Покриття PVD (фізичне осадження з парової фази), також відоме як тонкоплівкове покриття, — це техніка, яка передбачає випаровування твердого матеріалу у вакуумі та його нанесення на поверхню виробу. Однак ці покриття — це не просто металеві шари. Замість цього складні матеріали наносяться атом за атомом, у результаті чого утворюється тонкий скріплений металевий або металокерамічний поверхневий шар, який значно покращує зовнішній вигляд, довговічність і/або функціональність продукту.
Цей метод широко використовується в аерокосмічній, автомобільній та медичній промисловості, серед іншого, для забезпечення довговічності ювелірного вигляду, кращої тривалої роботи та зручності чищення.
Але що таке PVD-покриття? Як він наноситься на поверхню виробу? Цього блогу буде достатньо, щоб дослідити це детально. Отже, почнемо.
Процес нанесення PVD покриття
Методи PVD можна використовувати для нанесення одношарових, багатошарових і багатошарових систем покриттів, а також композицій і структур сплавів. Ці стратегії постійно змінюються, і вони продовжують бути джерелом натхнення для численних розслідувань.
Тонкоплівкова технологія PVD включає широкий спектр техніки нанесення як випаровування електронним променем або гарячим човном, реактивне випаровування та іонне покриття. Процеси, засновані на розпиленні плазмою або іонним променем, також включені до методів PVD.
PVD також використовується для опису осадження джерела дуги, яке може фільтруватися чи ні. Найбільш поширений процеси PVD Для осадження тонких плівок застосовуються напилення (або катодне напилення) і випаровування. Випаровування - це процес осадження тонкого шару атомів за допомогою тепла в процесі. У той час як атоми або молекули витісняються з твердої мішені впливом газоподібних іонів у режимі розпилення (плазма). Обидві стратегії були вдосконалені в низку різних методів.
Термічне випаровування
Термічне випаровування є добре відомим методом нанесення покриття на тонкий шар, у якому вихідний матеріал випаровується у вакуумній камері під тиском нижче 1 × 10−6 Торр (1.3 × 10−4 Па) завдяки високотемпературному нагріванню, дозволяючи частинкам пари легше і безпосередньо потрапляють на субстрат, де знову твердіють. Вакуумне осадження — традиційна назва процесу термічного випаровування.
У цій процедурі використовується човен, що утримує заряд, або резистивна котушка у формі порошку або твердого бруска. Резистивний човен/котушка піддається дії величезного постійного струму (DC) для досягнення високих температур плавлення, необхідних для металів, де високий вакуум (нижче 10-4 Па) сприяє випаровуванню металу та подальшому транспортуванню до основи. Цей підхід особливо корисний для матеріалів з низькою температурою плавлення. На малюнку нижче показано два типи процесів термічного випаровування.
Процес термічного випаровування
Для осадження тонких плівок найчастіше використовується резистивне нагрівання. Резистивно нагріта нитка або човен, зазвичай виготовлена з тугоплавких металів, таких як W, Mo або Ta, з керамічним покриттям або без нього, випаровує вихідні матеріали. Електронно-променеве осадження використовується для випаровування тугоплавких металів, оскільки простий резистивний нагрів не здатний випаровувати матеріали з високою температурою плавлення.
Осадження розпиленням
Напилення — це процес PVD, у якому вибухові, енергійні та атомарні частинки спричиняють фізичне випаровування атомів із поверхні. Осадження розпиленням дозволяє краще контролювати склад багатоелементних плівок, а також ширший діапазон матеріалів для нанесення.
Напилення покриття це процедура, яка використовується для покриття основи дуже тонким функціональним покриттям. Процедура починається з нанесення електричного заряду на катод розпилення, що створює плазму, яка спричиняє викид матеріалу з поверхні мішені. Основою процесу є іонне бомбардування вихідного матеріалу або мішені.
Але як відбувається осадження методом розпилення? Ну, напилення можна використовувати для нанесення плівок елементарних матеріалів, а також плівок сплавів, зберігаючи при цьому склад цільового матеріалу. Це можливо завдяки тому, що матеріал шар за шаром видаляється з мішені, що є однією з ключових переваг процесу. Це дозволяє осаджувати більш складні сплави, такі як Al-Si-Cu для металізації напівпровідників і металеві сплави Cr-A-lY для покриттів лопатей турбін літаків.
Етапи PVD покриття
PVD (фізичне осадження з парової фази) — це процес нанесення покриття з випаровування, який передбачає перенесення матеріалу на атомному рівні. The наступна послідовність кроків можна використовувати для опису процесу.
(1) Матеріал, який потрібно осадити, перетворюється на пару за допомогою фізичних методів (високотемпературний вакуум або газоподібна плазма),
(2) пара переноситься від джерела до місця низького тиску, і
(3) пара конденсується на підкладці з утворенням тонкої плівки.
Методи PVD зазвичай використовуються для осадження тонких плівок товщиною від кількох нанометрів до тисяч нанометрів. З їх допомогою можна виготовляти багатошарові покриття, градуйовані відкладення композиції, дуже товсті відкладення та окремо стоячі конструкції.
Підкладка для PVD покриття
Найважливіше, який тип підкладки можна використовувати для PVD покриття? Що ж, на більшість металів можна наносити PVD-покриття, тоді як деякі матеріали вимагають базового шару з нікелю та хрому для підвищення стійкості до корозії. PVD-покриття є універсальним методом, який можна застосовувати до широкого діапазону матеріалів, включаючи термопласти. У цих матеріалах використовується технологія LTAVD (низькотемпературне дугове осадження з парової фази), яка наносить металеві покриття при нижчій температурі, ніж PVD.
Деякі основні матеріали прилипають до осадження металу краще, ніж інші. Дуже важливо вибрати правильний процес, щоб отримати найбільш довговічне та привабливе оздоблення металу. Залежно від матеріалу для отримання найкращих результатів може знадобитися гальванічне покриття нікелем або хромом. Деякі матеріали поглинають PVD покриття легше, ніж інші.
- Титан, графіт і нержавіюча сталь є прикладами матеріалів, на які можна наносити покриття без використання базового шару.
- Сталь, латунь і мідь – зазвичай нікель/хром наносять гальванічне покриття перед обробкою PVD для підвищення стійкості до корозії, але можна наносити безпосередньо
- Виливки з пластмас, алюмінію та цинку – зазвичай використовується метод низькотемпературного дугового осадження з парової фази (LTAVD) для чудової стійкості до корозії.
Більшість підкладок були закріплені у вакуумній камері в середньому вертикальному положенні, тоді як деякі були розташовані на різній висоті. Більшість підкладок розташовувалися в середині вертикального положення, а кілька – у нижній і верхній частині тримача підкладок.
PVD-покриття стають все більш популярними для обробки металу, оскільки їх можна наносити на широкий спектр підкладок або основних матеріалів. Різні кольори можуть бути досягнуті в залежності від газів, що вводяться під час процесу PVD. Коли ви використовуєте PVD-покриття для полірування металу, вам не потрібно дотримуватися металевих кольорів, які популярні в багатьох галузях промисловості.
Зразки були знежирені та очищені на промисловій автоматизованій ультразвуковій очисній лінії перед осадженням.
Підготовка зразків для PVD покриття
Підготовка зразка для PVD-покриття дуже важлива. Але як слід готувати зразок для PVD покриття? Які кроки слід зробити?
У масових виробничих приміщеннях підкладка очищається за допомогою ультразвуку перед нанесенням PVD-покриття. Очищення — це багатоетапна процедура, яка супроводжується полосканням і сушінням.
Задирки готували для PVD методом ультразвукового очищення. Масла, мастила, охолоджуючу емульсію та частинки необхідно максимально видалити з деталей перед нанесенням покриття.
Першим етапом було ультразвукове знежирення знежирювачем (pH~11) в деіонізованій воді для видалення поверхневих забруднень (тривалість очищення 15 хвилин), після чого промивають ультразвуком у деіонізованій воді та сушать чистим гарячим повітрям.
Переваги PVD покриття
PVD покриття використовується завдяки його декільком Перевагив тому числі:
(i) покриття, утворені PVD, можуть мати кращі властивості, ніж матеріал підкладки;
(ii) можна використовувати всі типи неорганічних і деякі види органічних матеріалів;
(iii) процес є більш екологічним, ніж багато інших процесів, таких як гальванічне покриття.
Але як покриття PVD покращує механічні властивості продукту? Давайте обговоримо це детально.
Підвищена міцність
Медичний або хірургічний інструмент, на який нанесено PVD-покриття, прослужить у 10 разів довше, ніж інструмент без покриття. Покриття PVD додає тонке, але міцне покриття матеріалу, який довше піддається корозії.
Продуктивність і міцність
Додаткове покриття робить матеріал міцнішим, тому медичні вироби з покриттям PVD забезпечують довговічність. Оскільки ризик утворення вм’ятин або відколів менший, міцніший хірургічний інструмент покращить роботу пристрою.
Медичні вироби з покриттям PVD покращують змащення та роблять їх більш водостійкими. Медичні інструменти з PVD-покриттям створюють більш біосумісний інструмент, який не реагує на кістку, біологічні рідини або тканини, залежно від матеріалу, покритого на пристрої.
Заточення
Покриття PVD може допомогти хірургічному інструменту довше зберігати гостроту леза або кромки, покращуючи утримання кромки.
варіювання
Для покриття медичного інструменту можна використовувати різні кольорові матеріали PVD-покриття. Це можна використовувати, щоб відрізнити подібні інструменти або класифікувати конкретні матеріали.
Змащування деталей механічних компонентів у русі є проблемою в автомобільній промисловості. Прикладами цих частин є шестерні, поршні, кулачки та підшипники. Покриття PVD забезпечили фантастичне вирішення цієї проблеми. Вони змінюють властивості поверхні оброблених деталей, знижуючи коефіцієнти тертя і підвищуючи зносостійкість
.
PVD, навпаки, має деякі недоліки, в т.ч
(і) проблеми з покриттям складних форм;
(ii) висока вартість процесу та низький вихід; і
(iii) складність процесу.
Промислове застосування PVD покриття
Методи PVD використовуються для покриття матеріалів у різноманітних галузях промисловості, у тому числі
- Ріжучий інструмент, фрезерний інструмент, інструмент для свердління, інструмент для формування, деталі двигуна та підшипники.
- У автомобільному бізнесі, побутовій техніці, письмових інструментах, секторі електроніки та промисловості іграшок,
- Декоративне покриття створює металеве враження на пластику.
- Лінзи, оптика, окуляри, сенсорні екрани та дзеркала покриті оптичним покриттям.
- Медичні пристрої, такі як імплантати, кардіостимулятори та хірургічне обладнання, покриті зносостійким покриттям.
- Зносостійке покриття скла для сонячних елементів і металізаційне покриття для кристалічних кремнієвих сонячних елементів.
- Пакувальний матеріал з шаром металізації.
Останніми роками тонкі покриття PVD (Physical Vapor Deposition) стають все більш поширеними для всіх типів ріжучих інструментів. Ці технології в даний час широко використовуються у виробництві свердел, фрез і розточувальних коронок, серед іншого.
Покриття TiN PVD було визнано вдосконаленням для обробки металу з високоміцними та абразивними сталями, а також кольоровими металами після десяти років успішного застосування для різання, штампування, холодного формування, лиття пластмас під тиском і лиття під тиском деяких металевих сплавів. Висока термостабільність покриття TiAlN (до 700 ° C) виявився вирішальним фактором, який вказує на те, що це покриття слід використовувати, коли потрібна висока стійкість до окислення.
Фото Кріс Єйтс on Unsplash
CrN (PVD) покриття знаходять свій шлях до дедалі більшого, але все ще вибіркового асортименту товарів масового виробництва. Вони можуть бути виготовлені як одинарні покриття CrN при помірних і високих температурах, так і подвійні покриття TiN+CrN. При високих температурах термоелектронна дуга низької напруги в a BAI 730M для осадження CrN використовували апарат, а при низьких температурах (нижче 250 °C) використовували метод плазмово-променевого розпилення в апараті SPUTRON.
Умови для успішного ендопротезування суглоба дуже суворі; потрібне добре збалансоване поєднання механічних якостей і хорошої біосумісності. Завдяки своїй відносній інертності, чудовій несучій якості та чудовій зносостійкості сплави на основі Co-Cr використовуються протягом багатьох років.
Однак існує ризик того, що повільне накопичення іонів металів, таких як кобальт і хром, може призвести до негативних клінічних результатів. Отже, постає питання; яке має бути можливе вирішення цього питання?
Після цього було нанесено тонкий шар TiN за допомогою фізичного осадження з парової фази, щоб зменшити викид потенційно небезпечних іонів металу з хірургічних імплантатів на основі Co-Cr-Mo (PVD). Електрохімічні методи та атомно-абсорбційний аналіз були використані для дослідження корозійних характеристик in vitro.
Висновок
PVD покриття також відоме як тонкоплівкове покриття. Це техніка нанесення одно- та багатошарових покриттів на зразки. Існує багато методів нанесення PVD-покриття, але найпоширенішими методами є випаровування та напилення. У цих методах ми можемо використовувати матеріали з низькою та високою температурою плавлення. PVD покриття можна наносити на широкий спектр матеріалів, включаючи термопласти. Зразок слід підготувати та очистити в ультразвуковому знежирювачі перед нанесенням PVD покриття. Існує широкий спектр промислових застосувань, зокрема в автомобілях, медичних імплантатах, аерокосмічній промисловості тощо. Чи є у вас запитання щодо покриття PVD? Не соромтеся, просто дайте нам знати, залишивши коментарі нижче.
