Fiziksel buhar biriktirme

PVD (Physical Vapor Deposition) kaplama teknolojisi 1800lü yıllardan beri bilinmekte, ancak son 50 senedir kendisine endüstride bir yer bulabilmiş, ince film kaplama tekniğidir. Günümüze kadar geliştirilen farklı kaplama işlemleri ile uygulanan bu tekniğin mekanizması basitçe şöyledir. Vakumlu ortamda, bir ısıtıcı(rezistans, lazer, elektron bombardımanı vb.) ile buharlaştırılan kaplayıcı malzeme, kaplanacak olan malzeme üzerinde ince bir film katmanı halinde biriktirilir. PVD’nin, Türkçedeki karşılığı “fiziksel buhar biriktirme” olarak tanımlanmıştır.

PVD kaplama tekniği; katı haldeki ham maddenin yüksek enerji ile plazma haline getirilerek, kontrollü olarak, kaplanacak malzemenin üzerine yapıştırılması işlemi olarak özetlenebilir. Bilimsel anlamda ilk olarak 19. yüzyıl sonlarında çalışmalara başlanmış, vakum teknolojisindeki gelişmeler ile bu çalışmalar hız kazanmıştır. Özellikle sanayileşmenin artması ile birlikte aşınma dayanımı ciddi anlamda bir ihtiyaç haline gelmiş ve 1960'lı yıllarda günümüzde kullanılan sistemlerin ilk adımları atılmıştır.

PVD kaplama tekniğinde; kaplanacak malzeme yüksek vakumlu bir kabine yerleştirilir ve yüksek enerji ile iyonlaştırılmış ve reaktif gazlarla oluşturulmuş plazma ile kaplanır. Kaplamanın homojen olabilmesi için kaplanacak malzemeye maksimum hareket kazandırılır.

[Yarı iletken] endüstrisinin gelişimi ile kendine endüstride yer bulabilen PVD tekniği, günümüzde pek çok farklı alanda kullanılmaktadır. Mikroelektronik, tıp, dekoratif amaçlı, korozyona karşı direnç gerektiren uygulamalar vb. alanlarında kullanılmaktadır. Gittikçe büyüyen pazar payları PVD kaplamanın yaygınlaştığının bir göstergesidir.

1999 yılında PVD sert kaplamaların pazar boyutu, çok büyük bir kısmı kesici takımlar olmak üzere 750 milyon dolar civarında olmuştur. Diğer önemli uygulamalar; şekillendirme takımları, plastik kalıplama takımları, makine parçaları, dişli parçaları ve dekoratif parçalara uygulanan kaplamalardır. Son yirmi yılda pazarın büyüme hızı % 15 olmuştur ve önümüzdeki on yıl içinde de bu seviye kalacaktır. En yüksek büyüme hızı makine ve dişli parçaların kaplamaları için beklenirken, takım kaplamaları için büyüme % 10 olacaktır. Seramik kaplı malzemelerin hitap ettiği temel endüstri sektörleri; güç makineleri, gemi makineleri, kimya endüstrisi, tekstil sanayi, savunma sanayi, makine imalat sanayi, havacılık ve uzay sanayi ve otomotiv endüstrisidir.

CVD'ye göre daha büyük hızı büyümektedir. Metal şekillendirmede (delme, şekillendirme takımları, kalıplar) PVD teknolojisinin uygulanması, CVD’ye göre daha azdır ancak her ikisi de diğer yüzey sertleştirme tekniklerine göre daha başlangıç aşamasındadırlar. Bunun nedeni birbirleriyle fiyat konusunda rekabet edememeleridir. Kaplamalar için hala yer değiştirebilecekleri çok büyük bir kaplamasız pay vardır. Takım pazarında yıllık toplam %3 büyüme tahmin edilirken, takım kaplama endüstrisinde yıllık %10 büyüme beklenmektedir.

Son yirmi yılda sert kaplama teknolojisinde en önemli gelişme sertmetal ve yüksek hız çeliği takımlarının kullanıldığı kesici takım endüstrisinde olmuştur. Sert kaplamalar, endüstriyel olarak etkili tribolojik korunma için bir yüzey modifikasyonudur. Gelişme, kimyasal buhar depozisyonu (CVD) ile başlamış fiziksel buhar depozisyonu (PVD) ve türevleri ile devam etmiştir.

PVD teknolojisinin CVD’ye göre en büyük avantajı sertmetal ve yüksek hız 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 imkânsızdır. 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.