最新PVD涂层技术的发展与应用课件教学讲义PPT课件.ppt

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1、PVD涂层技术的发展与应用课件摘要物理气相沉积（physicalvapordeposition,PVD）是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到沉积涂层的可控转移过程，是在分子、原子的尺度上沉积涂层。PVD涂层技术具有沉积温度低、对基体影响小、能制备多层复合纳米涂层结构、绿色环保等特点。本文主要对刀具PVD涂层技术的发展、工作原理以及其应用做一个简要的概述。关键词PVD刀具涂层溅射纳米复合结构TheDevelopmentAndApplicationOfPVDCoatingTechnologyForToolsHuangjian(I

2、nstituteofManufacturingTechnology,GuangdongUniversityOfTechnology,Guangzhou510006)PVD涂层技术的发展现状物理气相沉积（PhysicalVapourDeposition--PVD）和化学气相沉积（ChemicalVapourDeposition—CVD）被广泛应用于刀具涂层。CVD技术是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间反应生成固态涂层的技术。CVD的涂层材料是由反应气体通过化学反应而实现的，对反应物和生成物的选择具有一定的局限性。CVD和热生长过程中，化学反应需要通过热效应来实现，因而涂层制备过程中

3、基体所处的环境温度一般较高，这在很大程度上限制了基体材料的选取。对于刀具材料来说，CVD涂层目前只适用于硬质合金刀具，且因为其高的沉积温度导致涂层沉积后硬质合金的强度、韧性出现一定程度的下降。CVD刀具涂层最常用的四种材料：TiN、TiC、TiCN（中温或高温）、Al2O3，实际应用中的涂层一般仅限于上述涂层的组合。PVD涂层优越性：沉积温度低，在500℃以下对刀具材料的抗弯强度没有影响；薄膜内部为压应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层；PVD工艺对环境无不良影响，符合目前绿色工业的发展方向。PVD技术有以下几种类型:1.阴极电弧法(CathodeArcDeposition)2.

4、热阴极法(HotCathodePlating)3.磁控溅射法(MagnetronSputterPlating)4.磁控溅射附加阴极电弧法目前国内已较多采用的技术,可用于多种薄膜的制备。5.空心阴极附加磁控溅射及阴极电弧法空心阴极在国内是一项传统技术,其应用市场仍旧存在。为了充分发挥此技术的特点,国内的研究者将空心阴极与磁控溅射技术、阴极电弧技术结合在一起,用于多元薄膜的制备,且这种全新的尝试已对市场产生了影响。PVD技术的工作原理和主要技术在刀具涂层中，最常用的物理涂层为溅射沉积和阴极弧蒸发沉积，后者属于蒸发法。图2-1为溅射沉积和阴极弧蒸发沉积过程的示意图，两种沉积过程都是由低压放电

5、气体组成的等离子体环境中完成。图2-1溅射和阴极弧蒸发沉积示意图2.1溅射沉积技术原理溅射沉积是在由低压放电气体组成的等离子体环境中完成，它利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量足够的情况下，靶表面的原子在入射离子的轰击下被溅射出来。这些被溅射的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向基体，从而实现在基体上薄膜的沉积。图２-２溅射沉积示意图图2-2为溅射沉积薄膜示意图，靶材是需要溅射的材料，作为阴极。阳极可以接地，也可以是处于浮动电位或是处于一定的正、负电位。在对系统预抽真空以后，充入适当压力的惰性气体，一般选用Ar作为气体放电的

6、载体，溅射气体压力一般处于0.1~10Pa的范围内。Ar原子在正、负电极高压的作用下电离为Ar+和可以独立运动的电子，其中电子飞向阳极，带正电的Ar+离子在高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的轰击过程中释放其能量。靶材原子在Ar+离子高速轰击下获得足够的能量脱离靶材的束缚而飞向基体形成薄膜，其次，离子与靶材的碰撞还会引起阴极辐射二次电子、离子、光子等。在溅射过程中，由于在高速离子的轰击作用下离开靶材的溅射原子的无方向性，导致很多溅射原子不能沉积在基体形成薄膜，降低了沉积效率和沉积速率；另外，低的气体离化率影响了薄膜沉积粒子的能量，沉积粒子的表面扩散能力有限而不能得到

7、致密的薄膜结构，与此同时，低的气体离化率也导致了低的靶材溅射率而降低了薄膜的沉积速率。2.2阴极弧蒸发沉积技术原理图2-3阴极弧沉积的示意图阴极弧蒸发是利用弧蒸发电极材料作为沉积源的PVD沉积手段弧是由低电压、高电流经过电极材料的气体或蒸汽而产生，其特点是电弧源产生高度离化和较高能量的等离子体。该方法使用低电压，高电流在阴极局部放电，全部电流集中于阴极表面上一个或多个小的发亮斑点，其电流密度非常高；电压仅仅需要接近被蒸发材料的气体或蒸汽的离化电