摘 要: PVD涂层技术以其沉积温度低、材料广、无污染等技术优势，已经在刀具、模具、汽车及航空航天等行业获得了广泛应用，所制备的涂层具有高硬度、耐磨性良好和化学性能稳定等优点。本文着重介绍了PVD涂层技术的概念、分类以及发展趋势，指出 PVD涂层技术现存在的一些缺陷和不足，完善涂层的优化，更好地实现对涂层质量的控制，进而扩大PVD涂层技术在各行业的广泛应用。
关键词: PVD；涂层；真空蒸发镀；离子镀；溅射镀
1.引言
近几十年来，材料科学得到了快速发展，涌现出很多综合性能优异的新材料。表面涂层作为一种改善材料性能的有效手段，在当前的科学研究和工程应用中扮演着日益重要的角色。表面涂层技术是一个涉及化学、材料、物理等学科的交叉技术，并在机械、航空、化工、电子等领域得到了广泛应用。现代工业的飞速发展，特别是一些新概念新技术的提出对材料的性能提出了更高的要求，尤其是在硬度、耐高温、耐磨性等方面。通过在材料表面涂覆一层有优良摩擦性能的涂层，不仅可以有效地提高材料的耐磨性和使用寿命，降低基体材料的使用量，节省材料成本，同时也很好地解决了材料的耐磨性和韧性之间的矛盾，从而扩大了材料的使用范围[1]。
2.PVD涂层技术简述
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)，PVD涂层技术是在真空条件下，采用物理方法，将材料源固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能薄膜的技术，其基本原理可分三个工艺步骤：(1)镀料的气化：使镀料蒸发，升华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。(2)镀料原子、分子或离子的迁移；由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积[2]。
PVD涂层技术可分为真空蒸发镀、离子镀、溅射镀[3]。
真空蒸发镀是PVD涂层技术中应用最早的表面沉积技术，它是利用电阻丝加热、感应加热、电子束加热、激光束加热或离子束加热将镀层材料加热气化变成蒸汽原子，蒸汽原子飞向工件表面不断沉积并形成膜层。单纯的蒸发镀只能沉积原子。此种技术设备简单，生产成本较低，适合大规模生产，但沉积过程中通常只使用一种材料的靶材，且绕射性很差，较难满足超硬材料沉积及复杂形状工件的要求。
离子镀是在真空蒸发镀的基础上发展起来的新技术，它是利用惰性气体的辉光放电，使被蒸发的镀层材料的蒸气原子在等离子体中离子化，在需镀工件负偏压的作用下，被离子化的涂层材料离子携带高能量轰击工件表面，与通入的气体反应，这样便可在工件表面获得覆盖涂层[4]。离子镀法有助于提高PVD涂层的性能，易于控制涂层的化学成分，满足对多层、多组分复合涂层的特殊要求。离子镀技术具有放电稳定、离化率高、沉积速率高等特点，但是也存在明显的缺点，即放电产生等离子体的同时，会产生不少中性离子和被称为“大颗粒”的液滴，导致涂层缺陷增多，表面粗糙度明显增大，最终导致涂层使用性能明显下降。因此，近年来在利用不同的方法来减少或消除“大颗粒”方面进行了大量的研究工作[5]。
溅射镀是在真空室中，利用荷能离子轰击靶材表面，通过粒子的动量传递轰击出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉积在基体上形成膜层的技术。
其代表性的方法有二极溅射、三极溅射、磁控溅射、射频溅射等，其中磁控溅射因具有沉积速率高、镀膜质量高、工艺稳定等优点，应用最为广泛，其原理即：在真空室中，氩原子在电场作用下电离出大量氩离子和二次电子，氩离子在电场的作用下加速并轰击靶材，溅射出大量的靶材原子；呈中性的靶原子(或分子)沉积在基体上成膜。其中，二次电子在加速飞向基片的过程中受磁场洛仑兹力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，并在磁场的作用下围绕靶面做圆周运动，在运动过程中不断撞击电离出大量的氩离子轰击靶材，大大提高了沉积效率[6]。
3.PVD涂层技术的现状及发展趋势
PVD涂层技术是集机械、材料、电子物理、真空控制等技术于一体的新型技术，可广泛应用于制备各种涂层，有效提高材料表面硬度、韧性、耐磨性、高温稳定性和使用寿命，在现代工业中具有广阔的应用前景[7]。由于PVD涂层技术所其有的优异特性，自上世纪70年代以来在世界范围迅速涌现了大量PVD涂层技术和涂层生产厂家，但受其绕射性差，涂层与基体结合强度偏低。工艺设备技术复杂等因素的影响，直到近几年，在较好的解决了以上问题后，世界各主要涂层厂家才纷纷推出各种系列的涂层，并使得PVD涂层技术成为新型涂层研究和开发的主流技术之一。PVD涂层技术已引起材料和机械领域的广泛重视，研究人员正努力探求新的涂层，改进制备工艺，拓展新的应用领域，并不断取得进展。目前，PVD涂层存在两种发展趋势：一是涂层越来越硬；二是涂层越来越软〔固体润滑和低摩擦)，并逐渐走向新型、复合及多层化。硬质陶瓷涂层主要为ⅣA、ⅤA、ⅥA 族金属元素与C、N、O等元素的化合物，固体润滑涂层主要有类金刚石涂层和MoS2、WS2等六方晶系化合物。将涂层涂覆在零部件上可以将基体和涂层的优点相结合，使零部件具有优良的综合机械性能，表面硬度、复合韧性，抗高温性及耐磨性等得到极大的提高，延长使用寿命，并较大程度地提高使用效率。在使用过程中，涂层的存在可以减少零部件接触时的扩散和化学反应，形成有效的化学屏障和热屏障，从而增力耐磨性[8]。
4、结语
PVD涂层技术作为一种改善材料性能的有效手段在工程中得到了广泛的应用，特别是在硬度、耐高温、耐磨性等方面优异的综合性能有效地提高了材料的使用寿命。然而由于PVD涂层沉积过程中影响的因素众多，导致涂层基本性能、涂层与基底结合力、涂层失效机理的研究目前还远远不够，对某些情况下生成的表现优异的涂层我们不能够明白其真正的原因。因此，在今后的研究中发展新的涂层性能检测技术，尤其是无损检测技术，准确表征如涂层组织、结构、基本性能、涂层与基体结合力、涂层开裂程度、相变程度等性能，更好地实现对涂层质量的控制，完善涂层的优化，进而扩大PVD涂层技术在各行业的广泛应用。
参考文献
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