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        PVD(物理氣相沉積技術)簡介

        2020-06-19

        1. PVD簡介

        PVD是英文Physical Vapor Deposition(物理氣相沉積)的縮寫,是指在真空條件下,采用低電壓、大電流的電弧放電技術,利用氣體放電使靶材蒸發并使被蒸發物質與氣體都發生電離,利用電場的加速作用,使被蒸發物質及其反應產物沉積在工件上。

        2. PVD技術的發展

        PVD技術出現于二十世紀七十年代末,制備的薄膜具有高硬度、低摩擦系數、很好的耐磨性和化學穩定性等優點。最初在高速鋼刀具領域的成功應用引起了世界各國制造業的高度重視,人們在開發高性能、高可靠性涂層設備的同時,也在硬質合金、陶瓷類刀具中進行了更加深入的涂層應用研究。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;薄膜內部應力狀態為壓應力,更適于對硬質合金精密復雜刀具的涂層;PVD工藝對環境無不利影響,符合現代綠色制造的發展方向。目前PVD涂層技術已普遍應用于硬質合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

        PVD技術不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結合強度,涂層成分也由第一代的TiN發展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta-C等多元復合涂層。

        3. 主要方法

        ①真空蒸鍍基本原理是在真空條件下,使金屬、金屬合金或化合物蒸發,然后沉積在基體表面上,蒸發的方法常用電阻加熱,高頻感應加熱,電子束、激光束、離子束高能轟擊鍍料,使蒸發成氣相,然后沉積在基體表面,歷史上,真空蒸鍍是PVD法中使用最早的技術。

        ②濺射鍍膜基本原理是充氬(Ar)氣的真空條件下,使氬氣進行輝光放電,這時氬(Ar)原子電離成氬離子(Ar+),氬離子在電場力的作用下,加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材,靶材會被濺射出來而沉積到工件表面。如果采用直流輝光放電,稱直流(Qc)濺射,射頻(RF)輝光放電引起的稱射頻濺射。磁控(M)輝光放電引起的稱磁控濺射。

        ③電弧等離子體鍍膜基本原理是在真空條件下,用引弧針引弧,使真空金壁(陽極)和鍍材(陰極)之間進行弧光放電,陰極表面快速移動著多個陰極弧斑,不斷迅速蒸發甚至“異華”鍍料,使之電離成以鍍料為主要成分的電弧等離子體,并能迅速將鍍料沉積于基體。因為有多弧斑,所以也稱多弧蒸發離化過程。

        ④離子鍍基本原理是在真空條件下,采用某種等離子體電離技術,使鍍料原子部分電離成離子,同時產生許多高能量的中性原子,在被鍍基體上加負偏壓。這樣在深度負偏壓的作用下,離子沉積于基體表面形成薄膜。

        4. PVD的工藝步驟

        物理氣相沉積技術基本原理可分三個工藝步驟:

        ①鍍料的氣化:即使鍍料蒸發,升華或被濺射,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、分子或離子經過碰撞后,產生多種反應。

        ③鍍料原子、分子或離子在基體上沉積。

        物理氣相沉積技術工藝過程簡單,對環境改善,無污染,耗材少,成膜均勻致密,與基體的結合力強。該技術廣泛應用于航空航天、電子、光學、機械、建筑、輕工、冶金、材料等領域,可制備具有耐磨、耐腐蝕、裝飾、導電、絕緣、光導、壓電、磁性、潤滑、超導等特性的膜層。

        隨著高科技及新興工業發展,物理氣相沉積技術出現了不少新的先進的亮點,如多弧離子鍍與磁控濺射兼容技術,大型矩形長弧靶和濺射靶,非平衡磁控濺射靶,孿生靶技術,帶狀泡沫多弧沉積卷繞鍍層技術,條狀纖維織物卷繞鍍層技術等,使用的鍍層成套設備,向計算機全自動,大型化工業規模方向發展。



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