什么是物理 氣相沉積（PVD）技術(shù)

物理 氣相沉積是真空條件下采用物理方法把欲涂覆物質(zhì)沉積在工件表面上形成膜的過程，通常稱為PVD（Physical Vapour Deposition）法。在進(jìn)行PVD處理時，工件的加熱溫度一般都在600℃以下，這對于用高速鋼、合金模具加工鋼及其他鋼材制造的模具加工都具有重要意義。目前，常用的有三種物理 氣相沉積方法，即真空蒸鍍、濺射鍍膜和離子鍍，其中，離子鍍在模具加工制造中的應(yīng)用較廣。發(fā)展到目前，物理 氣相沉積技術(shù)不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。

1.真空蒸鍍

真空蒸鍍是真空條件下在1.33x10-3至1.33x10-4Pa的壓力下，用電子束等熱源加熱沉積材料使之蒸發(fā)，蒸發(fā)的原子或分子直接在注塑加工件表面形成沉積層。但對于難熔的金屬碳化物和氮化物進(jìn)行直接蒸發(fā)是有困難的，并且有使化合物分解的傾向。為此，開發(fā)了引入化學(xué)過程的反應(yīng)蒸鍍，例如，用電子槍蒸發(fā)鈦金屬，并將少量甲烷和乙炔等反應(yīng)氣體導(dǎo)入蒸發(fā)空間，使鈦原子和反應(yīng)氣體原子在工件表面進(jìn)行反應(yīng)，沉積TiC涂層。

真空蒸鍍多用于透鏡和反射鏡等光學(xué)元件、各種電子元件、塑料注塑加工制品等的表面鍍膜，在表面硬化方面的應(yīng)用不太多。

2.濺射鍍膜

濺射鍍膜，是不采用蒸發(fā)技術(shù)的物理 氣相沉積方法。施鍍時，將工作室抽成真空，充入氫氣作為工作氣體，并保持其壓力為0.13-1.33Pa，以沉積物質(zhì)作為靶（陰極）并加上數(shù)百至數(shù)千伏的負(fù)壓，以工件為陽極，兩側(cè)燈絲帶負(fù)壓（-30-100v）。加熱燈絲至1700℃左右時，燈絲發(fā)射出的電子使氫氣發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生出氫離子H+，H+被加速轟擊靶材，使靶材迸發(fā)出原子或分子濺射到工件表面上，形成沉積層。

濺射法可用于沉積各種導(dǎo)電材料，包括高熔點金屬及化合物。如果用TiC作靶材，便可以在工件上直接沉積TiC涂層。當(dāng)然，也可以用金屬Ti作靶，再導(dǎo)入反應(yīng)氣體，進(jìn)行反應(yīng)性濺射，濺射涂層均勻但沉積速度慢，不適于沉積105mm以上厚度的涂層。濺射可使基體溫度升高到500-600℃，因此，只適用于在此溫度下具有二次硬化的鋼制模具加工。

3.離子鍍

離子鍍，是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離子化，在氣體離子或蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用下，把蒸發(fā)物質(zhì)或其反應(yīng)物蒸鍍在工件上。離子鍍把輝光放電、等離子技術(shù)與真空蒸鍍技術(shù)結(jié)合在一起，不僅明顯地提高了鍍層的各種性能，而且，大大擴(kuò)充了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。

離子鍍除兼有真空濺射的優(yōu)點外，還具有膜層的附著力強、繞射性好、可鍍材料廣泛等優(yōu)點。例如，利用離子鍍技術(shù)可以在金屬、塑料、陶瓷、玻璃、紙張等非金屬材料上，涂覆具有不同性能的單一鍍層、合金鍍層、化合物鍍層及各種復(fù)合鍍層，而且沉積速度快（可達(dá)755m/min），鍍前清洗工序簡單，對環(huán)境無污染，因此，近年來在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。

借助一種惰性氣體的輝光放電使金屬或合金蒸汽離子化。離子鍍包括鍍膜材料（如TiN，TiC）的受熱、蒸發(fā)、沉積過程。

蒸發(fā)的鍍膜材料原子在經(jīng)過輝光區(qū)時，一小部分發(fā)生電離，并在電場的作用下飛向工件，以幾千電子伏的能量射到工件表面，可以打入基體約幾納米的深度，從而大大提高了涂層的結(jié)合力，而未經(jīng)電離的蒸發(fā)材料原子直接在工件上沉積成膜。惰性氣體離子與鍍膜材料離子在工件表面上發(fā)生的濺射，還可以清潔工件表面的污染物，從而改善結(jié)合力。

若將反應(yīng)氣體導(dǎo)入蒸發(fā)空間，便可在工件表面沉積金屬化合物涂層，這就是反應(yīng)性離子鍍。由于采用等離子活化，工件只需在較低溫度甚至在室溫下進(jìn)行鍍膜，完全保證零件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，可以安排在工件淬火、回火后即*后一道工序進(jìn)行。如沉積TiN或TiC時，基體溫度可以在150-600℃范圍內(nèi)選擇，溫度高時涂層的硬度高，與基體的結(jié)合力也高。基體溫度可根據(jù)基體材料及其回火溫度選擇，如基體為高速鋼，可選擇560℃，這樣，對于經(jīng)淬火、回火并加工到尺寸的高精度模具加工，無需擔(dān)心基體硬度降低及變形問題。另外，離子鍍的沉積速度較其他氣相沉積方法快，得到10mm厚的TiC或TiN涂層，一般只需要幾十分鐘。

通過PVD法在模具加工上沉積TiN或TiC鍍層，其性能可以和CVD法的鍍層相比擬，且具有以下特征：

（1）對上、下模都進(jìn)行了高精度精加工的金屬模具加工表面，用PVD超硬化合物鍍層強化是相當(dāng)有效的；

（2）對粗糙的模具加工表面，PVD鍍層效果將喪失；

（3）PVD鍍層對靜載荷更有效；

（4）PVD鍍覆前后的精度無變化，不必再次進(jìn)行加工；

（5）PVD鍍層具有優(yōu)越的耐磨性和高的耐蝕性。

例如：對制造螺釘用的高速鋼沖頭鍍覆TiN，其壽命比未鍍覆的沖頭延長3-5倍；在汽車零件精密落料模上鍍覆TiN，當(dāng)被沖鋼板厚度為1-3mm時，壽命延長5-6倍，但是當(dāng)鋼板厚度增加到5-8mm時，由于TiN層從表層脫落而喪失效果；塑料模鍍覆TiN，其耐蝕性可提高5-6倍，而耐磨性同時提高，使模具加工壽命延長數(shù)倍。

物理 氣相沉積技術(shù)基本原理可分三個工藝步驟：

(1)鍍料的氣化：即使鍍料蒸發(fā)，異華或被濺射，也就是通過鍍料的氣化源。

(2)鍍料原子、分子或離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經(jīng)過碰撞后，產(chǎn)生多種反應(yīng)。

(3)鍍料原子、分子或離子在基體上沉積。

認(rèn)識PVD物理 氣相沉積技術(shù)

物理 氣相沉積技術(shù)工藝過程簡單，對環(huán)境改善，無污染，耗材少，成膜均勻致密，與基體的結(jié)合力強。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、光學(xué)、機械、建筑、輕工、冶金、材料等領(lǐng)域，可制備具有耐磨、耐腐飾、裝飾、導(dǎo)電、絕緣、光導(dǎo)、壓電、磁性、潤滑、超導(dǎo)等特性的膜層。

氣相沉積是一種在基體表面形成功能膜層的技術(shù)，它是利用物質(zhì)在氣相中產(chǎn)生的物理或(及)化學(xué)反應(yīng)而在產(chǎn)品表面沉積單層或多層的、單質(zhì)或化合物的膜層，從而使產(chǎn)品表面獲得所需的各種優(yōu)異性能。

氣相沉積作為一種表面鍍膜方法，其基本步驟有需鍍物料氣相化->輸運->沉積。它的主要特點在于不管原來需鍍物料是固體、液體或氣體，在輸運時都要轉(zhuǎn)化成氣相形態(tài)進(jìn)行遷移，*終到達(dá)工件表面沉積凝聚成固相薄膜。

氣相沉積主要分為兩大類：

化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)；

物理 氣相沉積(Physical Vapor Deposition，簡稱PVD)。

起初人們利用易揮發(fā)的液體TiCI稍加熱獲得TiCI氣體和NH氣體一起導(dǎo)入高溫反應(yīng)室，讓這些反應(yīng)氣體分解，再在高溫固體表面上進(jìn)行遵循熱力學(xué)原理的化學(xué)反應(yīng)，生成TiN和HCI，HCi被抽走，TiN沉積在固體表面上成硬質(zhì)固相薄膜。人們把這種通過含有構(gòu)成薄膜元素的揮發(fā)性化合物與氣態(tài)物質(zhì)，在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，且生成非揮發(fā)性固態(tài)沉積物的過程，稱為化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)。

同時，人們把另一類氣相沉積，即通過高溫加熱金屬或金屬化合物蒸發(fā)成氣相，或者通過電子、等離子體、光子等荷能粒子的能量把金屬或化合物靶濺射出相應(yīng)的原子、離子、分子(氣態(tài))，在固體表面上沉積成固相膜，其中不涉及到物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)(分解或化合)，稱為物理 氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)。

隨著氣相沉積技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，上述兩類型氣相沉積各自都有新的技術(shù)內(nèi)容，兩者相互交叉，你中有我，我中有你，致使難以嚴(yán)格分清是化學(xué)的還是物理的。比如，人們把等離子體、離子束引入到傳統(tǒng)的物理 氣相沉積技術(shù)的蒸發(fā)和濺射中，參與其鍍膜過程，同時通入反應(yīng)氣體，也可以在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成新的合成產(chǎn)物固體相薄膜，稱其為反應(yīng)鍍。在濺射鈦(Ti)等離子體中通入反應(yīng)氣體N2*后合成TiN就是一例。這就是說物理 氣相沉積也可以包含有化學(xué)反應(yīng)。又如，在反應(yīng)室內(nèi)通入甲烷，借助于w靶陰極電弧放電，在Ar，W等離子體作用下使甲烷分解，并在固體表面實現(xiàn)碳鍵重組，生成摻W的類金剛石碳減摩膜，人們習(xí)慣上把這種沉積過程仍歸入化學(xué)氣相沉積，但這是在典型的物理 氣相沉積技術(shù)——金屬陰極電弧離子鍍中實現(xiàn)的。另外，人們把等離子體、離子束技術(shù)引入到傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積過程，化學(xué)反應(yīng)就不完全遵循傳統(tǒng)的熱力學(xué)原理，因為等離子體有更高的化學(xué)活性，可以在比傳統(tǒng)熱力學(xué)化學(xué)反應(yīng)低得多的溫度下實現(xiàn)反應(yīng)，這種方法稱為等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition，簡稱PACVD；有些資料稱之為等離子體增強化學(xué)氣相沉積，簡稱PECVD)，它賦予化學(xué)氣相沉積更多的物理含義。

在今天，討論化學(xué)氣相沉積與物理 氣相沉積的不同點，恐怕只剩下用于鍍膜物料形態(tài)的區(qū)別，前者是利用易揮發(fā)性化合物或氣態(tài)物質(zhì)，而后者則利用固相(或液相)物質(zhì)。這種區(qū)分似乎已失去原來定義的內(nèi)涵實質(zhì)。

我們?nèi)匀话凑找延械牧?xí)慣，主要以上述鍍料形態(tài)的區(qū)別來區(qū)分化學(xué)氣相沉積和物理 氣相沉積，把固態(tài)(液態(tài))鍍料通過高溫蒸發(fā)、濺射、電子束、等離子體、離子束、激光束、電弧等能量形式產(chǎn)生氣相原子、分子、離子(氣態(tài)，等離子態(tài))進(jìn)行輸運，在固態(tài)表面上沉積凝聚(包括與其他反應(yīng)氣相物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成反應(yīng)產(chǎn)物)，生成固相薄膜的過程稱為物理 氣相沉積。

技術(shù)發(fā)展

PVD技術(shù)出現(xiàn)于，制備的薄膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)、很好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點。起初在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用引起了世界各國制造業(yè)的高度重視，人們在開發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時，也在硬質(zhì)合金、陶瓷類刀具中進(jìn)行了更加深入的涂層應(yīng)用研究。與CVD工藝相比，PVD工藝處理溫度低，在600℃以下時對刀具材料的抗彎強度無影響；薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，更適于對硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層；PVD工藝對環(huán)境無不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。當(dāng)前PVD涂層技術(shù)已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、車刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

PVD技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強度，涂層成分也由初代的TiN發(fā)展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta－C等多元復(fù)合涂層。

涂層技術(shù)

增強型磁控陰極弧：陰極弧技術(shù)是在真空條件下，通過低電壓和高電流將靶材離化成離子狀態(tài)，從而完成薄膜材料的沉積。增強型磁控陰極弧利用電磁場的共同作用，將靶材表面的電弧加以有效地控制，使材料的離化率更高，薄膜性能更加優(yōu)異。

過濾陰極?。?/span>過濾陰極電弧(FCA)配有高效的電磁過濾系統(tǒng)，可將離子源產(chǎn)生的等離子體中的宏觀粒子、離子團(tuán)過濾干凈，經(jīng)過磁過濾后沉積粒子的離化率為100%，并且可以過濾掉大顆粒，因此制備的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蝕性能好，與機體的結(jié)合力很強。

磁控濺射：在真空環(huán)境下，通過電壓和磁場的共同作用，以被離化的惰性氣體離子對靶材進(jìn)行轟擊，致使靶材以離子、原子或分子的形式被彈出并沉積在基件上形成薄膜。根據(jù)使用的電離電源的不同，導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料均可作為靶材被濺射。