Eyüp YAYLACI

(PVD)Fiziksel Buhar Biriktirme Yöntemi


Fiziksel buhar biriktirme (FBB), katı bir kaynağın vakum altında atomizasyonu veya buharlaştırılması ve bu maddenin kaplama oluşturmak için altlık üzerine biriktirilmesi prosesidir.

FBB tekniği, yüksek güç elektrik ve elektroniğinde, vakum teknolojisinin gelişmesinden sonra büyük bir gelişme göstermiştir. FBB’nin gelişmesinde en büyük rolü plazma destekli (iyon ve reaktif kaplama) FBB türlerinin geliştirilmesi oynamıştır. Plazma destekli FBB tekniklerinin gelişmesi ile,

-kaplanacak parçaların ısıtma sırasında sıçratma (sputtering) mekanizması ile temizlenmesi,

-kaplanacak malzemenin kaplanacak yüzeye difüzyonu,

-daha yoğun kaplama yapısı,

-düşük sıcaklıklarda bile iyi bir kaplama yapısı ve buna bağlı olarak gelişen özellikler,

-parçaların ısıtılmasında ekstra bir ısıtıcı kaynağa ihtiyaç göstermemesi ve

-yüksek birikme hızları

sağlanabilmiş olması dolayısıyla aşınma ve sürtünme uygulamaları için çok uygun özellikli (yüzeye çok iyi yapışan, yüksek sertlikte, yoğunlukta) seramik kaplamalar üretilmeye başlanmıştır .

FBB yöntemi, kimyasal buhar biriktirme (KBB) yöntemine göre daha düşük sıcaklıklarda uygulanabilmektedir. Dolayısıyla KBB proseslerindeki altlık özelliklerini olumsuz yönde etkileyen yüksek sıcaklık etkisi ortadan kaldırılmıştır.

PVD teknolojisinin CVD’ye göre en büyük avantajı sertmetal ve yüksek jız çeliklerinin özelliklerini etkilemeden düşük sıcaklıklarda kaplama yapılabilmesidir. CVD’de gerekli olan yüksek kaplama sıcaklıkları(850-1000 C), normalde çeliklerin temperlenme sıcaklıklarını aşmaktadır, bu nedenle takım çeliklerinde CVD kullanmak imkansızdır. Sertmetal altlıkların, özellikle tokluk gibi özellikleri sıcaklıklarında süreye bağlı olarak düşmektedir. Diğer yandan PVD teknolojisin kaplama, 200-500 C aralığında gerçekleştirilir. Bu sıcaklık aralığı takım uygulamalarında kullanılan altlıkların özelliklerine etkimez. PVD ile sert metal takım ve belirli kaplama uygulamalarında sıfırdan başlayarak büyümekte olan bir pazar kazanmıştır ve belirli uygulamalarda CVD ile rekabet halindedir. PVD uygulamalarında en geniş olarak kullanılan kaplama TiN katmanlardır. Takım uygulamaları için yeterli sertlikleri, çatlak yayılmasına karşı etkili olan basma-kalıntı gerilmeleri, kaplama-altlık arasında yapışma özellikleri, kesme işlemi esnasında sağladıkları uygun arayüzey geometrileri ve çok ilginç olarak altına benzeyen renkleri, bu kaplamaların her zaman tercih edilmesini sağlamıştır. Ancak sürekli gelişen teknoloji sürekli bir değişimide beraberinde getirmektedir. Bu nedenle takım endüstrisindeki kaplama araştırmalarında TiN kaplamalara alternatif arayışlar devam etmektedir. Geçiş metallerinin oluşturduğu nitrür1er (TiN, TiAlN, CrN, ZrN vb.) halen çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadırlar. NbN kaplamalar da yıllardır elektronik endüstrisinde kullanılmalarına rağmen tribolojik özellikleri yeni fark edilmiştir.

FBB Prosesinde Kaplama Prensibi


Kaplama işlemleri, basıncı 10-5 mbar seviyesine düşürülmüş kamara içerisinde gerçekleşir. Kaplama tabakalarının istenilen kalitede olması; seçilen kaplama prosesine, ön temizlik yöntemlerine, altlığın yüzey durumuna, kaplama prosesi parametrelerine ve kaplanacak parçanın geometrisine bağlıdır. Elde edilen kaplama tabakasının kalitesi ise tabaka özelliklerine (tabaka kalınlığına, tabakanın morfolojisine, kimyasal bileşim dağılımına ve iç gerilmelere) göre değişmektedir.
Kaplama prosesinde kaplanacak malzemeler ve iş parçaları özel tutuculara monte edilir. Bu tutucular hem kendi ekseni hem de vakum kabini içerisinde dönmektedir. Böylece iş parçaları yüzeylerinin homojen şekilde kaplanması sağlanır.

FBB ile üretilen bazı kaplama türleri


TiN kafes yapısında Ti-atomlarının diğer metallerle (Al, Zr, V) yer değiştirmesi sonucu, sertliği ve sıcak sertliği yükseltilmiş, yüksek oksitlenme direnci gösteren, metastabil kompleks sert malzeme bileşikleri üretilmiştir. FBB yöntemi ile üretilen ve kesici takım uygulamalarında aşınmaya karşı kullanılan metastabil ince tabakalar TiC, TiN, Ti(C,N) (Ti,Al)N, (Ti,Zr)N ve (Ti,Al,V)N’dür .
PVD yöntemi ile yapılan kaplama türleri:
TiN: Titanyum Nitrür Kaplamalar
NbN: Niyobyum Nitrür Kaplamalar
CrN: Krom Nitrür Kaplamalar
TiAlN:Titanyum-Aliminyum Nitrür Kaplamalar

Şekil: TiN kafes yapısı ve diğer alaşım elementlerinin kafesteki durumları .

Tablo : FBB ile üretilen bazı sert kaplamaların özellikleri .

Özellikler

TiN

CrN

TiAlN

Renk

Altın renkli

Gümüş/metal

Antrasit /mavi

Sertlik Hv0.05

>2400

2000

3300

Maksimum sıcaklık °C

500

600

700

Maksimum tabaka kalınlığı (m)

3

15

3

Sürtünme katsayısı

0.4

0.3

0.3

Yoğunluk g.cm-3

5.2

6.1

5.1

Abrazif aşınmaya direnç

++

++

+++

Adhezif aşınmaya direnç

++

++

bulunamadı

Tribolojik aşınmaya direnç

++

++

+++

Korozyona karşı direnç

+

++

++

Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD)


Fiziksel buhar biriktirme (PVD), katı bir kaynağın vakum altında atomizasyonu veya buharlaştırılması ve bu maddenin kaplama oluşturmak için altlık üzerine biriktirilmesidir. PVD prosesinin tribolojik amaçlı kaplamaların üretiminde kullanılması son 10 yılda yaygınlaşmıştır. PVD tekniği, yüksek güç elektrik ve elektroniğinde, vakum teknolojisinin gelişmesinden sonra büyük bir gelişme göstermiştir. PVD’nin gelişmesinde en büyük rolü plazma destekli (iyon kaplama ve reaktif) PVD türlerinin geliştirilmesi oynamıştır. Plazma destekli PVD tekniklerinin gelişmesi ile,
-kaplanacak parçaların ısıtma sırasında sıçratma (sputtering) mekanizması ile temizlenmesi,
-kaplanacak malzemenin kaplanacak yüzeye difüzyonu,
-daha yoğun kaplama yapısı,
-düşük sıcaklıklarda bile iyi bir kaplama yapısı ve buna bağlı olarak gelişen özellikler,
-parçaların ısıtılmasında ekstra bir ısıtıcı kaynağa ihtiyaç göstermemesi ve
-yüksek birikme hızları
sağlanabilmiş olması dolayısıyla aşınma ve sürtünme uygulamaları için çok uygun özellikli (yüzeye çok iyi yapışan, yüksek sertlikte, yoğun) seramik kaplamalar üretilmeye başlanmıştır


PVD yöntemi, CVD yöntemine göre daha düşük sıcaklıklarda uygulanabilmektedir. Dolayısıyla CVD proseslerindeki altlık özelliklerini olumsuz yönde etkileyen yüksek sıcaklık etkisi ortadan kaldırılmıştır .

PVD yöntemi bir çok alt gruba ayrılmış olmakla birlikte, buharlaştırmaya ve sıçratmaya dayalı olmak üzere iki temel grup altında toplanabilir .


Bu teknikler aracılığıyla üretilen metal buharı yüksek hıza sahip, yüksek enerjili parçacıklardan (plazma) oluşur. Yüksek enerjili parçacıkların elde edilmesi için, bu metal buharına pozitif potansiyel (iyonizasyon) ve aynı zamanda altlığa da negatif bir gerilim (bias voltajı) uygulanır; böylece iyonların enerjisi ve dolayısıyla hızları daha da artırılmış olur. Belirli bias voltajı altında kısmen iyonize olmuş metal buharı kullanımı yoluyla yapılan bu kaplama işlemleri genel olarak iyon kaplaması (ion-plating) olarak tanımlanır. İyon kaplama işlemi için geliştirilen üç ana buharlaştırma yöntemi vardır: Elektron ışını kullanarak plazma oluşturma, sıçratma ve katodik ark-buharlaştırma yöntemi. Bunların arasında en yüksek iyonlaştırma derecesinin, en yüksek ortalama iyon enerjisinin ve altlık üzerinde yeterince yüksek iyon akımı yoğunluğunun sağlandığı yöntem katodik ark-buharlaştırma yöntemidir. Bu yöntem, düşük kaplama sıcaklıklarında bile yüksek yapışma mukavemetine sahip, homojen ve üstün tribolojik özellikler gösteren ince sert kaplamaların üretimine imkan sağlar.


PVD yöntemi ile üretilen kaplamalar altlığın yüzey özelliklerini geliştirir. Kesme uygulamalarında sertlik, sürtünme ve aşınma gibi mekanik özelliklerin geliştirilmesinde PVD kaplamaları son derece başarılı olmuştur. Bu yöntemle; dekoratif, optik, elektriksel, mekanik ve kimyasal amaçlı kaplamalar üretilmektedir.


PVD Kaplama Prensibi


PVD kaplama tabakaları birden fazla teknik (alt prosesler) ile üretilebilmektedir. Kaplama işlemleri, basıncı 10-6 mbar seviyesine düşürülmüş kamara içerisinde gerçekleşir. Kaplama tabakalarının istenilen kalitede olması seçilen kaplama prosesine, ön temizlik yöntemlerine, altlığın yüzey durumuna, kaplama prosesi parametrelerine ve kaplanacak parçanın geometrisine bağlıdır. Elde edilen kaplama tabakasının kalitesi ise tabaka özelliklerine (tabaka kalınlığına, tabakanın morfolojisine, kimyasal bileşim dağılımına ve iç gerilmelere) göre değişir .
Kaplama prosesinde kaplanacak malzemeler ve iş parçaları özel tutuculara monte edilir. Bu özel tutucular hem kendi ekseni hem de vakum kabini içerisinde dönmektedir. Böylece iş parçaları yüzeylerinin homojen şekilde kaplanması sağlanır.


OLEDin yapısı

PVD kaplamaları genellikle 1-5 mikron tabaka kalınlıklarında üretilir. Kaplamalar altlık malzemesinin üst yüzey zonuna itinalı bir uyum gösterir. Diğer bir ifadeyle, iş parçası yüzeyine tabaka birikmesi topografik kopya şeklinde olmaktadır. Kaplama işlemi sonrasında altlığın yüzey pürüzlülüğü hemen hemen hiç değişmez . Böylece kaplanmış fonksiyonel yüzeyler için ayrıca son işlemlere gerek kalmaz. Bu özellik, özellikle kesici takımların kaplanmasında çok önemlidir. Kaplama sonrası takımın keskin kenar ve yüzeyleri tıpkı kaplanmamış durumdaki gibi keskin kalmaktadır.


PVD kaplamaları yapı elemanlarının ve takımların kaplanmasında son işlem adımını oluşturur. PVD kaplamaları yüksek sertliklerine rağmen gevrek değildir ve yüksek yapışma değerleri gösterir. Tabakalar yüksek yükler altında hiç bir çatlak ve yarık oluşturmaksızın plastik olarak şekil değiştirebilirler .


PVD kaplama prosesinin avantajları şunlardır:
-kaplama bileşimi çok geniş bir aralıkta değişir,
-proses sadece kararlı maddelerin kaplama malzemesi olarak kullanılması yanında yarı kararlı maddelerin kaplamada kullanılmasına imkan sağlar,
-biriktirme hızı yüksektir,
-tabaka-altlık arasında iyi bir yapışma söz konusudur,
-proses her türlü altlık üzerine tabaka kaplanmasına izin verir,
-sistem insan sağlığı ve çevre kirliliği açısından bir problem oluşturmaz.

PVD tekniği ile yapılan kaplamaların özellikleri

1- Isıl işlem görmüş takım çeliklerinin 180-1600 C arasında kaplanabilmesi ve parçalarda sertlik kaybı olmaması

2- Kaplanan tabakalarda çok yüksek tutunma kuvvetlerinin oluşması ve yüzeyden pul pul dökülmemesi

3- Sık dokulu kristal tabaka yapısının olması

4- Çok ince (1-5 µM) kaplama yapılabilmesi ve parça toleransının muhafaza edilmesi

5- Kompleks geometrik parçaların döner mekanizmalarla homojen özelliklerde kaplanabilmesi

6- Köşelerin ve keskin uçların keskinliğinin bozulmadan kaplanabilmesi

7- Takımların ve kalıpların bilendikten sonra tekrar kaplanabilmesi

8- Kaplamaların sökülerek tekrar kaplama yapılabilmesi

Kaynaklar:


1.Mattox, Donald M. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing: Film Formation, Adhesion, Surface Preparation and Contamination Control.. Westwood, N.J.: Noyes Publications, 1998.
2. Fatih Üstel Sakarya Üniversitesi İnce Film Kaplama Ders Notları
3. Hatem Akbulut Sakarya Üniversitesi Nano Malzemeler Ders Notları
4. http://quarters.blogcu.com/pvd-kaplama-nedir/27258
5. http://tr.wikipedia.org/wiki/Fiziksel_buhar_biriktirme
6. http://www.tuat.ac.jp/~crc/m/img/m_05_45Usui.pdf
7. http://www.umms.sav.sk/index.php?ID=415


Eyüp YAYLACI