Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD), katı bir hedef malzemenin fiziksel yollarla buharlaştırılarak altlık yüzeyine taşınması ve burada yoğunlaştırılarak ince film formunda kaplama oluşturulması esasına dayanan bir kaplama teknolojisidir​.

Bu yöntem, genellikle yüksek sıcaklık ve düşük basınç koşulları altında gerçekleştirilir. Buharlaşan atomlar veya moleküller, altlıkla karşılaştıklarında yoğunlaşarak istenen kaplama tabakasını oluşturur. Süreç sırasında malzeme transferi tamamen fiziksel mekanizmalarla sağlanır; kimyasal reaksiyonlar söz konusu değildir​.

PVD yönteminin amacı, yüzey özelliklerini geliştirmek, özellikle aşınma direnci, sertlik, korozyon dayanımı ve estetik görünüm gibi kriterleri iyileştirmektir​.

^{PVD Kaplama Metodu Uygulamasını Temsil Eden Bir Görsel. (Yapay Zeka İle Oluşturulmuştur.)}

PVD Kaplama Yöntemleri ve Uygulama Teknikleri

PVD teknolojisi farklı uygulama yöntemlerine sahiptir. Her biri belirli hedeflere ve kaplama ihtiyaçlarına göre tercih edilmektedir.

Termal Buharlaştırma

Rezistans, endüktif ısıtma veya elektron demeti kullanılarak hedef malzemenin doğrudan ısıtılıp buharlaştırılması esasına dayanır​. Buharlaşan atomlar vakum ortamında altlığa taşınır ve burada yoğunlaşır.

Sıçratma (Sputtering)

İnert gaz plazması (genellikle argon) kullanılarak hedef malzeme iyon bombardımanına tutulur. Serbest kalan atomlar altlık yüzeyine çarpar ve burada birikerek kaplama oluşturur. Manyetik alan destekli sıçratma (Magnetron Sputtering) yöntemi ile sıçratma verimliliği artırılabilir​.

Katodik Ark Biriktirme

Yüksek enerjili ark boşalması kullanılarak hedef malzeme buharlaştırılır. Elde edilen iyonize atomlar yüksek kinetik enerjiyle altlık yüzeyine çarparak yoğun bir kaplama oluşturur​.

Her yöntem, kaplama kalınlığı, yüzey düzgünlüğü, bağlanma gücü ve üretim hızı gibi faktörlerde farklı avantajlar ve sınırlamalar sunmaktadır.

PVD Kaplama Uygulama Alanları

PVD kaplamalar birçok sektörde performans artırıcı yüzey iyileştirme amaçlı kullanılmaktadır.

Biyomedikal Uygulamalar

Özellikle Ti6Al4V ve β-tipi Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr alaşımları gibi biyomalzemeler üzerine uygulanan PVD kaplamalar, implantların yüzey sertliğini artırmakta, aşınma ve korozyona karşı direnç sağlamaktadır​.

Endüstriyel Makine ve Hidrolik Sistemler

Hidrolik pompa elemanlarının yüzeylerine TiN, CrN ve TiAlN gibi PVD kaplamalar uygulanarak aşınma performansı ve kullanım ömrü artırılmıştır​.

Korozyona Dirençli Çelik Yüzeyler

Düşük karbonlu çelik yüzeylere Zn, grafen ve grafen oksit bazlı nano-katmanlı PVD kaplamalar yapılarak, yüzeyin korozyon direnci belirgin şekilde artırılmıştır​.

PVD ile Kullanılan Kaplama Malzemeleri

PVD tekniği ile farklı uygulamalar için çeşitli kaplama malzemeleri kullanılmaktadır. Aşağıda bazı örnek kaplama malzemeleri ve özellikleri listelenmiştir:

• TiN (Titanyum Nitrür): Sertlik ve altın benzeri görünüm sunar; özellikle aşınma direncinin kritik olduğu uygulamalarda tercih edilir​.
• TiAlN (Titanyum Alüminyum Nitrür): Yüksek sıcaklık direnci ve oksidasyon dayanımı sağlar. Ti6Al4V alaşımı üzerinde yapılan çalışmalarda en iyi mikrosertlik ve aşınma performansını sunmuştur​.
• CrN (Krom Nitrür): Düşük sürtünme katsayısına ve yüksek korozyon direncine sahiptir​.
• TiSiN (Titanyum Silisyum Nitrür): Aşınma direnci yüksek uygulamalarda kullanılan bir diğer kaplama türüdür​.
• Grafen ve Grafen Oksit: Elektriksel ve korozyon dayanımını artıran yeni nesil nano kaplama malzemeleridir​.

PVD Kaplamaların Yapısal ve Mekanik Özellikleri

PVD yöntemi ile elde edilen kaplamalar, çeşitli mekanik ve yüzey özelliklerini iyileştirmektedir.

• Kaplama Kalınlığı: 0.5–5 µm aralığında değişmektedir. İnce kaplamalar, özellikle aşınma ve mikrosertlik açısından daha iyi sonuçlar vermiştir​.
• Yüzey Pürüzlülüğü: Profilometre analizlerine göre kaplama sonrası yüzey pürüzlülüğü değerleri 0.4–0.8 µm arasında ölçülmüştür​.
• Mikrosertlik Artışı: TiAlN gibi kaplamalar, önemli ölçüde mikrosertlik artışı sağlamıştır. İnce kaplamalı numuneler daha yüksek sertlik ve aşınma direnci göstermiştir​.
• Aşınma ve Korozyon Direnci: Yapılan in-vitro testler, PVD kaplamaların hem mekanik aşınma hem de korozyona karşı etkili koruma sağladığını ortaya koymuştur​​.

PVD Yönteminin Avantajları ve Sınırlamaları

Avantajları

• Yüksek sertlik ve aşınma direnci
• Düşük sürtünme katsayısı
• Estetik ve koruyucu yüzeyler
• Yüksek sıcaklık dayanımı
• Korozyon koruması
• Çok çeşitli malzeme kombinasyonlarına uyum

Sınırlamaları

• Vakum ve yüksek sıcaklık gereksinimi nedeniyle yüksek ekipman maliyetleri.
• Karmaşık geometrili parçaların kaplanmasında zorluklar.
• Gölgeleme ve kaplama homojenliği sorunları​.

Gelecek Perspektifi

PVD kaplama teknolojisi, farklı malzemelere mükemmel mekanik, kimyasal ve tribolojik özellikler kazandırarak endüstride ve tıpta geniş uygulama alanları bulmuştur. Farklı metal alaşımları ve düşük karbonlu çelikler gibi taban malzemelerde yapılan çalışmalar, PVD kaplamaların yüzey performansını büyük ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir​. Gelecekte, nano yapılandırılmış ve çok katmanlı PVD kaplamalarla daha yüksek fonksiyonellik sağlanması ve kaplama süreçlerinin daha ekonomik hale getirilmesi hedeflenmektedir.