PVD

الطلاء بترسيب البخار الفيزيائي (PVD)

مقدمة هندسة الأسطح هي فرع من فروع علم المواد يدرس ويعدل هيكل سطح المواد من أجل تحسين أدائها. يشمل الطلاء التقنيات التي توفر الخصائص الفيزيائية أو الكيميائية أو الميكانيكية المطلوبة عن طريق إنشاء طبقة واقية على سطح الأجزاء. الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) هو أحد تقنيات الطلاء الجديدة التي لوحظت في العديد من الصناعات. نحاول في هذه المقالة تعريفك بمبادئ هذه التقنية وأساليبها ومزاياها مقارنة بطرق الطلاء الأخرى. فابق معنا حتى النهاية …

الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD)( Physical Vapor Deposition) عبارة عن تقنية طلاء تستخدم التبخر ، حيث يتم تبخير المواد من مصدر صلب أو سائل في شكل ذرات أو جزيئات ، ويشتمل البخار في بيئة فراغية أو غاز منخفض الضغط أو بلازما على الركيزة. لقد كانت هذه الطريقة متفوقة على العديد من طرق الطبقات نظرًا لقدرتها العالية على إنتاج أغشية رقيقة(Thin Films) وبنقاوة عالية.

كان أول استخدام صناعي لتقنية الترسيب الفيزيائي من مرحلة البخار مرتبطًا بطلاء الأدوات في أوائل الثمانينيات1980، عندما تم استخدام طلاء TiN على الفولاذ عالي السرعة (HSS) وأدوات كربيد المعادن ، ومع تطوره ، وجد العديد من التطبيقات.

بشكل عام ، تعتمد عمليات ترسيب PVD على طريقتين للتبخر والرش ، والفرق الرئيسي بين هذه الطرق هو مصدر الطاقة المستخدم. عملية PVD لها العديد من التطبيقات لترسيب الطلاءات المصنوعة من النتريدات والكربيدات والأكاسيد وبوريدات العناصر مثل Ti Cr و Zr و V والعديد من السبائك مثل AlCr و AlTi و. TiSi.

تتراوح درجة حرارة العملية عادة بين 250 و 450 درجة مئوية. نظرًا لأن درجة حرارة الركيزة أقل بكثير من درجة حرارة انصهار المادة المستهدفة ، فإن طلاءات PVD فعالة على المواد الحساسة لدرجة الحرارة. يختلف سمك طلاءات PVD من عدة نانومتر إلى 15 ميكرومتر. يمكن أن تشتمل مواد الركيزة على معادن حديدية ، ومعادن غير حديدية ، وكربيدات التنجستن ، وكذلك المواد البلاستيكية المطلية مسبقًا.

تحليل PVD

كيف يتم تنفيذ تقنية PVD؟

تتضمن المبادئ العامة لطريقة الترسيب الفيزيائي من مرحلة البخار الخطوات التالية:

• تحويل المادة المستهدفة المبخرة إلى حالة غازية من خلال التبخر أو التسامي أو الرش المهبطي
• نقل الذرات من مصدر التبخر إلى الركيزة تحت ضغط منخفض
• ترسيب هذه الجسيمات على الركيزة
• إعادة ترتيب روابط الذرات على سطح الركيزة

ما هي طرق تطبيق طبقة PVD؟

بشكل عام ، تعتمد عمليات ترسيب تحليل PVD على نوعين من التبخر و الرش المهبطي ، كل منهما سوف نفحصه:

• عمليات التصفيف على أساس التبخر (Evaporation)

يمكن أن تشمل هذه العمليات التبخر الحراري ، وشعاع الإلكترون ، وطرق شعاع الليزر وقوس الكاثود.

• طلاء التبخر الحراري

تُستخدم عملية التبخير الحراري باستخدام خيوط التنجستن لصهر المعادن مثل الألومنيوم والنحاس التي تقل درجة انصهارها عن 1500 درجة مئوية. بعد أن يصل ضغط الغرفة إلى 5-10 وحدة، يتم تطبيق تيار عالٍ من حوالي 100 إلى 200 أمبير على بوتقة التنجستن من خلال قطب كهربائي نحاسي مزود بنفث مائي ويؤدي إلى تبخر المادة المستهدفة الموضوعة داخل البوتقة. نتيجة لذلك ، يتم تكوين طبقة رقيقة على الركيزة عن طريق تبخر المادة المستهدفة.

تحليل PVD

• الطلاء باستخدام شعاع الإلكترون

يحدث تبخر الحزمة الإلكترونية عندما يتم تفجير المادة المستهدفة بشعاع إلكتروني ينبعث من خيوط التنجستن تحت فراغ عالي ويخلق الطبقة المرغوبة على الركيزة. في هذه الطريقة ، من الممكن تبخير جميع المواد المقاومة للحرارة وليس هناك حاجة لوجود غاز محايد أثناء الطبقات. نظرًا لإمكانية وضع طبقات من المواد بنقطة انصهار عالية ، تُستخدم هذه الطريقة في الإلكترونيات والبصريات وصناعة أشباه الموصلات وفي العقود الأخيرة لتطبيق طلاءات الحاجز الحراري (TBC).

• تقنية PLD

بسبب تأثير الليزر على المادة المستهدفة ، يتم تكوين بلازما رفيعة تسمى Plump بين الركيزة والمادة المستهدفة ، وحجمها فعال في سرعة الطلاء وسمكه. لذلك ، يتم توفير الطاقة اللازمة لتبخير المادة المستهدفة (Ti) بواسطة طاقة الليزر. أثناء إشعاع شعاع الليزر ، تتبخر ذرات المادة المستهدفة وتوضع في حجرة المضخة. مع وجود الغاز التفاعلي مثل النيتروجين في الغرفة ، من الممكن تكوين طبقة رقيقة وإيداعها على الركيزة.

هذه الطريقة هي إحدى الطرق الفعالة في طبقات PVD ؛ لأن طاقة شعاع الليزر المستخدمة عالية جدًا بحيث تتيح وضع طبقات من المواد المقاومة للصهر مثل السيراميك والمواد غير المعدنية.

• استخدام قوس الكاثود (Arc PVD)

تحدث عملية القوس الكاثودي بسبب التفريغ الكهربائي بين قطبين (الأنود والكاثود) في بيئة الفراغ. مبدأ العمل هو أنه بعد إنشاء التيار العالي ، يتأين سطح المادة المستهدفة وتتحرك الذرات المتأينة نحو الجزء ، وفي حالة وجود غاز تفاعلي في الغلاف الجوي للغرفة ، يتم تشكيل الطبقة المرغوبة على الركيزة.

تحظى طريقة القوس الكاثودي بشعبية كبيرة لتطبيق الطلاءات الصلبة على الأرض نظرًا لمزاياها مثل معدل الترسيب العالي والالتصاق الجيد بالركيزة وكونها اقتصادية. لكن أحد أكبر عيوب هذه الطريقة هو تكوين جزيئات دقيقة ذائبة في الطلاء ، وهي مشتقة من الخصائص الجوهرية للقوس الكاثودي.

• عملية الترسيب القائمة على الشعاع الأيوني (IBAD)

في هذه الطريقة ، يتم استخدام مسدس أيوني تبلغ طاقته حوالي كيلو إلكترون فولت. أثناء عملية التبخر ، تنتقل طاقة المدفع الأيوني إلى الذرات المتبخرة وتتسبب في ترسيب الذرات على سطح الركيزة وإنشاء طبقة رقيقة ذات كثافة عالية. تستخدم هذه الطريقة في الغالب في طبقات المكونات الإلكترونية.

توفر طريقة IBAD العديد من الاحتمالات لإنشاء طلاءات نيتريد. هذه النتريدات مثل TiN و CrN و VN و ZrN لها خصائص كيميائية وفيزيائية مختلفة.

• عملية الطبقات القائمة على الرش المهبطي (Sputtering)

تتضمن عملية الرش المهبطي إزالة الذرات من سطح المادة المستهدفة عن طريق غاز رشاش (مثل غاز الأرجون) وترسبه على الركيزة. تتضمن هذه الطريقة الخطوات التالية:

أ) تأين ذرات غاز الأرجون بسبب فرق الجهد العالي بين الكاثود والأنود

ب) تطبيق جهد سلبي على المادة المستهدفة وتحريك أيونات الأرجون الموجبة بسرعة عالية

ج) قصف المادة المستهدفة بأيونات الأرجون وإزالة المادة ورميها باتجاه الركيزة

د) تشكيل الطبقة المرغوبة على الركيزة

من بين المتغيرات المؤثرة في عملية الرش ، يمكننا أن نذكر طاقة وكتلة الغاز المحايد (الغاز المتطاير) ، وطاقة الرابطة وكتلة المادة المستهدفة ، وضغط عمل الغرفة وزاوية تأثير أيونات الأرجون على سطح المادة المستهدفة.

وفقًا لنوع الغازات المحتملة والمتفاعلة المطبقة ، هناك أنواع مختلفة من عمليات الرش:

• DC Sputtering
• AC Sputtering یا RF
• Reactive Sputtering
• Magnetron Sputtering

• الرش المهبطي باستخدام نظام DC

الرش المهبطي DC هو طريقة الرشرشة الأساسية باستخدام جهد ثابت (DC) بين الركيزة (الأنود) والمواد المستهدفة (الكاثود). عادة ما تستخدم أيونات الأرجون (Argon (Ar کجسيمات قصف على سطح المادة المستهدفة. يؤين جهد التيار المستمر (0.5-5 كيلو فولت) ذرات الأرجون ويشكل غازًا مؤينًا (بلازما). يستخدم الرش المهبطي بالتيار المستمر لترسيب المواد الموصلة (المعادن). يتمثل العيب الرئيسي لطريقة الرش بالتيار المستمر في الكثافة المنخفضة جدًا لأيونات الأرجون ، مما يؤدي إلى انخفاض معدل الترسيب.

• الرش المهبطي باستخدام نظام RF

في رشاش التردد الراديوي ، يوجد كاثود (مادة مستهدفة) وأنود متصل في سلسلة بمكثف (C). مصدر الطاقة هو مصدر RF عالي الجهد ، وغالبًا ما يتم تثبيته عند 56.13 ميجا هرتز. يستخدم الاخرق RF لترسب المعادن وغير المعدنية.

تحليل PVD

• الرش المهبطي التفاعلي

يستخدم الرش التفاعلي تفاعلات كيميائية بين ذرات سطح الركيزة والغاز الذي يتم إدخاله في غرفة التفريغ. عادة ، يعمل الأكسجين أو النيتروجين كغازات تفاعلية. المادة المستهدفة هي المعدن. ينخفض جزء من الغاز التفاعلي في المضخات وينتقل الجزء الآخر إلى الطبقة الرقيقة المتزايدة.

تحليل PVD

• الرش المهبطي المغنطرون

رش المغنطرون هو طريقة لتعزيز رشاش التيار المستمر بالمجالات المغناطيسية والكهربائية المتقاطعة ، والتي تنتج بلازما عالية الكثافة. يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة مغناطيس دائم مثبت خلف المادة المستهدفة. تنتقل إلكترونات البلازما على طول خطوط المجال المغناطيسي في مسار حلزوني ، وتصطدم بذرات الأرجون على طول الطريق وتنتج أيونات أكثر بكثير من طريقة التيار المستمر. تسمح تقنيات رش المغنطرون عالية التأين بترسيب الطلاءات الصلبة بمعدلات تأين أعلى بكثير من تقنيات الرش التقليدية.

تحليل PVD

ما هي مميزات تقنية PVD؟

مثل الطرق الأخرى ، فإن طلاء PVD له مزايا وعيوب. ومن أهم مزايا هذه الطريقة ما يلي:

• تطبيق طلاء PVD على مادة الركيزة يجعل المنتج النهائي يتميز بميزات مثل متانة الكسر العالية ، الالتصاق العالي ، مقاومة التآكل العالية ، الصلابة العالية ، معامل الاحتكاك المنخفض ، الاستقرار الحراري ، الحياد الكيميائي ، وكذلك الأكسدة الجيدة ومقاومة التآكل للمواد. التي لا تحتوي على طلاء.
• غالبًا ما يكون لهذه الطلاءات القدرة على تحمل درجات الحرارة العالية.
• تتميز طلاءات PVD بنقاوة عالية ويمكن التحكم في هيكل الطلاء.
• باستخدام طريقة PVD ، يمكن وضع طبقة من أي نوع من المواد غير العضوية وبعض المواد العضوية على مجموعة واسعة ومتنوعة من الأسطح والركائز.
• طلاء PVD متوافق للغاية مع البيئة.

ما هي القيود التي تتضمنها طبقة عنوان PVD؟

• لا يمكن تغطية الأجزاء ذات الشكل الهندسي المعقد في هذه الطريقة.
• تتطلب بعض تقنيات ترسيب البخار الفيزيائي عناية ودقة كبيرين بسبب الحاجة إلى بيئة فراغية ودرجة حرارة عالية لبيئة الترسيب.

ما هي أهمية تقنية طلاء PVD في الصناعات المختلفة؟

تطورت طلاءات PVD أكثر فأكثر خلال السنوات الماضية ، لذلك تم استخدام هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في العديد من الصناعات ذات التقنيات المتقدمة ، والتي نذكر بعضها.

صناعة السيارات

يلعب تطبيق طلاء PVD على حلقات المكبس دورًا مهمًا في تقليل خسائر الاحتكاك بسبب زيادة ضغط الاحتراق وإعادة تدوير غاز العادم. من خلال تطبيق الطلاء على عجلة التروس الخاصة بعلبة تروس السيارة ، يصل الفشل الناتج عن التآكل إلى الحد الأدنى من قيمته. في السنوات الماضية ، تم استخدام الطلاءات متعددة الطبقات Cr / CrN لطلاء حلقة المكبس نظرًا لثباتها الحراري الممتاز ومقاومتها للأكسدة.في الوقت الحاضر ، تُستخدم طبقات CrN و CrCN و DLC نظرًا لمدى ثباتها الحراري الأوسع وخصائص تشحيم أفضل .

صناعات الطيران والكهرباء ومحطات الطاقة

أحد العوامل التي تؤثر على عمر ريش التوربينات الغازية هو استخدام طلاء PVD ، مما يزيد من مقاومة التآكل والتآكل للشفرات وتصل كفاءة التوربينات والغرف إلى أقصى قيمة لها. تعتبر طلاءات TiN و CrN و AlCrN الصلبة والمقاومة من بين الطلاءات المناسبة لهذه التطبيقات.

صناعات الصنع و الإنتاج

تلعب طلاءات PVD دورًا مهمًا في تصنيع أدوات القطع والتشكيل (مثل محاور التروس والقطع) والقولبة (مثل الحدادة والبثق وقوالب الصب والحقن البلاستيكية). تزيد هذه الطلاءات من عمر الأجزاء وتزيد أيضًا من مقاومتها للتآكل.

طلاء PVD في صناعات النفط والغاز والبتروكيماويات لصنع بوابات وبوابات النفط وصناعات البناء والديكور لصنع الواجهات المعدنية والبلاط والسيراميك وصناعة النسيج لإنتاج إبر آلات الحياكة والزراعة والغذاء لإعداد الأدوات الفائزة للمنتجات الزراعية والأدوية والطب لإنتاج أدوات طب الأسنان والجراحة وصناعات النقل بالسكك الحديدية والبحر.

تحليل PVD

إستنتاج

يعد ترسيب البخار الفيزيائي أو تحليل PVD أحد تقنيات الطبقات المتقدمة والمستخدمة على نطاق واسع. تعتمد هذه الطريقة على طريقتين من طرق التبخير والرش وهي مناسبة جدًا لترسيب الطلاءات المصنوعة من النيتريد والكربيدات والأكاسيد والبوريدات من عناصر مثل التيتانيوم والكروم والفاناديوم والزركونيوم. ينتج عن استخدام تقنية PVD منتجات مقاومة للاهتراء بصلابة عالية ومعامل احتكاك منخفض واستقرار حراري ممتاز ومقاومة للتآكل والأكسدة. لهذا السبب ، يتم استخدامه في الصناعات عالية التقنية مثل السيارات ومحطة الطاقة والبناء والإنتاج.

جمیع التحلیلات