物理气相沉积硬质涂层技术及进展

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1、第九次全国热处理大会论文集(2007年9月大连)物理气相沉积硬质涂层技术及进展童洪辉(核工业西南物理研究院，四川成都610041)摘要：本文概要介绍了离子镀、磁控溅射、离子束辅助沉积和复合沉积技术的原理和优缺点，并指出了这些技术近年在制备硬质涂层的发展。关键词：物理气相沉积(PVD)；硬质涂层以过渡族金属碳化物、氮化物，硼化物和金刚石膜等为代表的硬质涂层由于具有超硬和耐磨等特点，已在机械加工工具、模具及机械零件等方面获得广泛应用。上世纪70年代化学气相沉积(CVD)法开创了硬质涂层的“黄金刀具”，但

2、因CVD法沉积硬质涂层要求的温度高和有环境污染等问题，为了降低沉积温度，减少处理工序，拓宽所能应用的工件材料种类，同时就开展了物理气相沉积(PVD)硬质涂层技术的研究并于80年代取得了突破；为了兼具CVD和PVD法的优点。又发展了等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)硬质涂层技术，使硬质涂层具有沉积温度较低和膜基结合好等特性。不过由于磨损状况的千差万别造成所需涂层性能及处理成本的不同，目前市场上沉积硬质涂层CVD、PACVD和PVD三种技术并存，但随PVD技术的进步，PVD正逐渐成为沉积硬质涂层的主

3、导技术。PVD工艺是指在真空条件下。至少有一种沉积元素被离化情况下，进行的气相沉积涂层工艺，PVD技术主要包括蒸发、离子镀、磁控溅射及离子束辅助沉积四种类型，而且在此基础上发展了复合沉积涂层技术。其中蒸发主要采用电子束方式，目的是为了提高蒸发原子的离化率，而且为了进一步提高离化率，引入了辅助电子枪、空心阴极放电和霍尔离子源等，由于该方法具有沉积速率高和易实现大面积等优点，常被用于薄板和钢带的表面强化处理。所以本文主要概述离子镀、磁控溅射和离子束辅助沉积硬质涂层技术和发展，以及复合沉积技术。1离子镀离

4、子镀是在真空的条件下，利用气体放电或者被蒸发物部分离化产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在工件上。它具有所镀膜层与工件的结合好；到达工件的沉积粒子绕射性好；可用于镀膜的材料广泛；工件处于电场中，使得镀膜材料的离子能够达到工件的所有表面，镀膜粘结性好，组织致密。常用的有三极离子镀、空心阴极离子镀、活化反应离子镀、多弧离子镀等。但离子镀尤其是电弧离子镀技术在原子离子沉积的同时，伴随着靶面电弧斑点灼坑喷涌出大量的微米级颗粒或液滴，而且这些颗粒或液滴亦将直接沉积到工件上，影响到涂层的质量如致密性和粗

5、糙度。一般地高熔点靶材产生相对较少的液滴。为了减少或消除颗粒，通常采用优化改进电弧靶的结构、运行工艺参数和过滤沉积粒子中颗粒等方法。McClure总结了产生液滴数的表达公式：N：：klotDIVPN一液滴数以．电弧电流；t．沉积时间；D．靶厚；1一靶基距离：V一基片偏压；P一气体压力；K一比例系数，K值与材料性质、靶材温度、真空室的设计等因素有关。因此目前大家在努力通过优化电弧靶磁场和结构以减小工作的弧流密度，减少沉积时间，增加靶基距离，提高真空压力和偏压，提高靶的冷却效率，有选择地设置工件位置等方

6、法减少沉积到工件上的液滴数量。另外与平面电弧靶相比，圆柱电弧靶由于具有较好的冷却效果，工作弧流密度相对较小，因此产生的液滴数量较少，而且具有靶材利用率高和处理量大等优点，亦被常用于硬质涂层的制备，但为了提高离化率，辅助电离如阴极电子枪和等离子体源等技术被引入用以提高涂层质量。136以降低沉积速度为代价，许多过滤颗粒的方法被研究并得到了一定程度的应用。最具代表性的为弯管磁场过滤，原理为弯管内靶蒸发电离的离子随等离子体中电子沿磁力线做螺线运动，而靶面喷射的颗粒由于不带电作近似直线运动，所以离子被磁场导出

7、弯管沉积涂层，而大部分颗粒轰击和淀积到弯管器壁上，达到减少弯管出口颗粒的目的。根据不同需要，发展了不同弯管角度、S型和内置百叶窗等弯管。为了提高引出效率，往往对弯管加几十伏的正偏压，使引出效率能有一定程度的提高。综合考虑过滤效果和生产效率，直管磁场和偏压百叶窗式过滤技术已在生产中得到了较广泛使用。脉冲负偏压电源技术的应用大大改善了离子镀沉积硬质涂层的质量，拓宽了离子镀的应用范围。沉积涂层时直流偏压电压为100V左右。因此轰击工件的离子能量较低，而脉冲负偏压技术通过调整脉冲占空比，脉冲峰值可达1000

8、V，这大大增强了离子轰击涂层的能量，改善了涂层性能，又能实现高速沉积的目的。该技术已在我国得到了推广。2磁控溅射溅射是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子(工作气体一般为氩气)发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，一方面溅射出大量的靶材原子，另一方面产生大量的二次电子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。磁控溅射与其他二极，三极等非磁控溅射的本质区别就在于用闭合的磁场束缚和延长电子的运动路径，提高了工作气体