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      什么是物理 氣相沉積(PVD)技術

      日期:2021-10-28 04:39
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      摘要:物理 氣相沉積是真空條件下采用物理方法把欲涂覆物質沉積在工件表面上形成膜的過程,通常稱為PVD(Physical Vapour Deposition)法。在進行PVD處理時,工件的加熱溫度一般都在600℃以下,這對于用高速鋼、合金模具加工鋼及其他鋼材制造的模具加工都具有重要意義。

      物理 氣相沉積是真空條件下采用物理方法把欲涂覆物質沉積在工件表面上形成膜的過程,通常稱為PVDPhysical Vapour Deposition)法。在進行PVD處理時,工件的加熱溫度一般都在600℃以下,這對于用高速鋼、合金模具加工鋼及其他鋼材制造的模具加工都具有重要意義。目前,常用的有三種物理 氣相沉積方法,即真空蒸鍍、濺射鍍膜和離子鍍,其中,離子鍍在模具加工制造中的應用較廣。發展到目前,物理 氣相沉積技術不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可以沉積化合物、陶瓷、半導體、聚合物膜等。

      1.真空蒸鍍

      真空蒸鍍是真空條件下在1.33x10-31.33x10-4Pa的壓力下,用電子束等熱源加熱沉積材料使之蒸發,蒸發的原子或分子直接在注塑加工件表面形成沉積層。但對于難熔的金屬碳化物和氮化物進行直接蒸發是有困難的,并且有使化合物分解的傾向。為此,開發了引入化學過程的反應蒸鍍,例如,用電子槍蒸發鈦金屬,并將少量甲烷和乙炔等反應氣體導入蒸發空間,使鈦原子和反應氣體原子在工件表面進行反應,沉積TiC涂層。

      真空蒸鍍多用于透鏡和反射鏡等光學元件、各種電子元件、塑料注塑加工制品等的表面鍍膜,在表面硬化方面的應用不太多。

      2.濺射鍍膜

      濺射鍍膜,是不采用蒸發技術的物理 氣相沉積方法。施鍍時,將工作室抽成真空,充入氫氣作為工作氣體,并保持其壓力為0.13-1.33Pa,以沉積物質作為靶(陰極)并加上數百至數千伏的負壓,以工件為陽極,兩側燈絲帶負壓(-30-100v)。加熱燈絲至1700℃左右時,燈絲發射出的電子使氫氣發生輝光放電,產生出氫離子H+,H+被加速轟擊靶材,使靶材迸發出原子或分子濺射到工件表面上,形成沉積層。

      濺射法可用于沉積各種導電材料,包括高熔點金屬及化合物。如果用TiC作靶材,便可以在工件上直接沉積TiC涂層。當然,也可以用金屬Ti作靶,再導入反應氣體,進行反應性濺射,濺射涂層均勻但沉積速度慢,不適于沉積105mm以上厚度的涂層。濺射可使基體溫度升高到500-600℃,因此,只適用于在此溫度下具有二次硬化的鋼制模具加工。

      3.離子鍍

      離子鍍,是在真空條件下,利用氣體放電使氣體或被蒸發物質離子化,在氣體離子或蒸發物質離子轟擊作用下,把蒸發物質或其反應物蒸鍍在工件上。離子鍍把輝光放電、等離子技術與真空蒸鍍技術結合在一起,不僅明顯地提高了鍍層的各種性能,而且,大大擴充了鍍膜技術的應用范圍。

      離子鍍除兼有真空濺射的優點外,還具有膜層的附著力強、繞射性好、可鍍材料廣泛等優點。例如,利用離子鍍技術可以在金屬、塑料、陶瓷、玻璃、紙張等非金屬材料上,涂覆具有不同性能的單一鍍層、合金鍍層、化合物鍍層及各種復合鍍層,而且沉積速度快(可達755m/min),鍍前清洗工序簡單,對環境無污染,因此,近年來在國內外得到了迅速的發展。

      借助一種惰性氣體的輝光放電使金屬或合金蒸汽離子化。離子鍍包括鍍膜材料(如TiN,TiC)的受熱、蒸發、沉積過程。

      蒸發的鍍膜材料原子在經過輝光區時,一小部分發生電離,并在電場的作用下飛向工件,以幾千電子伏的能量射到工件表面,可以打入基體約幾納米的深度,從而大大提高了涂層的結合力,而未經電離的蒸發材料原子直接在工件上沉積成膜。惰性氣體離子與鍍膜材料離子在工件表面上發生的濺射,還可以清潔工件表面的污染物,從而改善結合力。

      若將反應氣體導入蒸發空間,便可在工件表面沉積金屬化合物涂層,這就是反應性離子鍍。由于采用等離子活化,工件只需在較低溫度甚至在室溫下進行鍍膜,完全保證零件的尺寸精度和表面粗糙度,因此,可以安排在工件淬火、回火后即*后一道工序進行。如沉積TiN或TiC時,基體溫度可以在150-600℃范圍內選擇,溫度高時涂層的硬度高,與基體的結合力也高?;w溫度可根據基體材料及其回火溫度選擇,如基體為高速鋼,可選擇560℃,這樣,對于經淬火、回火并加工到尺寸的高精度模具加工,無需擔心基體硬度降低及變形問題。另外,離子鍍的沉積速度較其他氣相沉積方法快,得到10mm厚的TiC或TiN涂層,一般只需要幾十分鐘。

      通過PVD法在模具加工上沉積TiN或TiC鍍層,其性能可以和CVD法的鍍層相比擬,且具有以下特征:

      (1)對上、下模都進行了高精度精加工的金屬模具加工表面,用PVD超硬化合物鍍層強化是相當有效的;

      (2)對粗糙的模具加工表面,PVD鍍層效果將喪失;

      (3)PVD鍍層對靜載荷更有效;

      (4)PVD鍍覆前后的精度無變化,不必再次進行加工;

      (5)PVD鍍層具有優越的耐磨性和高的耐蝕性。

      例如:對制造螺釘用的高速鋼沖頭鍍覆TiN,其壽命比未鍍覆的沖頭延長3-5倍;在汽車零件精密落料模上鍍覆TiN,當被沖鋼板厚度為1-3mm時,壽命延長5-6倍,但是當鋼板厚度增加到5-8mm時,由于TiN層從表層脫落而喪失效果;塑料模鍍覆TiN,其耐蝕性可提高5-6倍,而耐磨性同時提高,使模具加工壽命延長數倍。

      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,異華或被濺射,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。

      認識PVD物理 氣相沉積技術

      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、耐腐飾、裝飾、導電、絕緣、光導、壓電、磁性、潤滑、超導等特性的膜層。

      氣相沉積是一種在基體表面形成功能膜層的技術,它是利用物質在氣相中產生的物理或(及)化學反應而在產品表面沉積單層或多層的、單質或化合物的膜層,從而使產品表面獲得所需的各種優異性能。

      氣相沉積作為一種表面鍍膜方法,其基本步驟有需鍍物料氣相化->輸運->沉積。它的主要特點在于不管原來需鍍物料是固體、液體或氣體,在輸運時都要轉化成氣相形態進行遷移,*終到達工件表面沉積凝聚成固相薄膜。

      氣相沉積主要分為兩大類:

      化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD);

      物理 氣相沉積(Physical Vapor Deposition,簡稱PVD)。

      起初人們利用易揮發的液體TiCI稍加熱獲得TiCI氣體和NH氣體一起導入高溫反應室,讓這些反應氣體分解,再在高溫固體表面上進行遵循熱力學原理的化學反應,生成TiNHCI,HCi被抽走,TiN沉積在固體表面上成硬質固相薄膜。人們把這種通過含有構成薄膜元素的揮發性化合物與氣態物質,在固體表面上進行化學反應,且生成非揮發性固態沉積物的過程,稱為化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)。

      同時,人們把另一類氣相沉積,即通過高溫加熱金屬或金屬化合物蒸發成氣相,或者通過電子、等離子體、光子等荷能粒子的能量把金屬或化合物靶濺射出相應的原子、離子、分子(氣態),在固體表面上沉積成固相膜,其中不涉及到物質的化學反應(分解或化合),稱為物理 氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)。

      隨著氣相沉積技術的發展和應用,上述兩類型氣相沉積各自都有新的技術內容,兩者相互交叉,你中有我,我中有你,致使難以嚴格分清是化學的還是物理的。比如,人們把等離子體、離子束引入到傳統的物理 氣相沉積技術的蒸發和濺射中,參與其鍍膜過程,同時通入反應氣體,也可以在固體表面進行化學反應,生成新的合成產物固體相薄膜,稱其為反應鍍。在濺射鈦(Ti)等離子體中通入反應氣體N2*后合成TiN就是一例。這就是說物理 氣相沉積也可以包含有化學反應。又如,在反應室內通入甲烷,借助于w靶陰極電弧放電,在Ar,W等離子體作用下使甲烷分解,并在固體表面實現碳鍵重組,生成摻W的類金剛石碳減摩膜,人們習慣上把這種沉積過程仍歸入化學氣相沉積,但這是在典型的物理 氣相沉積技術——金屬陰極電弧離子鍍中實現的。另外,人們把等離子體、離子束技術引入到傳統的化學氣相沉積過程,化學反應就不完全遵循傳統的熱力學原理,因為等離子體有更高的化學活性,可以在比傳統熱力學化學反應低得多的溫度下實現反應,這種方法稱為等離子體輔助化學氣相沉積(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition,簡稱PACVD;有些資料稱之為等離子體增強化學氣相沉積,簡稱PECVD),它賦予化學氣相沉積更多的物理含義。

      在今天,討論化學氣相沉積與物理 氣相沉積的不同點,恐怕只剩下用于鍍膜物料形態的區別,前者是利用易揮發性化合物或氣態物質,而后者則利用固相(或液相)物質。這種區分似乎已失去原來定義的內涵實質。

      我們仍然按照已有的習慣,主要以上述鍍料形態的區別來區分化學氣相沉積和物理 氣相沉積,把固態(液態)鍍料通過高溫蒸發、濺射、電子束、等離子體、離子束、激光束、電弧等能量形式產生氣相原子、分子、離子(氣態,等離子態)進行輸運,在固態表面上沉積凝聚(包括與其他反應氣相物質進行化學反應生成反應產物),生成固相薄膜的過程稱為物理 氣相沉積。

      技術發展

      PVD技術出現于,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。起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。當前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、車刀片、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,涂層成分也由初代的TiN發展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLCtaC等多元復合涂層。

      涂層技術

      增強型磁控陰極?。?/span>陰極弧技術是在真空條件下,通過低電壓和高電流將靶材離化成離子狀態,從而完成薄膜材料的沉積。增強型磁控陰極弧利用電磁場的共同作用,將靶材表面的電弧加以有效地控制,使材料的離化率更高,薄膜性能更加優異。

      過濾陰極?。?/span>過濾陰極電弧(FCA)配有高效的電磁過濾系統,可將離子源產生的等離子體中的宏觀粒子、離子團過濾干凈,經過磁過濾后沉積粒子的離化率為100%,并且可以過濾掉大顆粒,因此制備的薄膜非常致密和平整光滑,具有抗腐蝕性能好,與機體的結合力很強。

      磁控濺射:在真空環境下,通過電壓和磁場的共同作用,以被離化的惰性氣體離子對靶材進行轟擊,致使靶材以離子、原子或分子的形式被彈出并沉積在基件上形成薄膜。根據使用的電離電源的不同,導體和非導體材料均可作為靶材被濺射。

      離子束DLC:碳氫氣體在離子源中被離化成等離子體,在電磁場的共同作用下,離子源釋放出碳離子。離子束能量通過調整加在等離子體上的電壓來控制。碳氫離子束被引到基片上,沉積速度與離子電流密度成正比。星弧涂層的離子束源采用高電壓,因而離子能量更大,使得薄膜與基片結合力很好;離子電流更大,使得DLC膜的沉積速度更快。離子束技術的主要優點在于可沉積超薄及多層結構,工藝控制精度可達幾個埃,并可將工藝過程中的顆料污染所帶來的缺陷降至極小。

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