最新PVD涂層技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用課件教學(xué)講義PPT課件.ppt

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1、PVD涂層技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用課件摘要物理氣相沉積（physicalvapordeposition,PVD）是利用某種物理過程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到沉積涂層的可控轉(zhuǎn)移過程，是在分子、原子的尺度上沉積涂層。PVD涂層技術(shù)具有沉積溫度低、對(duì)基體影響小、能制備多層復(fù)合納米涂層結(jié)構(gòu)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。本文主要對(duì)刀具PVD涂層技術(shù)的發(fā)展、工作原理以及其應(yīng)用做一個(gè)簡(jiǎn)要的概述。關(guān)鍵詞PVD刀具涂層濺射納米復(fù)合結(jié)構(gòu)TheDevelopmentAndApplicationOfPVDCoatingTechnologyForToolsHuangjian(I

2、nstituteofManufacturingTechnology,GuangdongUniversityOfTechnology,Guangzhou510006)PVD涂層技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀物理氣相沉積（PhysicalVapourDeposition--PVD）和化學(xué)氣相沉積（ChemicalVapourDeposition—CVD）被廣泛應(yīng)用于刀具涂層。CVD技術(shù)是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過原子、分子間反應(yīng)生成固態(tài)涂層的技術(shù)。CVD的涂層材料是由反應(yīng)氣體通過化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的，對(duì)反應(yīng)物和生成物的選擇具有一定的局限性。CVD和熱生長(zhǎng)過程中，化學(xué)反應(yīng)需要通過熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，因而涂層制備過程中

3、基體所處的環(huán)境溫度一般較高，這在很大程度上限制了基體材料的選取。對(duì)于刀具材料來說，CVD涂層目前只適用于硬質(zhì)合金刀具，且因?yàn)槠涓叩某练e溫度導(dǎo)致涂層沉積后硬質(zhì)合金的強(qiáng)度、韌性出現(xiàn)一定程度的下降。CVD刀具涂層最常用的四種材料：TiN、TiC、TiCN（中溫或高溫）、Al2O3，實(shí)際應(yīng)用中的涂層一般僅限于上述涂層的組合。PVD涂層優(yōu)越性：沉積溫度低，在500℃以下對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度沒有影響；薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，更適合于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜類刀具的涂層；PVD工藝對(duì)環(huán)境無不良影響，符合目前綠色工業(yè)的發(fā)展方向。PVD技術(shù)有以下幾種類型:1.陰極電弧法(CathodeArcDeposition)2.

4、熱陰極法(HotCathodePlating)3.磁控濺射法(MagnetronSputterPlating)4.磁控濺射附加陰極電弧法目前國(guó)內(nèi)已較多采用的技術(shù),可用于多種薄膜的制備。5.空心陰極附加磁控濺射及陰極電弧法空心陰極在國(guó)內(nèi)是一項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù),其應(yīng)用市場(chǎng)仍舊存在。為了充分發(fā)揮此技術(shù)的特點(diǎn),國(guó)內(nèi)的研究者將空心陰極與磁控濺射技術(shù)、陰極電弧技術(shù)結(jié)合在一起,用于多元薄膜的制備,且這種全新的嘗試已對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生了影響。PVD技術(shù)的工作原理和主要技術(shù)在刀具涂層中，最常用的物理涂層為濺射沉積和陰極弧蒸發(fā)沉積，后者屬于蒸發(fā)法。圖2-1為濺射沉積和陰極弧蒸發(fā)沉積過程的示意圖，兩種沉積過程都是由低壓放電

5、氣體組成的等離子體環(huán)境中完成。圖2-1濺射和陰極弧蒸發(fā)沉積示意圖2.1濺射沉積技術(shù)原理濺射沉積是在由低壓放電氣體組成的等離子體環(huán)境中完成，它利用帶有電荷的離子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的靶電極。在離子能量足夠的情況下，靶表面的原子在入射離子的轟擊下被濺射出來。這些被濺射的原子帶有一定的動(dòng)能，并且會(huì)沿著一定的方向射向基體，從而實(shí)現(xiàn)在基體上薄膜的沉積。圖２-２濺射沉積示意圖圖2-2為濺射沉積薄膜示意圖，靶材是需要濺射的材料，作為陰極。陽極可以接地，也可以是處于浮動(dòng)電位或是處于一定的正、負(fù)電位。在對(duì)系統(tǒng)預(yù)抽真空以后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體，一般選用Ar作為氣體放電的

6、載體，濺射氣體壓力一般處于0.1~10Pa的范圍內(nèi)。Ar原子在正、負(fù)電極高壓的作用下電離為Ar+和可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電子，其中電子飛向陽極，帶正電的Ar+離子在高壓電場(chǎng)的加速作用下高速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的轟擊過程中釋放其能量。靶材原子在Ar+離子高速轟擊下獲得足夠的能量脫離靶材的束縛而飛向基體形成薄膜，其次，離子與靶材的碰撞還會(huì)引起陰極輻射二次電子、離子、光子等。在濺射過程中，由于在高速離子的轟擊作用下離開靶材的濺射原子的無方向性，導(dǎo)致很多濺射原子不能沉積在基體形成薄膜，降低了沉積效率和沉積速率；另外，低的氣體離化率影響了薄膜沉積粒子的能量，沉積粒子的表面擴(kuò)散能力有限而不能得到

7、致密的薄膜結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)，低的氣體離化率也導(dǎo)致了低的靶材濺射率而降低了薄膜的沉積速率。2.2陰極弧蒸發(fā)沉積技術(shù)原理圖2-3陰極弧沉積的示意圖陰極弧蒸發(fā)是利用弧蒸發(fā)電極材料作為沉積源的PVD沉積手段弧是由低電壓、高電流經(jīng)過電極材料的氣體或蒸汽而產(chǎn)生，其特點(diǎn)是電弧源產(chǎn)生高度離化和較高能量的等離子體。該方法使用低電壓，高電流在陰極局部放電，全部電流集中于陰極表面上一個(gè)或多個(gè)小的發(fā)亮斑點(diǎn)，其電流密度非常高；電壓僅僅需要接近被蒸發(fā)材料的氣體或蒸汽的離化電