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 vysoko-

frekvenčním 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