Procedimiento para la producción de capas de óxidos metálicos de estructura predeterminada mediante vaporización por arco.

Procedimiento para la producción de capas, en particular capas estables a altas temperaturas,

por medio de vaporización por arco comprendiendo óxidos ternarios y/o mayores de componentes metálicos o semimetálicos, caracterizado porque una síntesis selectiva de estructuras cristalinas deseadas de la capa se consigue determinando la temperatura de formación necesaria para la síntesis de la estructura cristalina deseada y en base al diagrama de fases determina la selección de la composición de los blancos de aleación binarios (o mayores) de tal manera que el diagrama de fases de los componentes presente en la composición seleccionada la transición de la fase completamente líquida a una fase que comprende componentes sólidos a una temperatura que se corresponde con la temperatura de formación deseada.

Procedimiento para la producción de capas de óxidos metálicos de estructura predeterminada mediante vaporización por arco

La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de capas de óxido metálico mediante vaporización por arco según el preámbulo de la reivindicación 1.

En particular, la invención se refiere a la fabricación, selección y funcionamiento de los denominados "blancos de aleación", es decir blancos que se componen de al menos dos componentes metálicos y/o semimetálicos y que se usan como fuentes de vaporización en la vaporización por arco catódico.

La invención es de particular importancia para "blancos de aleación" que se componen de metales con temperaturas de fusión muy diferentes.

Dichos blancos de aleación son definidos por tener al menos dos componentes metálicos, aunque también pueden estar presentes como compuestos intermetálicos y/o cristales mixtos.

Un blanco pulvimetalúrgico es, en este caso, un blanco que es producido a partir de polvo de metales, semimetales, compuestos intermetálicos, cristales mixtos y en el que después del proceso de producción (por ejemplo prensado isostático a temperatura elevada) todavía es posible distinguir bajo el microscopio la resolución de las partículas de polvo. Por lo tanto, un blanco pulvimetalúrgico puede ser producido a partir de una combinación de polvos de metal y/o semimetales, un polvo de un compuesto intermetálico o una combinación de polvos de metales y/o semimetales y/o compuestos intermetálicos. Contrariamente, un blanco de aleación metalúrgica colada es un blanco en el que los metales o semimetales primarios forman una fase intermetálica. Característico de ello es que las partículas del material primario ya no pueden ser vistas bajo la resolución del microscopio, es decir ya no están presentes.

Además, existen los así denominados blancos por proyección de plasma. Estos son blancos que han sido producidos por proyección de plasma. En estos blancos se puede producir una formación parcial o completa de compuestos intermetálicos de los materiales primarios. Sin embargo, el blanco por proyección de plasma puede contener tanto partículas como también fases intermetálicas.

La vaporización por arco catódico es un procedimiento establecido durante años, que se aplica al recubrimiento de herramientas y componentes y con la cual se depositan una amplia variedad de capas metálicas al igual que nitruros metálicos y carbonitruros metálicos. En todas estas aplicaciones, los blancos son cátodos de una descarga de chispas operada a bajos voltajes y elevados amperajes y mediante los cuales el material del blanco (catódico) es vaporizado. Se usan las alimentaciones de corriente continua como alimentaciones de corriente más sencillas y baratas para la operación de descargas de chispas.

La producción de óxidos metálicos mediante vaporización por arco es más problemática. Es dificultoso operar una descarga de chispas de corriente continua en una atmósfera de oxígeno u oxigenada para depositar capas oxídicas, por ejemplo, sobre herramientas o componentes. Existe entonces el riesgo de que ambos electrodos de descarga de corriente continua (por un lado el blanco como cátodo y, por otro lado, el ánodo que muchas veces es operado en potencial a masa) se recubran de capas aislantes. Ello hace que en el blanco (cátodo), según sea el diseño de la fuente (campo magnético, localización y tipo de entrada de gas), se produzca en el sector electroconductor en el que actúa la chispa una constricción y, finalmente, se llegue a una interrupción de la descarga de chispas.

En T.D. Schemmel, R.L. Cunningham, y H. Randhawa, Thin Solid Films 181 (1989) 597, se describe un proceso de recubrimiento de alto rendimiento para AI2O3. La entrada de gas oxígeno se introdujo en proximidad del sustrato después de la filtración de la chispa. Se menciona que la entrada de oxígeno después del filtro en la proximidad del sustrato es importante para reducir la oxidación del blanco y estabilizar la descarga de chispas.

También en el documento US 5 518 597 se describe la producción de capas oxídicas. El documento comprende la deposición de capas a temperaturas mayores y se basa en el hecho de que también el ánodo es calentado (8 °C - 12 °C) y el gas reactivo no sea introducido directamente en el blanco. La elevada temperatura del ánodo lo mantiene conductivo y posibilita una operación estable de la descarga de chispas.

En los documentos US 27/772 A1, WO 26/9976 A2 y WO 28/9619 A1 se describe detalladamente el funcionamiento de una descarga de chispas en atmósfera de oxígeno y se refiere a los métodos bajo los cuales puede ser evitado un recubrimiento completo del cátodo con una capa aislante impenetrable para la corriente continua (CC).

Los documentos US 27/772 A1 y WO 26/9976 A2 describen, ante todo, el funcionamiento de la fuente de chispas con corriente pulsada como un factor importante para mantener la superficie del cátodo libre de capas de óxidos impenetrables y asegurar una descarga de chispas estable. Mediante el pulsado de la corriente de chispas, para el cual son necesarias alimentaciones especiales de corriente, la chispa es permanentemente dirigida por nuevas vías sobre el blanco e impide que se mueva solamente en sectores preferentes y recubra los demás sectores del blanco con un óxido grueso [como es el caso en el "steered are" (arco dirigido)].

En el documento WO 28/9619 A1 se describe el funcionamiento de la descarga de chispas en la atmósfera de oxígeno, estando el cátodo provisto de un campo magnético, preferentemente pequeño y vertical a la superficie del blanco. Esto permite un recorrido uniforme de chispas sobre la superficie del blanco y así evita también una oxidación gruesa del blanco, impenetrable para la corriente continua.

Basado en estos tres documentos del estado actual de la técnica es posible garantizar una descarga de chispas estable a lo largo de varias horas en atmósfera de oxígeno puro. Este procedimiento trabaja de forma estable y reproducible para blancos elementales y para blancos producidos mediante colada.

Una característica de las capas fabricadas mediante vaporización por arco es que son gotitas metálicas no completamente oxidadas, que forman en la capa conglomerados metálicos difíciles de evitar. En el caso de blancos de aleaciones, dichas gotitas se forman primordialmente del metal de la temperatura de fusión más alta o de una aleación que se corresponde en lo esencial a la composición del blanco. Existen, por ejemplo, medidas técnicamente complicadas de evitar tales gotitas, por ejemplo por medio de un filtrado. Es decir, no todas las capas producidas por vaporización por arco presentan gotitas. No obstante, todas las capas que presentan las gotitas fueron producidas por medio de vaporización por arco.

El uso creciente de la vaporización por arco para producir los óxidos metálicos más diversos requiere una producción de blancos flexible y económica. Muchos blancos son producidos en un procedimiento bien conocido por el entendido en la materia mediante prensado isostático a temperatura elevada (HIP). En el caso que se quiera producir, por ejemplo, un blanco de Al-Cr, un polvo o mezcla de polvos de la composición deseada de los elementos (aquí, por ejemplo, y sin ser restrictivo: Al y Cr) se sella en un recipiente que se somete a vacío a altas temperaturas, para reducir el aire y la humedad en el polvo. A continuación, el recipiente es sellado y sometido a alta temperatura bajo una presión elevada. Este procedimiento reduce los espacios huecos internos y crea un cierto enlace químico del polvo. El material resultante posee una distribución uniforme respecto del tamaño de partículas y una densidad de casi 1%.

Por el documento DE 195 22 331 A1 se conoce un procedimiento para el recubrimiento de una pieza de trabajo mediante vaporización por arco catódico y una instalación para la realización de dicho procedimiento. El blanco usado para ello presenta una aleación de metales en una sola fase cristalográfica. En este caso es preferente una aleación de aluminio y cromo. El uso de un blanco con sólo una fase cristalográfica conduce, según esta documentación, a un comportamiento puntual ostensiblemente mejor del cátodo.

El objetivo de la invención es crear un procedimiento para la producción de capas de óxido metálico mediante vaporización por arco, mediante el que pueden depositarse, fiablemente, capas de óxidos metálicos de una estructura cristalina predeterminada.

El objetivo se consigue mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1.

En las reivindicaciones secundarias dependientes de aquella se caracterizan perfeccionamientos... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la producción de capas, en particular capas estables a altas temperaturas, por medio de vaporización por arco comprendiendo óxidos ternarios y/o mayores de componentes metálicos o semimetálicos, caracterizado porque una síntesis selectiva de estructuras cristalinas deseadas de la capa se consigue determinando la temperatura de formación necesaria para la síntesis de la estructura cristalina deseada y en base al diagrama de fases determina la selección de la composición de los blancos de aleación binarios (o mayores) de tal manera que el diagrama de fases de los componentes presente en la composición seleccionada la transición de la fase completamente líquida a una fase que comprende componentes sólidos a una temperatura que se corresponde con la temperatura de formación deseada.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el punto de fusión de los componentes de material del blanco de bajo punto de fusión es aumentado selectivamente mediante la adición al blanco de aleación de componentes metálicos o semimetálicos de puntos de fusión más elevados, de manera que se ajusta la temperatura de formación del óxido.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las capas presentan un porcentaje de más de 7 at% de óxido de aluminio en estructura de corindón, usando al menos un blanco de aleación compuesto de aluminio y al menos otro componente metálico o semimetálico, presentando dicha aleación la transición de la fase completamente líquida a una fase, conteniendo componentes sólidos, entre 1 °C y 12 °C.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha aleación presenta la transición de una fase completamente líquida a una fase, conteniendo componentes sólidos, por encima de 1 °C.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la capa presenta un porcentaje de más de 7 at% de óxido de aluminio en estructura de corindón, usando al menos un blanco de aleación compuesto de aluminio y al menos otro componente metálico o semimetálico, preferentemente, sin embargo, precisamente otro componente metálico o semimetálico de la composición en at% siguiente:

uno o más del grupo

Au: 2 a 3

B: menor que 3

Be: 2 a 3

C: menor que 3

Cr: mayor que 1 a 25

Fe: 5 a 15

Hf: 5 a 1

Ir: 1 a 15

La: 1 a 15

Mo: 2 a 5

Nb: 1 a 3

Ta: 1 a 3

Ti: 2 a 6

V: 3 a 8

W: 5a 8

Y: 12 a 16)

Zr: 2 a 4

el resto esencialmente Al, pero no menos de 7.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la capa presenta un porcentaje de más del 7 at% de óxido de aluminio en estructura de corindón usando al menos un blanco de

aluminio (producido por pulvimetalurgia o por colada metalúrgica) con adiciones de cantidades menores (porcentajes menores que 2 at%) de uno o más componentes metálicos o semimetálicos, caracterizado porque las adiciones presentan mayores temperaturas de fusión y, consecuentemente, realiza una temperatura de fusión del compuesto de al menos 1 °C según el diagrama de fases.