物理氣相沉積硬質涂層的開發(fā)及工程應用

王晨曦

摘要：本文主要講述了我國物理氣相沉積技術被開發(fā)的過程、特征以及工程應用。同時分析了我國近幾年來某硬質涂層研究室在等離子體增強物理氣相沉積硬質涂層的開發(fā)及工程應用工作的內容等，主要有金剛石薄膜和納米復合涂層在我國制造業(yè)方面的應用，和分析超硬納米復合涂層的微觀結構和性能，以及探析新研發(fā)的新型大范圍涂層技術在脈沖磁控濺射基礎上的研發(fā)和運用。

Abstract： This paper mainly describes the development process， characteristics and engineering application of physical vapor deposition technology in China. At the same time， this paper analyzes the development and engineering application of the PEPVD hard coating related to a hard coating research laboratory in recent years， mainly including the application of diamond film and nano composite coating. The microstructure and properties of superhard coatings and nanocomposite coatings were analyzed. Furthermore， the technology development of large-area coating prepared by magnetron sputtering equipment is introduced.

關鍵詞：物理氣相沉積;硬質涂層;工程應用

Key words： physical vapor deposition;hard coating;engineering application

中圖分類號：TG174.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）12-0236-02

0? 引言

目前，我國真空工藝和材料科學的發(fā)展前沿主要匯集在先進的表面工程技術應用中，主要體現(xiàn)在抗滑、抗摩擦、抗腐蝕和防止氧化等高職能維護涂層的運用上。尤其這幾年更加飛速的開展，越來越對發(fā)展前沿的制造業(yè)以及其他新型高智能技術涉及范圍帶來極大地影響。主要體現(xiàn)在涂層材質的研發(fā)逐步向多元化和高智能化發(fā)展，既能提升產品的品質，又能減少生產的本金，還能提升在大市場環(huán)境下產品的爭奪實力;同時還體現(xiàn)在越來越多新型涂層制作技術和制作方式被開發(fā)出來[1]。所謂的涂層是指功能性材料沉積或結合在基礎固體材質的表面，性質和效用高于基礎固體材質的自身性能，待其覆蓋在基礎固體材質的表面后形成。其中真空氣相沉積是通過在分散情況下的物質來涂制表面，主要分為三種，即物理氣相沉積、化學氣相沉積、分子束外延，本文主要講述物理氣相沉積技術的發(fā)展及工程應用。

1? 物理氣相沉積技術簡介

物理真空鍍膜的主要技術是蒸發(fā)和濺射，并且其沉淀之后的所有或者部分堆積物主要直接由物理方式直接供給。蒸發(fā)主要用涂料加熱蒸發(fā)獲取，即蒸發(fā)鍍膜;濺射主要由離子轟炸射擊的目標材料獲取，即濺射鍍膜。離子的濺射反應主要源于輝光氣體放電。從目標材料炸射出來的電荷粒子擁有非常高的能量，有便于提升涂層的依附力度和嚴密度。高頻率濺射研發(fā)技術突破原始濺射鍍膜，濺射鍍膜應用到了物理氣相沉積硬質涂層的開發(fā)及工程應用的飛速發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)有雙離子、兩級、三級濺射等多種氣相沉積技術[2]。在19世紀馬托克斯在前人的基礎之上研發(fā)出了離子鍍系統(tǒng)，主要作用于在金屬材質上鍍上抗磨和為了裝修等作用的涂層。離子鍍是真空蒸發(fā)與陰極濺射技術的結合。將基片臺作為陰極，外殼作陽極，充入惰性氣體（如氬）以產生輝光放電。從蒸發(fā)源蒸發(fā)的分子通過等離子區(qū)時發(fā)生電離。正離子被基片臺負電壓加速打到基片表面，電場對離化的蒸氣分子的加速作用（離子能量約幾百～幾千電子伏）和氬離子對基片的濺射清洗作用，使膜層附著強度大大提高。離子鍍工藝綜合了蒸發(fā)（高沉積速率）與濺射（良好的膜層附著力）工藝的特點，可為形狀復雜的工件鍍膜。

2? 我國物理氣相沉積技術的現(xiàn)狀和發(fā)展

自我國總進入20世紀中后期，我國通過引入其他國家先進技術外加自主研發(fā)，在物理氣相沉積技術的開展和應用取得了非常大的進步，比如在氮化鈦涂膜的發(fā)展和運用就可以顯而易見的表明我國的技術已經(jīng)有了質的飛躍[3]。雖然應該慶幸我國取的進步但是也要認清現(xiàn)實，我國的涂層新型技術手段和儀器設備的研發(fā)與全球先進國家的水平還差很多很多，基本引入鍍膜設施的絕大部分企業(yè)側重于生產，對研發(fā)方面的投入還比較欠缺，不能夠促進技術水平的大幅度提升，若繼續(xù)引入新型技術手段和新型儀器的成本太大。我國研發(fā)制造的儀器設備無論是在性質、智能甚至是實用性方面都無法與國外引進的儀器相比較。同時我國的儀器制造商基本不提供終身技術服務和全部的鍍膜技術的研發(fā)觀念，然而使鍍膜儀器設備不能夠正常的操作和長時間的持續(xù)運轉，導致涂層的生產不順暢，并且還帶了好多問題[4]。然而超硬納米材質等新型涂層材質的運用基本還在起步階段。

3? 智能涂層應用研究實驗室的主要工作

在20世紀后期，我國某薄膜研究已經(jīng)逐漸上升到全球的前沿位置，但是與歐洲和亞洲的發(fā)達國家和地區(qū)相比較，我國的薄膜在工業(yè)應用方面還趕不上。我國大部分的生產企業(yè)把設備發(fā)送到發(fā)達國家進行涂層和后期處理，但是生產的時間較長，很難短期內得到技術工藝[5]。有一些價值非常高的引進儀器設備由于長時間的缺乏先進技術的支撐逐漸導致失去了性能。在這樣的環(huán)境下，提供資金建造智能涂層智能應用研究實驗室（ACARL），并展開研發(fā)科研項目，以利于我國的薄膜應用也能從技術上上升到全球前沿水平，與此同時，建設提供儀器設備建造的知識庫和必要的基礎支持，以全方位保障制造業(yè)的發(fā)展。智能涂層應用研究實驗室的研發(fā)方針是集中全力研發(fā)新型表面涂層技術，改善材質性能，推薦技術提升，研發(fā)出屬于自己的涂層應用范疇。促使我國的工業(yè)行業(yè)能夠第一時間得到好處[6]。

智能應用研究實驗室首次在英國引入非平衡磁控濺射離子鍍設備（圖1）及工藝手段，并且緊跟其后配備了許多先進智能的研究測量儀器設備，以進行整體的分析、探究涂層，以保障技術水平實現(xiàn)最高的價值和發(fā)揮最好的效果。最主要的一點，是集合了一支由不同領域的專業(yè)人才構成的研發(fā)團隊，共同對涂層技術進行研發(fā)把關，并將取得成果用到生產操作中。在實驗室建立后，又對其進行投資，開展“納米復合涂層在造業(yè)中的發(fā)展”進行分析探究，研發(fā)出硬質強度超過40季帕的全新超硬度涂層。近幾年的不斷研發(fā)創(chuàng)造，積累了許多的關于氣相沉積在基礎固體涂層的經(jīng)驗，從研究中獲取新型材質的定義，并在納米尺度上研發(fā)復合產物，除了實現(xiàn)氮化鈦膜、氮化鉻、氮化鎢等涂膜在工業(yè)的生產之外，智能應用研究實驗室工作人員對納米的其他鍍膜進行了深層次的探究，探究其框架、成分、屬性和需要的沉積因素之堅定關系網(wǎng)，這標志著智能應用研究實驗室在涂層工藝發(fā)展的范疇正在與全球發(fā)展已經(jīng)齊肩。從大程度來講，智能應用研究實驗室正逐步集核心力量開展成為亞太地區(qū)的教育、涂層技術研發(fā)等中心。

根據(jù)當前我國和其他國家的涂層工藝技術開展的情況來看，智能應用研究實驗室正研發(fā)多個在科技發(fā)展的前沿范疇的專題。其中的一個就是對超硬納米復合涂層的微觀結構和性能可靠性的探索研究，從而對納米復合涂層的熱學、摩擦學、力學性能以及干切削特性作出系統(tǒng)評價。上文中已經(jīng)表明，當前最為艱難的摩擦條件下超硬納米復合涂層是最佳選擇材質，并且可以發(fā)揮更佳的綜合性能，如：高強度和高韌性能。當前，此類涂層的堅硬程度和容易斷裂是應用過程中最主要的阻力。本研究組運用磁控濺射鍍膜技術和物理氣相沉積相融合的等新型工藝來研發(fā)納米復合涂層。此外，在事先還將基礎固體攝入離子待其經(jīng)過后期處置之后提升表面的硬度，之后在后期深層次的完備其性質和成效[8]。尤其可以運用多層膜的研發(fā)理念來深入研究增強其韌性和脆性的方式和路徑。從而可以設想，不管是從理論上還是實驗上對納米復合涂層大幅度的開展研究探索，相對于當前我國的制造業(yè)來講，將會研發(fā)出以削切和成形為基礎的新型的應用范疇，在納米涂層之外，智能應用研究實驗室還將展開研究。

4? 展望

等離子體增強物理氣相沉積技術的開展無論是對硬質涂層還是超硬涂層的開發(fā)和工程應用都提提供了巨大的幫助，放眼未來，不難發(fā)現(xiàn)機會，在專家學術和工業(yè)制作兩方繼續(xù)承擔著紐帶的角色，為我國日后的新型涂層技術研發(fā)出更高能的產品。

參考文獻：

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[2]代明江，杜偉，林松盛，石倩，侯惠君，韋春貝，李洪，蘇一凡，郭朝乾.電弧離子鍍高溫防護涂層[C].粵港澳大灣區(qū)真空科技與寬禁帶半導體應用高峰論壇暨2017年廣東省真空學會學術年會，2017.

[3]程澤飛，楊加勝，邵芳.柱狀晶結構熱障涂層的沉積生長和織構研究[J].航空制造技術，2019，62（3）：48-54.

[4]沈陽，劉海青，成明.物理氣相沉積在鎂合金表面防護領域的研究現(xiàn)狀[J].材料保護，2019（1）：102-106.

[5]孫磊，熊計，楊天恩.含量對Ti（C，N）基金屬陶瓷涂層組織與摩擦性能的影響[J].硬質合金，2019（1）：20-28.

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[7]高麗華，冀曉鵑，侯偉驁.等離子物理氣相沉積準柱狀結構YSZ涂層的制備及抗熱震性能[J].材料導報，2019（12）：152-153.

[8]王力，都日蘇拉，郭永豐.熱障涂層高溫合金電火花小孔加工伺服控制系統(tǒng)的研制[C].特種加工技術智能化與精密化——第17屆全國特種加工學術會議，2017.