表面工程-09 气相沉积

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1、第五章：表面工程技术5.1电镀，化学镀5.2热喷涂5.3堆焊5.4高能束表面改性5.5气相沉积第七章气相沉积技术5.5.1气相沉积概述气相沉积技术是近30年来迅速发展的表面技术，它利用气相在各种材料或制品的表面进行沉积，制备单层或多层薄膜，使材料或制品获得所需的各种优异性能。这项技术早期也被称为“干镀”，主要分PVD和CVD：物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition）化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition）负偏压靶基片plasma物理气相沉积反应性气体基片CH4化学气相沉积5.5.1气相沉积概述CVDvsPVDThemaindiffere

2、nceistheresultingstepprofileofthedepositedfilm.APVDfilmdepositsstraightdownontothesurface.ACVDfilmdepositsevenlyonallsurfacesatthesametimeFilmGrowthwithPVDFilmGrowthwithCVD19世纪末，德国的Erlwein等利用CVD，在氢气的参与下，用挥发性的金属化合物与碳氢化合物反应，在白炽灯丝上形成TiC。后来Arkel和Moers等又分别报道了在灯丝上用CVD制取高熔点碳化物工艺试验的研究结果，直到1945年，CVD方法

3、制备TiC的研究仍限于实验室，因为当时人们认为该工艺反应温度高，镀层脆性大，易于开裂。1952年联邦德国金属公司冶金实验室发现在1000℃下，在铸铁表面也能得到粘结很好的TiC镀层，从1954年起，他们又在模具表面也得到了致密、光滑、粘结力良好的TiC镀层，井随之取得了联邦德国、美国、法国、瑞典及日本等国的专利。1966年联邦德国的克鲁伯公司申请得到镀硬质合金层的专利，约在同时，瑞典的山特维克公司也开始了TiC镀层硬质合金的研究，并于1967年获得成功。从1968-1969年，联邦德国和瑞典的TiC镀层刀片已先后投放世界市场。到1970年，美国、日本、英国等硬质合金制造商也相继开

4、始了镀层刀片的研究与生产，美国TFS公司与联邦德国研制的TiN镀层刀片也相继问世。5.5.1气相沉积概述到60年代末，CVD制备TiC及TiN硬膜技术已逐渐走向成熟大规模用于镀层硬质合金刀片以及Cr12系列模具钢。目前在发达国家中，刀片的70％一80％是带镀层使用的。CVD的主要缺点是沉积温度高（900-1200℃），超过了许多工模具的常规热处理温度，因此镀覆之后还需进行二次热处理，不仅引起基材的变形与开裂，也使镀层的性能下降。大多数精密刀具都是高速钢制造的，这些刀具制造复杂，价格昂贵，消耗贵金属，迫切需要延长使用寿命，因此推动了物理气相沉积（PVD）硬膜技术的诞生与发展。5.5

5、.1气相沉积概述在1963年D．M．Mattox提出了离子镀技术，并于1967年取得了美国专利。时隔两年，美国的IBM公司研制出射频溅射法，这两种技术与蒸镀构成了PVD的三大系列。在这之后，又推出了磁控溅射离子镀、活性反应离子镀、集团束离子镀等，与此同时，溅射技术也得到了迅速的发展，先后出现了二极、三极、磁控和射频溅射等技术。1972年美国加州大学Bunshan发明了活性反应蒸镀技术，1973年前苏联又推出了多弧离子镀；与此同时，日本的村山洋一发明了射频离子镀。一年之后。日本的小宫泽治将空心阴极放电技术用于离子镀形成了目前广泛应用的空心阴极离子镀。5.5.1气相沉积概述20世纪7

6、0年代，PVD技术的崛起与CVD技术的提高，使得表面镀层技术进人了全面的发展。在PVD技术发展的同时，中温CVD、低温CVD和低压CVD也相继问世，目的在于降低沉积温度，减小界面脆性相，降低反应气体用量，实现自动控制，提高镀层质量。20世纪80年代气相沉积发展的主要特征是PVD沉积技术进一步完善并扩大应用范围.1978年，Hazle，Wood和Iondnis首次报道了用等离子激活气相化学沉积（简称PCVD）技术沉积TiC，发现沉积温度可降至500℃，其特点是将辉光放电的物理过程和化学气相沉积相结合，因而具有PVD的低温性和CVD的绕镀性和易于调整化学成分和结构的性能，它有可能取代

7、适合PVD和CVD工艺的某些镀膜范围。1980年Archer利用PCVD技术的沉积出TiC，TiN与TiCN镀层,随后中国、日本、美国、德国、韩国等多个小组都报道了PCVD沉积TiN的研究结果。5.5.1气相沉积概述80年代后期发展的新趋势是渗、镀结合的复合处理。常规镀层虽然硬，但由于基体软，重载下易变形，使镀层破碎。复合处理则在基体中渗入碳、氮等可达数百微米厚，对表面薄膜（镀层）有足够的支持强度。渗入处理温度较高，为降低温度曾采用离子注入的方法。注入可在100℃以下进行，但缺点