氣相沉積技術

氣相沉積技術是利用氣相中發生的物理、化學過程，改變工件表面成分，在表面形成具有特殊性能(例如超硬耐磨層或具有特殊的光學、電學性能)的金屬或化合物塗層的新技術。氣相沉積通常是在工件表面覆蓋厚度約0.5~10μm的一層過渡族元素(鈦、釩、鉻、鋯、鉬、鉭、鈮及鉿)與碳、氮、氧和硼的化合物。按照過程的本質可將氣相沉積分為化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積( PVD)兩大類。氣相沉積是模具表面強化的新技術之一，已廣泛套用於各類模具的表面硬化處理，主要套用的沉積層為TiC，TiN。

基本介紹

• 中文名：氣相沉積技術
• 外文名：Vapor deposition technique
• 原理：利用氣相中發生的物理、化學過程
• 沉積層：一層過渡族元素
• 分類：化學氣相沉積和物理氣相沉積
• 套用：各類模具的表面硬化處理

套用

氣相沉積技術的套用涉及多種領域。僅在改善機械零件耐磨抗蝕性能方面，其用途就十分廣泛。如用上述方法製備的TiN，TiC，Ti(CN)等薄膜具有很高的硬度和耐磨性，在高速鋼刀具上鍍制TiN膜可以說是高速鋼刀具的一場革命，在刀具切削麵上鍍覆1~3μm的TiN膜就可使其使用壽命提高3倍以上。在一些已開發國家的不重磨刀具中約有30%~50%加鍍了耐磨層。其他金屬氧化物、碳化物、氮化物、立方氮化硼、類金剛石等膜，以及各種複合膜也表現出優異的耐磨性。PVD和CVD法製備的Ag，Cu，Culn，AgPb等軟金屬及合金膜，特別是用濺射等方法鍍制的MoS₂，WS₂及聚四氟乙烯膜等具有良好的潤滑、減磨效果。氣相沉積獲得的Al₂O₃，TiN等薄膜耐蝕性好，可作為一些基體材料的保護膜，含有鉻的非晶態膜的耐蝕性則更高。離子鍍Al，Cu，Ti等薄膜已部分代替電鍍製品用於航空工業的零件上。用真空鍍膜製備的抗熱腐蝕合金鍍層及進而發展的熱障鍍層已有多種系列用於生產中，作為離子束技術的一個重要分支，離子注入處理已使模具、刀具、工具以及航空軸承、軋輥、渦輪葉片、噴嘴等零件的使用壽命提高了1~10倍。

發展前景

①設備的發展。如已制出電子束大型連續蒸鍍設備、多種型式磁控濺射設備、新型弧源離子鍍設備、HCD和多弧複合離子鍍設備、各種IBAD設備及PIII設備等。

②工藝的進展。主要表現膜層種類的增多和膜層性能的提高。如已製備出各種高性能的耐磨、抗蝕膜層、耐高溫腐蝕膜層、熱障膜層、類金剛石和立方氮化硼膜層及多種陶瓷、梯度和多層複合膜層。

③方法的複合。較先進的氣相沉積工藝多是各種單一PVD，CVD方法的複合。它們不僅採用各種新型的加熱源，而且充分運用各種化學反應高頻電磁(脈衝、射頻、微波等)及電漿等效應來激活沉積粒子。如反應蒸鍍、反應濺射、離子束濺射、多種電漿激發的CVD等。

化學氣相沉積

化學氣相沉積(簡稱CVD)是利用氣態物質在一定溫度下於固體表面進行化學反應，並在其表面上生成固態沉積膜的過程。其過程如下：

①反應氣體向工件表面擴散並被吸附；

②吸附於工件表面的各種物質發生表面化學反應；

③生成物質點聚集成晶體並增大；

④表面化學反應中產生的氣體產物脫離工件表面返回氣相；

⑤沉積層與基體的界面發生元素的互擴散，形成鍍層。

物理氣相沉積

物理氣相沉積(簡稱PVD)是將金屬、合金或化合物放在真空室中蒸發(或稱濺射)。使這些氣相原子或分子在一定條件下沉積在工件表面上的工藝。物理氣相沉積可分為真空蒸鍍、真空濺射和離子鍍互類。與CVD相比，PVD法的主要優點是處理溫度較低，沉積速度較快，無公害等，因而有很高的實用價值。它的不足之處是沉積層與工件的結合力很小，鍍層的均勻性稍差。此外它的設備造價高，操作維護的技術要求也較高。

塗層的特點

①塗層具有很高的硬度、低的摩擦係數和自潤滑性能，所以耐磨損性能良好。

②塗層具有很高的熔點、化學穩定性好，基體金屬在塗層中的溶解度小，摩擦係數較低，因而具有很好的抗黏著磨損能力。使用中發生冷焊和咬合的傾向也很小，而且TiN比TiC更好。

③塗層具有較強的耐蝕能力。

④塗層在高溫下也具有良好的抗大氣氧化能力。