Что такое осаждение твердой пленки?

Основа осаждения твердой пленки

Осаждение твердой пленки относится к процессу нанесения тонких твердых покрытий на материал подложки для улучшения свойств поверхности, таких как износостойкость, защита от коррозии или характеристики теплового барьера. Покрытия толщиной обычно 1-10 микрон создаются путем конденсации испаряющихся легирующих элементов и соединений на поверхности подложки. Этот метод обработки поверхности позволяет производителям повышать твердость, смазывающую способность, стойкость к окислению или другие характеристики основных материалов, не влияя на их объемные свойства.

Цели осаждения твердой пленки

Осаждение твердой пленки используется для улучшения свойств поверхности материалов различными способами:

Износостойкость

Одной из основных целей нанесения твердой пленки является повышение износостойкости компонентов. Твердые покрытия, такие как нитрид титана (TiN) и нитрид хрома (CrN), могут свести к минимуму абразивный износ, адгезионный износ и поверхностную усталость таких деталей, как режущие инструменты, компоненты двигателя и подшипники. Твердое покрытие предотвращает быстрое удаление материала при контакте с другими поверхностями.

Защита от коррозии

Нанесение покрытий, таких как TiN, нитрид алюминия-титана (AlTiN) и аморфный алмазоподобный углерод (DLC), создает барьер, защищающий подложку от коррозионного повреждения. Это особенно полезно для деталей, подвергающихся воздействию высоких температур, окислительных сред и агрессивных сред, таких как кислоты или соленая вода.

Тепловой барьер

Некоторые материалы, такие как керамика и металлические сплавы, могут изолировать компоненты от высоких температур. Нанесение пленок оксида циркония, оксида хрома или дисилицида молибдена на лопатки турбин позволяет им работать при более высоких температурах за счет снижения теплопередачи.

Декоративная отделка

Твердые покрытия, такие как нитрид титана и нитрид циркония, создают привлекательные золотистые, синие или черные покрытия на поверхностях. Это позволяет ювелирным изделиям, модным аксессуарам и потребительским товарам иметь уникальные декоративные эффекты и внешний вид.

Электрические свойства

Проводящие покрытия, такие как золото, платина и карбиды металлов, могут изменять электрические свойства, такие как проводимость и сопротивление. Это позволяет точно контролировать поток электрического тока в таких компонентах, как датчики и полупроводниковые устройства.

Типы твердых покрытий

Существуют различные категории твердых покрытий, которые можно наносить с помощью процессов осаждения из паровой фазы:

• Нитриды переходных металлов – Обычно используются очень твердые керамические нитридные соединения таких металлов, как титан, хром и цирконий. Нитрид титана (TiN) обеспечивает покрытие золотого цвета с отличной коррозионной стойкостью и твердостью до 2000 HV. Нитрид хрома (CrN) имеет сероватый оттенок и сохраняет трибологические свойства при высоких температурах.
• Карбиды переходных металлов – Карбиды металлов, такие как карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC) и карбид тантала (TaC), создают чрезвычайно прочные и долговечные покрытия. Они обеспечивают превосходную стойкость к истиранию по сравнению с нитридными пленками. Однако карбидные пленки могут реагировать со стальными подложками при высоких температурах.
• Керамические покрытия – Неметаллические керамические материалы, включая оксид алюминия (Al2O3), цирконий (ZrO2) и оксид хрома (Cr2O3), могут изолировать от тепла и коррозии. Карбид кремния (SiC) имеет низкую плотность, высокую твердость и прочность.
• Алмазоподобный углерод – Покрытия из алмазоподобного углерода (DLC) содержат смесь атомов углерода, гибридизованных sp3 и sp2, что обеспечивает алмазоподобные свойства. Аморфные пленки DLC обладают исключительной твердостью, низким коэффициентом трения и химической инертностью.
• Многослойные покрытия – Объединение слоев различных материалов, таких как TiN и TiAlN, позволяет получить покрытия, сочетающие в себе преимущества каждого вещества. Многослойные пленки, как правило, имеют повышенную твердость, вязкость разрушения и стойкость к окислению по сравнению с однослойными.

Материалы для нанесения твердой пленки

Широкий спектр материалов подложки может быть покрыт твердой пленкой для улучшения свойств поверхности и производительности:

• Нержавеющая сталь– Сталь – одна из самых распространенных подложек, на которые наносятся твердые пленки. Покрытия, такие как TiN, TiCN, CrN и DLC, наносят на стальные компоненты, такие как режущие инструменты, пресс-формы, детали двигателя и подшипники, для повышения твердости, износостойкости и защиты от коррозии.
• Алюминий– На легкие алюминиевые сплавы часто наносят покрытие для повышения износостойкости и стойкости к истиранию. Твердые анодированные покрытия и керамические пленки, такие как оксид алюминия и диоксид кремния, обеспечивают защиту алюминиевых автомобильных и аэрокосмических компонентов.
• Титан– Твердость, адгезия и коррозионная стойкость титана могут быть улучшены с помощью таких покрытий, как TiN, нитрид хрома и алмазоподобный углерод, легированный металлами. Эти пленки позволяют титановым медицинским имплантатам и аэрокосмическим деталям лучше противостоять ударам и коррозии.
• Карбиды– Подложки из карбида кремния, карбида вольфрама и карбида бора покрыты тонкими пленками для дополнительной оптимизации их твердости и термостойкости/окислительной стойкости для инструментов. Часто применяются многослойные пленки.
• Пластмассы и полимеры– Твердые покрытия, такие как DLC, нитрид хрома и оксид кремния, нанесенные на пластиковые компоненты, улучшают твердость поверхности и устойчивость к царапинам, сохраняя при этом объемные свойства, такие как гибкость и ударная вязкость.
• Керамический гранулированный песок для гидроразрыва – Износостойкость и коррозионная стойкость керамических деталей, изготовленных из оксида алюминия, диоксида циркония, карбида кремния и нитрида кремния, можно повысить за счет тонкопленочного осаждения нитридов, оксидов и карбидов металлов.

Оборудование и расходные материалы

Осаждение твердых пленок основано на передовом вакуумном оборудовании, позволяющем наносить покрытия толщиной всего в несколько микрон с точным контролем.

• Вакуумные камеры– Покрытия наносятся в вакуумных камерах, в которых используются насосы для достижения высокого уровня вакуума до 10-6 торр. Это позволяет испаряемым материалам покрытия достигать подложки без реакции с газами. Камеры изготавливаются из нержавеющей стали или стекла.
• Распылительные пистолеты– Пистолеты для магнетронного распыления выбрасывают атомы материала покрытия мишени с помощью электрического поля. Затем атомы конденсируются в виде тонкой пленки на подложке. Мощные магниты удерживают плазменный разряд на поверхности распыляемой мишени.
• Источники испарения– Такие источники, как электронно-лучевое, термическое или дуговое испарение, используют очень высокие температуры для испарения материала покрытия, что позволяет ему конденсироваться на подложках.
• Газоснабжение– Реактивные газы, такие как азот или метан, вводятся в камеру для взаимодействия с напыленным или испаряемым материалом покрытия с образованием таких соединений, как нитриды или карбиды.
• Нагреватели подложки и смещения– Нагревательные элементы и напряжение смещения подложки улучшают адгезию и модифицируют структуру пленки за счет повышения поверхностной подвижности осажденных атомов.
• Целевые материалы– Для источника осаждения покрытия требуются материалы мишени высокой чистоты. Общие материалы включают титан, хром, алюминий, цирконий, вольфрам, углерод и кремний.
• Технологические газы– Такие газы, как аргон, азот и ацетилен, используются для создания плазмы или реакции с материалом покрытия. Подача технологических газов высокой чистоты обеспечивает надлежащий состав пленки.

Шаги процесса

Нанесение твердых покрытий методом осаждения из паровой фазы требует тщательной обработки для получения покрытий с желаемыми свойствами.

1. Подготовка поверхности– Поверхность подложки должна быть тщательно очищена от масел, оксидов и загрязнений, которые могут снизить адгезию покрытия. Обычно используются пескоструйная очистка, очистка растворителем и травление кислотой.
2. Исполнение– Детали крепятся или монтируются на специальные держатели, которые позволяют равномерно покрыть все поверхности. Вращающиеся бочки помогают обеспечить равномерное покрытие.
3. Система отопления– Подложку часто предварительно нагревают до 150-500°C перед нанесением, чтобы увеличить поверхностную подвижность атомов покрытия и улучшить адгезию.
4. отложение– Материал покрытия испаряется путем распыления, испарения или дугового испарения, что позволяет конденсировать на подложке тонкую пленку толщиной всего в несколько микрон. Это происходит в условиях высокого вакуума.
5. Ионная бомбардировка– Бомбардировка энергичными ионами во время осаждения может улучшить адгезию и плотность за счет улучшения поверхностной диффузии атомов покрытия.
6. Остывать– После осаждения компоненты охлаждаются в контролируемой атмосфере для предотвращения окисления и снятия остаточных напряжений.
7. Контроль качества– Детали с покрытием проходят испытания для проверки толщины покрытия, адгезии, твердости и рабочих характеристик с помощью микроскопии, испытаний на царапание, испытаний на износ/коррозию и других анализов.

Тщательная подготовка поверхности, контроль процесса нанесения и испытания после нанесения покрытия обеспечивают оптимальное качество и свойства покрытия.

Промышленное применение

Твердые защитные покрытия широко используются в обрабатывающей промышленности для повышения производительности и долговечности компонентов.

• Режущие инструменты– Покрытия, такие как нитрид титана-алюминия (TiAlN), карбонитрид титана (TiCN) и алмазоподобный углерод (DLC), наносимые на сверла, фрезы, пилы и другие режущие инструменты, значительно повышают твердость и износостойкость. Это позволяет увеличить скорость резания и увеличить срок службы.
• Пресс-формы и штампы– Нитридные, карбидные и алмазоподобные покрытия защищают пресс-формы для литья пластмасс под давлением и штампы для штамповки металлов от абразивного износа и коррозии, продлевая срок их службы. Обычные покрытия включают CrN, TiAlN и карбид вольфрама-углерод (WC/C).
• Нефтегазовые компоненты– Скважинные буровые долота, клапаны, насосы и другие детали для нефтегазовой отрасли покрыты чрезвычайно твердыми пленками TiN, TiAlN или алмазами для защиты от абразивного износа при бурении, выносе песка и коррозии от горячих рассолов.
• Аэрокосмическая и автомобильная промышленность– Компоненты двигателя, поверхности планера, подшипники и другие детали покрыты защитной пленкой, защищающей от износа, усталости и высокотемпературного окисления.
• Медицинские приборы– Поверхности хирургических инструментов, имплантатов и медицинского оборудования покрыты биосовместимыми пленками, такими как DLC, TiN и TiAlN, для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.
• Декоративные покрытия– Цветные декоративные твердые покрытия, такие как TiN, ZrN, CrN и AlTiN, наносятся на ювелирные изделия, часы, солнцезащитные очки и другие потребительские товары.

Твердые покрытия повышают долговечность и производительность практически во всех производственных секторах.

Применение в ювелирных изделиях

Помимо повышения долговечности, твердые покрытия обеспечивают привлекательный внешний вид ювелирных изделий и модных аксессуаров.

• Защитные покрытия для часов– Корпуса и ремешки роскошных часов часто покрывают тонкими пленками из нитрида титана (TiN), алмазоподобного углерода (DLC) или нитрида хрома (CrN) для повышения устойчивости к царапинам. Это предохраняет дорогие компоненты часов от повреждений при повседневном использовании.
• Цветные модные украшения– Покрытия TiN, нитрида циркония (ZrN) и нитрида хрома, осажденные из паровой фазы, обеспечивают привлекательную золотистую, синюю, черную и серую отделку недорогих модных украшений из нержавеющей стали или латуни.
• Расширенные настройки драгоценных камней– Нанесение тонкого слоя родия или рутения на оправу из белого золота или серебра увеличивает твердость и снижает износ, чтобы лучше защитить драгоценные камни и сохранить их новый вид даже после многих лет регулярного использования.
• Улучшенная твердость поверхности- DLC и керамические покрытия, такие как оксид титана или диоксид кремния, могут быть нанесены на ювелирные изделия для повышения устойчивости поверхности к царапинам, истиранию и потускнению. Это сохраняет блестящий, как новый вид с течением времени.
• Декоративные покрытия на носимой технике– Твердое декоративное покрытие придает эстетическую привлекательность носимым устройствам, включая смарт-часы, фитнес-трекеры и гарнитуры VR/AR, позволяя брендам различаться по внешнему виду.

Прочные, привлекательные твердые покрытия повышают долговечность и визуальную привлекательность ювелирных изделий, часов и модных аксессуаров.

Сравнение с другими процессами поверхностного упрочнения

Осаждение твердой пленки отличается от традиционных методов поверхностного упрочнения несколькими особенностями:

Науглероживание и азотирование

Науглероживание и азотирование распространяют углерод или азот на поверхность сплавов, таких как сталь, для создания твердых соединений. Твердость распространяется только на 0.1-0.5 мм в глубину. Пленки могут покрывать любой материал и достигать твердости > 2X по сравнению с азотированием.

Индукционная и пламенная закалка

При индукционной или пламенной закалке термический цикл выборочно упрочняет только поверхностный слой таких деталей, как шестерни и подшипники. Нанесение пленки позволяет наносить индивидуальные покрытия на все поверхности.

Технологии нанесения твердых пленок

Существует несколько технологий осаждения из паровой фазы, используемых для нанесения твердых покрытий:

Напыление осаждения

При напылении бомбардировка энергичными ионами выбрасывает атомы из твердой мишени, позволяя атомам конденсироваться в виде тонкой пленки на подложке. Магнетронное распыление обычно используется для осаждения таких материалов, как нитрид титана и нитрид хрома.

Катодно-дуговое осаждение

Электрическая дуга испаряет материал покрытия с катодной мишени, ионизируя значительную часть потока. Это позволяет наносить очень твердые керамические покрытия, такие как нитрид алюминия и титана, при относительно низких температурах.

Импульсное лазерное осаждение

Мощный импульсный лазер удаляет материал с мишени, создавая плазменный шлейф, который наносит покрытие на подложку в вакуумной камере. Этот процесс позволяет хорошо контролировать толщину и состав пленки.

Электронно-лучевое осаждение

Электронно-лучевой испаритель бомбардирует материал покрытия, нагревая его до точки испарения для осаждения тонкой пленки. Возможны высокие скорости осаждения, но этот процесс трудно контролировать.

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)

Методы PVD, такие как распыление и испарение, физически испаряют материалы покрытия для нанесения тонких пленок. Общие методы PVD включают магнетронное напыление, термическое испарение и электронно-лучевое испарение.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)

CVD использует химические реакции между газами-предшественниками для нанесения пленок на нагретые подложки. CVD низкого давления и CVD с плазменным усилением позволяют наносить покрытия на сложные геометрические формы.

Каждая технология имеет свои преимущества с точки зрения контроля, возможных покрытий, скорости осаждения и стоимости. PVD и CVD играют решающую роль в приложениях для осаждения твердых пленок.