PVD (physical vapor deposition) coating, ook bekend als dunne-film coating, is een techniek waarbij een vast materiaal in een vacuüm wordt verdampt en op het oppervlak van een product wordt afgezet. Deze coatings zijn echter niet zomaar metaallagen. In plaats daarvan worden complexe materialen atoom voor atoom afgezet, wat resulteert in een dunne, gebonden metaal- of metaalkeramische oppervlaktelaag die het uiterlijk, de duurzaamheid en/of de functie van een product aanzienlijk verbetert.
Deze methode wordt onder meer veelvuldig gebruikt in de lucht- en ruimtevaart-, automobiel- en medische industrie om een langdurig, sieradenachtig uiterlijk, betere prestaties op de lange termijn en reinigingsgemak te bieden.
Maar wat is het proces van PVD-coatings? Hoe wordt het op het productoppervlak afgezet? Deze blog is voldoende om dit in detail te onderzoeken. Dus laten we beginnen.
PVD-coatingproces
PVD-methoden kunnen worden gebruikt voor het aanbrengen van monolaagse, meerlaagse en meerlaagse coatingsystemen, evenals legeringssamenstellingen en -structuren. Deze strategieën veranderen voortdurend en blijven een bron van inspiratie voor talloze onderzoeken.
PVD-dunnefilmtechnologie omvat een breed scala aan depositie technieken zoals verdamping met elektronenstralen of hete boten, reactieve verdamping en ionenplating. Processen gebaseerd op sputteren, hetzij door plasma of door een ionenbundel, maken eveneens deel uit van PVD-technieken.
PVD wordt ook gebruikt om boogbronafzetting te beschrijven, die al dan niet kan worden gefilterd. De meest voorkomende PVD-processen voor dunne-filmdepositie zijn sputteren (of kathodisch spuiten) en verdamping. Verdamping is het proces waarbij een dunne laag atomen wordt afgezet met behulp van warmte. Terwijl de atomen of moleculen van het vaste doelwit worden losgemaakt door de impact van gasvormige ionen in de sputtermodus (plasma). Beide strategieën zijn verfijnd tot een aantal verschillende technieken.
Thermische verdamping
Thermische verdamping is een bekende methode voor het coaten van een dunne laag waarin het bronmateriaal verdampt in een vacuümkamer onder 1 × 10−6 torr (1.3 × 10−4 Pa) als gevolg van verwarming op hoge temperatuur, waardoor de dampdeeltjes kunnen ontsnappen. gaan gemakkelijker en direct naar een substraat, waar ze weer stollen. Vacuümdepositie is de traditionele naam voor het thermische verdampingsproces.
Bij deze procedure wordt gebruik gemaakt van een ladinghoudende boot of weerstandsspoel in de vorm van een poeder of massieve staaf. De resistieve boot/spoel wordt blootgesteld aan een enorme gelijkstroom (DC) om de hoge smelttemperaturen te bereiken die nodig zijn voor metalen, waarbij het hoge vacuüm (onder 10-4 Pa) helpt bij de verdamping van het metaal en het daaropvolgende transport naar het substraat. Deze aanpak is vooral nuttig voor materialen met een laag smeltpunt. De onderstaande figuur toont twee soorten thermische verdampingsprocessen.
Thermisch verdampingsproces
Voor de afzetting van dunne films wordt meestal resistieve verwarming gebruikt. Een resistief verwarmd filament of bootje, meestal gemaakt van vuurvaste metalen zoals W, Mo of Ta, met of zonder keramische coatings, verdampt de bronmaterialen. Een elektronenbundelafzetting wordt gebruikt om vuurvaste metalen te verdampen, omdat eenvoudige weerstandsverhitting niet in staat is materialen met een hoog smeltpunt te verdampen.
Sputterende afzetting
Sputteren is een PVD-proces waarbij explosieve, energetische deeltjes van atomaire grootte de fysieke verdamping van atomen van een oppervlak veroorzaken. Sputterdepositie zorgt voor meer controle over de samenstelling van films met meerdere elementen en een breder scala aan af te zetten materialen.
Sputtercoating is een procedure die wordt gebruikt om een substraat te coaten met een zeer dunne, functionele coating. De procedure begint met een elektrische lading die wordt aangebracht op een sputterkathode, waardoor een plasma ontstaat, waardoor het materiaal van het doeloppervlak wordt verdreven. Ionenbombardement op bronmateriaal, of doelwit, is de basis van het proces.
Illustratie van het sputterproces
Maar hoe vindt sputterdepositie plaats? Nou, sputterdepositie kan worden gebruikt om elementaire materiaalfilms en legeringsfilms af te zetten, terwijl de samenstelling van het doelmateriaal behouden blijft. Dit is mogelijk omdat het materiaal laag voor laag van het doel wordt verwijderd, wat een van de belangrijkste voordelen van het proces is. Dit maakt de afzetting van complexere legeringen mogelijk, zoals Al-Si-Cu voor halfgeleidermetallisatie en metaal Cr-A-lY-legeringen voor coatings van vliegtuigturbinebladen.
Stappen van PVD-coating
PVD (physical vapour deposition) is een verdampingscoatingproces waarbij materiaaloverdracht op atomair niveau plaatsvindt. De volgende reeks van stappen kan worden gebruikt om het proces te beschrijven.
(1) Het te deponeren materiaal wordt omgezet in een damp met behulp van fysieke methoden (vacuüm bij hoge temperatuur of gasvormig plasma),
(2) de damp wordt overgebracht van de bron naar een lagedruklocatie, en
(3) de damp condenseert op het substraat en produceert een dunne film.
PVD-methoden worden doorgaans gebruikt om dunne films af te zetten met diktes variërend van enkele nanometers tot duizenden nanometers. Meerlaagse coatings, gegradeerde samenstellingsafzettingen, zeer dikke afzettingen en vrijstaande structuren kunnen allemaal met behulp hiervan worden gemaakt.
Substraat voor PVD-coating
Het belangrijkste is welk type substraat kan worden gebruikt voor PVD-coating? Welnu, de meeste metalen kunnen een PVD-coating krijgen, terwijl sommige materialen een basislaag van nikkel en chroom nodig hebben om de corrosieweerstand te verbeteren. PVD-coating is een veelzijdige methode die kan worden toegepast op een breed scala aan materialen, waaronder thermoplastische materialen. In deze materialen wordt gebruik gemaakt van de LTAVD-techniek (Low-temperature arc vapor deposition), waarbij metaalcoatings worden afgezet bij een lagere temperatuur dan PVD.
Sommige basismaterialen hechten beter aan de metaalafzetting dan andere. Het is van cruciaal belang om het juiste proces te selecteren om de meest duurzame en aantrekkelijke metaalafwerking te verkrijgen. Nikkel- of chroomgalvanisatie kan vereist zijn voor de beste resultaten, afhankelijk van het materiaal. Sommige materialen absorberen PVD-coatings gemakkelijker dan andere.
- Titanium, grafiet en roestvrij staal zijn voorbeelden van materialen die kunnen worden gecoat zonder gebruik van een basislaag.
- Staal, messing en koper – Nikkel/chroom wordt doorgaans gegalvaniseerd vóór PVD-verwerking voor verbeterde corrosieweerstand, maar kan direct worden aangebracht
- Kunststof-, aluminium- en zinkgietstukken – Maakt doorgaans gebruik van de Low-Temperature Arc Vapour Deposition (LTAVD)-methode voor superieure corrosieweerstand.
Het merendeel van de substraten werd in de middelste verticale positie in de vacuümkamer gefixeerd, terwijl sommige op verschillende hoogtes waren geplaatst. Het merendeel van de substraten werd in het midden van de verticale positie geplaatst, met een paar aan de onder- en bovenkant van de substraathouder.
PVD-coatings worden steeds populairder voor metaalafwerking omdat ze op een breed scala aan substraten of basismaterialen kunnen worden aangebracht. Verschillende kleuren kunnen worden bereikt, afhankelijk van de gassen die tijdens het PVD-proces worden geïntroduceerd. Wanneer u PVD-coatings gebruikt om uw metaal te polijsten, hoeft u zich niet te houden aan metaalkleuren, die populair zijn in veel industrieën.
De monsters werden voorafgaand aan de afzetting ontvet en gereinigd in een geautomatiseerde ultrasone reinigingslijn van industriële grootte.
Monstervoorbereiding voor PVD-coating
De monstervoorbereiding voor PVD-coating is zeer essentieel. Maar hoe moet een monster worden voorbereid voor PVD-coating? Welke stappen moeten worden ondernomen?
In massaproductiefaciliteiten wordt het substraat ultrasoon gereinigd voordat de PVD-coating wordt aangebracht. Reinigen is een procedure die uit meerdere stappen bestaat, gevolgd door spoelen en drogen.
Bramen werden voorbereid op PVD met behulp van de ultrasone reinigingstechniek. Oliën, smeermiddelen, koelemulsie en deeltjes moeten vóór het coaten zoveel mogelijk van de onderdelen worden verwijderd.
De eerste fase was het ultrasoon ontvetten met een ontvetter (pH~11) in gedeïoniseerd water om oppervlakteverontreinigingen te verwijderen (reinigingsduur 15 minuten), gevolgd door ultrasoon spoelen in gedeïoniseerd water en drogen in zuivere hete lucht.
Voordelen van PVD-coating
Er wordt gebruik gemaakt van PVD-coating vanwege de verschillende eigenschappen voordelen, Waaronder:
(i) coatings gevormd door PVD kunnen betere eigenschappen hebben dan het substraatmateriaal;
(ii) alle soorten anorganische en sommige soorten organische materialen kunnen worden gebruikt;
(iii) het proces is milieuvriendelijker dan veel andere processen, zoals galvaniseren.
Maar hoe verbetert PVD-coating de mechanische eigenschappen van het product? Laten we dit in detail bespreken.
Verbeterde duurzaamheid
Een medisch of chirurgisch instrument dat PVD-geplateerd is, zal tien keer langer meegaan dan een instrument dat dat niet is geweest. PVD-plating voegt een dunne maar robuuste materiaalbedekking toe die langer nodig heeft om te corroderen.
Prestaties en kracht
De toegevoegde plating maakt het materiaal sterker, daarom helpen PVD-coating medische artikelen met duurzaamheid. Omdat er minder gevaar is voor deuken of afbrokkelen, zal een robuuster chirurgisch instrument de functie van het apparaat verbeteren.
Medische apparaten met PVD-coating verbeteren de smering en maken ze waterbestendiger. Medische hulpmiddelen met PVD-coating creëren een meer biocompatibel hulpmiddel dat niet reageert op het bot, biologische vloeistoffen of weefsel, afhankelijk van het materiaal dat op het apparaat is gecoat.
verscherping
PVD-coating kan een chirurgisch instrument helpen het mes of de snede langer scherp te houden door het behoud van de rand te verbeteren.
Variatie
Er kunnen verschillende gekleurde PVD-coatingmaterialen worden gebruikt om een medisch hulpmiddel te plateren. Dit kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen soortgelijke hulpmiddelen of om specifieke benodigdheden te categoriseren.
Smering van onderdelen in bewegende mechanische componenten is een zorg in de automobielindustrie. Tandwielen, zuigers, nokkenassen en lagers zijn voorbeelden van deze onderdelen. PVD-coatings hebben een fantastische oplossing voor deze uitdaging geboden. Ze veranderen de oppervlakte-eigenschappen van de behandelde onderdelen, verlagen de wrijvingscoëfficiënten en verhogen de slijtvastheid.
.
PVD heeft daarentegen enkele nadelen, waaronder
(i) problemen met het coaten van complexe vormen;
(ii) hoge proceskosten en lage output; En
(iii) procescomplexiteit.
Industriële toepassingen van PVD Coating
PVD-methoden worden gebruikt voor het coaten van materialen in verschillende industriële toepassingen, waaronder
- Snijgereedschappen, freesgereedschappen, boorgereedschappen, gietgereedschappen, motoronderdelen en lagers.
- In de autobranche, huishoudelijke apparaten, schrijfgerei, elektronicasector en speelgoedindustrie
- De decoratieve coating creëert een metaalachtige indruk op kunststoffen.
- Lenzen, optica, brillen, aanraakschermen en spiegels zijn allemaal bedekt met een optische coating.
- Medische apparaten, zoals implantaten, pacemakers en chirurgische apparatuur, zijn voorzien van een slijtvaste coating.
- Zonnecelglas slijtvaste coating en metallisatiecoating voor kristallijne siliciumzonnecellen.
- Verpakkingsmateriaal met een metallisatielaag.
Dunne PVD-coatings (Physical Vapour Deposition) zijn de afgelopen jaren steeds gebruikelijker geworden voor alle soorten snijinstrumenten. Deze technologieën worden momenteel op grote schaal toegepast bij de productie van onder meer boren, frezen en kotterbeitels.
TiN PVD-coatings werden erkend als een verbetering voor metaalbewerking met hoge sterkte en abrasieve staalsoorten en non-ferrometalen na tien jaar succesvolle toepassing bij snijden, ponsen, koudvormen, spuitgieten van kunststoffen en spuitgieten van sommige metaallegeringen. De hoge thermische stabiliteit van TiAlN-coating (tot 700 ° C) bleek de beslissende factor te zijn, wat aangeeft dat deze coating moet worden gebruikt wanneer superieure oxidatieweerstand vereist is.
Foto door Chris Yates on Unsplash
CrN (PVD)-coatings vinden hun weg naar een steeds groter maar nog steeds selectief aanbod van massaproductiegoederen. Ze kunnen worden gemaakt als enkele CrN-coatings bij gematigde en hoge temperaturen, maar ook als dubbele TiN+CrN-coatings. Bij hoge temperaturen ontstaat een thermionische boog met lage spanning in a BAI 730M Er werd een apparaat gebruikt om CrN af te zetten, terwijl bij lage temperaturen (onder 250 °C) een plasmastraalsputtermethode in een SPUTRON-apparaat werd gebruikt.
De voorwaarden voor een succesvolle gewrichtsartroplastiek zijn zeer streng; een uitgebalanceerde mix van mechanische eigenschappen en goede biocompatibiliteit is vereist. Vanwege hun relatieve inertie, uitstekende dragende eigenschappen en uitstekende slijtvastheid worden op Co-Cr gebaseerde legeringen al vele jaren gebruikt.
Er bestaat echter een risico dat een langzame accumulatie van metaalionen zoals kobalt en chroom tot negatieve klinische resultaten kan leiden. De vraag wordt dus opgeworpen; wat zou hiervoor de mogelijke oplossing moeten zijn?
Daarna werd een dunne laag TiN geplaatst met behulp van Physical Vapour Deposition om de afvoer van potentieel gevaarlijke metaalionen uit op Co-Cr-Mo gebaseerde chirurgische implantaten (PVD) te verminderen. Elektrochemische technieken en atomaire absorptieanalyse werden gebruikt om de in vitro corrosieprestaties te onderzoeken.
Conclusie
PVD Coating wordt ook wel dunnefilmcoating genoemd. Dit is een techniek om enkel- en meerlaagse coatings op monsters aan te brengen. Er zijn veel technieken om PVD-coating aan te brengen, maar de meest toegepaste methoden zijn verdampen en sputteren. Bij deze methoden kunnen we materialen met een laag en hoog smeltpunt gebruiken. PVD-coating kan worden toegepast op een breed scala aan materialen, waaronder thermoplasten. Het monster moet vóór de PVD-coating worden voorbereid en gereinigd in een ultrasone ontvetter. Er is een breed scala aan industriële toepassingen, waaronder de automobielsector, medische implantaten, de lucht- en ruimtevaart, enz. Heeft u nog vragen over PVD-coating? Aarzel niet en laat het ons weten door hieronder te reageren.
