Powłoka PVD (Physical Vapor Deposition), znana również jako powłoka cienkowarstwowa, to technika polegająca na odparowaniu materiału stałego w próżni i nałożeniu go na powierzchnię produktu. Powłoki te nie są jednak zwykłymi warstwami metalu. Zamiast tego, złożone materiały są osadzane atom po atomie, tworząc cienką, połączoną warstwę powierzchniową z metalu lub ceramiki metalowej, która znacząco poprawia wygląd, trwałość i/lub funkcjonalność produktu.
Metoda ta jest szeroko stosowana między innymi w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i medycznym, w celu zapewnienia długotrwałego wyglądu przypominającego biżuterię, lepszej wydajności w dłuższej perspektywie oraz łatwości czyszczenia.
Ale na czym polega proces nakładania powłok PVD? Jak są one osadzane na powierzchni produktu? Ten blog wystarczy, aby omówić to szczegółowo. Zaczynajmy.
Proces powlekania PVD
Metody PVD mogą być stosowane do osadzania powłok jednowarstwowych, wielowarstwowych i wielostopniowych, a także do tworzenia składów i struktur stopów. Strategie te stale się zmieniają i wciąż stanowią źródło inspiracji dla licznych badań.
Technologia cienkowarstwowego osadzania PVD obejmuje szeroki zakres technik osadzania, takich jak naparowywanie wiązką elektronów lub metodą gorącej łodzi, naparowywanie reaktywne oraz platerowanie jonowe. Procesy oparte na rozpylaniu plazmowym lub wiązką jonów również zaliczają się do technik PVD.
Termin PVD jest również używany do opisu osadzania za pomocą łuku elektrycznego, które może być filtrowane lub nie. Najbardziej rozpowszechnionymi procesami PVD do osadzania cienkich warstw są rozpylanie (lub natryskiwanie katodowe) oraz parowanie. Parowanie to proces osadzania cienkiej warstwy atomów z wykorzystaniem ciepła. Natomiast atomy lub cząsteczki są oddzielane od stałego materiału docelowego pod wpływem jonów gazowych w trybie rozpylania (plazma). Obie strategie zostały udoskonalone i przekształcone w szereg odrębnych technik.
Parowanie termiczne
Parowanie termiczne to dobrze znana metoda powlekania cienką warstwą, w której materiał źródłowy odparowuje w komorze próżniowej pod ciśnieniem poniżej 1 × 10−6 tora (1.3 × 10−4 Pa) dzięki nagrzewaniu w wysokiej temperaturze, co pozwala cząsteczkom pary łatwiej i bezpośrednio przedostać się do podłoża, gdzie ponownie krzepną. Osadzanie próżniowe to tradycyjna nazwa procesu parowania termicznego.
W tej procedurze stosuje się łódkę/cewkę rezystancyjną w postaci proszku lub litego pręta, utrzymującą ładunek. Łódka/cewka rezystancyjna jest poddawana działaniu silnego prądu stałego (DC), aby osiągnąć wysokie temperatury topnienia wymagane dla metali, gdzie wysoka próżnia (poniżej 10-4 Pa ) wspomaga parowanie metalu i jego transport do podłoża. To podejście jest szczególnie przydatne w przypadku materiałów o niskiej temperaturze topnienia. Poniższy rysunek przedstawia dwa rodzaje procesów parowania termicznego.
Proces parowania termicznego
Do osadzania cienkich warstw najczęściej stosuje się ogrzewanie rezystancyjne. Ogrzewany rezystancyjnie filament lub łódka, zazwyczaj wykonana z metali ogniotrwałych, takich jak W, Mo lub Ta, z powłokami ceramicznymi lub bez, odparowuje materiały źródłowe. Do odparowywania metali ogniotrwałych stosuje się osadzanie wiązką elektronów, ponieważ proste ogrzewanie rezystancyjne nie jest w stanie odparować materiałów o wysokiej temperaturze topnienia.
Osadzanie rozpyłowe
Rozpylanie to proces PVD, w którym rozpylanie, energia i cząstki wielkości atomowej powodują fizyczne odparowywanie atomów z powierzchni. Osadzanie rozpylaniem pozwala na większą kontrolę nad składem warstw wieloelementowych, a także na szerszy zakres materiałów do osadzenia.
Napylanie jonowe to proces polegający na pokryciu podłoża bardzo cienką, funkcjonalną powłoką. Proces rozpoczyna się od przyłożenia ładunku elektrycznego do katody rozpylającej, co powoduje powstanie plazmy, która powoduje oderwanie materiału od powierzchni docelowej. Podstawą procesu jest bombardowanie jonami materiału źródłowego, czyli tarczy.
Ale jak przebiega osadzanie metodą rozpylania jonowego? Otóż, osadzanie rozpylaniem jonowym może być stosowane do osadzania warstw materiałów pierwiastkowych, jak również warstw stopowych, przy jednoczesnym zachowaniu składu materiału docelowego. Jest to możliwe, ponieważ materiał jest usuwany z celu warstwa po warstwie, co stanowi jedną z kluczowych zalet tego procesu. Umożliwia to osadzanie bardziej złożonych stopów, takich jak Al-Si-Cu do metalizacji półprzewodników oraz stopy metali Cr-A-lY do powłok łopatek turbin lotniczych.
Etapy powlekania PVD
PVD (fizyczne osadzanie z fazy gazowej) to proces powlekania przez odparowanie, który obejmuje przenoszenie materiału na poziomie atomowym. Poniższa sekwencja kroków może być wykorzystana do opisu procesu.
(1) Materiał przeznaczony do osadzenia jest przekształcany w parę za pomocą metod fizycznych (wysokotemperaturowej próżni lub plazmy gazowej),
(2) para jest przenoszona ze źródła do miejsca o niskim ciśnieniu i
(3) para skrapla się na podłożu, tworząc cienką warstwę.
Metody PVD są zazwyczaj stosowane do osadzania cienkich warstw o grubości od kilku do tysięcy nanometrów. Za ich pomocą można tworzyć powłoki wielowarstwowe, osady o stopniowanym składzie, osady o bardzo dużej grubości oraz struktury wolnostojące.
Podłoże do powlekania PVD
Najważniejsze jest to, jaki rodzaj podłoża można zastosować do powlekania PVD. Większość metali można powlekać metodą PVD, podczas gdy niektóre materiały wymagają warstwy bazowej z niklu i chromu, aby poprawić odporność na korozję. Powlekanie PVD to wszechstronna metoda, którą można stosować do szerokiej gamy materiałów, w tym tworzyw termoplastycznych. W przypadku tych materiałów stosowana jest technika LTAVD (niskotemperaturowe łukowe osadzanie z fazy gazowej), która osadza powłoki metalowe w niższej temperaturze niż PVD.
Niektóre materiały bazowe lepiej przylegają do osadu metalu niż inne. Kluczowy jest wybór odpowiedniego procesu, aby uzyskać jak najtrwalsze i najbardziej estetyczne wykończenie metalu. W zależności od materiału, dla uzyskania najlepszych rezultatów może być konieczne zastosowanie galwanizacji niklowej lub chromowej. Niektóre materiały absorbują powłoki PVD łatwiej niż inne.
- Przykładami materiałów, które można powlekać bez użycia warstwy bazowej, są tytan, grafit i stal nierdzewna.
- Stal, mosiądz i miedź – zazwyczaj nikiel/chrom jest powlekany galwanicznie przed obróbką PVD w celu zwiększenia odporności na korozję, ale można go również nakładać bezpośrednio
- Odlewy z tworzyw sztucznych, aluminium i cynku – Zwykle wykorzystuje się metodę niskotemperaturowego łukowego osadzania z fazy gazowej (LTAVD) w celu zapewnienia lepszej odporności na korozję.
Większość podłoży została zamocowana w komorze próżniowej w środkowej pozycji pionowej, a niektóre umieszczono na różnych wysokościach. Większość podłoży umieszczono w środkowej pozycji pionowej, a kilka u dołu i u góry uchwytu podłoża.
Powłoki PVD zyskują coraz większą popularność w wykańczaniu metali, ponieważ można je nakładać na szeroką gamę podłoży lub materiałów bazowych. W zależności od gazów wprowadzanych podczas procesu PVD, można uzyskać różne kolory. Używając powłok PVD do polerowania metalu, nie trzeba ograniczać się do kolorów metalicznych, które są popularne w wielu branżach.
Przed osadzeniem próbki odtłuszczono i oczyszczono w przemysłowej, zautomatyzowanej linii czyszczącej ultradźwiękowej.
Przygotowanie próbek do powlekania PVD
Przygotowanie próbki do nałożenia powłoki PVD jest niezwykle istotne. Jak jednak przygotować próbkę do nałożenia powłoki PVD? Jakie kroki należy podjąć?
W zakładach produkcji masowej podłoże jest czyszczone ultradźwiękowo przed nałożeniem powłoki PVD. Czyszczenie to wieloetapowa procedura, po której następuje płukanie i suszenie.
Zadziory do powlekania metodą PVD przygotowano metodą czyszczenia ultradźwiękowego. Przed powlekaniem z części należy usunąć w jak największym stopniu oleje, smary, emulsję chłodzącą i cząstki stałe.
Pierwszy etap polegał na odtłuszczaniu ultradźwiękowym przy użyciu odtłuszczacza ( pH~11 ) w wodzie dejonizowanej w celu usunięcia zanieczyszczeń powierzchniowych (czas czyszczenia 15 minut), po czym nastąpiło płukanie ultradźwiękowe w wodzie dejonizowanej i suszenie w czystym gorącym powietrzu.
Zalety powłoki PVD
Powłoki PVD są stosowane ze względu na szereg zalet , do których należą:
(i) powłoki utworzone metodą PVD mogą mieć lepsze właściwości niż materiał podłoża;
(ii) można stosować wszystkie rodzaje materiałów nieorganicznych i niektóre rodzaje materiałów organicznych;
(iii) proces ten jest bardziej przyjazny dla środowiska niż wiele innych procesów, np. galwanizacja.
Ale w jaki sposób powłoka PVD poprawia właściwości mechaniczne produktu? Omówmy to szczegółowo.
Zwiększona wytrzymałość
Narzędzie medyczne lub chirurgiczne pokryte powłoką PVD przetrwa 10 razy dłużej niż narzędzie bez tej powłoki. Powłoka PVD tworzy cienką, ale wytrzymałą powłokę materiału, która wolniej ulega korozji.
Wydajność i siła
Dodatkowa powłoka galwaniczna zwiększa wytrzymałość materiału, co przekłada się na trwałość wyrobów medycznych z powłoką PVD. Mniejsze ryzyko wgnieceń i odprysków sprawia, że bardziej wytrzymały instrument chirurgiczny poprawia jego funkcjonalność.
Wyroby medyczne z powłoką PVD poprawiają smarowanie i zwiększają ich wodoodporność. Narzędzia medyczne z powłoką PVD są bardziej biokompatybilne i nie reagują z kością, płynami biologicznymi ani tkanką, w zależności od materiału, którym pokryto urządzenie.
Ostrzenie
Powłoka PVD może pomóc narzędziom chirurgicznym zachować ostrość ostrza na dłużej poprzez poprawę retencji krawędzi.
Zmiana
Do powlekania narzędzi medycznych można użyć różnych kolorowych powłok PVD. Pozwala to na rozróżnienie podobnych narzędzi lub kategoryzację konkretnych materiałów.
Smarowanie części w ruchomych podzespołach mechanicznych jest istotnym zagadnieniem w przemyśle motoryzacyjnym. Przykładami takich elementów są koła zębate, tłoki, krzywki i łożyska. Powłoki PVD stanowią doskonałe rozwiązanie tego problemu. Zmieniają one właściwości powierzchni obrabianych części, obniżając współczynniki tarcia i zwiększając odporność na zużycie.
.
Z drugiej strony PVD ma pewne wady, m.in.
(i) problemy z powlekaniem złożonych form;
(ii) wysokie koszty procesu i niska wydajność; oraz
(iii) złożoność procesu.
Zastosowania przemysłowe powłok PVD
Metody PVD są stosowane do powlekania materiałów w różnych gałęziach przemysłu, w tym:
- Narzędzia skrawające, narzędzia frezarskie, narzędzia wiertnicze, narzędzia formujące, części silników i łożyska.
- W branży motoryzacyjnej, AGD, narzędzi do pisania, elektroniki i branży zabawkarskiej,
- Powłoka dekoracyjna nadaje tworzywom sztucznym metaliczny wygląd.
- Soczewki, elementy optyczne, okulary, ekrany dotykowe i lustra są pokrywane powłokami optycznymi.
- Urządzenia medyczne, takie jak implanty, rozruszniki serca i sprzęt chirurgiczny, są powlekane powłoką odporną na zużycie.
- Powłoka odporna na zużycie szkła ogniw słonecznych i powłoka metalizowana do ogniw słonecznych z krzemu krystalicznego.
- Materiał opakowaniowy z warstwą metalizacyjną.
Cienkie powłoki PVD (Physical Vapour Deposition – fizyczne osadzanie z fazy gazowej) stały się w ostatnich latach coraz bardziej powszechne we wszystkich rodzajach narzędzi skrawających. Technologie te są obecnie szeroko stosowane między innymi w produkcji wierteł, frezów i wytaczadeł.
Powłoki TiN PVD zostały uznane za udoskonalenie w obróbce metali ze stalami o wysokiej wytrzymałości i ścieralności, a także metalami nieżelaznymi, po dziesięciu latach udanego stosowania w cięciu, wykrawaniu, formowaniu na zimno, formowaniu wtryskowym tworzyw sztucznych i odlewaniu ciśnieniowym niektórych stopów metali. Wysoka stabilność termiczna powłoki TiAlN (do 700°C ) okazała się czynnikiem decydującym, wskazując, że powłoka ta powinna być stosowana w przypadku konieczności zapewnienia wysokiej odporności na utlenianie.
Zdjęcie Chrisa Yatesa na Unsplash
Powłoki CrN (PVD) znajdują zastosowanie w coraz szerszym, ale wciąż selektywnym asortymencie wyrobów produkowanych masowo. Mogą być wytwarzane jako pojedyncze powłoki CrN w umiarkowanych i wysokich temperaturach, a także jako podwójne powłoki TiN+CrN. W wysokich temperaturach do osadzania CrN zastosowano niskonapięciowy łuk termionowy w aparacie BAI 730M , natomiast w niskich temperaturach (poniżej 250°C) zastosowano metodę rozpylania plazmowego w aparacie SPUTRON.
Warunki udanej endoprotezoplastyki stawu są bardzo rygorystyczne; wymagane jest zrównoważone połączenie właściwości mechanicznych i dobrej biokompatybilności. Ze względu na swoją względną bezwładność, doskonałe właściwości nośne i doskonałą odporność na zużycie, stopy na bazie kobaltu i chromu są stosowane od wielu lat.
Istnieje jednak ryzyko, że powolna akumulacja jonów metali, takich jak kobalt i chrom, może prowadzić do negatywnych skutków klinicznych. W związku z tym pojawia się pytanie: jakie powinno być możliwe rozwiązanie tego problemu?
Następnie, metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD), nałożono cienką warstwę TiN, aby zmniejszyć emisję potencjalnie niebezpiecznych jonów metali z implantów chirurgicznych na bazie kobaltu, chromu i molibdenu (Co-Cr-Mo). Do zbadania odporności na korozję in vitro wykorzystano techniki elektrochemiczne i analizę absorpcji atomowej.
Wniosek
Powłoka PVD, znana również jako powłoka cienkowarstwowa, to technika osadzania powłok jedno- i wielowarstwowych na próbkach. Istnieje wiele technik osadzania powłok PVD, ale najczęściej stosowanymi metodami są naparowywanie i rozpylanie. W tych metodach możemy wykorzystywać materiały o niskiej i wysokiej temperaturze topnienia. Powłoka PVD może być stosowana na szerokiej gamie materiałów, w tym tworzywach termoplastycznych. Przed nałożeniem powłoki PVD próbkę należy przygotować i oczyścić w odtłuszczaczu ultradźwiękowym. Powłoka PVD znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle, w tym w motoryzacji, implantach medycznych, lotnictwie i kosmonautyce. Masz pytania dotyczące powłok PVD? Nie wahaj się i daj nam znać, komentując poniżej.
