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1、PVD技术综述1 PVD技术简介1.1 PVD原理PVD又称为物理气相沉积，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧 放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电 场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。1.2 PVD分类PVD有种，一种是蒸镀，另一种是溅射。1.2.1蒸镀蒸镀主要是将金属在真空中加热，使其蒸发，并在底板上沉积成薄膜。由于 蒸发的金属原子径直飞出并附着在底板上，因而具有某种方向性附着的性质。底 板有阶梯状落差时，水平面上能够附着，但侧壁部分则很难附着。由于蒸气粒子的能量较低，蒸镀薄膜的附着强度在三种PVD中最低，只适 于镀制对附着强度要求
2、不高的纯金属薄膜，如电极的导电膜、玻璃的装饰膜，尤 以塑料薄膜镀铝应用最多1相关制备方法：(1) 电阻加热蒸镀：将做成适当形状、熔点显著高于镀料的金属加热材料通以 电流，使上载镀料熔融蒸发、凝聚于基材表面而成膜。加热材料平衡蒸气压为 10 6Pa时所对应的温度不应低于加热温度，以保证加热材料不致影响真空度和 污染镀膜。(2) 电子束加热蒸镀：仅被电子束轰击的局部熔化，避免了坩锅污染。调节加 速电压和束电流可精确控制蒸发温度和蒸发速率。适用于蒸镀高熔点金属和获得 高蒸发速率。(3) 高频感应加热蒸镀：由于涡电流直接作用在镀料上，盛镀料的坩锅处于较 低温度，可降低坩锅材料对薄膜的污染和热量损失。(
3、4) 激光蒸发镀膜：激光加热为非接触加热，效率高，易于控制，避免了坩锅 污染，可蒸发高熔点金属、半导体、陶瓷等各种无机材料。122溅射溅射是向真空舱室中通入氩(Ar)等气体，使得在底板与标靶间产生放电现 象。放电以直流或者交流(高频)方式进行，在高频时，会因自偏压而在标靶一 侧产生负电压。放电所产生的正离子在电压的影响下加速并发生碰撞，从而使标 靶材料喷溅出来，附着在底板上。由于溅射不是通过提高温度使材料蒸发的，因此，各种材料可保持分子的形 态飞出并在底板上成膜。另外，由于是在低真空中一边与氩气等发生碰撞，一边从各种方向附着在底板上，因此，即使是有落差的角落及侧壁，也能附着产生薄 膜。也就是说
4、，与蒸镀相比，阶梯覆盖性较好。相关制备方法：（1）直流二级溅射：这种溅射方法等离子体密度低，镀膜速率慢，一般用于能 导电材料的镀膜，操作比较简单。（2）磁控溅射：特殊磁场配置迫使二次电子跨栏式地沿环状磁场转圈，增大了 与气体分子碰撞电离的几率，使环状磁场区域成为等离子体密度最大的部位，是 一种高效溅射方法。（3）射频溅射：绝缘材质的靶，若采用直流溅射，正离子轰击时，电荷不能导 离，积累的正电荷造成电位升高，轰击不能持续。射频溅射是用射频电场先在靶基间形成高频等离子体，由于电子的运动速度 远高于离子，靶、基板都会形成负电位而引发正离子轰击，但基板面积大，靶面 积小，加之基板导电性远好于靶材，使轰
5、击基板的逆溅射大大减弱，使正溅射得 以有效实现。1.3 PVD薄膜性质PVD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。最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600C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。2薄膜检测2.1膜厚测技术膜厚可分形状膜厚和质量膜厚两种。前者把堆积量作为几何学的容
6、积进行直 接测量，后者以质量形式测量堆积量并把它以厚度形式表示。薄膜的生长，即膜厚 的增加的同时膜结构也在变化。所以在测定膜厚时,有必要根据薄膜和基片组合 情况，膜的厚度范围和膜的形态等条件综合分析选择更合适的测定方法。常用的 膜厚测量法有：秤重法；探行法；多光束干涉法；B粒子回射法；X射线荧光法； 位相差显微镜法；椭园仪法；石英晶体振荡法；电阻法等。2.1薄膜的分析检测方法获得的信息低速电子衍射周期性的表面原子及附着中速电子衍射表面附近一维晶结构反射高速电子衍射表面附近二维晶格结构扫描电子显微镜表面凹形貌透过电子显徽镜晶体断面结构、晶体结构俄歇电子光谱法表面兀素分析、或仿分析电子探针微区分析
7、法元素分析、定量分析能量分散X射线光谱法兀素分析、定量分析电子谱化学分析元素分析、化学结合状态扫描隧道显微镜原子水平的几何学结构3 PVD技术的应用3. 1 PVD在刀具方面的应用采用物理气相沉积法实现了对高速钢刀具和硬质合金刀具的涂层之后， 能有效增强刀具的使用性能。PVD技术主要适用于刀具（如铣刀、车刀、刀片和 钻头等）、模具（如冲压、拉伸、成型、钟表外壳模具）及精密零配件等。涂层处 理可以增加工件硬度、抗磨力和降低摩擦系数，从而延长工件寿命讥采用磁控溅射离子镀技术沉积的Ti N和TiN复合相，其涂层硬度课明显提高, 可提高硬质合金刀具耐用度14倍。PVD涂层刀片切削45钢使切削力下降，特
8、 别是进给方向切削力下降较明显。选用PVD涂层，尽管切削速度明显提高但断屑 范围并没有明显变化。表1 PVD涂层工艺发展时段及应用领域时间涂层成分主耍应用领域97yTi N岛速钢山具涂层1984TiC硬质介金、髙速钢诜刀、钻头刀具涂典1986Diamond CBN硬质合金刀貝涂衣1989TEAIN硬质台金铳刀涂层（用F钢、铸铁加r.）t991TiAlN r CvC车削僦削钛合金1993CrN钛合金.铜合金加E1994M nS2高速钢复杂刀具燥层1995丁小- AIK谨质介金铳刀片涂层|1996高辣钢丁涂层2000TiAICN硬质合金力丹涂心3. 2 PVD涂层技术在冲压成型模具中的应用PVD涂
9、层技术可以广泛应用于各类磨损、咬合、腐蚀、粘着、融合等引起失 效的工具、模具、机械零件、医疗器械等。其中，因磨损引起失效的产品(如:冲 裁、冷镦、粉末成型等模具),加涂层后可提咼寿命220倍以上；因咬合引起产 品或模具的拉伤问题(如：引伸模、拉伸模、翻边模等)，加涂层后可以从根本上予 以解决。3. 3热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展利用磁控溅射、高速火焰喷涂、等离子喷涂、电子束物理气相沉积等方法可 制备热障涂层。热障涂层是由导热性较差的陶瓷氧化物面层和起粘结作用的底层组成的防 热系统。热障涂层可以明显降低基材温度、硬度高、化学稳定性好，具有防止高 温腐蚀、延长热端部件使用寿命、提高发动机
10、功率和减少燃油消耗等优点，热障 涂层的出现为大幅度改进航空发动机的性能开辟了新途径幻。3.4 PVD在镁合金表面防护的应用PVD膜层多数是在低温等离子体条件下获得的，沉积层被电离、激发为离子、 高能中性原子，使得沉积层的组织细密、与基体结合良好。相比于镁合金自身在 大气中表面所形成的疏松、多孔的氢氧化物膜层来讲,PVD膜层可大大提高其表 面性能，增强耐蚀性5。1梁红樱，赵海波，王辉等国内PVD技术应用与研究现状J.工具技 术，2007,41 (16):33-35.2陈政文，商宏飞，徐建华等.基于切削力的PVD涂层刀具性能研究J.工具技 术，2012,4(10):15-17.3曹美蓉，魏仕勇,蒋雷等.PVD涂层技术在冲压/成型模具中的应用及实例J.热处理技术 与装备,2010,31 (3):43-38.4李其连.等离子喷涂ZrO2热障涂层热冲击破坏研究J.中国表面工程，2004 (3)： 17-21.5王彦峰，李争显,杜继红等.PVD技术在镁合金表面防护领域的应用及研究进展J.表面 技术，2010,39(4):95-98.
