Kaplamada Kullanılan PVD ve CVD Yöntemleri

3.2.1. Fiziksel Buharlaştırma ile Biriktirme İşlemleri (PVD)

PVD tekniği ile elde edilen sert seramik film kaplamalar dünyada 2000'li yılların bacasız sanayi olarak değerlendirilmektedir. PVD teknikler ile elde edilen sert seramik ince film kaplamaların geçmişi 20-25 yıl öncesine dayanmaktadır. Ülkemizde ilk PVD sert seramik film kaplama 1990 yılında başlamıştır. Halen endüstriyel amaç ile kaplama yapan tesisler mevcuttur. Ayrıca İTÜ ve Kocaeli Üniversitelerinde de sert seramik kaplama yapan tesisler bulunmaktadır. Bu birimler ile kaplamacıların birlikte yaptıkları çalışmalar neticesinde, son yıllarda Türkiye'de bu alanda yapılan araştırma ve yayın sayısı da hızla artmıştır. Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) metodu ile elde edilen film kaplamalar vakum

29

ortamında yapılmaktadır. Sert seramik filmlerin elde edilmesinde değişik teknikler kullanılmaktadır (URL-3, 2001).

Bu işlemler buharlaştırma, lazerle söküp çıkarma, sıçratma v.b. metotlardan biriyle, malzeme buharı elde edilerek daha sonra buharın ana malzeme üzerine yoğunlaştırılarak ince bir film tabakası elde edilmesiyle gerçekleştirilir (Can, 2003).

PVD tekniği ile yapılan kaplamaların özellikleri;

1. Isıl işlem görmüş takım çeliklerinin 180-1600°C arasında kaplanabilmesi ve parçalarda sertlik kaybı olmaması

2. Kaplanan tabakalarda çok yüksek tutunma kuvvetlerinin oluşması ve yüzeyden pul pul dökülmemesi

3. Sık dokulu kristal tabaka yapısının olması

4. Çok ince (1-5 µm) kaplama yapılabilmesi ve parça toleransının muhafaza edilmesi 5. Kompleks geometrik parçaların döner mekanizmalarla homojen özelliklerde kaplanabilmesi

6. Köşelerin ve keskin uçların keskinliğinin bozulmadan kaplanabilmesi 7. Takımların ve kalıpların bilendikten sonra tekrar kaplanabilmesi

8. Kaplamaların sökülerek tekrar kaplama yapılabilmesi PVD kaplama yönteminin avantajları;

 Kaplama bileşimi çok geniş bir aralıkta değişir,

 Yöntem sadece kararlı maddelerin kaplama malzemesi olarak kullanılması yanında yarı kararlı maddelerin kaplamada kullanılmasına imkân sağlamaktadır,

 Biriktirme hızı yüksektir,

 Tabaka-altlık arasında iyi bir yapışma söz konusudur,

 Yöntem her türlü altlık üzerine tabaka kaplanmasına izin verir,

 İnsan sağlığı ve çevre kirliliği açısından bir problem oluşturmaz (URL-4, 2010). PVD teknikleri diğer kaplama teknikleri ile kıyaslandığında; Düşük sıcaklıklarda çalışma (taban metalinin fazla ısınma tehlikesinin olmaması), İstenmeyen yönlü birikmenin olmaması (kaplama kalınlığının homojen olması), Çevre kirliliğine yol açmaması, En yaygın ve gelişmeye açık yöntem olması gibi avantajlarının olduğu görülmektedir.

PVD teknikler, elde edilecek sert seramik film malzemesinin fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre değişmektedir. İnce film tekniklerini, kaplama malzemesinin elde ediliş, şekline göre, iki temel grup altında toplamak mümkündür (URL-3, 2001).

30 3.2.1.1. Reaktif Olmayan Kaplama Yöntemi

Kaplanacak malzeme vakum altında herhangi bir metot ile buharlaştırılır. Buharlaşan malzeme atomlarının veya moleküllerinin kaplanacak malzeme yüzeyinde birikmesi sonucu kaplama elde edilir. Bu yöntem genellikle metal kaplama yapılır (URL-3, 2001).

3.2.1.2. Reaktif Kaplama Yöntemi

Reaktif olmayan kaplama yöntemine ek olarak metal buharlaştırma sırasında ortama reaktif gazların verilmesi ile sağlanan bir yöntemdir. Bu durumda buharlaştırılan malzemenin, ki bu genellikle bir metaldir (Ti, Cr, Al, Zr, Mo vb.) kaplanacak malzeme yüzeyinde sisteme dahil edilen bir gaz ile (azot, karbon, oksijen vb.) bileşik oluşturma sağlanır. Yöntem sert seramik ve bileşik malzemeleri üretmek için oldukça yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir (URL-3, 2001).

3.2.2. Kimyasal Buharlaştırma ile Biriktirme İşlemleri (CVD)

Kaplama malzemesinin buhar fazının çok sayıda kimyasal işlemlerden geçirilerek ön ısıtmalı malzeme üzerine biriktirilmesi olarak tanımlanır. Buhar biriktirme işlem basamakları aşağıda verilmiştir.

Birinci aşama: Buhar fazının oluşturulması lazer yoluyla, elektrolit metotla, plazma püskürtmeyle, D-tabancası veya gaz metoduyla sağlanabilir.

İkinci aşama: Buharın kaynaktan plakaya taşınması. Buhar kaynaktan plakaya atomların ve moleküllerin birbiriyle çarpışmasıyla veya çarpışma olmadan taşınır. Taşınma sırasında bunların bir kısmı iyonlaşabilir.

Üçüncü aşama: Plaka üzerinde ince bir tabakanın oluşması. Bu işlem buhar fazının plaka üzerine yoğunlaşmasını filizlenme ile büyüme yoluyla ince bir tabaka oluşumunu gerektirir. Filizlenme ve büyüme işlemi kalınlaşan tabakanın iyonik parçacıklarla bombardımanından şiddetli bir şekilde etkilenir. Bu da mikro yapının değişmesine, kompozisyonun değişmesine ve kalıcı gerilmelere sebep olur. Bu üç basamağın, birbirinden bağımsız olarak kontrol dereceleri, biriktirme işleminin çok yönlülüğünü ve esnekliğini belirler. Örneğin PVD işleminde bu üç basamak birbirinden bağımsız olarak

31

kontrol edilebilir. Sonuçta yapı, özellikler ve birikme hızı daha büyük oranda kontrol edilebilir. Fakat CVD işleminde bu üç basamak aynı anda gerçekleşir (Can, 2003).

3.2.3. PVD ve CVD Kaplama Tekniklerinin Karşılaştırılması

 PVD teknikleri nispeten düşük sıcaklıklarda yapılan kaplama işlemleridir. Hemen her türlü malzeme altlık malzemesi olarak kullanılıp kaplanabilir. CVD kaplama tekniklerinde öngörülen kimyasal reaksiyonlar için 1000°C gibi yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyulur. Bu sebeple her zaman altlık malzemesi olarak kullanılamaz.

 PVD kaplama tekniklerinde çevreye zararı yoktur. CVD kaplama tekniklerinde ise kullanılan gazlar çoğu zaman zararlıdır.

 Yüksek çalışma sıcaklıkları nedeniyle CVD donanımlarını yüksek sıcaklıklara dayanıklı, yüksek nitelikte malzemeden yapılması gereklidir. PVD tekniklerinde bu zorunluluk yoktur.

 PVD tekniklerinde yüksek vakumlarda çalışması gerekmektedir. Oysa CVD tekniklerinde çoğu uygulamada yüksek vakuma ihtiyaç duyulmaz; bu nedenle yüksek maliyetli vakum sistemlerine gerek yoktur.

 CVD tekniklerinde kaplama bileşenleri gaz halinde bulunduğundan altlık malzemesinin her tarafı üniform bir şekilde kaplanır. Büyük altlık malzemelerini hareket ettirmeden kolaylıkla kaplamak mümkündür. PVD tekniklerinde ise kaplama bileşenlerinden en az biri katı haldeki bir kaynaktan sağlandığından malzemenin kaynağa bakan yüzü kaplanır. Üniform bir kaplama elde etmek için altlık malzemesinin kaynağa göre hareket ettirilmesi gerekir (Keleşoğlu, 2011).