PVD-beläggning (fysisk ångdeponering), även känd som tunnfilmsbeläggning, är en teknik som innebär att ett fast material förångas i vakuum och deponeras på en produkts yta. Dessa beläggningar är dock inte bara metalllager. Istället deponeras komplexa material atom för atom, vilket resulterar i ett tunt, bundet metall- eller metall-keramiskt ytlager som dramatiskt förbättrar en produkts utseende, hållbarhet och/eller funktion.
Denna metod används i stor utsträckning inom bland annat flyg-, fordons- och medicinindustrin för att ge ett långvarigt smyckesliknande utseende, bättre långsiktiga prestanda och bekvämlighet vid rengöring.
Men hur går PVD-beläggningar till? Hur appliceras de på produktytan? Den här bloggen kommer att räcka för att utforska detta i detalj. Så, låt oss börja.
PVD-beläggningsprocess
PVD-metoder kan användas för att belägga enskiktade, flerskiktade och flergraderade beläggningssystem, såväl som legeringskompositioner och strukturer. Dessa strategier förändras ständigt och de fortsätter att vara en inspirationskälla för många undersökningar.
PVD-tunnfilmstekniken omfattar ett brett utbud av deponeringstekniker såsom elektronstråle- eller varmvattenavdunstning, reaktiv avdunstning och jonplätering. Processer baserade på sputtering, oavsett om det är med plasma eller jonstråle, ingår likaledes i PVD-tekniker.
PVD används också för att beskriva avsättning från ljusbågskällor, vilket kan filtreras eller inte. Den vanligaste PVD-processer För tunnfilmsavsättning används sputtering (eller katodisk sprutning) och indunstning. Indunstning är processen att avsätta ett tunt lager av atomer med hjälp av värme i processen. Atomerna eller molekylerna lossnar från det fasta målet genom inverkan av gasformiga joner i sputterläget (plasma). Båda strategierna har förfinats till ett antal distinkta tekniker.
Termisk avdunstning
Termisk avdunstning är en välkänd metod för att belägga ett tunt lager där källmaterialet avdunstar i en vakuumkammare under 1 × 10⁻⁶ torr (1.3 × 10⁻⁴ Pa) på grund av högtemperaturvärme, vilket gör att ångpartiklarna lättare och mer direkt kan gå till ett substrat, där de stelnar igen. Vakuumdeponering är det traditionella namnet för termisk avdunstningsprocessen.
En laddningshållande båt eller resistiv spole i form av ett pulver eller en fast stång används i denna procedur. Den resistiva båten/spolen utsätts för en enorm likström (DC) för att uppnå de höga smälttemperaturer som krävs för metaller, där det höga vakuumet (under 10–4 Pa) hjälper till vid avdunstning av metallen och efterföljande transport till substratet. Denna metod är särskilt användbar för material med låg smältpunkt. Figuren nedan visar två typer av termiska avdunstningsprocesser.
Termisk avdunstningsprocess
För avsättning av tunna filmer används oftast resistiv uppvärmning. Ett resistivt uppvärmt filament eller båt, vanligtvis tillverkat av eldfasta metaller som W, Mo eller Ta med eller utan keramiska beläggningar, förångar källmaterialen. Elektronstråleavsättning används för att förånga eldfasta metaller eftersom enkel resistiv uppvärmning inte kan förånga material med hög smältpunkt.
Sputteravsättning
Sputtering är en PVD-process där sprängande, energiska och atomstora partiklar orsakar fysisk förångning av atomer från en yta. Sputterdeponering möjliggör mer kontroll över sammansättningen av flerelementfilmer samt ett bredare spektrum av material som kan deponeras.
Sputterbeläggning är en procedur som används för att belägga ett substrat med en mycket tunn, funktionell beläggning. Proceduren börjar med att en elektrisk laddning appliceras på en sputterkatod, vilket skapar ett plasma som gör att materialet stöts ut från målytan. Jonbombardemang av källmaterial, eller mål, är grunden för processen.
Illustration av sputteringprocessen
Men hur går sputterdeponering till? Sputterdeponering kan användas för att deponera elementära materialfilmer såväl som legeringsfilmer samtidigt som målmaterialets sammansättning bibehålls. Detta är möjligt eftersom materialet avlägsnas lager för lager från målet, vilket är en av processens viktigaste fördelar. Detta möjliggör deponering av mer komplicerade legeringar som Al-Si-Cu för halvledarmetallisering och metall-Cr-A-lY-legeringar för beläggningar på flygplansturbinblad.
Steg för PVD-beläggning
PVD (fysisk ångdeponering) är en förångningsbeläggningsprocess som involverar materialöverföring på atomnivå. följande sekvens av steg kan användas för att beskriva processen.
(1) Materialet som ska deponeras omvandlas till ånga med hjälp av fysikaliska metoder (högtemperaturvakuum eller gasformig plasma),
(2) ångan överförs från sin källa till en plats med lågt tryck, och
(3) ångan kondenserar på substratet och bildar en tunn film.
PVD-metoder används vanligtvis för att belägga tunna filmer med tjocklekar från några få nanometer till tusentals nanometer. Flerskiktsbeläggningar, graderade kompositionsbeläggningar, mycket tjocka beläggningar och fristående strukturer kan alla tillverkas med dem.
Substrat för PVD-beläggning
Det viktigaste är vilken typ av substrat som kan användas för PVD-beläggning? De flesta metaller kan PVD-beläggas, medan vissa material kräver ett baslager av nickel och krom för att förbättra korrosionsbeständigheten. PVD-beläggning är en mångsidig metod som kan tillämpas på en mängd olika material, inklusive termoplaster. LTAVD-tekniken (Low-temperature arc vapor deposition), som avsätter metallbeläggningar vid en lägre temperatur än PVD, används i dessa material.
Vissa basmaterial fäster bättre vid metallbeläggningen än andra. Det är avgörande att välja rätt process för att få den mest hållbara och tilltalande metallfinishen. Nickel- eller kromelektroplätering kan krävas för bästa resultat, beroende på materialet. Vissa material absorberar PVD-beläggningar lättare än andra.
- Titan, grafit och rostfritt stål är exempel på material som kan beläggas utan att använda ett baslager.
- Stål, mässing och koppar – Vanligtvis elektropläteras nickel/krom före PVD-bearbetning för förbättrad korrosionsbeständighet, men kan appliceras direkt
- Plast-, aluminium- och zinkgjutgods – Använder vanligtvis lågtemperaturmetoden för bågångavsättning (LTAVD) för överlägsen korrosionsbeständighet.
Majoriteten av substraten fixerades i vakuumkammaren i mitten av den vertikala positionen, medan vissa placerades på varierande höjder. Majoriteten av substraten placerades i mitten av den vertikala positionen, med några längst ner och överst på substrathållaren.
PVD-beläggningar blir alltmer populära för metallbehandling eftersom de kan appliceras på en mängd olika underlag eller basmaterial. Olika färger kan uppnås beroende på de gaser som introduceras under PVD-processen. När du använder PVD-beläggningar för att polera din metall behöver du inte hålla dig till metallfärger, som är populära i många branscher.
Proverna avfettades och rengjordes i en automatiserad ultraljudsrengöringslinje av industriell storlek före deponering.
Provberedning för PVD-beläggning
Provberedning för PVD-beläggning är mycket viktigt. Men hur ska ett prov förberedas för PVD-beläggning? Vilka steg bör vidtas?
I massproduktionsanläggningar rengörs substratet med ultraljud innan PVD-beläggningen appliceras. Rengöring är en flerstegsprocedur som följs av sköljning och torkning.
Grader förbereddes för PVD med ultraljudsrengöringsteknik. Oljor, smörjmedel, kylande emulsion och partiklar måste avlägsnas från delarna så mycket som möjligt före beläggning.
Det första steget var ultraljudsavfettning med ett avfettningsmedel (pH~11) i avjoniserat vatten för att eliminera ytföroreningar (rengöringstid 15 minuter), följt av ultraljudssköljning i avjoniserat vatten och torkning i ren varmluft.
Fördelar med PVD-beläggning
PVD-beläggning används på grund av dess flera fördelar, Inklusive:
(i) beläggningar som bildas med PVD kan ha bättre egenskaper än substratmaterialet;
(ii) alla typer av oorganiska och vissa typer av organiska material kan användas;
(iii) processen är mer miljövänlig än många andra processer, såsom galvanisering.
Men hur ökar PVD-beläggning produktens mekaniska egenskaper? Låt oss diskutera detta i detalj.
Förbättrad hållbarhet
Ett medicinskt eller kirurgiskt verktyg som har PVD-pläterats håller 10 gånger längre än ett som inte har det. PVD-plätering ger ett tunt men robust materiallager som tar längre tid att korrodera.
Prestanda och styrka
Den extra pläteringen gör materialet tåligare, därför bidrar PVD-beläggningen till hållbarheten hos medicinska artiklar. Eftersom det finns mindre risk för bucklor eller flisor, kommer ett mer robust kirurgiskt instrument att förbättra enhetens funktion.
PVD-belagda medicintekniska produkter förbättrar smörjningen och gör dem mer vattenbeständiga. PVD-belagda medicinska verktyg skapar ett mer biokompatibelt verktyg som inte reagerar med ben, biologiska vätskor eller vävnad, beroende på vilket material som beläggs på enheten.
Skärpning
PVD-beläggning kan hjälpa ett kirurgiskt verktyg att hålla sitt blad eller sin egg vassare längre genom att förbättra eggbeständigheten.
Variation
Olika färgade PVD-beläggningsmaterial kan användas för att belägga ett medicinskt verktyg. Detta kan användas för att skilja mellan liknande verktyg eller för att kategorisera specifika förnödenheter.
Smörjning av delar i mekaniska komponenter i rörelse är ett problem inom bilindustrin. Kugghjul, kolvar, kammar och lager är exempel på dessa delar. PVD-beläggningar har varit en fantastisk lösning på denna utmaning. De förändrar de behandlade delarnas ytegenskaper, sänker friktionskoefficienterna och ökar slitstyrkan.
.
PVD har å andra sidan vissa nackdelar, inklusive
(i) problem med beläggning av komplexa former;
(ii) hög processkostnad och låg produktion; och
(iii) processkomplexitet.
PVD-beläggningens industriella tillämpningar
PVD-metoder används för att belägga material i en mängd olika industritillämpningar, inklusive
- Skärande verktyg, fräsverktyg, borrverktyg, gjutverktyg, motordelar och lager.
- Inom fordonsbranschen, hushållsapparater, skrivverktyg, elektroniksektorn och leksaksindustrin,
- Den dekorativa beläggningen skapar ett metalliskt intryck på plast.
- Linser, optik, glasögon, pekskärmar och speglar är alla belagda med en optisk beläggning.
- Medicintekniska produkter, såsom implantat, pacemakers och kirurgisk utrustning, är belagda med en slitstark beläggning.
- Slitstark beläggning och metalliseringsbeläggning av solcellsglas för kristallina kiselsolceller.
- Förpackningsmaterial med ett metalliseringsskikt.
Tunna PVD-beläggningar (fysisk ångdeposition) har blivit allt vanligare för alla typer av skärinstrument under senare år. Dessa tekniker används för närvarande i stor utsträckning vid tillverkning av borrkronor, fräsar och hålborrkronor, bland annat.
TiN PVD-beläggningar erkändes som en förbättring för metallbearbetning med höghållfasta och slipande stål samt icke-järnmetaller efter tio års framgångsrik tillämpning inom skärning, stansning, kallformning, formsprutning av plast och pressgjutning av vissa metalllegeringar. Den höga termiska stabiliteten hos TiAlN-beläggningen (upp till 700 ° C) verkade vara den avgörande faktorn, vilket indikerade att denna beläggning bör användas när överlägsen oxidationsbeständighet krävs.
Foto: Chris Yates on Unsplash
CrN (PVD)-beläggningar hittar sin väg till ett ständigt växande men fortfarande selektivt utbud av massproducerade varor. De kan tillverkas som enkla CrN-beläggningar vid måttliga och höga temperaturer, såväl som dubbla TiN+CrN-beläggningar. Vid höga temperaturer kan en lågspänningstermjonisk ljusbåge i en BAI 730M En apparat användes för att avsätta CrN, medan en plasmastrålesputtringsmetod i en SPUTRON-apparat användes vid låga temperaturer (under 250 °C).
Villkoren för en lyckad ledprotesoperation är mycket strikta; en välbalanserad blandning av mekaniska egenskaper och god biokompatibilitet krävs. På grund av deras relativa tröghet, enastående lastbärande egenskaper och utmärkta slitstyrka har Co-Cr-baserade legeringar använts i många år.
Det finns dock en risk att en långsam ansamling av metalljoner som kobolt och krom kan leda till negativa kliniska resultat. Därför uppstår frågan; vad bör vara den möjliga lösningen på detta?
Därefter applicerades ett tunt lager TiN med hjälp av fysisk ångdeponering för att minska utsläppet av potentiellt farliga metalljoner från Co-Cr-Mo-baserade kirurgiska implantat (PVD). Elektrokemiska tekniker och atomabsorptionsanalys användes för att undersöka korrosionsprestanda in vitro.
Slutsats
PVD-beläggning är även känd som tunnfilmsbeläggning. Detta är en teknik för att applicera en- och flerskiktsbeläggningar på prover. Det finns många tekniker för att applicera PVD-beläggning, men de vanligaste metoderna är avdunstning och sputtering. I dessa metoder kan vi använda material med låg och hög smältpunkt. PVD-beläggning kan appliceras på en mängd olika material, inklusive termoplaster. Provet bör förberedas och rengöras i en ultraljudsavfettningsanordning före PVD-beläggning. Det finns ett brett spektrum av industriella tillämpningar, inklusive fordonsindustrin, medicinska implantat, flyg- och rymdindustrin etc. Har du fortfarande några frågor om PVD-beläggning? Tveka inte att låta oss veta genom att kommentera nedan.
