由于CVD法處理(li)溫(wen)度太高，零件基(ji)體(ti)需承受相當高的(de)沉(chen)積溫(wen)度，易產(chan)(chan)生變形和基(ji)體(ti)組織變化，導致其力學性(xing)能降低，需在(zai)CVD沉(chen)積后進行熱處理(li)，增大了生產(chan)(chan)成本，因此在(zai)應(ying)用上受到一定的(de)限制。
PVD以各種物(wu)理(li)方法產生的原(yuan)子(zi)或分子(zi)沉積在基材上形成(cheng)外加覆蓋層，工件沉積溫度一(yi)般(ban)不超過600℃。不銹鋼沉積后(hou)通常(chang)都無需進行(xing)熱處理(li)，因(yin)而其(qi)應用(yong)比化學氣(qi)相沉積廣。
物理(li)(li)氣相沉(chen)積可分為(wei)真空蒸鍍、陰極濺射和(he)離子鍍三類。與CVD法相比，PVD的主(zhu)要優(you)點是(shi)處(chu)理(li)(li)溫度(du)較低(di)、沉(chen)積速度(du)較快、無公害(hai)等，因(yin)而有很高(gao)的實用價值；其不足之處(chu)是(shi)沉(chen)積層與工件的結合力較小，鍍層的均(jun)勻性稍(shao)差。此外，它的設備造(zao)價高(gao)，操作、維(wei)護的技(ji)術要求也較高(gao)。
一、真空蒸鍍
在高真空中(zhong)使金屬、合金或化合物蒸發，然后(hou)凝聚在基體表面的方法叫作(zuo)真空蒸鍍。真空蒸鍍裝置(zhi)見圖(tu)3-14。
被沉積(ji)的(de)材(cai)料(liao)（如TiC）置于裝有加熱(re)系統的(de)坩堝中，被鍍基體置于蒸發源前面(mian)。當(dang)真空度達到0.13Pa時，加熱(re)坩堝使材(cai)料(liao)蒸發，所(suo)產生的(de)蒸氣(qi)以凝(ning)集的(de)形式沉積(ji)在物體上形成(cheng)涂(tu)層。
基(ji)板(ban)入槽前要進行充分的清洗，在(zai)(zai)蒸鍍(du)時，一般(ban)在(zai)(zai)基(ji)板(ban)背面設置一個加熱(re)器，使(shi)基(ji)板(ban)保持適當溫度，使(shi)鍍(du)層(ceng)和基(ji)層(ceng)之間形成薄(bo)的擴(kuo)散(san)層(ceng)，以增大(da)結合力。
蒸(zheng)發用(yong)(yong)熱源(yuan)主(zhu)要(yao)分(fen)三類(lei)：電(dian)阻加(jia)熱源(yuan)、電(dian)子束加(jia)熱源(yuan)和高頻(pin)感應加(jia)熱源(yuan)。最(zui)近(jin)還(huan)采用(yong)(yong)了激光蒸(zheng)鍍法(fa)和離子蒸(zheng)鍍法(fa)。
蒸鍍(du)過(guo)程：
a. 首先對真空裝置及(ji)被鍍零(ling)件進行處理，去掉污物、灰(hui)塵和油漬等。
b. 把清洗過的(de)零(ling)件裝(zhuang)入鍍槽的(de)支架上(shang)。
c. 補足蒸發(fa)物質。
d. 抽真(zhen)空，先(xian)用(yong)回轉(zhuan)泵(beng)抽至13.3Pa，再用(yong)擴散泵(beng)抽至133×10-6Pa。
e. 在高(gao)真(zhen)空下(xia)對零件(jian)加熱，目的(de)是去除水分（150℃）和(he)增加結合力(300~400℃)。
f. 對蒸鍍通電加熱，達到厚(hou)度(du)后停(ting)電。
g. 停鍍后，需在(zai)真空條件下放置15～30min，使之冷卻到100℃左右。
h. 關閉真空(kong)閥，導(dao)入空(kong)氣(qi)，取出(chu)模具。
二(er)、陰(yin)極(ji)濺射
陰極濺(jian)射即用荷能(neng)粒子(zi)轟(hong)擊某(mou)一(yi)靶材(cai)（陰極），使靶材(cai)表面的原子(zi)以(yi)一(yi)定(ding)能(neng)量逸出，然后在(zai)表面沉積的過程。
濺射過程：用沉積的材料（如TiC）作陰極靶，并接入1～3kV的直流負高壓(ya)，
在真空(kong)室內(nei)通(tong)入壓力為0.133～13.3Pa的氬氣（作為工作氣體）。在電場(chang)的作用下，氬氣電離后產生(sheng)的氬離子轟擊陰極(ji)靶面，濺(jian)射出(chu)的靶材原(yuan)子或(huo)分子以一定的速度落在工件(jian)(jian)表面產生(sheng)沉積，并使(shi)工件(jian)(jian)受熱(re)。濺(jian)射時工件(jian)(jian)的溫(wen)度可達500℃左右。圖(tu)(tu)3-15是陰極(ji)濺(jian)射系統簡圖(tu)(tu)。
當(dang)接通高壓(ya)電(dian)(dian)(dian)源時，陰(yin)極發(fa)(fa)出(chu)的(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)在(zai)電(dian)(dian)(dian)場的(de)作(zuo)用下(xia)會跑向(xiang)陽(yang)極，速(su)(su)(su)度在(zai)電(dian)(dian)(dian)場中不斷增(zeng)加(jia)。剛離開陰(yin)極的(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)能量很(hen)低(di)，不足以引起(qi)(qi)氣(qi)體(ti)(ti)原(yuan)子(zi)的(de)變化，所以附近為暗(an)區(qu)。在(zai)稍(shao)遠的(de)位置，當(dang)電(dian)(dian)(dian)子(zi)的(de)能力(li)足以使氣(qi)體(ti)(ti)原(yuan)子(zi)激發(fa)(fa)時就產(chan)生輝光(guang)(guang)，形(xing)成(cheng)陰(yin)極輝光(guang)(guang)區(qu)。越過(guo)這一區(qu)域(yu)，電(dian)(dian)(dian)子(zi)能量進(jin)一步(bu)增(zeng)加(jia)，就會引起(qi)(qi)氣(qi)體(ti)(ti)原(yuan)子(zi)電(dian)(dian)(dian)離，從而(er)產(chan)生大量的(de)離子(zi)與(yu)低(di)速(su)(su)(su)電(dian)(dian)(dian)子(zi)。此過(guo)程不發(fa)(fa)光(guang)(guang)，這一區(qu)域(yu)為陰(yin)極暗(an)區(qu)。低(di)速(su)(su)(su)電(dian)(dian)(dian)子(zi)在(zai)此后向(xiang)陽(yang)極的(de)運動過(guo)程中，也(ye)會被加(jia)速(su)(su)(su)激發(fa)(fa)氣(qi)體(ti)(ti)原(yuan)子(zi)而(er)發(fa)(fa)光(guang)(guang)，形(xing)成(cheng)負輝光(guang)(guang)區(qu)。在(zai)負輝光(guang)(guang)區(qu)和陽(yang)極之間，還有(you)幾(ji)個(ge)陰(yin)暗(an)相(xiang)同的(de)區(qu)域(yu)，但它(ta)們與(yu)濺射離子(zi)產(chan)生的(de)關系(xi)不大，只起(qi)(qi)導(dao)電(dian)(dian)(dian)作(zuo)用。
濺射下來的(de)(de)(de)材料原子具有10～35eV的(de)(de)(de)功能，比蒸鍍時的(de)(de)(de)原子動能大得多，因而(er)濺射膜的(de)(de)(de)結合力也比蒸鍍膜大。
濺(jian)射性(xing)能(neng)取決于(yu)所(suo)(suo)用的氣體、離(li)子的能(neng)量及轟(hong)擊所(suo)(suo)用的材(cai)料(liao)等(deng)。離(li)子轟(hong)擊所(suo)(suo)產(chan)生的投射作用可用于(yu)任(ren)何類(lei)型的材(cai)料(liao)，難(nan)熔材(cai)料(liao)W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能(neng)像低(di)熔點材(cai)料(liao)一樣容易被沉積。濺(jian)射出的合金組成(cheng)(cheng)常常與靶的成(cheng)(cheng)分相當。
濺(jian)(jian)射的(de)工藝很多，如果(guo)按電極(ji)的(de)構(gou)造及其(qi)配(pei)置方法進行分類，具有(you)代表性的(de)有(you)：二極(ji)濺(jian)(jian)射、三極(ji)濺(jian)(jian)射、磁(ci)(ci)控濺(jian)(jian)射、對(dui)置濺(jian)(jian)射、離子束濺(jian)(jian)射和吸(xi)收濺(jian)(jian)射等。常用的(de)是磁(ci)(ci)控濺(jian)(jian)射，目(mu)前(qian)已(yi)開(kai)發了多種磁(ci)(ci)控濺(jian)(jian)射裝置。
常(chang)用的磁控高速濺射方法的工(gong)作原理(li)為(wei)：用氬(ya)氣(qi)作為(wei)工(gong)作氣(qi)體，充氬(ya)氣(qi)后反(fan)應室內的壓力為(wei)2.6～1.3Pa，以欲沉(chen)積的金屬和化合物為(wei)靶(ba)（如(ru)Ti、TiC、TiN），在靶(ba)附近設(she)置與靶(ba)平面平行的磁場(chang)，另在靶(ba)和工(gong)件(jian)之間(jian)設(she)置陽極(ji)以防(fang)工(gong)件(jian)過熱。磁場(chang)導致(zhi)靶(ba)附近等離(li)子(zi)密度（即金屬離(li)化率(lv)）提高，從而(er)提高濺射與沉(chen)積速率(lv)。
磁控濺射效率高，成膜速度快(kuai)（可(ke)達2μm／min），而(er)且基板溫度低。因此，此法適應性廣，可(ke)沉積純金屬、合(he)金或化(hua)合(he)物(wu)。例如以鈦為(wei)靶，引入氮或碳(tan)氫化(hua)合(he)物(wu)氣體(ti)可(ke)分別沉積TiN、TiC等。
三、離子鍍
近年來研(yan)究開(kai)發(fa)的(de)(de)離(li)子鍍(du)(du)(du)在零件(jian)表面強(qiang)化(hua)方面獲(huo)得應(ying)用(yong)，效果較顯著(zhu)。所謂離(li)子鍍(du)(du)(du)是(shi)(shi)蒸鍍(du)(du)(du)和(he)濺(jian)射鍍(du)(du)(du)相(xiang)結(jie)(jie)合的(de)(de)技術(shu)。它既保留了CVD的(de)(de)本質，又具有(you)PVD的(de)(de)優點(dian)。離(li)子鍍(du)(du)(du)零件(jian)具有(you)結(jie)(jie)合力(li)強(qiang)、均鍍(du)(du)(du)能力(li)好、被鍍(du)(du)(du)基體材(cai)料(liao)(liao)和(he)鍍(du)(du)(du)層材(cai)料(liao)(liao)可以廣泛(fan)搭配等優點(dian)，因此獲(huo)得較廣泛(fan)的(de)(de)應(ying)用(yong)。圖3-16是(shi)(shi)離(li)子鍍(du)(du)(du)系統示意圖。
離(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)的(de)(de)(de)(de)基本原理是借助于一種惰性(xing)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)的(de)(de)(de)(de)輝光放電(dian)使(shi)金屬(shu)或合金蒸氣(qi)(qi)(qi)離(li)子(zi)(zi)(zi)化。離(li)子(zi)(zi)(zi)經電(dian)場加速(su)而(er)沉(chen)積(ji)在(zai)帶負(fu)電(dian)荷的(de)(de)(de)(de)基體(ti)上(shang)。惰性(xing)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)一般(ban)采用氬(ya)氣(qi)(qi)(qi)，壓力為0.133～1.33Pa，兩(liang)極電(dian)壓在(zai)500～2000V之間(jian)。離(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)包括鍍(du)(du)膜(mo)(mo)材(cai)料（如TiC、TiN）的(de)(de)(de)(de)受(shou)熱、蒸發(fa)、沉(chen)積(ji)過程。蒸發(fa)的(de)(de)(de)(de)鍍(du)(du)膜(mo)(mo)材(cai)料原子(zi)(zi)(zi)在(zai)經過輝光區時，一小部分發(fa)生電(dian)離(li)，并在(zai)電(dian)場的(de)(de)(de)(de)作用下飛向工(gong)件，以(yi)幾(ji)千電(dian)子(zi)(zi)(zi)伏(fu)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量射(she)(she)到工(gong)件表(biao)面(mian)，可以(yi)打(da)入基體(ti)約幾(ji)納(na)米的(de)(de)(de)(de)深度，從而(er)大大提(ti)高了鍍(du)(du)層的(de)(de)(de)(de)結合力。而(er)未經電(dian)離(li)的(de)(de)(de)(de)蒸發(fa)材(cai)料原子(zi)(zi)(zi)直接在(zai)工(gong)件上(shang)沉(chen)積(ji)成膜(mo)(mo)。惰性(xing)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)離(li)子(zi)(zi)(zi)與鍍(du)(du)膜(mo)(mo)材(cai)料離(li)子(zi)(zi)(zi)在(zai)基板表(biao)面(mian)上(shang)發(fa)生的(de)(de)(de)(de)濺射(she)(she)還可以(yi)清除工(gong)件表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)污(wu)染(ran)物，從而(er)改善結合力。
如果(guo)提高(gao)金屬蒸(zheng)氣原子(zi)(zi)的(de)(de)離(li)子(zi)(zi)化(hua)程度，可以增(zeng)加鍍(du)(du)層(ceng)的(de)(de)結(jie)合力，為此發展了一系列的(de)(de)離(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)設備和(he)方法，如高(gao)頻離(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)、空(kong)心陰極放電離(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)、熱(re)(re)陰極離(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)、感(gan)應(ying)加熱(re)(re)離(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)、活性(xing)化(hua)蒸(zheng)發離(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)及低壓等(deng)離(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)等(deng)。近年來，多弧離(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)由(you)于設備結(jie)構(gou)簡單、操作方便、鍍(du)(du)層(ceng)均(jun)勻、生(sheng)產(chan)率高(gao)，而受到人們的(de)(de)重視。其工作原理(li)和(he)特(te)點是：
a. 將被蒸(zheng)發(fa)膜材料(liao)制成陰極靶即弧(hu)蒸(zheng)發(fa)源，該蒸(zheng)發(fa)源為固(gu)態(tai)，可(ke)在真空內任意方位布置，也可(ke)多源聯合(he)工(gong)作，有利(li)大件鍍(du)膜。
b. 弧(hu)(hu)蒸發(fa)(fa)源(yuan)接(jie)電(dian)源(yuan)負(fu)極，真空室外殼接(jie)正極，調(diao)整工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)流，靶材表(biao)面(mian)(mian)進(jin)行弧(hu)(hu)光(guang)放電(dian)，同(tong)時蒸發(fa)(fa)出大量陰極金屬蒸氣，其中部(bu)分發(fa)(fa)生電(dian)離(li)并在(zai)基板負(fu)偏壓的(de)吸引下轟擊(ji)工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)(mian)，從而起到(dao)潔凈(jing)工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)(mian)的(de)作(zuo)用和(he)使工(gong)(gong)(gong)件(jian)的(de)溫度(du)升高達到(dao)沉積(ji)所需(xu)溫度(du)。此后(hou)，逐漸降低基板負(fu)壓氣化(hua)了的(de)靶粒子飛(fei)向基板形成鍍(du)(du)膜(mo)。如(ru)果(guo)同(tong)時通入適當流量的(de)反(fan)應氣體，即可在(zai)工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)(mian)沉積(ji)得到(dao)化(hua)合物膜(mo)層。從以上鍍(du)(du)膜(mo)過程看(kan)，弧(hu)(hu)蒸發(fa)(fa)源(yuan)既是(shi)蒸發(fa)(fa)器(qi)又(you)是(shi)離(li)化(hua)源(yuan)，無(wu)需(xu)增(zeng)加輔助離(li)化(hua)源(yuan)，也無(wu)需(xu)通入惰性氣體轟擊(ji)清(qing)洗工(gong)(gong)(gong)件(jian)，并且(qie)不(bu)需(xu)要烘烤裝置，設備簡單(dan)、工(gong)(gong)(gong)藝(yi)穩定(ding)。
c. 多(duo)弧離(li)子鍍(du)離(li)化率(lv)高達60％～90％，有利于(yu)(yu)改善膜(mo)層(ceng)的質(zhi)量，特別適用于(yu)(yu)活性反應沉積化合物膜(mo)層(ceng)。
d. 多弧蒸發源在蒸發陰極(ji)材料(liao)時，往(wang)(wang)往(wang)(wang)有液(ye)滴沉積在工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)，造(zao)成工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)具(ju)有較高(gao)的表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度值。所(suo)以(yi)減少和(he)細化蒸發材料(liao)液(ye)滴是當前多弧離子(zi)鍍(du)工藝的關鍵(jian)問題。
離子鍍(du)(du)(du)除了具(ju)有鍍(du)(du)(du)層結合力(li)強的特點之外，還具(ju)有如(ru)下(xia)優(you)點：離子繞射性強，沒(mei)有明顯的方向性沉積，工件(jian)的各個表面都能鍍(du)(du)(du)上；鍍(du)(du)(du)層均(jun)勻性好，并(bing)且具(ju)有較高的致(zhi)密度(du)和細(xi)的晶粒度(du)，即使經(jing)鏡面研磨過的工件(jian)，進行離子鍍(du)(du)(du)后，表面依(yi)然光潔(jie)致(zhi)密，無需再作研磨。
總之，采(cai)用(yong)PVD技術可(ke)以在各(ge)種材料上沉積(ji)致密、光滑、高精(jing)度(du)的(de)(de)(de)化合物(wu)（如TiC、TiN）鍍層(ceng)，所以十分適合模(mo)(mo)具(ju)的(de)(de)(de)表面熱處理(li)(li)。目(mu)前，應(ying)用(yong)PVD法(fa)(fa)沉積(ji)TiC、TiN等(deng)鍍層(ceng)已在生產中獲得(de)應(ying)用(yong)。例如Cr12MoV鋼制油開關精(jing)制沖模(mo)(mo)，經PVD法(fa)(fa)沉積(ji)后(hou)(hou)，表面硬度(du)為(wei)2500～3000HV，摩擦因數減小，抗(kang)粘著和抗(kang)咬合性(xing)(xing)改善(shan)，模(mo)(mo)具(ju)原使用(yong)1～3萬(wan)次(ci)即要(yao)刃磨，經PVD法(fa)(fa)處理(li)(li)后(hou)(hou)，使用(yong)10萬(wan)次(ci)不(bu)需刃磨，尺寸無變(bian)化，仍可(ke)使用(yong)；用(yong)于(yu)沖壓和擠(ji)壓粘性(xing)(xing)材料的(de)(de)(de)冷作模(mo)(mo)具(ju)，采(cai)用(yong)PVD法(fa)(fa)處理(li)(li)后(hou)(hou)，其(qi)使用(yong)壽(shou)命大為(wei)提(ti)高，從發展趨勢來(lai)看，PVD法(fa)(fa)將(jiang)成為(wei)模(mo)(mo)具(ju)表面處理(li)(li)的(de)(de)(de)主要(yao)技術方法(fa)(fa)之一(yi)。表3-40列出了(le)三種PVD法(fa)(fa)與CVD法(fa)(fa)的(de)(de)(de)特性(xing)(xing)比較，供選(xuan)用(yong)時參(can)考(kao)。
目前(qian)應(ying)用(yong)PVD法沉積TiC、TiN等鍍層已(yi)在生產中得到推廣應(ying)用(yong)，同時在TiN基礎(chu)上發展(zhan)起來的多元膜，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能優于TiN，是一(yi)種更(geng)有前(qian)途的新型(xing)薄膜。
