Método para producir capas de óxido metálico mediante vaporización por arco.

Método para producir capas de óxido por medio de PVD (iniciales en inglés de deposición física en fase vapor),

en particular por medio vaporización por arco catódico, en el cual se vaporiza un blanco metalúrgico en polvo, caracterizado porque, por deposición de una capa de óxido con una composición que está fuera de una composición en la cual los constituyentes metálicos o semi-metálicos, respecto al diagrama de fases, no cruza ningún límite de fase de fases puramente sólidas durante la transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, el blanco metalúrgico en polvo está formado por al menos dos componentes, un primer componente que tiene una primera composición de constituyentes metálicos o semi-metálicos, en la cual durante una transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, no se cruza ningún límite de fase de fases puramente sólidas, respecto al diagrama de fases, en esta primera composición, y siendo al menos un segundo componente metálico o semi-metálico o teniendo una diferente composición de los constituyentes metálicos o semi-metálicos, en la cual, durante una transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, no se cruza ningún límite de fase de fases puramente sólidas, respecto al diagrama de fase, en esta segunda composición, mezcándose el primer componente y el segundo componente, y opcionalmente otros componentes, y/o los metales de partida o semi-metales de partida de tal manera que se obtiene la composición deseada de la capa de óxido metálico, teniendo la capa de óxido un contenido de más de 70% de óxido de aluminio en una estructura de corindón, usando al menos un blanco producido metalúrgicamente de un polvo que consiste en aluminio y al menos otro constituyente metálico o semi-metálico, exhibiendo su composición una transición a la fase líquida entre 1000º C y 1200º C.

Método para producir capas de óxido metálico mediante vaporización por arco

La invención se refiere a un método para producir capas de óxido metálico mediante vaporización por arco de acuerdo con la introducción de la reivindicación 1.

En particular, la invención se refiere a la producción, selección y funcionamiento de los denominados “blancos de aleación”, es decir blancos que consisten en al menos dos componentes metálicos y/o semi-metálicos y que sirven como fuentes de vaporización en la vaporización por arco catódico.

La invención es de particular importancia para “blancos de aleación” compuestas por metales con temperaturas de fusión muy diferentes. Por ello esto se refiere a blancos particulares que tienen aluminio como el componente metálico de fusión baja.

Estos blancos de aleación se definen por tener al menos dos componentes metálicos aunque también pueden existir como compuesto inter-metálico y/o cristales mixtos.

Un blanco de polvo metalúrgico en este caso es un blanco que se produce a partir de polvos de metales, semi-metales, compuestos intermetálicos, cristales mixtos y en los que, después del procedimiento de producción (por ejemplo en un procedimiento de prensado isostático en caliente (HIP por sus siglas en inglés) , todavía se pueden distinguir las partículas de polvo en la resolución del microscopio. Un blanco de aleación de polvo metalúrgico puede, de este modo, producirse a partir de una mezcla de polvos de metal y/o semi-metal, a partir de un polvo de un compuesto intermetálico o una mezcla de polvos de metal y/o semi-metal y/o compuestos inter-metálicos. En contraste a esto, un blanco de aleación metalúrgica colada es un blanco en el que los metales primarios o los semi-metales forman una fase intermetálica. La característica de esto es que las partículas del material primario ya no pueden ser vistas en la resolución del microscopio, es decir, ya no están presentes.

Además, hay blancos denominados pulverizados por arco de plasma. Estos son blancos que se han producido mediante pulverización por arco de plasma. Puede ocurrir una formación parcial o completa de los componentes intermetálicos de los materiales primarios, en estos blancos. Generalmente, sin embargo, el blanco pulverizado por arco de plasma puede contener ambas partículas al igual que las fases intermetálicas.

La vaporización por arco catódico es un método establecido durante años que encuentra aplicación en el recubrimiento de herramientas y componentes y con la cual se depositan una amplia gama de capas metálicas al igual que nitruros metálicos y nitruros de carbono metálicos. En todas estas aplicaciones, los blancos son el cátodo de una descarga de una chispa, aplicada a bajas tensiones y altas corrientes y con la cual el material del blanco (cátodo) es vaporizado. El suministro de voltaje por corriente directa se usa como suministro de energía más fácil y económico para que funcionen las descargas de chispa.

Más problemática es la producción de óxidos metálicos por medio de la vaporización por arco. Es difícil aplicar una descarga de chispas por corriente directa en oxígeno o en una atmósfera que contiene oxígeno, con el fin de depositar capas oxídicas por ejemplo sobre herramientas o componentes. Luego hay un riesgo de que ambos electrodos de las descargas de corriente directa (por otro lado, el blanco como cátodo al igual, por otro lado, el ánodo, que a menudo funciona en potencial de tierra) sean recubiertos con capas aislantes. Esto conduce, sobre el blanco (cátodo) , dependiendo del diseño de la fuente (campo magnético, localización y tipo de entrada de gas) , a que la zona eléctricamente conductora sobre la cual la chispa actúa se restrinja y finalmente a una interrupción de la descarga de chispa.

Se conoce un procedimiento procedente del documento DE 195 22 331 A1 para el recubrimiento de al menos una pieza de trabajo, con el equipamiento para este propósito y un procedimiento para el funcionamiento y uso de una descarga en arco catódico. Se vaporiza un blanco (2, 3) con un arco catódico en una atmósfera de oxígeno para recubrir una pieza de trabajo con un óxido o una aleación metálica por medio de vaporización por arco catódico, por lo cual el blanco existe en una fase cristalográfica única. Aquí la descarga por arco debería funcionar en un área de presión parcial de oxígeno y/o en un área de de fuerza de campo magnético aplicado (B) , en el cual la mayoría de los puntos del cátodo están encendidos, en los cuales se previene la formación de salpicaduras. Aquí el blanco debería formarse por fuera de una aleación metálica, donde la aleación en el blanco existe principalmente en una fase única, donde se funde o pulveriza en un compuesto de aleación intermetálica y el blanco se forma termodinámicamente. Aquí la aleación puede ser en particular una aleación que incluye al menos 5% de cromo y preferentemente 10 a 50% de cromo, donde la aleación es una aleación de aluminio-cromo en su totalidad.

T.D. Schemmel, R.L. Cunningham y H. Randhawa, Thin Solid Films 181 (1989) 597, describe un procedimiento de recubrimiento de alta velocidad para Al2O3. La entrada de gas oxígeno fue introducido en las inmediaciones del sustrato después de filtración de la chispa. Se menciona que la entrada de oxígeno después del filtro en las inmediaciones del sustrato es importante para reducir la oxidación de del blanco y estabilizar la descarga de chispa.

La producción de capas oxídicas también se describe en el documento US 5 518 597. La patente comprende la deposición de la capa a temperaturas mayores y se basa en el hecho de que el ánodo también se calienta (800º C1200º C) y el gas reactivo no se introduce directamente en el blanco. La temperatura alta del ánodo mantiene el ánodo conductivo y permite un funcionamiento estable de la descarga de chispa.

En los documentos US 2007/0 000 772A1, WO 2006/099 760A2 y WO 2008/009 619A1 se describe en detalle, el funcionamiento de una descarga de chispa en atmósfera de oxígeno y se sugiere el método con el cual se puede evitar un recubrimiento completo con una capa aislante impenetrable para una corriente directa (CD) sobre el cátodo.

Los documentos US 2007/0 000 772A1 y WO 2006/099 760A2 describen principalmente el funcionamiento de la fuente de chispa con corriente pulsada como un factor esencial para mantener la superficie del cátodo libre de capas de óxido impenetrables y asegura una descarga de chispa estable. A través del pulso de la corriente de chispa, para el cual es necesario un suministro especial de energía, la chispa se dirige continuamente por nuevos pasos sobre el blanco y se evita el movimiento solamente en zonas preferidas y siendo recubiertas las áreas restantes del blanco con óxido grueso (como en el caso con “arco dirigido”) .

En el documento WO 2008/009 619A1, se describe el funcionamiento de la descarga de chispa en atmósfera de oxígeno, en el cual se proporciona el cátodo con un campo magnético preferentemente pequeño perpendicular a la superficie del blanco. Esto permite un curso regular de chispa sobre la superficie del blanco y de este modo evita el desarrollo de una oxidación gruesa del blanco impenetrable para la corriente directa.

En base a estos tres documentos de la técnica anterior, es posible asegurar una descarga estable de chispa durante varias horas en atmósfera de oxígeno puro. Estos métodos trabajan de una manera estable y reproducible para blancos elementales y para blancos producidos por colada.

El mayor uso de la vaporización por arco para producir los óxidos metálicos más variados requiere una producción del blanco flexible y económica. Muchos blancos son producidos mediante un método mejor conocido por el experto en la técnica por medio de prensado isostático en caliente (HIP por sus siglas en inglés) . En el caso por ejemplo en el que se prepara un blanco de Al-Cr, se sella un polvo o mezcla de polvo de una composición deseada de los elementos (aquí por ejemplo y sin ser limitante: Al y Cr) en un recipiente que se somete a vacío a temperaturas altas con el fin de reducir el aire y la humedad en el polvo. Luego se sella el recipiente y se somete a alta presión y alta temperatura. Este método reduce el vacío interno y consigue una cierta unión del polvo. El material resultante tiene una distribución uniforme en lo que se refiere al tamaño de partícula y densidad casi del 100%.

Hay un propósito de la invención de... [Seguir leyendo]

1. Método para producir capas de óxido por medio de PVD (iniciales en inglés de deposición física en fase vapor) , en particular por medio vaporización por arco catódico, en el cual se vaporiza un blanco metalúrgico en polvo, caracterizado porque, por deposición de una capa de óxido con una composición que está fuera de una composición en la cual los constituyentes metálicos o semi-metálicos, respecto al diagrama de fases, no cruza ningún límite de fase de fases puramente sólidas durante la transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, el blanco metalúrgico en polvo está formado por al menos dos componentes, un primer componente que tiene una primera composición de constituyentes metálicos o semi-metálicos, en la cual durante una transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, no se cruza ningún límite de fase de fases puramente sólidas, respecto al diagrama de fases, en esta primera composición, y siendo al menos un segundo componente metálico o semi-metálico o teniendo una diferente composición de los constituyentes metálicos o semi-metálicos, en la cual, durante una transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, no se cruza ningún límite de fase de fases puramente sólidas, respecto al diagrama de fase, en esta segunda composición, mezcándose el primer componente y el segundo componente, y opcionalmente otros componentes, y/o los metales de partida o semi-metales de partida de tal manera que se obtiene la composición deseada de la capa de óxido metálico, teniendo la capa de óxido un contenido de más de 70% de óxido de aluminio en una estructura de corindón, usando al menos un blanco producido metalúrgicamente de un polvo que consiste en aluminio y al menos otro constituyente metálico o semi-metálico, exhibiendo su composición una transición a la fase líquida entre 1000º C y 1200º C.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los blancos metalúrgicos en polvo se usan con tamaños de grano de menos de 300 !m, preferentemente de menos de 200 !m, todavía más preferentemente de menos de 100 !m, preparados con al menos dos constituyentes metálicos o semi-metálicos.

3. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, para la producción de óxidos ternarios o superiores estables a temperaturas altas por medio de PVD usando un blanco aleación de al menos dos constituyentes metálicos o semi-metálicos, la composición de la aleación se elige de tal manera que, de acuerdo con el diagrama de fases, la temperatura de formación se determina sustancialmente con la transición a la fase líquida.

4. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, para la producción de blancos metalúrgicos en polvo para producir capas de óxido, evitando proyecciones, se usan polvos de partida de mezclas de fases, teniendo cada uno de los cuales composiciones tales para que, en la transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, no se cruzan límites de fases puramente sólidas.

5. Blanco metalúrgico en polvo para producir capas de óxido por medio de PVD (deposición física en fase vapor) , en particular por medio de vaporización por arco catódico, en el cual se evapora un blanco metalúrgico en polvo y el blanco metalúrgico en polvo consiste en al menos dos constituyentes que son metálicos y/o semi-metálicos, caracterizado porque, por deposición de una capa de óxido con una composición fuera de una composición en la cual los constituyentes metálicos y/o semi-metálicos no cruzan ningún límite de fases puramente sólidas durante la transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, el blanco está formado por al menos dos componentes, teniendo un primer componente metalúrgico en polvo una primera composición de constituyentes metálicos y/o semimetálicos, en la cual, durante una transición de la temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento, no se cruzan ningún límite de fases de fases puramente sólidas en esta primera composición, y siendo al menos un segundo componente metálico y/o semi-metálico o teniendo una composición de los constituyentes metálicos y/o semi-metálicos que es diferente de la primera composición y en la cual, durante una transición de temperatura ambiente a la fase líquida durante el calentamiento no se cruzan ningún límite de fases de fases puramente sólidas en esta segunda composición, y mezclándose el primer componente y el segundo componente, y opcionalmente otros componentes, y/o metales puros o semi-metales de tal manera que se obtiene la composición deseada de la capa de óxido metálico, consistiendo el blanco en aluminio y al menos otro constituyente metálico o semi-metálico, exhibiendo su composición una transición a la fase líquida entre 1000º C y 1200º C.

6. Blanco de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los componentes y/o constituyentes y/o metales o semi-metales que forman el blanco producido metalúrgicamente de polvo tiene un tamaño de grano de menos de 300 !m, preferentemente de menos de 200 !m, y todavía más preferentemente, de menos de 100 !m.

7. Blanco de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, caracterizado porque los constituyentes difieren con respecto al punto de fusión de al menos 100º C a 500º C.

8. Blanco de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque al menos uno de los polvos de partida es mezcla de dos fases o cristales mixtos o de una o más fases y uno o más cristales mixtos.