Покрытие PVD (физическое осаждение из паровой фазы), также известное как тонкопленочное покрытие, представляет собой технологию, которая включает испарение твердого материала в вакууме и осаждение его на поверхность продукта. Однако эти покрытия представляют собой не просто металлические слои. Вместо этого сложные материалы осаждаются атом за атомом, в результате чего получается тонкий, связанный металлический или металлокерамический поверхностный слой, который значительно улучшает внешний вид продукта, его долговечность и/или функциональность.
Этот метод широко используется, среди прочего, в аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности, чтобы обеспечить долговечный вид ювелирного изделия, лучшую долговременную производительность и удобство чистки.
Но каков процесс PVD-покрытий? Как они наносятся на поверхность изделия? Этого блога будет достаточно, чтобы подробно рассмотреть это. Итак, начнем.
Процесс покрытия PVD
Методы PVD могут использоваться для нанесения однослойных, многослойных и многоступенчатых систем покрытий, а также составов и структур сплавов. Эти стратегии постоянно меняются и продолжают служить источником вдохновения для многочисленных исследований.
Технология тонких пленок PVD включает в себя широкий спектр методы осаждения такие как электронно-лучевое испарение или испарение в горячей лодке, реактивное испарение и ионное осаждение. Процессы, основанные на распылении плазмой или ионным пучком, также включены в методы PVD.
PVD также используется для описания осаждения источника дуги, которое можно фильтровать или нет. Самый распространенный PVD-процессы для нанесения тонких пленок используются напыление (или катодное напыление) и испарение. Испарение — это процесс нанесения тонкого слоя атомов с использованием тепла. Тогда как атомы или молекулы выбиваются из твердой мишени под воздействием газообразных ионов в режиме распыления (плазмы). Обе стратегии были усовершенствованы в ряд различных методов.
Термическое испарение
Термическое испарение — это хорошо известный метод нанесения тонкого слоя, при котором исходный материал испаряется в вакуумной камере при давлении ниже 1 × 10–6 Торр (1.3 × 10–4 Па) за счет высокотемпературного нагрева, что позволяет частицам пара легче и непосредственно переходят к подложке, где они снова затвердевают. Вакуумное осаждение — традиционное название процесса термического испарения.
В этой процедуре используется лодочка для удержания заряда или резистивная катушка в виде порошка или твердого стержня. Резистивная лодочка/катушка подвергается воздействию огромного постоянного тока (DC) для достижения высоких температур плавления, необходимых для металлов, где высокий вакуум (ниже 10-4 Па) способствует испарению металла и последующему транспорту к подложке. Этот подход особенно полезен для материалов с низкой температурой плавления. На рисунке ниже изображены два типа процессов термического испарения.
Процесс термического испарения
Для осаждения тонких пленок чаще всего используется резистивный нагрев. Нить или лодочка, нагретая резистивным способом, обычно изготовленная из тугоплавких металлов, таких как W, Mo или Ta, с керамическим покрытием или без него, испаряет исходные материалы. Электронно-лучевое осаждение используется для испарения тугоплавких металлов, поскольку простой резистивный нагрев не способен испарить материалы с высокой температурой плавления.
Напыление
Напыление — это процесс PVD, при котором взрывные, энергичные частицы атомного размера вызывают физическое испарение атомов с поверхности. Напыление позволяет лучше контролировать состав многоэлементных пленок, а также более широкий спектр наносимых материалов.
Напыление покрытия это процедура, которая используется для нанесения на подложку очень тонкого функционального покрытия. Процедура начинается с подачи электрического заряда на распылительный катод, который создает плазму, вызывающую выброс материала с поверхности мишени. Ионная бомбардировка исходного материала или мишени является основой процесса.
Иллюстрация процесса распыления
Но как происходит осаждение распылением? Ну, осаждение распылением может использоваться для осаждения элементарных пленок материалов, а также пленок сплавов, сохраняя при этом состав материала мишени. Это возможно, поскольку материал удаляется с мишени слой за слоем, что является одним из ключевых преимуществ процесса. Это позволяет наносить более сложные сплавы, такие как Al-Si-Cu для металлизации полупроводников и металлические сплавы Cr-A-lY для покрытий лопаток авиационных турбин.
Этапы нанесения PVD-покрытия
PVD (физическое осаждение из паровой фазы) — это процесс нанесения покрытия методом испарения, который включает перенос материала на атомном уровне. следующая последовательность шагов можно использовать для описания процесса.
(1) Наносимый материал преобразуется в пар физическими методами (высокотемпературный вакуум или газовая плазма),
(2) пар переносится из источника в место с низким давлением, и
(3) пар конденсируется на подложке, образуя тонкую пленку.
Методы PVD обычно используются для нанесения тонких пленок толщиной от нескольких нанометров до тысяч нанометров. С их помощью можно создавать многослойные покрытия, покрытия с градиентным составом, очень толстые покрытия и отдельно стоящие конструкции.
Подложка для PVD покрытия
Самое главное – какой тип подложки можно использовать для PVD-покрытия? Что ж, большинство металлов можно покрыть PVD, в то время как для некоторых материалов требуется базовый слой никеля и хрома для повышения коррозионной стойкости. PVD-покрытие — универсальный метод, который можно наносить на широкий спектр материалов, включая термопласты. В этих материалах используется метод LTAVD (низкотемпературное дуговое осаждение из паровой фазы), при котором металлические покрытия наносятся при более низкой температуре, чем PVD.
Некоторые базовые материалы лучше прилипают к металлическому напылению, чем другие. Крайне важно выбрать правильный процесс, чтобы получить наиболее прочную и привлекательную металлическую отделку. Для достижения наилучших результатов может потребоваться никелевое или хромовое гальванопокрытие в зависимости от материала. Некоторые материалы легче впитывают покрытия PVD, чем другие.
- Титан, графит и нержавеющая сталь являются примерами материалов, на которые можно наносить покрытие без использования базового слоя.
- Сталь, латунь и медь. Обычно никель/хром наносят гальваническим способом перед обработкой PVD для повышения коррозионной стойкости, но можно наносить и напрямую.
- Отливки из пластмассы, алюминия и цинка. Обычно используется метод низкотемпературного дугового осаждения из паровой фазы (LTAVD) для обеспечения превосходной коррозионной стойкости.
Большинство подложек фиксировались в вакуумной камере в среднем вертикальном положении, а некоторые располагались на различной высоте. Большинство подложек располагалось в середине вертикального положения, а некоторые - внизу и вверху держателя подложек.
Покрытия PVD становятся все более популярными для отделки металла, поскольку их можно наносить на широкий спектр подложек или базовых материалов. Различные цвета могут быть получены в зависимости от газов, вводимых в процессе PVD. Когда вы используете покрытия PVD для полировки металла, вам не обязательно придерживаться металлических цветов, которые популярны во многих отраслях промышленности.
Перед нанесением образцы были обезжирены и очищены на автоматизированной линии ультразвуковой очистки промышленного размера.
Подготовка образцов для PVD-покрытия
Подготовка проб для PVD-покрытия очень важна. Но как следует подготовить образец для нанесения PVD-покрытия? Какие шаги следует предпринять?
На предприятиях массового производства перед нанесением PVD-покрытия подложка очищается ультразвуком. Чистка представляет собой многоступенчатую процедуру, за которой следует ополаскивание и сушка.
Заусенцы были подготовлены для PVD с использованием технологии ультразвуковой очистки. Перед нанесением покрытия необходимо максимально удалить с деталей масла, смазки, охлаждающую эмульсию и частицы.
Первым этапом было ультразвуковое обезжиривание обезжиривателем (pH~11) в деионизированной воде для устранения поверхностных загрязнений (продолжительность очистки 15 минут) с последующей ультразвуковой промывкой в деионизированной воде и сушкой чистым горячим воздухом.
Преимущества PVD-покрытия
Покрытие PVD используется из-за его нескольких ПреимуществаСреди них:
(i) покрытия, сформированные методом PVD, могут иметь лучшие свойства, чем материал подложки;
(ii) могут использоваться все типы неорганических и некоторые типы органических материалов;
(iii) этот процесс более экологичен, чем многие другие процессы, такие как гальваника.
Но, как покрытие PVD повышает механические свойства продукта? Давайте обсудим это подробно.
Повышенная долговечность
Медицинский или хирургический инструмент с PVD-покрытием прослужит в 10 раз дольше, чем инструмент без покрытия. PVD-покрытие создает тонкое, но прочное покрытие из материала, которому требуется больше времени для коррозии.
Производительность и сила
Добавленное покрытие делает материал более прочным, поэтому PVD-покрытие медицинских изделий помогает с долговечностью. Поскольку опасность вмятин или сколов меньше, более прочный хирургический инструмент улучшит функционирование устройства.
Медицинские приборы с PVD-покрытием улучшают смазку и делают их более водостойкими. Медицинские инструменты с PVD-покрытием создают более биосовместимый инструмент, который не реагирует на кость, биологические жидкости или ткани, в зависимости от материала, нанесенного на устройство.
Заострение
PVD-покрытие может помочь хирургическому инструменту дольше сохранять остроту лезвия или кромки за счет улучшения удержания кромки.
Изменение
Для покрытия медицинского инструмента можно использовать различные цветные материалы с PVD-покрытием. Это можно использовать для различения схожих инструментов или для категоризации конкретных расходных материалов.
Смазка деталей в движущихся механических компонентах является проблемой в автомобильной промышленности. Примерами таких деталей являются шестерни, поршни, кулачки и подшипники. Покрытия PVD стали фантастическим решением этой проблемы. Они изменяют свойства поверхности обработанных деталей, снижая коэффициенты трения и увеличивая износостойкость
.
С другой стороны, PVD имеет некоторые недостатки, в том числе
(i) проблемы с покрытием сложных форм;
(ii) высокая стоимость процесса и низкая производительность; и
(iii) сложность процесса.
Промышленное применение PVD-покрытия
Методы PVD используются для покрытия материалов в различных отраслях промышленности, в том числе
- Режущий инструмент, фрезерный инструмент, сверлильный инструмент, формовочный инструмент, детали двигателя и подшипники.
- В автомобильном бизнесе, бытовой технике, пишущих инструментах, электронике и производстве игрушек
- Декоративное покрытие создает на пластике металлический отпечаток.
- Линзы, оптика, очки, сенсорные экраны и зеркала покрыты оптическим покрытием.
- Медицинские устройства, такие как имплантаты, кардиостимуляторы и хирургическое оборудование, покрыты износостойким покрытием.
- Износостойкое покрытие стекла солнечных элементов и покрытие металлизации для солнечных элементов из кристаллического кремния.
- Упаковочный материал со слоем металлизации.
В последние годы тонкие покрытия PVD (физическое осаждение из паровой фазы) становятся все более распространенными для всех типов режущих инструментов. Эти технологии в настоящее время широко применяются в производстве сверл, фрез, расточных долот и других изделий.
Покрытия TiN PVD были признаны усовершенствованием в металлообработке высокопрочных и абразивных сталей, а также цветных металлов после десяти лет успешного применения при резке, штамповке, холодной штамповке, литье пластмасс под давлением и литье под давлением некоторых металлических сплавов. Высокая термическая стабильность покрытия TiAlN (до 700 ° C), оказалось решающим фактором, указывающим на то, что это покрытие следует использовать, когда требуется превосходная стойкость к окислению.
Фото Крис Йейтс on Unsplash
Покрытия CrN (PVD) находят свое применение в постоянно расширяющемся, но все еще избирательном ассортименте товаров массового производства. Они могут быть изготовлены как одиночные покрытия CrN при умеренных и высоких температурах, так и двойные покрытия TiN+CrN. При высоких температурах термоэмиссионная дуга низкого напряжения в БАЙ 730М Для осаждения CrN использовался аппарат, а при низких температурах (ниже 250 °С) применялся метод плазменно-лучевого распыления в аппарате СПУТРОН.
Условия для успешного эндопротезирования суставов очень строгие; требуется хорошо сбалансированное сочетание механических свойств и хорошей биосовместимости. Благодаря своей относительной инертности, выдающимся несущим качествам и превосходной износостойкости сплавы на основе Co-Cr используются уже много лет.
Однако существует риск того, что медленное накопление ионов металлов, таких как кобальт и хром, может привести к негативным клиническим результатам. Таким образом, возникает вопрос; какое должно быть возможное решение этой проблемы?
После этого с помощью физического осаждения из паровой фазы был нанесен тонкий слой TiN, чтобы уменьшить выброс потенциально опасных ионов металлов из хирургических имплантатов на основе Co-Cr-Mo (PVD). Электрохимические методы и атомно-абсорбционный анализ использовались для изучения коррозионных характеристик in vitro.
Заключение
PVD-покрытие также известно как тонкопленочное покрытие. Это метод нанесения на образцы одно- и многослойных покрытий. Существует множество методов нанесения PVD-покрытий, но наиболее часто применяемыми методами являются испарение и напыление. В этих методах мы можем использовать материалы с низкой и высокой температурой плавления. PVD-покрытие можно наносить на широкий спектр материалов, включая термопласты. Перед нанесением PVD-покрытия образец следует подготовить и очистить в ультразвуковом обезжиривателе. Существует широкий спектр промышленных применений, включая автомобилестроение, медицинские имплантаты, аэрокосмическую промышленность и т. д. Тем не менее, у вас есть вопросы о PVD-покрытии? Не стесняйтесь, просто дайте нам знать, оставив комментарий ниже.
