IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS PULSADOS PARA LA PRODUCCIÓN DE ...

120 Pages·2005·3.44 MB·Spanish

by  Astrid Lorena

IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS PULSADOS PARA LA
PRODUCCIÓN DE RECUBRIMIENTOS DUROS DE TiN

Yulieth Cristina Arango

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
Sede Manizales
FACULTAD DE CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN
Departamento de Física y Química
2004
IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS PULSADOS PARA LA
PRODUCCIÓN DE RECUBRIMIENTOS DUROS DE TiN

Yulieth Cristina Arango

Presentado como requisito parcial para optar al titulo de:
MAGÍSTER EN CIENCIAS FÍSICAS

DIRECTOR
Ph.D. Alfonso Devia Cubillos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
Sede Manizales
FACULTAD DE CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN
Departamento de Física y Química
2004
A Laura Sofia,
Mi amor incondicional
AGRADECIMIENTOS

El autor del trabajo expresa sus agradecimientos a:

Doctor Alfonso Devia Cubillos, Director del trabajo de grado y Director del
Laboratorio de Física del Plasma, por su apoyo y valioso aporte académico.

A los integrantes del Laboratorio de Física del Plasma, Ingenieros, Profesores,
Administrativos y estudiantes de Ingeniería Física, por su especial colaboración en
el desarrollo de este trabajo.

Al Ingeniero Jhon Jairo Cárdenas, por su valioso tiempo.

A la Universidad Nacional de Colombia.

A su familia.
CONTENIDO

INTRODUCCIÓN 1

1. FUNDAMENTOS TEORICOS. DESARROLLO Y
APLICACION DE LAS FUENTES DE ARCO PULSADO EN
PROCESAMIENTO DE MATERIALES POR PLASMA –
RECUBRIMIENTOS – 4

1.1 SUPERFICIES 4
1.2 RECUBRIMIENTOS 5
1.3 PROCESOS ASISTIDOS POR PLASMA 7
1.3.1 Procesos PVD 9
1.3.1.1 Ion plating (Plateado iónico) 11
1.3.1.2 Sputtering (Pulverización catódica) 11
1.3.1.3 Evaporación 11
1.4 EVAPORACIÓN POR ARCO 12
1.4.1 Fuentes de arco catódico continuo 15
1.4.1.1 Consideraciones en el suministro de potencia 17
1.4.2 Fuentes de arco pulsado 18
1.4.2.1 Consideraciones en el diseño de la fuente 19
1.4.2.2 Características el plasma 21
1.4.3 Deposición de películas delgadas 22
1.4.4 Propiedades de los recubrimientos 23
1.4.5 Capas y multicapas 25
1.5 NITRURO DE TITANIO 26
1.5.1 Microestructura 27
1.5.2 Propiedades mecánicas 28

REFERENCIAS 30

2. DESARROLLO EXPERIMENTAL.
IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS
PULSADOS Y PRODUCCION DE RECUBRIMIENTOS DE
TiN 33

2.1 DESCARGAS ELECTRICAS Y PLASMA – FENOMENOLOGIA 33
2.1.1 Estructura no estacionaria del spot catódico 34
2.1.2 Transición entre rompimiento y arco 36
2.1.3 Supresión de ceros 38
2.1.4 Tiempo de vida del arco 39
2.1.5 Tasa de erosión 40
2.1.6 Macroparticulas 41
2.1.7 Crecimiento de películas en un proceso PVD 43
2.1.7.1 Condensación y nucleación 44
2.1.7.2 Crecimiento de núcleos 45
2.1.7.3 Formación de la interfase 46
2.1.7.4 Crecimiento de la película 47
2.2 SISTEMA DE DEPOSICIÓN POR ARCO PULSADO
UTILIZANDO LA DESCARGA DE UN BANCO DE CAPACITORES 47

2.3 IMPLEMENTACIÓN DE UNA FUENTE DE ARCOS
PULSADOS REPETITIVOS 50
2.3.1 Conversión ac/dc 51
2.3.2 Conmutación DC 56
2.3.3 Disparo de trigger 57
2.3.4 Configuración exterior de la fuente de arcos pulsados 58
2.3.5 Configuración final – Software de control 60

2.4 CONDICIONES EXPERIMENTALES PARA LA PRODUCCION
DE RECUBRIMIENTOS DE TiN CON FUENTE DE ARCOS PULSADOS 62

REFERENCIAS 65

3. RESULTADOS. PRODUCCIÓN DE
RECUBRIMIENTOS DE TiN CON FUENTE DE ARCOS
PULSADOS Y CARACTERIZACIÓN 68

3.1 RESUMEN DE RESULTADOS 68
3.2 FORMACIÓN DE ARCOS ELÉCTRICOS PULSADOS REPETITIVOS 69
3.3 MEDIDA DE ESPESOR EN LOS RECUBRIMIENTOS DE TiN 72
3.4 DIFRACCIÓN DE RAYOS X 74
3.4.1 Identificación de fase TiN 77
3.4.2 Textura 81
3.4.3 Imperfecciones en la red cristalina 84
3.5 MICROSCOPIA DE FUERZA ATOMICA 87
3.6 ESPECTROSCOPIA DE FOTOELECTRONES DE RAYOS X 92
3.7 MACROPARTICULAS 98

REFERENCIAS 102

CONCLUSIONES 105
RESUMEN

En este trabajo se hace referencia a la implementación de una fuente de arcos
pulsados, que ha sido acoplada a un sistema de deposición de recubrimientos
duros, utilizando la técnica de deposición física en fase vapor asistida por plasma
(Plasma Assisted Physical Vapor Deposition – PAPVD), el funcionamiento de este
nuevo sistema y algunas de sus ventajas han sido corroborados mediante la
producción de recubrimientos de nitruro de titanio (TiN) sobre sustrato de acero
inoxidable 304, variando algunos de los parámetros de proceso.

El primer capitulo contiene algunas bases teóricas acerca de los procesos de
deposición asistidos por plasma, especialmente se da importancia a los procesos
PAPVD en los que se utiliza la formación de un arco eléctrico para la evaporación
del material de aporte. Se hacen algunas consideraciones importantes en el diseño
de fuentes de arco continuo y arco pulsado, ventajas y desventajas.

El segundo capitulo trata, de manera general, aspectos importantes sobre la
fenomenológica que acompaña el proceso de iniciación y formación del arco
eléctrico dentro del reactor y la relación que este tiene con el circuito eléctrico que
lo produce. Se consideran también las herramientas de diseño utilizadas en los
circuitos de potencia y de control. Finalmente se reporta la configuración eléctrica
y electrónica implementada, así como el software de control.

En el tercer capitulo se describen los parámetros que pueden ser modificados en la
nueva fuente de arco pulsados, voltaje entre electrodos, numero de arcos pulsados
requeridos, tiempo de arco activo y tiempo de arco inactivo. Han sido obtenidos
recubrimientos de TiN variando el número de arcos aplicados (4 muestras) y el
tiempo de arco activo (4 muestras). En la etapa de caracterización, se reportan
algunas medidas de espesor, difracción de rayos X, microscopia de fuerza atómica y
espectroscopia fotoelectrónica de rayos X, realizadas sobre las muestras, los
resultados obtenidos son comparados con aquellos tomados para muestras crecidas
previamente en el laboratorio (utilizando la descarga de un banco de capacitores).