Фокусирующая линза. PVD и CVD покрытия

История износостойких покрытий

Первые серийные образцы сменных многогранных пластин с износостойкими покрытиями компания Sandvik Cоromant продемонстрировала еще в 1969 году. С тех пор развитие всех инструментальных материалов идет в основном по пути совершенствования методов нанесения покрытий с целью управления их химическим составом, структурой для обеспечения наилучшего сочетания свойств покрытия и основы в различных областях применения.

Наноструктурированные покрытия

В условиях высоких нагрузок на режущую кромку большие преимущества при производстве режущего инструмента обеспечивают наноструктурированные покрытия. Ультрадисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ имеют более сбалансированное соотношение между твердостью, оказывающей определяющее положительное влияние на износостойкость и прочностными характеристиками материала, в том числе и в условиях действия циклических термомеханических напряжений. Известно, что первопричиной разрушения материалов стандартной (микрометрической) структуры с размерами зерен свыше d > 1 мкм является формирование трещин, возникающих вследствие концентрации дислокаций у различных дефектов. В наноструктурированных материалах с размерами зерен менее d < 80…100 нм проявляется иной механизм разрушения. Для подобных материалов превалирующей причиной разрушения являются процессы на межзеренных границах, что связано с меньшим или сравнимым количеством атомов в зернах по сравнению с их количеством на границах. Материал покрытия в наноразмерных зернах практически идеален. Разрушения зерен вследствие дислокаций практически не встречаются, а если они и происходят, то они быстро и эффективно тормзятся на границах зерен. В наноматериалах наблюдается препятствование ветвлению и движению трещин вследствие упрочнения границ зерен.


(Ti, Al)N

Ведущие разработчики покрытий для режущего инструмента, получаемых методами физического осаждения PVD (Balzers, Cemicon, Metaplas, Leybold, Platit и др.), разработали гамму наноструктурированных покрытий для нанесения на режущие инструменты, которые предлагаются потребителям для широкого применения. Наибольшее распространение пока получили покрытия (Ti, Al)N, где нанослои нитридов титана и алюминия постоянно меняются местами, создавая градиент концентрации составных элементов. Такие покрытия называют наноградиентными.

Фирма Platit (Швейцария) разработала двухфазные наноструктурированные покрытия с размерами зерен до 5 нм, у которых основную функцию по износостойкости выполняют зерна (Al,Cr)N или (Ti,Al)N (основная нанокристаллическая фаза) на границах которых располагается вторая нанокристаллическая (или аморфная) фаза Si3N4, сдерживающая коагуляцию зерен основной фазы как при осаждении покрытия (вакуумно-дуговая технология), так и при эксплуатации инструмента. Аналогичные исследования по разработке наноструктурированных покрытий нового поколения проводят фирмы Balzers, Metaplas, Cimicon и др.

Таким образом, создание покрытий для режущего инструмента нового поколения наиболее эффективно осуществлять при использовании инновационной концепции многослойно-композиционных архитектуры с нанометрической структурой и чередующимися слоями наноразмерной толщины различного композиционного состава и функционального назначения. Одним из направлений совершенствования покрытий PVD является создание комбинаций структур позволяющих использовать концевой и размерный инструмент для работы без СОЖ. Для твердосплавных пластин эта задача успешно решается за счет использования покрытий MT-CVD, работающих на высоких скоростях резания далеко за пределом наростообразования. В случае концевого инструмента достижение эффекта невозможно. Поэтому приходится решать задачу иными методами, включая в структуру PVD из аморфных материалов, выполняющих роль смазки.

Восходящие методы

При формировании пленок по восходящему методу пленки наносятся на подложку, и формируются атом за атомом. К наиболее распространенным методам осаждения по типу «снизу-вверх» относятся:

  • химическое осаждение из газовой фазы (CVD),
  • физическое осаждение из паровой фазы (PVD),
  • атомно-слоевое осаждение (ALD).

Помимо этого, существуют так называемые методы нуклеациионного роста, которые основаны на жидкостных химических реакциях, но эти методы могут страдать от дефектов межзеренных границ, когда наноострова/ нанокластеры объединяются во время процесса формирования пленки. Поэтому в этой статье мы рассмотрим только высококачественные методы, которые подойдут для создания нанопленок. 

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) 

Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD) является классическим. В последние годы он стал наиболее известным благодаря способу получения однослойного графена на различных подложках. С помощью этого метода можно получать нанопленки высокого качества из разных материалов. 

Несмотря на то, что существуют разные методы осаждения, многие из которых работают по одним и тем же базовым принципам, главным отличием является то, как осаждаются сами атомы. Например, атомы могут осаждаться при плазменной стимуляции, при низких давлениях, посредством лазерного облучения и фотохимических реакций, и так далее. Однако все процессы выполняются в вакуумной среде, и независимо от самого механизма осаждения во всех методах используется летучий материал-прекурсор. 

Эти прекурсоры испаряются при высоких температурах в реакционной камере, затем осаждаются испаренные атомы, которые, как уже упоминалось, могут принимать различные формы в зависимости от конкретного рассматриваемого под-метода. Испаренные атомы, взаимодействуя друг с другом, воздействуют с поверхностью подложки, что позволяет накапливать тонкую наноразмерную химически связанную пленку. 

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) 

Как и в случае с химическим осаждением из газовой фазы (CVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD) представляет собой еще один общий класс методов, которые можно использовать для нанесения атомов на поверхность для создания наноразмерной тонкой пленки. 

PVD во многом похож на CVD и также выполняется в вакуумной среде. Как следует из названия, метод PVD имеет физическую природу. Напыление происходит под действием тепловой энергии с помощью испарения (в реакционной камере твёрдый материал расплавляется и переходит в газовую фазу с последующим осаждением и образованием наноплёнки на обрабатываемом материале) или распыления (с использованием ускоренных заряженных частиц в плазме), что является более распространенным способом.

PVD-процессы являются более экологически чистыми методами вакуумного осаждения, состоящими из трех основных этапов (рис.1):

  • Формированию паровой фазы твёрдого материала с помощью высокотемпературных методов или распыления ускоренными частицами в плазме;
  • Транспортировка пара в вакууме или частичном вакууме к поверхности подложки;
  • Конденсация на подложке с формированием тонкой пленки.

   Рисунок 1. PVD-процессы

Рисунок 1. PVD-процессы

Поскольку существует несколько различных способов осаждения, методы PVD могут быть использованы для создания наноразмерных тонкопленочных покрытий на самых разнообразных материалах с широким разнообразием составов пленок. 

Атомно-слоевое осаждение (ALD) 

Атомно-слоевое осаждение (ALD) на самом деле является одним из методов, относящихся к классу методов CVD, но в последние годы у него появились свои достоинства, поэтому он заслуживает отдельного упоминания. Это прогрессивный метод для получения очень однородных и конформных нанотонких пленок, которые могут использоваться в широком диапазоне применений для геометрически сложных форм и криволинейных поверхностей (если оно наносится непосредственно в виде нанопленочного покрытия), а также на материалы подложки. Это метод, который можно использовать даже для нанесения нанотонкой пленки непосредственно на наночастицу, этот способ известен как “particle ALD”. 

cvd и pvd покрытия