtement optique.
- Les dispositifs médicaux, tels que les implants, les stimulateurs cardiaques et le matériel chirurgical, sont recouverts d'un revêtement résistant à l'usure.
- Revêtement résistant à l'usure du verre de cellule solaire et revêtement de métallisation pour cellules solaires en silicium cristallin.
- Matériau d'emballage avec une couche de métallisation.
Les revêtements minces PVD (Physical Vapor Deposition) sont devenus de plus en plus courants pour tous les types d'instruments de coupe ces dernières années. Ces technologies sont actuellement largement utilisées dans la production de forets, de fraises et de forets, entre autres.
Les revêtements TiN PVD ont été reconnus comme une amélioration pour le travail des métaux avec des aciers à haute résistance et abrasifs ainsi que des métaux non ferreux après dix ans d'application réussie dans la découpe, le poinçonnage, le formage à froid, le moulage par injection de plastiques et le moulage sous pression de certains alliages métalliques. La haute stabilité thermique du revêtement TiAlN (jusqu'à 700 ° C) semble être le facteur décisif, indiquant que ce revêtement doit être utilisé lorsqu'une résistance supérieure à l'oxydation est requise.
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Les revêtements CrN (PVD) trouvent leur place dans une gamme toujours plus large mais encore sélective de produits produits en série. Ils peuvent être réalisés sous forme de revêtements simples de CrN à des températures modérées et élevées, ainsi que de doubles revêtements TiN+CrN. À haute température, un arc thermoionique basse tension dans un BAI 730M Un appareil a été utilisé pour déposer du CrN, tandis qu'à basse température (inférieure à 250 °C), une méthode de pulvérisation par faisceau de plasma dans un appareil SPUTRON a été utilisée.
Les conditions de réussite d’une arthroplastie articulaire sont très strictes ; un mélange bien équilibré de qualités mécaniques et d’une bonne biocompatibilité est requis. En raison de leur relative inertie, de leurs qualités de portance exceptionnelles et de leur excellente résistance à l'usure, les alliages à base de Co-Cr sont utilisés depuis de nombreuses années.
Cependant, il existe un risque qu’une lente accumulation d’ions métalliques comme le cobalt et le chrome conduise à des résultats cliniques négatifs. Ainsi, la question se pose ; quelle devrait être la solution possible à cela ?
Ensuite, une fine couche de TiN a été placée par dépôt physique en phase vapeur pour réduire la décharge d'ions métalliques potentiellement dangereux provenant d'implants chirurgicaux à base de Co-Cr-Mo (PVD). Des techniques électrochimiques et des analyses d'absorption atomique ont été utilisées pour examiner les performances de corrosion in vitro.
Conclusion
Le revêtement PVD est également connu sous le nom de revêtement en couche mince. Il s'agit d'une technique permettant de déposer des revêtements monocouches et multicouches sur des échantillons. Il existe de nombreuses techniques pour déposer un revêtement PVD, mais les méthodes les plus couramment appliquées sont l'évaporation et la pulvérisation cathodique. Dans ces méthodes, nous pouvons utiliser des matériaux à point de fusion bas et élevé. Le revêtement PVD peut être appliqué sur une large gamme de matériaux, notamment les thermoplastiques. L'échantillon doit être préparé et nettoyé dans un dégraissant à ultrasons avant le revêtement PVD. Il existe un large éventail d'applications industrielles, notamment l'automobile, les implants médicaux, l'aérospatiale, etc. Avez-vous néanmoins des questions sur le revêtement PVD ? N'hésitez pas, faites-le nous savoir en commentant ci-dessous.
