气相沉积技术

气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，改变工件表面成分，在表面形成具有特殊性能(例如超硬耐磨层或具有特殊的光学、电学性能)的金属或化合物涂层的新技术。气相沉积通常是在工件表面覆盖厚度约0.5~10μm的一层过渡族元素(钛、钒、铬、锆、钼、钽、铌及铪)与碳、氮、氧和硼的化合物。按照过程的本质可将气相沉积分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积( PVD)两大类。气相沉积是模具表面强化的新技术之一，已广泛应用于各类模具的表面硬化处理，主要应用的沉积层为TiC，TiN。

应用气相沉积技术的应用涉及多种领域。仅在改善机械零件耐磨抗蚀性能方面，其用途就十分广泛。如用上述方法制备的TiN，TiC，Ti(CN)等薄膜具有很高的硬度和耐磨性，在高速钢刀具上镀制TiN膜可以说是高速钢刀具的一场革命，在刀具切削面上镀覆1~3μm的TiN膜就可使其使用寿命提高3倍以上。在一些发达国家的不重磨刀具中约有30%~50%加镀了耐磨层。其他金属氧化物、碳化物、氮化物、立方氮化硼、类金刚石等膜，以及各种复合膜也表现出优异的耐磨性。PVD和CVD法制备的Ag，Cu，Culn，AgPb等软金属及合金膜，特别是用溅射等方法镀制的MoS2，WS2及聚四氟乙烯膜等具有良好的润滑、减磨效果。气相沉积获得的Al2O3，TiN等薄膜耐蚀性好，可作为一些基体材料的保护膜，含有铬的非晶态膜的耐蚀性则更高。离子镀Al，Cu，Ti等薄膜已部分代替电镀制品用于航空工业的零件上。用真空镀膜制备的抗热腐蚀合金镀层及进而发展的热障镀层已有多种系列用于生产中，作为离子束技术的一个重要分支，离子注人处理已使模具、刀具、工具以及航空轴承、轧辊、涡轮叶片、喷嘴等零件的使用寿命提高了1~10倍。1

发展前景①设备的发展。如已制出电子束大型连续蒸镀设备、多种型式磁控溅射设备、新型弧源离子镀设备、HCD和多弧复合离子镀设备、各种IBAD设备及PIII设备等。

②工艺的进展。主要表现膜层种类的增多和膜层性能的提高。如已制备出各种高性能的耐磨、抗蚀膜层、耐高温腐蚀膜层、热障膜层、类金刚石和立方氮化硼膜层及多种陶瓷、梯度和多层复合膜层。

③方法的复合。较先进的气相沉积工艺多是各种单一PVD，CVD方法的复合。它们不仅采用各种新型的加热源，而且充分运用各种化学反应高频电磁(脉冲、射频、微波等)及等离子体等效应来激活沉积粒子。如反应蒸镀、反应溅射、离子束溅射、多种等离子体激发的CVD等。1

化学气相沉积化学气相沉积(简称CVD)是利用气态物质在一定温度下于固体表面进行化学反应，并在其表面上生成固态沉积膜的过程。其过程如下：

①反应气体向工件表面扩散并被吸附；

②吸附于工件表面的各种物质发生表面化学反应；

③生成物质点聚集成晶体并增大；

④表面化学反应中产生的气体产物脱离工件表面返回气相；

⑤沉积层与基体的界面发生元素的互扩散，形成镀层。2

物理气相沉积物理气相沉积(简称PVD)是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发(或称溅射)。使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺。物理气相沉积可分为真空蒸镀、真空溅射和离子镀互类。与CVD相比，PVD法的主要优点是处理温度较低，沉积速度较快，无公害等，因而有很高的实用价值。它的不足之处是沉积层与工件的结合力很小，镀层的均匀性稍差。此外它的设备造价高，操作维护的技术要求也较高。2

涂层的特点①涂层具有很高的硬度、低的摩擦系数和自润滑性能，所以耐磨损性能良好。

②涂层具有很高的熔点、化学稳定性好，基体金属在涂层中的溶解度小，摩擦系数较低，因而具有很好的抗黏着磨损能力。使用中发生冷焊和咬合的倾向也很小，而且TiN比TiC更好。

③涂层具有较强的耐蚀能力。

④涂层在高温下也具有良好的抗大气氧化能力。2

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学