Metody depozice povlaků

Metody depozice povlaků - CVD
Procesy CVD, PA CVD, PE CVD
Chemická metoda depozice vrstev CVD – využívá pro depozici
směs chemicky reaktivních plynů (např. CH4, C2H2, apod.)
zahřátou na poměrně vysokou teplotu 900 – 1100°C. Reakční
složky jsou přiváděny v plynné fázi, vysoká teplota způsobuje
disociaci molekul a podporuje vzájemnou chemickou reakci
složek atmosféry. Vrstva vzniká na povrchu substrátu
heterogenní reakcí. V principu nejde o čistě plazmatickou
metodu.
Teplotu lze snížit za předpokladu, že chemické reakce
podpoříme ionizací prostředí, tj. vytvořením plazmatu.
Dosahujeme toho buď stejnosměrným (DC) nebo vysokofrekvenčním výbojem (VF).
Metody depozice povlaků - CVD
Schéma aparatury pro CVD
Metody depozice povlaků - CVD
Chemické reakce probíhající při depozici povlaků
TiC, TiN a TiCN:
Depozice TiC
TiCl4(l) + CH4(g) + H2(g) → TiC (s) + 4HCl (g) + H2(g)
Depozice TiN
2TiCl4(l) + N2(g) + 4H2 → 2TiN (s) + 8HCl (g)
Depozice TiCN
2TiCl4 (l) + 2CH4(g) + N2(g) → 2TiCN (s) + 8 HCl (g) + H2(g)
Tyto reakce byly používány v počátcích aplikace CVD (60. a 70.
léta 20 stol.). V současnosti se užívají složitější sloučeniny – tzv.
organometalika. Např. pro depozice sloučenin titanu to je
titanium IV isopropoxid …. Ti(O-i-C3H7) 4.
Metody depozice povlaků - CVD
Výhody procesů CVD:
-
-
proces je ekonomicky nejvýhodnější pro tvorbu silných vrstev,
je vhodný všude tam, kde je nutné povlakovat nepřístupné dutiny a
drážky,
povlaky mají vysokou adhezi, jsou dobře zakotveny do substrátu,
povlaky mají vysokou odolnost proti opotřebení,
povlaky vykazují vysokou teplotní stabilitu,
rovnoměrná tloušťka u tvarově složitých nástrojů a součástí.
Metody depozice povlaků - CVD
Nevýhody procesů CVD:
 - vysoká energetická náročnost,
 - dlouhý pracovní cyklus 8-10 hodin,
 - vysoká teplota depozičního procesu (950 – 1050°C),
 - ekologicky nevyhovující pracovní plynné směsi,
 - tahová pnutí ve vrstvě (rozdílný koeficient tepelné roztažnosti),
 - nemožnost dělat některé typy vrstev kombinací různých typů kovů
(např.TiAlN),
 - nedostatek vhodných organometalik pro široké spektrum kovů.
Metody depozice povlaků - CVD
Procesy PA CVD a PE CVD
PA CVD (plasma assisted) nebo PE CVD (plasma enhanced)
procesy jsou charakteristické zionizováním pracovních plynů buď
doutnavým výbojem nebo radiofrekvenčním výbojem. Energie výboje
a plazmochemické procesy v plazmatu podporují chemické reakce,
interakce plazmatu s povrchem součástí přispívá k dobrému
zakotvení povlaků.
Plazma umožňuje podstatně snížit teplotu substrátů (součástí,
nástrojů) : 480 až 560 °C. Hustota energie ve výbojovém prostředí je
dostatečná k rozkladu molekul na různé složky – elektrony, ionty,
atomy v základním a excitovaném stavu, volné radikály, atd.
Výsledným efektem je, že dochází k chemickým reakcím při
mnohem nižších teplotách než u konvenčních CVD technik.
Metody depozice povlaků - CVD
Parametry procesů PE CVD
- frekvence výboje v rozsahu
100 kHz – 40 MHz,
- tlaky v rozsahu 10 -1až 10 2 Pa,
- objemová koncentrace iontů
a elektronů 109 – 1012 cm-3,
- střední kinetická energie
1 – 10 eV.
Metody depozice povlaků - CVD
Příprava povlaků na bázi uhlíku
Metody PE CVD se velmi dobře uplatňují při přípravě povlaků na bázi
uhlíku včetně speciálních struktur – fullerénů (buckyballs),
nanotrubiček (CNT), grafénu a dalších podobných struktur.
Metody depozice povlaků - CVD
Metody depozice povlaků - CVD
Nanotrubky byly deponovány v horizontálně položené křemenné
trubici s průměrem 4 cm a délkou 150 cm vložené ve středu
válcové pece. Aparatura je čerpána rotační vývěvou na tlak
několika Pa. Vf generátor pracuje na frekvenci 13.56 MHz s
maximálním výkonem 500 W .
Metody depozice povlaků -PN
Plazmový nástřik
Metodou plazmového nástřiku je možné díky vysoké teplotě plazmatu
nanášet všechny druhy materiálů od čistých kovů až po těžce
tavitelné materiály (např. keramiky).
Schéma plazmové trysky – obloukový výboj hoří v pracovním plynu
mezi vodou chlazenou wolframovou katodou a válcovou měděnou
anodou, tvořící zároveň trysku plazmového hořáku.
Metody depozice povlaků -PN
Elektrický oblouk hoří v plazmovém plynu (obvykle argon nebo jiný
inertní plyn s několika procenty plynu zvyšujícího entalpii plazmatu,
např. H2, He, N2).
Plazmový plyn je napouštěn axiálně do hořáku, na jehož druhém
konci vystupuje plazma s vysokou teplotou (až 20 000 K) a entalpií.
Do něj se pomocí nosného plynu přivádí nanášený materiál ve formě
prášku.
Vysoká teplota plazmatu je v některých případech nevýhodou,
protože může způsobit oxidaci, změnu fázového složení nebo
vyhořívání některých prvků nanášeného materiálu v průběhu
nástřiku. Vlastnosti takto vytvořeného povlaku se poté mohou
výrazně lišit od předpokládaných.
Pro dosažení extrémně vysoké hustoty, přilnavosti a čistoty povlaků
je možné provádět plazmatický nástřik v uzavřené komoře za
sníženého tlaku (obvykle 0,005-0,02 MPa), tzv. VPS (vacuum
plasma spraying) nebo LPPS (low pressure plasma spraying).
Metody depozice povlaků - PN
Rozdíly v konstrukci zařízení vedou k širokému rozsahu
charakteristik procesu.
Teplota a rychlost proudu plazmatu závisí zejména na konstrukci
hořáku, energetickém příkonu a použitém plynu. Dosahuje se
rychlostí plazmatu 300 – 1000 m.s-1 a teplot 10 000 až 15 000 K,
rychlost částic je 50 – 800 m.s-1 a jejich teplota dosahuje až 4 000 K.
Plazmovým nástřikem se vytvářejí povlaky s tloušťkou od desetin
mm až do několika milimetrů nebo dokonce samonosné keramické
povlaky.
Charakter procesu ovšem způsobuje, že mikrostruktura povlaků je
značně heterogenní, částice při letu často oxidují, míra jejich
protavení závisí na materiálu, teplotě, vzdálenosti hořáku od povrchu
a teplotě substrátu.
Metody depozice povlaků - CVD
Význam symbolů:
ideální dráha
špatně protavené částice
x přijatelná dráha, relativně dobře protavené
částice
Metody depozice povlaků - PN
Nejčastější aplikace plazmového nástřiku
- povlaky odolávající opotřebení – náhrada tvrdochromu,
- kovokeramické povlaky (cermety), např. WC-Co, odolávající
vysokoteplotnímu opotřebení,
- povlaky odolávající korozi a oxidaci,
- dvoustupňové povlaky TBC (thermal barrier coatings),
- těsnící povlaky pro utěsnění rotujících částí strojů,
- vysokoteplotní výstelky na bázi NiCoCrAlY + polyester pro utěsnění
rotujících částí turbin.
To help protect your privacy, PowerPoint prevented this external picture from being automatically downloaded. To download and display this picture, click Options in the Message Bar, and then click Enable external content.
Metody modifikace povrchů - PI
Plazmová nitridace
Úprava povrchových vlastností implantací iontů dusíku. Součást je
na záporném potenciálu DC nebo pulzního DC zdroje. V oblasti
doutnavého výboje se molekuly dusíku štěpí a ionizují. V oblasti
katodového spádu potenciálu potenciálu se urychlují k povrchu
součásti. Při dopadu dochází ke složitým procesům popsaným dále.
Součást je vnořena do plazmatu (plasma immersion ion
implantation = PIII)
Metody modifikace povrchů - PI
Tato modifikace povrchů zlepšuje tvrdost, zvyšuje odolnost proti
opotřebení, zvyšuje korozivzdornost. Jde o úpravu povrchové vrstvy
– nejsou proto potíže s adhezí nebo odlupováním. Úprava nemění
ani tvar ani rozměry součástí. Proces probíhá při mírně zvýšené
teplotě (dopad energetických iontů).
Procesem je možné modifikovat povrchy tvarově složitých součástí,
lze použít různé plyny
(např. CH4 – karbonizace, C2H2 + N2 – karbonitridace).
Obvykle se užívá pulzní výboj, protože zvyšuje stupeň ionizace ( v
intervalu mezi pulzy dochází jen k částečné rekombinaci). Používá
se i radiofrekvenční výboj (rozměrová omezení ale vhodný pro
tvarově složité součásti).
Metody modifikace povrchů - PI
Procesy při plazmové nitridaci
Metody modifikace povrchů - PI
Výrobní zařízení