Enhanced nanostructured Cr based thick coatings by HIPIMS

Abstract

Na última década, a técnica de deposição de filmes finos apresentou melhorias significativas. Cada novo avanço marca a tecnologia, especificamente na indústria de filmes finos, onde cada melhoria é também importante para um maior reconhecimento e consequente melhoria do controlo dos sistemas de pulverização. Uma dessas técnicas é a pulverização catódica com impulsos de alta potência (do inglês high power pulse magnetron sputtering, HiPIMS). Neste modo, o sistema consegue produzir revestimentos densos, com melhor rácio dureza/modulo de Young, e superfícies com menor rugosidade do que técnicas de pulverização convencionais.Por outro lado, o crómio é um material muito usado em variadas indústrias. A importância do crómio na deposição como filme fino por métodos de pulverização é bastante elevada devido às suas propriedades de proteção de superfície, filmes decorativos, e muito aceitáveis propriedades mecânicas. Também oferece um processo de deposição limpo, promovendo as preocupações com a saúde e segurança publica. Contudo, estes filmes apresentam elevado desgaste quando aplicados em ambientes agressivos.O trabalho aqui apresentado focou-se maioritariamente no controlo dos parâmetros de deposição para obter filmes crómio duros recorrendo ao HiPIMS, prestando especial atenção à percentagem de gás usado para a ionização do crómio, dinâmica de cargas e impacto duma intercamada na melhoria da morfologia dos filmes, espessura e propriedades tribo mecânicas. Todos os sistemas foram preparados em modo DOMS usando uma fonte de potência cyprium da zpulserTM LLC.Os efeitos do árgon na deposição da intercamada na morfologia, espessura e propriedades mecânicas dos revestimentos preparados foram estudadas. A caracterização dos revestimentos foi efetuada recorrendo à microscopia de varrimento eletrónico, difração de raio-X e microscopia de força atómica.Revestimentos de Cr previamente preparados demonstraram que a grande capacidade de ionização do HiPIMS permitiu a obtenção de filmes espessos. Do mesmo modo, o crescimento dos filmes a partir de iões Cr+ resultou em revestimentos densos com moderado decréscimo das suas propriedades mecânicas.

Over the past decade, thin film deposition techniques have improved incredibly. Each new step is a remarkable advance for the technology, but specifically for this industry, each improvement seems to be important for better recognition, which consequently allows better control in sputtering systems. One of these strong techniques on the market is high-power pulse magnetron sputtering (HiPIMS). This can produce coatings with a much denser morphology, a better hardness/elastic modulus ratio, and a smoother surface than conventional thin film deposition techniques.On the other hand, chromium is one of the most widely used materials in various industries. The importance of Cr for thin film deposition by physical vapor deposition is generally very high due to its excellent performance in surface protection, decorative properties, and very acceptable mechanical properties. It also provides clean deposition processes for the environment, which comes with public safety and health concerns. However, these films are subject to increasing wear and abrasion under harsh long-term conditions.The work is mainly focused on the development of the deposition parameters of hard Cr coating using HiPIMS, paying special attention in injected percentage of gases for ionization, charges dynamics and impact of soft Cr interlayer to compare thin film morphology, thickness and tribomechanical properties. All deposition systems were operated in DOMS mode using a Cyprium power supply from ZpulserTM LLC.The effects of injected Argon interlayer deposition on the morphology, thickness and mechanical properties of the achieved coating were studied in detail. Film characterization was performed using scanning electron microscopy, X-ray diffraction and atomic force microscopy. The previously deposited Cr coatings demonstrated the high ionization capacity of HiPIMS, which was successful in obtaining thick films. Moreover, film growth by continuous bombardment with Cr+ ions resulted in changes in film properties, forming dense microstructure with only a gradual decrease in mechanical film properties.