什么是物理 气相沉积（PVD）技术

物理 气相沉积是真空条件下采用物理方法把欲涂覆物质沉积在工件表面上形成膜的过程，通常称为PVD（Physical Vapour Deposition）法。在进行PVD处理时，工件的加热温度一般都在600℃以下，这对于用高速钢、合金模具加工钢及其他钢材制造的模具加工都具有重要意义。目前，常用的有三种物理 气相沉积方法，即真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀，其中，离子镀在模具加工制造中的应用较广。发展到目前，物理 气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。

1.真空蒸镀

真空蒸镀是真空条件下在1.33x10-3至1.33x10-4Pa的压力下，用电子束等热源加热沉积材料使之蒸发，蒸发的原子或分子直接在注塑加工件表面形成沉积层。但对于难熔的金属碳化物和氮化物进行直接蒸发是有困难的，并且有使化合物分解的倾向。为此，开发了引入化学过程的反应蒸镀，例如，用电子枪蒸发钛金属，并将少量甲烷和乙炔等反应气体导入蒸发空间，使钛原子和反应气体原子在工件表面进行反应，沉积TiC涂层。

真空蒸镀多用于透镜和反射镜等光学元件、各种电子元件、塑料注塑加工制品等的表面镀膜，在表面硬化方面的应用不太多。

2.溅射镀膜

溅射镀膜，是不采用蒸发技术的物理 气相沉积方法。施镀时，将工作室抽成真空，充入氢气作为工作气体，并保持其压力为0.13-1.33Pa，以沉积物质作为靶（阴极）并加上数百至数千伏的负压，以工件为阳极，两侧灯丝带负压（-30-100v）。加热灯丝至1700℃左右时，灯丝发射出的电子使氢气发生辉光放电，产生出氢离子H+，H+被加速轰击靶材，使靶材迸发出原子或分子溅射到工件表面上，形成沉积层。

溅射法可用于沉积各种导电材料，包括高熔点金属及化合物。如果用TiC作靶材，便可以在工件上直接沉积TiC涂层。当然，也可以用金属Ti作靶，再导入反应气体，进行反应性溅射，溅射涂层均匀但沉积速度慢，不适于沉积105mm以上厚度的涂层。溅射可使基体温度升高到500-600℃，因此，只适用于在此温度下具有二次硬化的钢制模具加工。

3.离子镀

离子镀，是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，在气体离子或蒸发物质离子轰击作用下，把蒸发物质或其反应物蒸镀在工件上。离子镀把辉光放电、等离子技术与真空蒸镀技术结合在一起，不仅明显地提高了镀层的各种性能，而且，大大扩充了镀膜技术的应用范围。

离子镀除兼有真空溅射的优点外，还具有膜层的附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等优点。例如，利用离子镀技术可以在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张等非金属材料上，涂覆具有不同性能的单一镀层、合金镀层、化合物镀层及各种复合镀层，而且沉积速度快（可达755m/min），镀前清洗工序简单，对环境无污染，因此，近年来在国内外得到了迅速的发展。

借助一种惰性气体的辉光放电使金属或合金蒸汽离子化。离子镀包括镀膜材料（如TiN，TiC）的受热、蒸发、沉积过程。

蒸发的镀膜材料原子在经过辉光区时，一小部分发生电离，并在电场的作用下飞向工件，以几千电子伏的能量射到工件表面，可以打入基体约几纳米的深度，从而大大提高了涂层的结合力，而未经电离的蒸发材料原子直接在工件上沉积成膜。惰性气体离子与镀膜材料离子在工件表面上发生的溅射，还可以清洁工件表面的污染物，从而改善结合力。

若将反应气体导入蒸发空间，便可在工件表面沉积金属化合物涂层，这就是反应性离子镀。由于采用等离子活化，工件只需在较低温度甚至在室温下进行镀膜，完全保证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*后一道工序进行。如沉积TiN或TiC时，基体温度可以在150-600℃范围内选择，温度高时涂层的硬度高，与基体的结合力也高。基体温度可根据基体材料及其回火温度选择，如基体为高速钢，可选择560℃，这样，对于经淬火、回火并加工到尺寸的高精度模具加工，无需担心基体硬度降低及变形问题。另外，离子镀的沉积速度较其他气相沉积方法快，得到10mm厚的TiC或TiN涂层，一般只需要几十分钟。

通过PVD法在模具加工上沉积TiN或TiC镀层，其性能可以和CVD法的镀层相比拟，且具有以下特征：

（1）对上、下模都进行了高精度精加工的金属模具加工表面，用PVD超硬化合物镀层强化是相当有效的；

（2）对粗糙的模具加工表面，PVD镀层效果将丧失；

（3）PVD镀层对静载荷更有效；

（4）PVD镀覆前后的精度无变化，不必再次进行加工；

（5）PVD镀层具有优越的耐磨性和高的耐蚀性。

例如：对制造螺钉用的高速钢冲头镀覆TiN，其寿命比未镀覆的冲头延长3-5倍；在汽车零件精密落料模上镀覆TiN，当被冲钢板厚度为1-3mm时，寿命延长5-6倍，但是当钢板厚度增加到5-8mm时，由于TiN层从表层脱落而丧失效果；塑料模镀覆TiN，其耐蚀性可提高5-6倍，而耐磨性同时提高，使模具加工寿命延长数倍。

物理 气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：

(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。

(2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。

(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。

认识PVD物理 气相沉积技术

物理 气相沉积技术工艺过程简单，对环境改善，无污染，耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。

气相沉积是一种在基体表面形成功能膜层的技术，它是利用物质在气相中产生的物理或(及)化学反应而在产品表面沉积单层或多层的、单质或化合物的膜层，从而使产品表面获得所需的各种优异性能。

气相沉积作为一种表面镀膜方法，其基本步骤有需镀物料气相化->输运->沉积。它的主要特点在于不管原来需镀物料是固体、液体或气体，在输运时都要转化成气相形态进行迁移，*终到达工件表面沉积凝聚成固相薄膜。

气相沉积主要分为两大类：

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)；

物理 气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)。

起初人们利用易挥发的液体TiCI稍加热获得TiCI气体和NH气体一起导入高温反应室，让这些反应气体分解，再在高温固体表面上进行遵循热力学原理的化学反应，生成TiN和HCI，HCi被抽走，TiN沉积在固体表面上成硬质固相薄膜。人们把这种通过含有构成薄膜元素的挥发性化合物与气态物质，在固体表面上进行化学反应，且生成非挥发性固态沉积物的过程，称为化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)。

同时，人们把另一类气相沉积，即通过高温加热金属或金属化合物蒸发成气相，或者通过电子、等离子体、光子等荷能粒子的能量把金属或化合物靶溅射出相应的原子、离子、分子(气态)，在固体表面上沉积成固相膜，其中不涉及到物质的化学反应(分解或化合)，称为物理 气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)。

随着气相沉积技术的发展和应用，上述两类型气相沉积各自都有新的技术内容，两者相互交叉，你中有我，我中有你，致使难以严格分清是化学的还是物理的。比如，人们把等离子体、离子束引入到传统的物理 气相沉积技术的蒸发和溅射中，参与其镀膜过程，同时通入反应气体，也可以在固体表面进行化学反应，生成新的合成产物固体相薄膜，称其为反应镀。在溅射钛(Ti)等离子体中通入反应气体N2*后合成TiN就是一例。这就是说物理 气相沉积也可以包含有化学反应。又如，在反应室内通入甲烷，借助于w靶阴极电弧放电，在Ar，W等离子体作用下使甲烷分解，并在固体表面实现碳键重组，生成掺W的类金刚石碳减摩膜，人们习惯上把这种沉积过程仍归入化学气相沉积，但这是在典型的物理 气相沉积技术——金属阴极电弧离子镀中实现的。另外，人们把等离子体、离子束技术引入到传统的化学气相沉积过程，化学反应就不完全遵循传统的热力学原理，因为等离子体有更高的化学活性，可以在比传统热力学化学反应低得多的温度下实现反应，这种方法称为等离子体辅助化学气相沉积(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition，简称PACVD；有些资料称之为等离子体增强化学气相沉积，简称PECVD)，它赋予化学气相沉积更多的物理含义。

在今天，讨论化学气相沉积与物理 气相沉积的不同点，恐怕只剩下用于镀膜物料形态的区别，前者是利用易挥发性化合物或气态物质，而后者则利用固相(或液相)物质。这种区分似乎已失去原来定义的内涵实质。

我们仍然按照已有的习惯，主要以上述镀料形态的区别来区分化学气相沉积和物理 气相沉积，把固态(液态)镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、离子束、激光束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子(气态，等离子态)进行输运，在固态表面上沉积凝聚(包括与其他反应气相物质进行化学反应生成反应产物)，生成固相薄膜的过程称为物理 气相沉积。

技术发展

PVD技术出现于，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。起初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视，人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也在硬质合金、陶瓷类刀具中进行了更加深入的涂层应用研究。与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。当前PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、车刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。

PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由初代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta－C等多元复合涂层。

涂层技术

增强型磁控阴极弧：阴极弧技术是在真空条件下，通过低电压和高电流将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。增强型磁控阴极弧利用电磁场的共同作用，将靶材表面的电弧加以有效地控制，使材料的离化率更高，薄膜性能更加优异。

过滤阴极弧：过滤阴极电弧(FCA)配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒，因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。

磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。根据使用的电离电源的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅射。