由于CVD法處理溫度(du)太高，零(ling)件基體(ti)需承受(shou)相(xiang)當高的(de)沉積溫度(du)，易產生變形和基體(ti)組織變化，導致其力(li)學性能降低，需在(zai)CVD沉積后進行熱處理，增大了生產成本，因此在(zai)應用上(shang)受(shou)到一(yi)定(ding)的(de)限制。
PVD以各(ge)種物理(li)方法(fa)產生的原子或分子沉積(ji)在基(ji)材上(shang)形成外加覆蓋(gai)層，工(gong)件沉積(ji)溫(wen)度(du)一般不(bu)(bu)超過600℃。不(bu)(bu)銹鋼(gang)沉積(ji)后通常都無需進(jin)行熱(re)處理(li)，因(yin)而其應用比化學氣相沉積(ji)廣。
物理(li)氣相(xiang)沉(chen)積(ji)可分(fen)為真(zhen)空(kong)蒸鍍、陰(yin)極濺射和(he)離(li)子鍍三類。與CVD法相(xiang)比，PVD的(de)主要優(you)點是處(chu)理(li)溫度較低、沉(chen)積(ji)速(su)度較快、無公害等，因(yin)而(er)有很高(gao)的(de)實用價(jia)值；其不足之處(chu)是沉(chen)積(ji)層(ceng)與工件的(de)結合(he)力較小(xiao)，鍍層(ceng)的(de)均勻性(xing)稍差。此外，它的(de)設(she)備造價(jia)高(gao)，操作、維護的(de)技(ji)術要求也較高(gao)。
一、真空(kong)蒸鍍
在高真空(kong)中使金屬、合(he)金或化合(he)物蒸(zheng)(zheng)發，然(ran)后凝聚在基(ji)體(ti)表面的方法叫(jiao)作真空(kong)蒸(zheng)(zheng)鍍。真空(kong)蒸(zheng)(zheng)鍍裝(zhuang)置見圖3-14。
被沉(chen)積的(de)(de)材料（如(ru)TiC）置(zhi)于裝(zhuang)有(you)加(jia)熱(re)系統的(de)(de)坩堝中，被鍍基體置(zhi)于蒸發(fa)(fa)源前面。當真空度達到0.13Pa時，加(jia)熱(re)坩堝使材料蒸發(fa)(fa)，所(suo)產(chan)生的(de)(de)蒸氣以凝集的(de)(de)形式沉(chen)積在物體上(shang)形成涂層。
基板(ban)入槽(cao)前要進行充(chong)分的清洗，在(zai)(zai)蒸(zheng)鍍時(shi)，一(yi)般在(zai)(zai)基板(ban)背面設置(zhi)一(yi)個加熱器，使基板(ban)保(bao)持適當(dang)溫度(du)，使鍍層(ceng)(ceng)和(he)基層(ceng)(ceng)之間形成薄的擴散層(ceng)(ceng)，以增(zeng)大結合力。
蒸發用熱源主要分三類：電(dian)阻加熱源、電(dian)子束加熱源和(he)高頻感應加熱源。最近還(huan)采用了(le)激光蒸鍍法(fa)和(he)離子蒸鍍法(fa)。
蒸鍍過程：
a. 首先對真空裝置及被鍍零(ling)件進(jin)行處(chu)理，去(qu)掉污物、灰塵和油漬等。
b. 把(ba)清洗(xi)過的零件裝入(ru)鍍槽的支(zhi)架上。
c. 補足蒸發(fa)物(wu)質。
d. 抽(chou)真空，先用回轉泵(beng)抽(chou)至13.3Pa，再用擴散(san)泵(beng)抽(chou)至133×10-6Pa。
e. 在(zai)高(gao)真空下對(dui)零件(jian)加(jia)熱，目的(de)是去除水分（150℃）和(he)增(zeng)加(jia)結合力(300~400℃)。
f. 對蒸鍍(du)通電加熱，達到(dao)厚度后停電。
g. 停鍍后(hou)，需在真空(kong)條件下放置(zhi)15～30min，使之冷(leng)卻(que)到100℃左右(you)。
h. 關閉真空閥，導(dao)入空氣，取出模具。
二、陰(yin)極濺射(she)
陰極濺射(she)即(ji)用荷能粒子轟擊某(mou)一靶材（陰極），使靶材表面的原子以一定能量逸出，然(ran)后在表面沉積的過程。
濺射(she)過程：用沉積(ji)的(de)材料(liao)（如TiC）作陰極靶，并接入1～3kV的(de)直流負高壓，
在(zai)(zai)真(zhen)空室內通入(ru)壓力為0.133～13.3Pa的(de)(de)氬(ya)氣(qi)（作(zuo)為工(gong)作(zuo)氣(qi)體(ti)）。在(zai)(zai)電場的(de)(de)作(zuo)用下，氬(ya)氣(qi)電離后(hou)產(chan)生的(de)(de)氬(ya)離子轟(hong)擊(ji)陰極(ji)靶面，濺(jian)射出的(de)(de)靶材原子或分子以一定(ding)的(de)(de)速度落在(zai)(zai)工(gong)件表面產(chan)生沉積(ji)，并使工(gong)件受熱。濺(jian)射時工(gong)件的(de)(de)溫度可達500℃左右。圖3-15是陰極(ji)濺(jian)射系統(tong)簡圖。
當(dang)接通(tong)高壓電(dian)(dian)(dian)源時，陰(yin)極(ji)(ji)發(fa)出的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)電(dian)(dian)(dian)場的(de)(de)(de)作(zuo)用下會跑向陽(yang)極(ji)(ji)，速(su)度在(zai)電(dian)(dian)(dian)場中(zhong)不斷增(zeng)加。剛(gang)離(li)(li)開陰(yin)極(ji)(ji)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)能量(liang)(liang)很低(di)，不足(zu)以引起氣體(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)變化(hua)，所以附近為(wei)(wei)暗區(qu)(qu)(qu)。在(zai)稍遠的(de)(de)(de)位置，當(dang)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)能力足(zu)以使氣體(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)激(ji)發(fa)時就產生(sheng)輝光(guang)(guang)，形(xing)成陰(yin)極(ji)(ji)輝光(guang)(guang)區(qu)(qu)(qu)。越過這一區(qu)(qu)(qu)域，電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)能量(liang)(liang)進一步增(zeng)加，就會引起氣體(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)離(li)(li)，從而產生(sheng)大(da)(da)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)離(li)(li)子(zi)(zi)與(yu)低(di)速(su)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)。此過程(cheng)(cheng)不發(fa)光(guang)(guang)，這一區(qu)(qu)(qu)域為(wei)(wei)陰(yin)極(ji)(ji)暗區(qu)(qu)(qu)。低(di)速(su)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)此后(hou)向陽(yang)極(ji)(ji)的(de)(de)(de)運動過程(cheng)(cheng)中(zhong)，也(ye)會被加速(su)激(ji)發(fa)氣體(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)而發(fa)光(guang)(guang)，形(xing)成負(fu)輝光(guang)(guang)區(qu)(qu)(qu)。在(zai)負(fu)輝光(guang)(guang)區(qu)(qu)(qu)和(he)陽(yang)極(ji)(ji)之間，還(huan)有幾個(ge)陰(yin)暗相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)區(qu)(qu)(qu)域，但它們與(yu)濺射離(li)(li)子(zi)(zi)產生(sheng)的(de)(de)(de)關系不大(da)(da)，只起導(dao)電(dian)(dian)(dian)作(zuo)用。
濺射(she)下來的材料原子具有10～35eV的功(gong)能，比蒸鍍時(shi)的原子動能大得多，因而濺射(she)膜(mo)的結合力也比蒸鍍膜(mo)大。
濺(jian)射性能取(qu)決于(yu)所(suo)用(yong)的(de)氣體、離子的(de)能量及轟擊所(suo)用(yong)的(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)等。離子轟擊所(suo)產生的(de)投射作用(yong)可用(yong)于(yu)任何類型(xing)的(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，難熔材(cai)(cai)料(liao)(liao)W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也(ye)能像低熔點材(cai)(cai)料(liao)(liao)一(yi)樣容易被沉積。濺(jian)射出(chu)的(de)合金組成常常與靶(ba)的(de)成分相當。
濺射的工藝(yi)很多(duo)(duo)，如(ru)果按電極(ji)的構造及其配置(zhi)方法進(jin)行分類，具有代表性(xing)的有：二極(ji)濺射、三極(ji)濺射、磁(ci)(ci)控濺射、對置(zhi)濺射、離子束濺射和吸(xi)收(shou)濺射等。常用的是磁(ci)(ci)控濺射，目前已開發了(le)多(duo)(duo)種磁(ci)(ci)控濺射裝(zhuang)置(zhi)。
常用的(de)磁(ci)控高速濺(jian)射方(fang)法的(de)工作(zuo)(zuo)原理為：用氬(ya)氣作(zuo)(zuo)為工作(zuo)(zuo)氣體，充氬(ya)氣后反應室內的(de)壓(ya)力為2.6～1.3Pa，以(yi)欲沉積的(de)金屬(shu)和(he)化(hua)合(he)物(wu)為靶(ba)（如(ru)Ti、TiC、TiN），在(zai)(zai)靶(ba)附近設置與(yu)靶(ba)平面平行的(de)磁(ci)場，另在(zai)(zai)靶(ba)和(he)工件之間(jian)設置陽極以(yi)防工件過熱。磁(ci)場導致(zhi)靶(ba)附近等離子密度(du)（即金屬(shu)離化(hua)率）提高，從而提高濺(jian)射與(yu)沉積速率。
磁控濺(jian)射效率高，成膜(mo)速度(du)快（可達2μm／min），而且基板(ban)溫度(du)低。因此(ci)，此(ci)法(fa)適(shi)應性廣，可沉(chen)積純(chun)金屬、合(he)金或化合(he)物(wu)。例(li)如以鈦為靶，引入(ru)氮(dan)或碳氫化合(he)物(wu)氣體可分別沉(chen)積TiN、TiC等。
三、離子鍍
近(jin)年(nian)來研究開發的(de)離子(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)在零(ling)件(jian)表面強化(hua)方面獲(huo)得(de)應用，效果較(jiao)顯(xian)著。所謂(wei)離子(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)是蒸鍍(du)(du)(du)和濺射鍍(du)(du)(du)相結合的(de)技術。它既保留了CVD的(de)本(ben)質，又具有PVD的(de)優點(dian)。離子(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)零(ling)件(jian)具有結合力(li)強、均鍍(du)(du)(du)能力(li)好、被鍍(du)(du)(du)基體材(cai)料和鍍(du)(du)(du)層材(cai)料可以廣泛搭配(pei)等優點(dian)，因此獲(huo)得(de)較(jiao)廣泛的(de)應用。圖3-16是離子(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)系統示(shi)意圖。
離(li)子(zi)(zi)鍍的(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)本(ben)原理(li)是借助(zhu)于(yu)一種惰性(xing)氣(qi)體的(de)(de)(de)(de)輝(hui)光(guang)(guang)放電(dian)(dian)(dian)使金屬或(huo)合金蒸氣(qi)離(li)子(zi)(zi)化。離(li)子(zi)(zi)經(jing)電(dian)(dian)(dian)場加速而沉積(ji)在(zai)帶負電(dian)(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)體上(shang)(shang)。惰性(xing)氣(qi)體一般采用(yong)氬氣(qi)，壓力(li)為(wei)0.133～1.33Pa，兩極電(dian)(dian)(dian)壓在(zai)500～2000V之(zhi)間(jian)。離(li)子(zi)(zi)鍍包括(kuo)鍍膜材(cai)(cai)料（如(ru)TiC、TiN）的(de)(de)(de)(de)受熱、蒸發(fa)、沉積(ji)過程。蒸發(fa)的(de)(de)(de)(de)鍍膜材(cai)(cai)料原子(zi)(zi)在(zai)經(jing)過輝(hui)光(guang)(guang)區時，一小部分發(fa)生電(dian)(dian)(dian)離(li)，并在(zai)電(dian)(dian)(dian)場的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)下飛(fei)向工(gong)件(jian)，以幾(ji)千(qian)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)伏(fu)的(de)(de)(de)(de)能量射(she)到工(gong)件(jian)表面，可以打入基(ji)(ji)體約幾(ji)納米(mi)的(de)(de)(de)(de)深度，從(cong)而大大提(ti)高了鍍層的(de)(de)(de)(de)結合力(li)。而未經(jing)電(dian)(dian)(dian)離(li)的(de)(de)(de)(de)蒸發(fa)材(cai)(cai)料原子(zi)(zi)直(zhi)接在(zai)工(gong)件(jian)上(shang)(shang)沉積(ji)成膜。惰性(xing)氣(qi)體離(li)子(zi)(zi)與鍍膜材(cai)(cai)料離(li)子(zi)(zi)在(zai)基(ji)(ji)板(ban)表面上(shang)(shang)發(fa)生的(de)(de)(de)(de)濺射(she)還(huan)可以清除(chu)工(gong)件(jian)表面的(de)(de)(de)(de)污(wu)染(ran)物，從(cong)而改善結合力(li)。
如(ru)果提高(gao)金屬蒸氣原子(zi)的(de)離(li)(li)(li)子(zi)化程度，可以增加鍍(du)(du)(du)層(ceng)的(de)結合力，為此發展了(le)一系列的(de)離(li)(li)(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)設備和(he)方法，如(ru)高(gao)頻離(li)(li)(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)、空心陰(yin)極(ji)(ji)放(fang)電(dian)離(li)(li)(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)、熱(re)陰(yin)極(ji)(ji)離(li)(li)(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)、感(gan)應加熱(re)離(li)(li)(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)、活性化蒸發離(li)(li)(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)及低壓等離(li)(li)(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)等。近年來，多弧離(li)(li)(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)由(you)于設備結構簡單(dan)、操作方便、鍍(du)(du)(du)層(ceng)均(jun)勻(yun)、生(sheng)產率高(gao)，而受到(dao)人們(men)的(de)重視。其工作原理和(he)特點是：
a. 將被(bei)蒸(zheng)發(fa)膜材料制成陰(yin)極靶即弧蒸(zheng)發(fa)源(yuan)，該蒸(zheng)發(fa)源(yuan)為固態，可在真空(kong)內任意方位布置，也可多源(yuan)聯合工作，有(you)利大件(jian)鍍(du)膜。
b. 弧蒸(zheng)發(fa)源(yuan)接電(dian)(dian)源(yuan)負極(ji)，真空室外殼接正極(ji)，調整(zheng)工(gong)(gong)作電(dian)(dian)流，靶材表(biao)面(mian)進行弧光放電(dian)(dian)，同時(shi)蒸(zheng)發(fa)出大(da)量(liang)陰(yin)極(ji)金屬蒸(zheng)氣，其中部分發(fa)生電(dian)(dian)離(li)并在(zai)基(ji)板負偏壓(ya)的吸(xi)引下(xia)轟擊工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)，從而起到潔凈工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)的作用(yong)和使(shi)工(gong)(gong)件(jian)的溫度升高(gao)達(da)到沉積所需(xu)(xu)(xu)溫度。此后(hou)，逐漸降(jiang)低基(ji)板負壓(ya)氣化(hua)了(le)的靶粒子飛向(xiang)基(ji)板形成鍍(du)膜。如果同時(shi)通(tong)入(ru)適當(dang)流量(liang)的反應氣體(ti)(ti)，即可在(zai)工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)沉積得到化(hua)合物膜層(ceng)。從以上鍍(du)膜過(guo)程看，弧蒸(zheng)發(fa)源(yuan)既是蒸(zheng)發(fa)器又(you)是離(li)化(hua)源(yuan)，無需(xu)(xu)(xu)增(zeng)加(jia)輔助(zhu)離(li)化(hua)源(yuan)，也(ye)無需(xu)(xu)(xu)通(tong)入(ru)惰(duo)性氣體(ti)(ti)轟擊清洗工(gong)(gong)件(jian)，并且不需(xu)(xu)(xu)要烘烤裝置，設(she)備簡(jian)單、工(gong)(gong)藝穩(wen)定。
c. 多(duo)弧離子鍍離化(hua)(hua)率高(gao)達60％～90％，有(you)利于(yu)改善(shan)膜(mo)層(ceng)的質量，特別適用于(yu)活性反(fan)應沉積化(hua)(hua)合物膜(mo)層(ceng)。
d. 多弧蒸發(fa)源在蒸發(fa)陰極材料時，往(wang)往(wang)有液(ye)滴沉積在工件(jian)表(biao)面(mian)，造(zao)成工件(jian)表(biao)面(mian)具(ju)有較(jiao)高的(de)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度值。所(suo)以減少和細化蒸發(fa)材料液(ye)滴是當前多弧離子鍍工藝的(de)關鍵問題。
離子(zi)鍍(du)除了具(ju)有(you)鍍(du)層結合力強的(de)特(te)點之外，還具(ju)有(you)如下優點：離子(zi)繞射性強，沒有(you)明顯的(de)方向性沉積，工(gong)件的(de)各個表面(mian)都能鍍(du)上；鍍(du)層均勻性好，并且具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)致密度(du)和細(xi)的(de)晶粒(li)度(du)，即使(shi)經鏡(jing)面(mian)研磨過的(de)工(gong)件，進行離子(zi)鍍(du)后，表面(mian)依然光潔致密，無需再作研磨。
總之，采(cai)用(yong)(yong)(yong)PVD技(ji)術可(ke)以在各種(zhong)材(cai)料(liao)上沉(chen)積(ji)致密(mi)、光滑、高精度的(de)化合(he)物（如TiC、TiN）鍍(du)層，所以十分適合(he)模(mo)(mo)具(ju)的(de)表(biao)面(mian)熱處(chu)(chu)理(li)(li)。目前(qian)，應(ying)用(yong)(yong)(yong)PVD法(fa)(fa)(fa)沉(chen)積(ji)TiC、TiN等鍍(du)層已(yi)在生(sheng)產中獲得應(ying)用(yong)(yong)(yong)。例(li)如Cr12MoV鋼制油開關精制沖模(mo)(mo)，經(jing)PVD法(fa)(fa)(fa)沉(chen)積(ji)后(hou)(hou)，表(biao)面(mian)硬度為2500～3000HV，摩擦(ca)因(yin)數減小，抗粘(zhan)(zhan)著和抗咬(yao)合(he)性(xing)改善，模(mo)(mo)具(ju)原使(shi)用(yong)(yong)(yong)1～3萬(wan)次即要刃磨，經(jing)PVD法(fa)(fa)(fa)處(chu)(chu)理(li)(li)后(hou)(hou)，使(shi)用(yong)(yong)(yong)10萬(wan)次不需刃磨，尺寸無變化，仍(reng)可(ke)使(shi)用(yong)(yong)(yong)；用(yong)(yong)(yong)于沖壓(ya)和擠(ji)壓(ya)粘(zhan)(zhan)性(xing)材(cai)料(liao)的(de)冷作模(mo)(mo)具(ju)，采(cai)用(yong)(yong)(yong)PVD法(fa)(fa)(fa)處(chu)(chu)理(li)(li)后(hou)(hou)，其使(shi)用(yong)(yong)(yong)壽命大為提高，從(cong)發展(zhan)趨勢來看，PVD法(fa)(fa)(fa)將成為模(mo)(mo)具(ju)表(biao)面(mian)處(chu)(chu)理(li)(li)的(de)主要技(ji)術方法(fa)(fa)(fa)之一。表(biao)3-40列出(chu)了三種(zhong)PVD法(fa)(fa)(fa)與CVD法(fa)(fa)(fa)的(de)特性(xing)比較，供(gong)選用(yong)(yong)(yong)時參(can)考。
目前應用(yong)PVD法沉積TiC、TiN等鍍層已在(zai)(zai)生產中得到推廣應用(yong)，同時在(zai)(zai)TiN基礎上發展起來的多元膜(mo)(mo)，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能(neng)優(you)于TiN，是一種(zhong)更有(you)前途的新型薄膜(mo)(mo)。
