KOLOS PPCNWP

KOLOS PPCNWP

Obróbka powierzchniowa

Warstwa wierzchnia – warstwa materiału ograniczona rzeczywista powierzchnią przedmiotu, obejmująca tę powierzchnię oraz część materiału wgłąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne i niekiedy chemiczne w stosunku do cech tego materiału w głębi przedmiotu.

Powłoka – warstwa materiału wytworzona w sposób naturalny lub sztuczny albo nałożona sztucznie na powierzchnię przedmiotu z innego materiału, w celu uzyskania określonych właściwości technicznych lub dekoracyjnych.

Najważniejsze własności eksploatacyjne warstwy powierzchniowej:

Adhezja – jest zjawiskiem trwałego i silnego łączenia się warstw powierzchniowych dwóch różnych (stałych lub ciekłych) ciał (faz) doprowadzonych do zetknięcia. Przyczyną adhezji (przylegania) jest występowanie sił przyciągania (np. sił van der Waals’a, wiązań jonowych i metalicznych) pomiędzy cząsteczkami stykających się ciał. Wielkość adhezji określa się wartością siły (lub pracy) potrzebnej do rozłączenia przywierających ciał, przypadającą na jednostkę powierzchni kontaktu.

ABsorbcja - jest procesem fizykochemicznym przenikania masy, polegającym na pochłanianiu składnika, zwykle mieszaniny gazu, zwanego absorbatem, przez ciecz lub ciało stałe (zwanych absorbentem) i równomiernym rozpuszczeniu go w całej masie absorbentu. Jest to proces objętościowy, tzn. cała objętość absorbentu pochłania równomiernie absorbat. Zjawisku pochłaniania objętościowego często towarzyszy dyfuzja absorbatu. W inżynierii powierzchni wykorzystywana jest absorpcja gazów przez metale i ich stopy, głównie w celu nasycenia warstwy wierzchniej dyfundującym pierwiastkiem.

Adsorpcja – jest procesem przyciągania substancji (gazów, par, ciał stałych rozpuszczonych w roztworze, jonów i cieczy) i gromadzenia się jej na powierzchni ciał stałych i cieczy (na granicy dwóch faz, np. stałej i gazowej, stałej i ciekłej, ciekłej i gazowej). Adsorpcja przejawia się w zmianach stężeń substancji w warstwie granicznej między dwiema sąsiednimi fazami i zależy zarówno od właściwości ciała adsorbującego (adsorbentu), jak i adsorbowanego (adsorbatu). Większą adsorpcją oznaczają się ciała o rozwiniętej powierzchni (np. ciała porowate, chropowate) niż ciała o powierzchni nie rozwiniętej.

Czym jest próżnia ?

Próżnia to stan gazu, którego koncentracja bądź ciśnienie są niższe od ciśnienia lub koncentracji powietrza atmosferycznego tuż przy powierzchni ziemi.

Niskie ciśnienie wysoka próżnia

Wysokie ciśnienie niska próżnia

Miara próżni:

Jednostki

Systematyka próżni (próznia-zakres):

Wytwarzanie próżni:

Pompy wytwarzające próżnię można podzielić w zależności od tego, co dzieje się z gazem, który pompują:

W celu uzyskiwania wysokich próżni pompy można ze sobą łączyć w tzw. Kaskady, otrzymując etapy o różnych ciśnieniach. W zależności od klasy czystości próżni, łączyć ze sobą można pompy olejowe lub bezsmarowe. Próżniomierz należy dobierać tak, aby był w stanie pokazać pełny zakres ciśnień otrzymywanych w czasie pompowania.

Pompy objętościowe – operują w zakresie niskich ciśnień (atm - ~10-3 mbar). Poza niektórymi zastosowaniami pełnią rolę pomp wytwarzających próżnię wstępną i odbierających z wylotu pomp do wytwarzania próżni wysokich. Przykładem jest pompa obrotowa olejowa z suwakami w wirniku.

Wady pomp olejowych to zmniejszanie szybkości pompowania w zakresie niższych ciśnień (<1 Pa) i wprowadzenie par oleju do obszaru pompowanego. Wad tych nie mają tzw. Pompy bezsmarowe. Przykładem pompy bezsmarowej jest pompa Rootsa. W pompie tej nie ma fizycznego kontaktu pomiędzy wirnikami i statorem – nie wymaga więc uszczelniania i chłodzenia.

Pompy molekularne – cząsteczki gazu uderzają w szubko poruszająca się powierzchnię i nabierają dodatkowej prędkości w kierunku pompowania. Wyróżnia się pompy molekularne (właściwe) i pompy turbomolekularne. Próżnia końcowa rzędu 10-6 mbar przy próżni wstępnej rzędu kilku Pa. Części smarowane znajdują się od strony próżni wstępnej co zmniejsza ilość par smaru w obszarze pompowany. Same pompy molekularne mają ograniczone zastosowanie, niemniej stosuje się je w kombinacji z pompami turbomolekularnymi na ich wysokociśnieniowym wylocie tworząc pompy z tarciem molekularnym.

Pomiar próżni:

Charakterystyka procesów nanoszenia powłok z fazy gazowej:

Wśród wielu technik zwiększających trwałość powierzchni materiałów inżynierskich istotną rolę w praktyce przemysłowej odgrywają metody:

CVD

Metoda CVD polega na tworzeniu warstw węglików i azotków metali, np. chromu, wanadu, tytanu, tantalu lub cyrkonu, ze składników atmosfery gazowej na powierzchni obrabianego przedmiotu w wyniku reakcji chemicznej. Wytwarzanie warstw metodą SVD następuje w szczelnym reaktorze, w wyniku niejednorodnych katalizowanych chemicznie i fizycznie reakcji na powierzchni stali w temperaturze ok. 1000oC i przy ciśnieniu 1*105 ÷ 1,35*103 Pa. Proces prowadzony jest w atmosferach gazowych zawierających zwykle pary związków chemicznych metalu stanowiącego podstawowy składnik wytworzonej warstwy (węglikowej, azotkowej, borkowej, tlenkowej) w temperaturze 900-1000oC.

Najczęściej atmosfery złożone są z lotnego halogenku pierwiastka dyfundującego oraz węglowodoru, azotu, wodoru lub gazu obojętnego, np. argonu. W wyniku reakcji chemicznej zachodzącej na powierzchni metalu wydzielają się atomy (np. boru, chromu, tytanu, tantalu lub aluminium), ze związku (np. BCl3, CrCl2, TiCl4, Al2Cl3). Drugi składnik warstwy pochodzi z podłoża (np. węgiel w przypadku warstw węglikowych) lub z atmosfery (np. azot czy tlen w przypadku warstw azotkowych lub tlenkowych).

Klasyfikacja reakcji procesów CVD

AX(g) A(s) + X(g)

Gdzie: AX – związek gazowy, A – materiał stały, X – gazowy produkt reakcji.

2AX(g) + H2(g) 2A(s) + 2HX(g)

AX(g) + B(g) AB(s) + X(g)

2Gel2(g) Ge(s) + Gel4(g)

TiCl2(g) Ti(s) + TiCl4(g)

Zwykle podczas procesu CVD zachodzi kilka typów reakcji jednocześnie.

Przykładowo wytwarzanie złożonych warstw, zawierających węgliki i azotki tytanu, polega na wygrzewaniu przedmiotu obrabianego w temperaturze 1000÷1000oC w obecności czterochlorku tytanu TiCl4, metanu CH4, wodoru H2 i azotu N2 według reakcji:

TiCl4+CH4+H2 1000oC TiC + 4HCl +H2

Poprzez zmianę parametrów procesu (temperatura, stężenie, ciśnienie, moc generatora plazmy) możliwe jest osadzanie warstw gradientowych o zmiennym składzie chemicznym lub strukturze w warunkach „in situ”. Metoda CVD jest bardziej ekonomiczna, w odróżnieniu od innych metod (np. PVD). W stosunkowo krótkim czasie można otrzymać warstwy o grubości dochodzącej do kilku centymetrów.

Jej szczególnym walorem jest możliwość uzyskiwania warstw jednorodnych co do grubości, składu i struktury na powierzchniach o złożonej geometrii. Warstwy są dobrze przyczepne do podłoża dzięki chemicznej naturze wiązań na granicy rozdziału warstwa-podłoże. Zależnie od składu chemicznego i budowy, uzyskiwane materiały charakteryzuje szerokie spektrum właściwości, zapewniających zastosowanie w zaawansowanych technologiach od mikroelektroniki i optoelektroniki, poprzez bioinżynierię do przemyslu maszynowego i narzędziowego, a także spożywczego i farmaceutycznego. Wzrost warstw w procesie CVD zachodzi w układzie otwartym lub zamkniętym w wyniku szeregu następujących etapów obejmujących, m.in. konwekcyjny i dyfuzyjny transport masy, transport energii, reakcje – homo i heterogeniczne prowadzące do tworzenia się końcowego produktu w postaci warstwy.

Zjawiska zachodzące podczas osadzania powłok:

  1. Transport gazowych reagentów do strefy granicznej,

  2. Transport gazowych reagentów przez warstwę graniczą do powierzchni podłoża,

  3. Homogeniczne reakcje w fazie gazowej,

  4. Adsorpcja reagentów na powierzchni podłoża,

  5. Heterogeniczne reakcje chemiczne,

  6. Zarodkowanie w wzrost powłoki,

  7. Desorpcja zbędnych produktów reakcji chemicznych,

  8. Transport gazowych produktów reakcji chemicznych na zewnątrz warstwy granicznej,

  9. Transport gazowych produktów reakcji chemicznych z powierzchni podłoża do fazy gazowej objętościowej.

Szybkość wzrostu powłoki zależy od:

Wysoka temperatura konieczna do przebiegu reakcji chemicznych znacznie ogranicza zakres stosowania metody CVD szczególnie w przypadku elementów narażonych na obciążenia dynamiczne podczas eksploatacji lub narzędzi wykonywanych ze stali szybkotnących. Ogranicza to zakres stosowania technik CVD głównie do nanoszenia warstw na płytki z węglików spiekanych lub spiekanych materiałów ceramicznych, dla których wysoka temperatura procesu nie powoduje utraty ich własności. Dodatkowo do wytwarzania powłok jest konieczność utylizacji agresywnych dla środowiska naturalnego odpadów poprocesowych.

W procesach CVD składniki atmosfery mogą być aktywowane: cieplnie, plazmą.

Procesy CVD nanoszenia powłok aktywowane cieplnie mogą być realizowane jako:

W procesach APCVD oraz LPCVD termiczna aktywacja środowiska gazowego. Pierwszy z procesów przebiega przy ciśnieniu atmosferycznym, drugi natomiast przy ciśnieniu od kilku do kilkunastu hektopaskali.

Tradycyjne procesy CVD wymagają stosowania wysokiej temperatury, koniecznej do rozkładu gazowych reagentów (900-1000oC), co ogranicza zakres ich wykorzystania. Osadzane warstwy związane są z podłożem dyfuzyjnie.

Metoda PACVD – w ostatnich latach opracowano kilka odmian procesów CVD zwanych ogólnie metodami chemicznego osadzania z fazy gazowej w obecności wyładowania jarzeniowego (PACVD) umożliwiających znaczne obniżenie temperatury procesu. Technologie realizowane z wykorzystaniem niskotemperaturowej plazmy umożliwiają wykorzystanie pozytywnych cech wysokotemperaturowych procesów CVD (duża wydajność i jakość uzyskiwanych powłok) w połączeniu z niską temperaturą pokrywania oraz korzystnym oddziaływaniem plazmy – możliwość oczyszczenia podłoża w wyniku działania plazmy zapewnia dobrą przyczepność powłoki do podłoża.

Rozwój metod CVD polega na modyfikacjach rozwiązań tradycyjnych w kierunku obniżenia temperatury procesu do 600-500 oC przez:

Proces CVD może być realizowany w różnych rozwiązaniach:

Plazma często nazywana jest czwartym stanem skupienia materii. Jest ona specyficzną mieszaniną gazową, w skład której wchodzą: elektrony, jony, atomy i cząsteczki wzbudzone, atomy i cząsteczki obojętne oraz fotony. Ponieważ plazma powstaje w wyniku jonizacji gazu, często nazywana jest gazem zjonizowanym. To czy zjonizowany gaz jest plazmą zależy od stopnia jonizacji gazu. Stopniem jonizacji gazu (α) nazywa się stosunek koncentracji cząstek naładowanych do początkowej koncentracji cząsteczek gazu. Przejście gazu obojętnego w stan plazmy następuje w wyniku dostarczenia do gazu energii na podwyższenie stanu energii wewnętrznej jego cząstek (jonizację, dysocjację, wzbudzenie)

Otrzymywanie plazmy (w elektrycznych wyładowaniach w gazie):

Czynni wpływające na charakter wyładowania:

Przebicie gazu – napięcie przy którym następuje zapłon wyładowania.

Do nakładania powłok z fazy gazowej wykorzystuje się głównie plazmę otrzymywaną w wyładowaniach elektrycznych pod obniżonym ciśnieniem. Plazma otrzymywana w tych warunkach jest tzw. Plazmą niskotemperaturową nieizotermiczna. Jej temperatura wyrażona w jednostkach energii wynosi od ułamka elektronowolta (eV) do kilku eV, w odróżnieniu od plazmy wysokotemperaturowej izotermicznej, której temperatura sięga tysięcy elektronowoltów.

Zastosowanie metody PACVD:

Plazma generowana jest w polu elektrycznym między dwoma równoległymi płytkami, z których jedna jest katodą, a druga, na której znajdują się podłoża, jest uziemiona. W procesie PACVD stan plazmy można podtrzymywać dwoma sposobami, stałoprądowym lub zmiennym (o częstotliwości radiowej) wyładowaniem jarzeniowym. Metody te umożliwiają zarówno osadzanie cienkich warstw na materiałach przewodzących prąd jak i na materiałach nie przewodzących prąd elektryczny, stosując wyładowania prądów częstotliwości radiowej i niskiej. W swej istocie proces PACVD jest procesem CVD wspomaganym plazmą wyładowania jarzeniowego, mający na celu wytwarzanie twardych warstw powierzchniowych lub warstw wykazujących specjalne właściwości powierzchniowe i objętościowe (np. ochronne, antykorozyjne, tribologiczne).

Metoda MOCVD (metallorganic CVD) ma najszersze zastosowanie w elektronice do osadzania warstw półprzewodnikowych. Cechą charakterystyczną tej techniki jest to, że prekursorami są tutaj związki metaloorganiczne takie jak alkile (metylki i etylki metali grupy III) czy wodorki, które rozkładają się we względnie niskich temperaturach (<800oC). W taki sposób otrzymane warstwy są bardzo cienkie i zwykle epitaksjalne. Niska temperatura MOCVD przydatna jest przy osadzaniu związków odpornych na ścieranie i korozję na podłożach stalowych. W ostatnich latach metoda ta stała się jedną z głównych metod wytwarzania warstw typu Al2O3 i SiO2 stanowiących barierę chemiczną.

Metoda LCVD (laser CVD) jest głównie używana w dziedzinie mikroelektroniki. Pobudzenia składników gazowych dokonuje się za pomocą wiązki laserowej padającej na reaktor. Występują dwa typy procesów w technikach LCVD – pirolityczne i fotolityczne. W metodzie pirolitycznej LCVD wieloatomowe cząsteczki gazowe dysocjują w obszarze granicy międzyfazowej gaz-podłoże w wyniku działania wysokiej temperatury podłoża nagrzanego za pomocą lasera. Reakcje te zachodzą, gdy zastosowany gaz jest przezroczysty dla wiązki lasera, a podłoże absorbuje promieniowanie laserowe. W metodzie fotolitycznej LCVD cząsteczki ulegają dysocjacji w pobliżu podłoża w wyniku reakcji fotochemicznej. Fotodysocjacja ma miejsce wówczas gdy reagenty gazowe absorbują promieniowanie laserowe o zastosowanej długości fali wiązki laserowej.

Metoda HFCVD – w metodzie Hot-Filament CVD wykorzystywane jest rozgrzane włókno najczęściej wolframowe do temperatury 2000oC lub wyższej umieszczone blisko podłoża do generowania plazmy i aktywacji reakcji chemicznych. Obecnie metoda stosowana jest głównie do wytwarzania powłok diamentowych, w tym z nanokrystalicznego diamentu (NCD – nanocrystalline diamond) w których rodniki węglowodorowe (CxHy dla x=1,2 i y=0,…,6) powstają przez rozkład termiczny węglowodoru CH4 poprzez aktywację termiczną gorącym włóknem gazu roboczego. Na rozgrzanym włóknie dochodzi również do rozkładu wodoru molekularnego H2 na wodór atomowy.

Atomic layer deposition – ALD to prawdziwa nanotechnologia. Ultracienkie warstwy rzędu kilku nanometrów nakładane są w ściśle kontrolowany sposób. W procesie wytwarzania powłok metodą ALD osadzana jest dokładnie jedna warstwa atomowa w każdym cyklu, dzięki czemu nad procesem osadzania jest pełna kontrola w skali nanometrycznej. Prekursory (gazowe, ciekłe lub stałe) sa kolejno wprowadzane w stan gazowy w ogrzewanej komorze reakcyjnej, gdzie umieszczone są podłoża. Prekursory wytwarzają silne wiązania chemiczne. Temperatura musi być wystarczająco wysoka, aby umożliwić reakcję między prekursorami, ale wystarczająco niska, aby uniknąć rozkładu.

Zakres temperaturowy procesów ALD wynosi od 25 do 500oC. Wykorzystywane sa dostępne prekursory często podobne jak w CVD lub MOCVD. Powłoki osadzane metodą ALD mają równomierną grubość na wszystkich ściankach i otworach osadzanego podłoża nawet o bardzo skomplikowanych kształtach geometrycznych. Przykładowe materiały powłokowe wytwarzane metodą ALD:

W metodzie ALD powłoki uzyskuje się w wyniku narastania monomolekularnych warstw adsorbcyjnych. Do komory reakcyjnej prekursory dozowane są naprzemiennie w tzw. „pulsach”, a ponadto po każdym pulsie prekursora następuje usunięcie produktów ubocznych reakcji oraz niezaadsorbowanych cząsteczek z komory reakcyjnej, za pomocą pulsu gazu obojętnego. Powoduje to, że w fazie gazowej prekursory nie mają ze sobą kontaktu poza warstwą adsorbcyjną. Elementarny cykl ALD, prowadzący do powstania monowarstwy, wygląda nastepująco: „jeden partner reakcji, płukanie, kolejny partner reakcji, płukanie”. Aby uzyskać wymagana grubość otrzymywanego materiału, cykl ten powtarzany jest wiele razy (nawet do kilkudziesięciu tysięcy razy).

Do najważniejszych zalet technologii ALD należy zaliczyć:

Metoda ALD daje możliwości otrzymywania wysokiej jakości materiałów w niskich temperaturach. Przy odpowiednim dopasowaniu warunków, proces wzrostu przebiega w tzw. Nasyceniu. W takim przypadku proces wzrostu jest stabilny i przyrost grubości jest taki sam w każdym z cykli osadzania. Taki, samoograniczający się mechanizm wzrostu, pozwala na otrzymywanie cienkich warstw z zaplanowaną grubością na dużych powierzchniach oraz struktur wielowarstwowych. Ograniczenia, jakie niesie ze sobą technologia „osadzania z warstw atomowych”, to przede wszystkim wolne tempo wzrostu. W najlepszym przypadku otrzymujemy jedną monowarstwę na cykl. Typowe zaś, tempo osadzania to 100-300 nm na godzinę. Wadę tę rekompensuje możliwość przeprowadzania procesów z substratami o dużych powierzchniach. Male tempo wzrostu nie musi oznaczać niskiej wydajności, gdyż ta druga cecha jest rozpatrywana pod względem objętości (grubość x powierzchnia) otrzymanego materiału.

PVD

Fizyczne procesy osadzania próżniowego (psysical vapour deposition) obejmują wiele różnych technologii odparowywania osadzonego materiału, stosowanych do tworzenia powłok, pokryć oraz warstw jako konstrukcji zabezpieczających, uszlachetniających lub modyfikujących oryginalną powierzchnię. Niemal we wszystkich metodach PVD osadzona na podłożu kierowanej elektrycznie na stosunkowo zimne podłoże. Grubość osadzanych warstw waha się od kilkudziesięciu angstremów do kilku mikrometrów. Pokrycia próżniowe mają zastosowanie w wielu dziedzinach techniki od prostych zastosowań dekoracyjnych do złożonych aplikacji w przemyśle chemicznym, nuklearnym, inżynierii materiałów, medycynie, mikroelektronice i innych.

Odparowanie termiczne:

Implantacja jonów:

Rozpylanie magnetronowe:

Odparowanie łukiem elektrycznym:

Obszary zastosowań tych technologii rozwijają się bardzo szybko, ponieważ ich stosowanie jest często jedynym sposobem pogodzenia sprzecznych wymagań stawianych przez współczesne konstrukcje i przyrządy, np. spełnienie kombinacji dwóch lub trzech warunków związanych z wysoką temperaturą pracy, naprężeniami mechanicznymi, specyficznymi właściwościami optycznymi, elektrycznymi lub magnetycznymi, twardością powierzchni, współczynnikiem tarcia, odpornością na ścieranie, biokompatybilnością, kosztem uzyskania pokrycia. Często pojedynczy materiał nie jest w stanie sprostać stawianym przed nim wymaganiom, stosuje się wtedy związki złożone i ich kombinacje, tworząc układy wielowarstwowe. Technologie PVD są bardzo wszechstronne, umożliwiają osadzanie wielu rodzajów materiałów, zarówno nieorganicznych jak i niektórych organicznych.

Metoda PVD wykorzystuje zjawiska fizyczne, takie jak odparowanie metali albo stopów lub rozpylanie katodowe w próżni i jonizację gazów i par metali z wykorzystaniem różnych procesów fizycznych. Wspólną ich cechą jest krystalizacja par metali lub faz z plazmy. Nanoszenie powłok przeprowadzane jest na podłożu zimnym lub podgrzanym do 200-500oC, co umożliwia pokrywanie podłoży zahartowanych i odpuszczonych, bez obawy o spadek ich twardości, lecz jednocześnie prowadzi do wytworzenia powłok bardzo cienkich i słabo związanych z podłożem. Połączenie powłoka-podłoże ma charakter adhezyjny i jest tym silniejsze, im bardziej czysta jest powierzchnia pokrywana.

W celu uzyskania odpowiedniej czystości powierzchni podłoża prowadzi się operacje przygotowania, czyszczenia i aktywacji powierzchni podłoża przed naniesieniem powłoki. Proces przygotowania powierzchni składa się z dwóch głównych etapów:

W większości przypadków powstawanie powłok w procesie PVD odbywa się w 3 etapach:

Wymienione etapy procesu osadzania fizycznego w zależności od metody mogą być wspomagane dodatkowymi procesami fizycznymi, takimi jak:

Duża różnorodność metod PVD stosowanych obecnie związana jest z:

Procesy magnetronowe

Wyładowanie w układzie megnetronowym jest zaliczane do grupy samodzielnych anomalnych wyładowań jarzeniowych występujących w rozrzedzonym gazie. Metoda magnetronowa wykorzystuje plazmę, w której średnia energia elektronów mieści się w zakresie 100-300eV, zaś średnia energia jonów jest na poziomie kilkunastu elektronowoltów. Charakterystyczną cechą wyładowania w układzie magnetronowym jest zwiększanie gęstości prądu na katodzie poprzez podwyższenie intensywności jonizacji, co osiąga się przez zastosowanie równoległego do powierzchni katody pola magnetycznego wytwarzanego przez układ magnetyczny katody urządzenia magnetronowego. Sterując wielkością indukcji tego pola oraz kształtem jego linii, można dowolnie lokalizować wyładowanie w pobliżu powierzchni katody i znacznie (ok. 50-100 razy) zwiększać częstotliwość zderzeń jonizujących.

Działanie wysokowydajnych źródeł magnetronowych oparte jest na wzmocnieniu plazmy wyładowania jarzeniowego między katodą (tarczą) a podłożem przez zastosowanie niejednorodnego pola magnetycznego. Duża gęstość plazmy przy zastosowaniu magnetronu spowodowana jest działaniem skrzyżowanych pól: elektrycznego i magnetycznego w obszarze ciemni katodowej oraz dodatkowych sił ogniskujących, wynikających z niejednorodności tych pól. Pozwala to na osiągnięcie znacznie większych szybkości rozpylania oraz na zmniejszenie zakresu ciśnień pracy w porównaniu z rozpylaniem katodowym, co zapewnia większą czystość nanoszonych powłok. Kolejną zaletą techniki magnetronowej jest prostota konstrukcji urządzeń, łatwość sterowania procesem oraz możliwość pokrywania bardzo dużych powierzchni z dobrą powtarzalnością własności powłok.

Proces osadzania może być prowadzony w gazie obojętnym (argonie) lub mieszaninie argonu i gazu reaktywnego dostarczanego do komory w sposób ciągły. Przy rozpylaniu w gazie obojętnym na powierzchni podłoża umieszczonego naprzeciw tarczy osadza się powłoka metaliczna, przy rozpylaniu w gazie reaktywnym osadza się powłoka związku chemicznego gazu z atomami metalu tarczy. Tym sposobem uzyskuje się powłoki węglików i azotków, stosowane w charakterze powłok przeciwzużyciowych i dekoracyjnych. Przestrzenna konfiguracja plazmy i wielkość stref osadzania silnie zależy od mocy traconej namagnetronach, natężenia i ksztaltu pola magnetycznego oraz ciśnienia gazu. Pole magnetyczne wychodzące w przestrzeń między katodą i podłożem (w konstrukcjach niezbalansowanych) umożliwia kierowanie strumienia plazmy w stronę obrabianego detalu. Podłoża przez procesem osadzania mogą być ogrzewane radiacyjnie lub jonowo. Podłoże zwykle jest spolaryzowane wysokim potencjałem ujemnym umożliwiającym oczyszczanie jonowe powierzchni wsadu przed procesem osadzania i zapewniającym udział wysokoenergetycznych jonów w procesie wzrostu warstwy.

W technikach PVD zmiana parametrów procesu ma duży wpływ na strukturę powłoki. Podstawowymi parametrami procesu wpływającymi na strukturę są: temperatura podłoża, ciśnienie gazu, energia jonów bombardujących, które razem z cechami podłoża: składem chemicznym, mikrostrukturą, topografią, determinują własności mechaniczne powłok. Intensywność zjawisk zachodzących na powierzchni zależy m.in. od gęstości strumienia energii jonów bombardujących, której górna wartość ograniczona jest odpornością cieplną materiału podłoża. Dla małej energii jonów zderzenia jon-ciało stałe mogą powodować lokalny wzrost temperatury i desorpcję cząstek znajdujących się na powierzchni (m.in. zanieczyszczeń). Różna energia jonów bombardujących wpływa przede wszystkim na: zarodkowanie i wzrost powłoki, morfologię powierzchni oraz przyczepność do podłoża.

Do konstytuowania twardych przeciwzużyciowych powłok metodami PVD, przeznaczonych do zastosowań trybologicznych wykorzystywane są metale przejściowe (najczęściej Ti, V, Ta, Zr, Cr, Mo, W, Nb), gazy reaktywne (azot, tlen) lub pary (np. boru, krzemu) oraz pierwiastki otrzymywane z róznych związków chemicznych (węgiel), tworzące z nimi trudnotopliwe azotki, węgliki, borki, siarczki, tlenki. Związki tworzące różnego typu powłoki charakteryzują się wysoką twardością, trudnotopliwością, odpornością na zużycie lub odpornością korozyjną oraz kruchością, a także zmiennością składu chemicznego, powodującego zmiany struktury. Wyszczególnić można trzy grupy twardych materiałów powłokowych różniące się między sobą charakterem wiązań atomowych w nich występujących.

Materiały tworzące powłoki charakteryzują się wiązaniami mieszanymi i nie występują w nich wiązania w czystej postaci. Wiązania mieszane wykazują złożoną kombinację wzajemnych oddziaływań w układach metal-metal oraz metal-niemetal. Specyficzne własności twardych materiałów powłokowych zdeterminowane są rodzajem wiązania atomowego dominującego w poszczególnych matariałach.

Powłoki otrzymywane w procesie PVD można podzielić na dwie podstawowe grupy:

Do powłok złożonych nanoszonych metodą PVD zalicza się powłoki:

Skład i własności powłok nanoszonych metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej zależą od:

W modelu tworzenia się warstwy, którego podstawą jest temperatura topienia osadzanego materiału, wyróżniono trzy strefy struktury metalograficznej w zależności od temperatury homologicznej T/Tt:

Odparowanie łukiem katodowym

W metodach silnoprądowego wyładowania elektrycznego do odparowania materiału wykorzystuje się wyładowanie łukowe pod obniżonym ciśnieniem tzw. Arc Evaporation. W metodzie tej zjonizowane pary metalu otrzymywane są w wyładowaniu lukowym z zimną katodą, które rozwija się między współśrodkowo rozmieszczonymi elektrodami. Elektrodą centralną jest katoda wykonywana z odparowywanego materiału, elektrodą zewnętrzną jest anoda – obydwie elektrody są intensywnie chłodzone wodą. W źródłach tych, wyładowanie łukowe występuje głownie w parach materiału katody. Katoda poddawana jest niezwykle intensywnej ablacji w wyniku wysokoprądowego, prożniowego wyładowania łukowego przy gęstościach prądu 10^6 – 10^8 A/cm2. Stopień jonizacji plazmy zależy od rodzaju odparowywanego materiału. Zbyt niski stopień jonizacaji plazmy w warunkach intensywnego odparowania sprzyja tworzeniu kropel, które dla jednorodności, a tym samym wysokich właściwości mechanicznych wytwarzanych powłok.

W celu ograniczenia liczby kropli docierających do podłoża stosuje się specjalne układy separujące. Skuteczne ograniczenie generowania kropli można uzyskać oddziałując na katodę (np. intensywniej chłodząc ją wodą, co ogranicza intensywność parowania) lub na strumień plazmy specjalnie ukształtowanym wewnątrz komory polem magnetycznym (filtracja toroidalna). Najczęściej do separacji stosowane są krzywoliniowe plazmowody w postaci toroidu zagiętego pod kątem 90o z podłużnym polem magnetycznym i elektrycznym. Separacja mechaniczna kropel polega na zastosowaniu w generatorze wirującej katody, z której ciekłe krople odrzucane są na boczne ścianki siłą odśrodkową. Sposób ten umożliwia całkowite usunięcie ze strumienia plazmy frakcji kroplowej.

Osadzanie laserem impulsowym

Spośród technologii modyfikacji i wytwarzania warstw powierzchniowych na konstrukcyjnych materiałach niemetalowych, istotne miejsce zajmują metody wykorzystujące wiązkę fotonów w postaci koherentnego promieniowania laserowego o ściśle określonej długości fali. Ze względu na fakt obniżenia absorpcji wraz z długością fali, najczęściej stosowane jest promieniowanie z zakresu UV. Wytwarzanie powłok z wykorzystaniem ablacji laserowej można zaliczyć do próżniowych procesów osadzania par metali lub niemetali metodami fizycznymi. Do odparowania materiału wykorzystuje się metodę ablacji laserowej, która powszechnie nazywana jest metodą PLD (pulsed laser deposition).

W metodzie PLD silnie zogniskowana impulsowa wiązka laserowa skierowana jest na wybrane miejsca tarczy. W miejscu plamki laserowej zaabsorbowana część energii powoduje wzbudzanie atomów materiału tarczy doprowadzając do ablacji. Następnie zachodzi oddziaływanie pomiędzy promieniowaniem laserowym a odparowanym materiałem z tarczy w wyniku czego następuje wzrost energii odparowanej materii i jej rozprzestrzenianie się. W powstającym strumieniu znajdują się: atomy, cząsteczki, elektrony, jony, klastery cząstek o wielkościach mikrometrowych oraz kropelki cieczy. Średnia droga zderzeń wewnątrz powstalego strumienia jest znikoma, w wyniku czego po napromieniowaniu laserem o dużej gęstości mocy i krótkim czasie impulsu na poziomie nanosekund, strumień rozprzestrzenia się w próżni posiadając charakterystykę zbliżoną do przepływu hydrodynamicznego.

Własności strumienia zależą przede wszystkim od intensywności oddziaływania wiązki laserowej z odparowaną materią, charakteryzowaną energią w impulsie i częstotliwością impulsów. Strumień napotykając na swej drodze powierzchnię materiału obrabianego rekondensuje, osadza się na niej i tworzy warstwę. Podczas wzrostu temperatury w odparowanym strumieniu, następuje równocześnie zwiększenie energii cząstek, w wyniku czego wzrasta ruchliwość atomów osadzanych na powierzchni wsadu, co wpływa korzystnie na konstytuowanie się warstwy.

Ablacja – proces, w którym wysokoenergetyczne kwanty promieniowania laserowego wywołują obniżenie energii wiązań pomiędzy cząstkami, co umożliwia zdejmowanie warstw atomowych jedna po drugiej.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
KOLOS PPCNWP (1)
KOLOS PPCNWP (1) id 242196 Nieznany
KOLOS PPCNWP id 242194 Nieznany
przemyslowe kolos 1 id 405455 Nieznany
kolos 1
bezp kolos id 83333 Nieznany (2)
Kolos ekonimika zloz II 2 id 24 Nieznany
BOF kolos 2
Kolos Nano id 242184 Nieznany
Mathcad TW kolos 2
pytania na kolos z klinicznej, psychiatria i psychologia kliniczna
salicylany, V ROK, TOKSYKOLOGIA, notatki, kolos 1
Maszynoznawstwo ogolne, Automatyka i Robotyka, Semestr 1, Maszynoznastwo, kolos, ściągi
ćwiek -kolos spawalność (1), Studia, SEMESTR 5, MIZEISM, Kolokwium Ćwiek
Pytania ze sprawdzianow z satki, gik VI sem, GiK VI, SAT, kolos 1GS
Immunologia kolokwium 2 termin I, biologia, 3 semestr, immunologia, immuno kolos 2

więcej podobnych podstron