Покрытие из нитрида титана (TiN) является одним из наиболее известных вариантов физического осаждения из паровой фазы (PVD) и на протяжении десятилетий является основой отделки изделий. Покупателям нравится TiN из-за его хороших механических свойств и блестящего золотого цвета. Комбинация неметаллического элемента (Азота) с элементом переходного металла (Титаном) образует тугоплавкий (устойчивый к изменению) материал. Этот материал обладает многими свойствами, присущими тугоплавким нитридным материалам. Эти атрибуты включают в себя:
- Высокая твердость
- Хорошая электро- и теплопроводность
- Химическая стабильность
- Термическая стабильность
- Устойчивость к окислению при повышенных температурах.
Цели покрытия TiN
TiN обладает превосходными механическими, коррозионными и термическими свойствами, подходящими для широкого спектра применений. Производители используют покрытия TiN в нескольких отраслях, включая биомедицину, автомобилестроение, инструменты и оснастку, а также спорт на открытом воздухе. Кубическая структура TiN очень совместима с большинством металлических подложек, обеспечивая хорошую адгезию покрытия к широкому спектру подложек.
Вы знали?
Одним из наиболее уникальных свойств TiN является его совместимость с биологическими структурами, что делает его пригодным для медицинских имплантатов и устройств, предназначенных для внутреннего использования биологическими организмами.
Как наносятся покрытия TiN?
Для осаждения TiN с использованием методов PVD обычно используется твердая мишень, изготовленная из очень чистого титана, газообразного аргона и азота в качестве реактивного газа. Атомы/ионы титана (Ti) из мишени реагируют с атомами азота (N) из химически активного газа с образованием TiN. Для образования TiN требуется относительно высокая энергия активации, генерируемая в виде тепла или энергии ионов. Предположим, что процесс не содержит достаточно энергии при нанесении покрытия. В этом случае полученная фаза будет состоять только из Ti, который намного мягче, чем TiN, и имеет оттенок металлического серого цвета, а не золота.
Используйте магнетронное напыление или катодную дугу для нанесения покрытий TiN.
Для синтеза TiN используется несколько методов PVD. Сегодня наиболее распространенными методами являются магнетронное распыление или катодно-дуговое испарение. У каждого метода есть свои преимущества и проблемы.
Доступный цветовой диапазон, наносимый катодной дугой, шире, чем при магнетронном распылении. Магнетронное напыление TiN обычно менее желтое и более красное, чем TiN, нанесенный катодно-дуговым испарением. Изменения цвета вызваны различиями в энергии ионов, как описано ниже.
Катодная дуга для покрытий TiN
Катодно-дуговое испарение генерирует множество ионов, которые дают достаточно энергии для производства TiN без нагрева подложки. Вы можете запустить процесс при достаточно низких температурах, чтобы покрыть подложки с такой же низкой температурой плавления, как у пластика. Ниже представлена микрофотография поперечного сечения пленки TiN.
Одним из существенных недостатков катодно-дуговых процессов является образование макрочастиц. Эти частицы могут образовывать более мутные пленки с более высокими коэффициентами трения.
Магнетронное напыление для покрытия TiN
Пленки TiN, нанесенные методом магнетронного напыления, очень гладкие и относительно бездефектные. Тем не менее, обычно используемый процесс производит в основном низкоэнергетические атомы, а не высокоэнергетические ионы, а это означает, что в этом процессе не хватает энергии, необходимой для производства TiN. Поэтому ученые часто используют дополнительное тепло нагрева подложек для получения энергии, необходимой для образования TiN. Системы магнетронного напыления часто создают температуры, превышающие 400 C°, что ограничивает типы покрываемых подложек. Однако, чтобы преодолеть дефицит энергии магнетронного напыления, необходимо увеличить его с помощью дополнительного источника энергии.