物理氣相沉積( PVD )指的是利用某種物理的過程,如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子束轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)物質(zhì)從源物質(zhì)到薄膜的可控的原子轉(zhuǎn)移過程。

　　PVD技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末,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(diǎn)。最初在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用引起了世界各國(guó)制造業(yè)的高度重視，人們?cè)陂_發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時(shí),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。

　　PVD技術(shù)的特點(diǎn)

　　相對(duì)于氣相沉積(CVD)來(lái)說(shuō), PVD有如下特點(diǎn):

　　1、需要使用固態(tài)的或者熔化態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物;

　　2、源物質(zhì)要經(jīng)過物理過程進(jìn)入氣相;

　　3、需要相對(duì)較低的氣體壓力環(huán)境;

　　4、在氣相中及襯底表面并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

　　PVD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn):

　　1、沉積溫度低，一般在600°C以下,對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度影響很小;

　　2、涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)是壓應(yīng)力，更適應(yīng)于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層;

　　3、對(duì)環(huán)境不造成污染,符合目前綠工藝、綠色制造的發(fā)展動(dòng)向;

　　4、隨著納米涂層的出現(xiàn)，涂層刀具質(zhì)量顯著提高,不僅具有結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高和抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn)，還能有效地控制精密刀具刃口形狀及精度。

　　缺點(diǎn):

　　1、涂層設(shè)備復(fù)雜、工藝要求高、涂層時(shí)間長(zhǎng),使得刀具的成本增加;

　　2、生產(chǎn)的刀具抗沖擊性能、硬度和均勻性比技術(shù)生產(chǎn)的刀具差,使用壽命也比技術(shù)生產(chǎn)的刀具短;

　　3、涂層的產(chǎn)品幾何形狀單一，使用領(lǐng)域受限;

　　4、易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和微裂紋,原因是涂層與基體在冷卻時(shí)收縮率不同。

　　PVD技術(shù)分類

　　按照沉積時(shí)物理機(jī)制的差別,物理氣相沉積一般分為真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)、真空濺射鍍膜、離子鍍膜和分子束外延等。近年來(lái)，薄膜技術(shù)和薄膜材料的發(fā)展突飛猛進(jìn)，成果顯著，在原有基礎(chǔ)上，相繼出現(xiàn)了離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)、電火花沉積技術(shù)、電子束物理氣相沉積技術(shù)和多層噴射沉積技術(shù)等。

　　1、離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)(IBED) .

　　離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)是一種將離子注入與薄膜沉積融為一體的材料表面改性新技術(shù)。它是指在氣相沉積鍍膜的同時(shí),采用一定能量的離子束進(jìn)行轟擊混合，從而形成單質(zhì)或化合物膜層。它除了保留離子注入的優(yōu)點(diǎn)外,還可在較低的轟擊能量下連續(xù)生長(zhǎng)任意厚度的膜層,并能在室溫或近室溫下合成具有理想化學(xué)配比的化合物膜層(包括常溫常壓無(wú)法獲得的新型膜層)。該技術(shù)具有工藝溫度低(< 200°C) ,對(duì)所有襯底結(jié)合力強(qiáng),可在室溫得到高溫相、亞穩(wěn)相及非晶態(tài)合金，化學(xué)組成便于控制，方便控制生長(zhǎng)過程等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是離子束具有直射性，因此處理形狀復(fù)雜的表面比較困難。

　　2、電火花沉積技術(shù)(ESD)

　　電火花沉積技術(shù)是將電源存儲(chǔ)的高能量電能,在金屬電極(陽(yáng)極)與金屬母材(陰極)間瞬時(shí)高頻釋放,通過電極材料與母材間的空氣電離,形成通道,使母材表面產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、高壓微區(qū)。同時(shí)離子態(tài)的電極材料在微電場(chǎng)的作用下融滲到母材基體,形成冶金結(jié)合。電火花沉積工藝是介于焊接與噴濺或元素滲入之間的工藝,經(jīng)過電火花沉積技術(shù)處理的金屬沉積層具有較高硬度及較好的耐高溫性、耐腐蝕性和耐磨性，而且設(shè)備簡(jiǎn)單、用途廣泛、沉積層與基體的結(jié)合非常牢固，一般不會(huì)發(fā)生脫落,處理后工件不會(huì)退火或變形, 沉積層厚度容易控制，操作方法容易掌握。主要缺點(diǎn)是缺少理論支持,操作尚未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

　　3、電子束物理氣相沉積技術(shù)(EB-PVD)

　　電子束物理氣相沉積技術(shù)是以高能密度的電子束直接加熱蒸發(fā)材料,蒸發(fā)材料在較低溫度下沉積在基體表面的技術(shù)。該技術(shù)具有沉積速率高(10kg/h~ 15kg/h的蒸發(fā)速率)、涂層致密、化學(xué)成分易于精確控制、可得到柱狀晶組織、無(wú)污染以及熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴,加工成本高。目前，該技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

　　4、多層噴射沉積技術(shù)(MLSD)

　　與傳統(tǒng)的噴射沉積技術(shù)相比,多層噴射沉積的一個(gè)重要特點(diǎn)是可調(diào)節(jié)接收器系統(tǒng)和坩堝系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),使沉積過程為勻速且軌跡不重復(fù),從而得到平整的沉積表面。其主要特點(diǎn)是:沉積過程中的冷卻速度比傳統(tǒng)噴射沉積要高,冷卻效果較好;可制備大尺寸工件，且冷卻速度不受影響;工藝操作簡(jiǎn)單，易于制備尺寸精度較高、表面均勻平整的工件;液滴沉積率高;材料顯微組織均勻細(xì)小,無(wú)明顯界面反應(yīng)，材料性能較好。但是該技術(shù)還處于研究、開發(fā)和完善階段,因此對(duì)其沉積到工件表面的軌跡的規(guī)律性研究還缺少理論依據(jù)。

　　PVD技術(shù)的應(yīng)用

　　1、在刀具、模具中的應(yīng)用最早應(yīng)用于模具和刀具中。通過沉積TiC鍍層，可以有效延長(zhǎng)模具的壽

　　命;在高速鋼刀具中沉積鍍膜，可提高刀具的抗磨損性、抗粘屑性和刀具的切削速度，同時(shí)經(jīng)鍍膜的刀具還具有高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性、高韌性、低摩擦系數(shù)等特點(diǎn)。

　　2、在建筑裝飾中的應(yīng)用

　　因物理氣相沉積技術(shù)具有沉積過程易于操作，膜層的成分易于控制,不存在廢水、廢氣、廢渣的污染等特點(diǎn)，目前,這一技術(shù)在建筑裝飾中得到廣泛應(yīng)用。

　　3、在特殊薄膜材料制備中的應(yīng)用

　　霧化沉積技術(shù)可以顯著地?cái)U(kuò)大合金元素固溶度,獲得細(xì)小均勻的等軸晶組織,減小合金元素的宏觀偏析,增加第二相的體積分?jǐn)?shù),細(xì)化第二相粒子，從而避免了傳統(tǒng)冶金工藝中由于冷卻速度低而導(dǎo)致的化學(xué)成分宏觀偏析以及組織粗大等諸多弊端,可實(shí)現(xiàn)大尺寸快速凝固材料的一次成型,目前多應(yīng)用于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備,如用霧化沉積技術(shù)制備MMCs等。另外,利用脈沖激光弧沉積技術(shù)制備類金剛石薄膜的方法國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了研究。

　　4、在電學(xué)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域里的應(yīng)用

　　具有鐵電性且厚度尺寸在數(shù)十納米到數(shù)微米的鐵電薄膜具有良好的介電、電光、聲光、光折變、非線性光學(xué)和壓電性能,主要被應(yīng)用于隨機(jī)存儲(chǔ)器、電容器、紅外探測(cè)器等領(lǐng)域，其制備方法主要有濺射法、脈沖激光沉積法等。羥基磷灰石(HA)屬于磷酸鹽無(wú)機(jī)非金屬材料，它的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)與脊椎動(dòng)物的骨及牙齒的礦物成分非常相近，且與生物組織有良好的相容性，目前在種植牙和人工骨等方面有著廣泛的應(yīng)用,羥基磷灰石薄膜同樣可以采用物理氣相沉積技術(shù)制備。

　　5、在耐腐蝕涂層中的應(yīng)用

　　通過PVD技術(shù)使腐蝕介質(zhì)很難穿透涂層到達(dá)基底，使腐蝕介質(zhì)與基底材料有效隔絕,達(dá)到抗腐蝕保護(hù)基底的目的。