物理气相沉积硬质涂层的开发及工程应用

王晨曦

摘要：本文主要讲述了我国物理气相沉积技术被开发的过程、特征以及工程应用。同时分析了我国近几年来某硬质涂层研究室在等离子体增强物理气相沉积硬质涂层的开发及工程应用工作的内容等，主要有金刚石薄膜和纳米复合涂层在我国制造业方面的应用，和分析超硬纳米复合涂层的微观结构和性能，以及探析新研发的新型大范围涂层技术在脉冲磁控溅射基础上的研发和运用。

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.

关键词：物理气相沉积;硬质涂层;工程应用

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

中图分类号：TG174.4                                    文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）12-0236-02

0  引言

目前，我国真空工艺和材料科学的发展前沿主要汇集在先进的表面工程技术应用中，主要体现在抗滑、抗摩擦、抗腐蚀和防止氧化等高职能维护涂层的运用上。尤其这几年更加飞速的开展，越来越对发展前沿的制造业以及其他新型高智能技术涉及范围带来极大地影响。主要体现在涂层材质的研发逐步向多元化和高智能化发展，既能提升产品的品质，又能减少生产的本金，还能提升在大市场环境下产品的争夺实力;同时还体现在越来越多新型涂层制作技术和制作方式被开发出来[1]。所谓的涂层是指功能性材料沉积或结合在基础固体材质的表面，性质和效用高于基础固体材质的自身性能，待其覆盖在基础固体材质的表面后形成。其中真空气相沉积是通过在分散情况下的物质来涂制表面，主要分为三种，即物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延，本文主要讲述物理气相沉积技术的发展及工程应用。

1  物理气相沉积技术简介

物理真空镀膜的主要技术是蒸发和溅射，并且其沉淀之后的所有或者部分堆积物主要直接由物理方式直接供给。蒸发主要用涂料加热蒸发获取，即蒸发镀膜;溅射主要由离子轰炸射击的目标材料获取，即溅射镀膜。离子的溅射反应主要源于辉光气体放电。从目标材料炸射出来的电荷粒子拥有非常高的能量，有便于提升涂层的依附力度和严密度。高频率溅射研发技术突破原始溅射镀膜，溅射镀膜应用到了物理气相沉积硬质涂层的开发及工程应用的飞速发展，现已经有双离子、两级、三级溅射等多种气相沉积技术[2]。在19世纪马托克斯在前人的基础之上研发出了离子镀系统，主要作用于在金属材质上镀上抗磨和为了装修等作用的涂层。离子镀是真空蒸发与阴极溅射技术的结合。将基片台作为阴极，外壳作阳极，充入惰性气体（如氩）以产生辉光放电。从蒸发源蒸发的分子通过等离子区时发生电离。正离子被基片台负电压加速打到基片表面，电场对离化的蒸气分子的加速作用（离子能量约几百～几千电子伏）和氩离子对基片的溅射清洗作用，使膜层附着强度大大提高。离子镀工艺综合了蒸发（高沉积速率）与溅射（良好的膜层附着力）工艺的特点，可为形状复杂的工件镀膜。

2  我国物理气相沉积技术的现状和发展

自我国总进入20世纪中后期，我国通过引入其他国家先进技术外加自主研发，在物理气相沉积技术的开展和应用取得了非常大的进步，比如在氮化钛涂膜的发展和运用就可以显而易见的表明我国的技术已经有了质的飞跃[3]。虽然应该庆幸我国取的进步但是也要认清现实，我国的涂层新型技术手段和仪器设备的研发与全球先进国家的水平还差很多很多，基本引入镀膜设施的绝大部分企业侧重于生产，对研发方面的投入还比较欠缺，不能够促进技术水平的大幅度提升，若继续引入新型技术手段和新型仪器的成本太大。我国研发制造的仪器设备无论是在性质、智能甚至是实用性方面都无法与国外引进的仪器相比较。同时我国的仪器制造商基本不提供终身技术服务和全部的镀膜技术的研发观念，然而使镀膜仪器设备不能够正常的操作和长时间的持续运转，导致涂层的生产不顺畅，并且还带了好多问题[4]。然而超硬纳米材质等新型涂层材质的运用基本还在起步阶段。

3  智能涂层应用研究实验室的主要工作

在20世纪后期，我国某薄膜研究已经逐渐上升到全球的前沿位置，但是与欧洲和亚洲的发达国家和地区相比较，我国的薄膜在工业应用方面还赶不上。我国大部分的生产企业把设备发送到发达国家进行涂层和后期处理，但是生产的时间较长，很难短期内得到技术工艺[5]。有一些价值非常高的引进仪器设备由于长时间的缺乏先进技术的支撑逐渐导致失去了性能。在这样的环境下，提供资金建造智能涂层智能应用研究实验室（ACARL），并展开研发科研项目，以利于我国的薄膜应用也能从技术上上升到全球前沿水平，与此同时，建设提供仪器设备建造的知识库和必要的基础支持，以全方位保障制造业的发展。智能涂层应用研究实验室的研发方针是集中全力研发新型表面涂层技术，改善材质性能，推荐技术提升，研发出属于自己的涂层应用范畴。促使我国的工业行业能够第一时间得到好处[6]。

智能应用研究实验室首次在英国引入非平衡磁控溅射离子镀设备（图1）及工艺手段，并且紧跟其后配备了许多先进智能的研究测量仪器设备，以进行整体的分析、探究涂层，以保障技术水平实现最高的价值和发挥最好的效果。最主要的一点，是集合了一支由不同领域的专业人才构成的研发团队，共同对涂层技术进行研发把关，并将取得成果用到生产操作中。在实验室建立后，又对其进行投资，开展“纳米复合涂层在造业中的发展”进行分析探究，研发出硬质强度超过40季帕的全新超硬度涂层。近几年的不断研发创造，积累了许多的关于气相沉积在基础固体涂层的经验，从研究中获取新型材质的定义，并在纳米尺度上研发复合产物，除了实现氮化钛膜、氮化铬、氮化钨等涂膜在工业的生产之外，智能应用研究实验室工作人员对纳米的其他镀膜进行了深层次的探究，探究其框架、成分、属性和需要的沉积因素之坚定关系网，这标志着智能应用研究实验室在涂层工艺发展的范畴正在与全球发展已经齐肩。从大程度来讲，智能应用研究实验室正逐步集核心力量开展成为亚太地区的教育、涂层技术研发等中心。

根据当前我国和其他国家的涂层工艺技术开展的情况来看，智能应用研究实验室正研发多个在科技发展的前沿范畴的专题。其中的一个就是对超硬纳米复合涂层的微观结构和性能可靠性的探索研究，从而对纳米复合涂层的热学、摩擦学、力学性能以及干切削特性作出系统评价。上文中已经表明，当前最为艰难的摩擦条件下超硬纳米复合涂层是最佳选择材质，并且可以发挥更佳的综合性能，如：高强度和高韧性能。当前，此类涂层的坚硬程度和容易断裂是应用过程中最主要的阻力。本研究组运用磁控溅射镀膜技术和物理气相沉积相融合的等新型工艺来研发纳米复合涂层。此外，在事先还将基础固体摄入离子待其经过后期处置之后提升表面的硬度，之后在后期深层次的完备其性质和成效[8]。尤其可以运用多层膜的研发理念来深入研究增强其韧性和脆性的方式和路径。从而可以設想，不管是从理论上还是实验上对纳米复合涂层大幅度的开展研究探索，相对于当前我国的制造业来讲，将会研发出以削切和成形为基础的新型的应用范畴，在纳米涂层之外，智能应用研究实验室还将展开研究。

4  展望

等离子体增强物理气相沉积技术的开展无论是对硬质涂层还是超硬涂层的开发和工程应用都提提供了巨大的帮助，放眼未来，不难发现机会，在专家学术和工业制作两方继续承担着纽带的角色，为我国日后的新型涂层技术研发出更高能的产品。

参考文献：

[1]王启民.物理气相沉积硬质涂层材料、工艺及应用研究[C].粤港澳大湾区真空科技与宽禁带半导体应用高峰论坛暨2017年广东省真空学会学术年会，2017.

[2]代明江，杜伟，林松盛，石倩，侯惠君，韦春贝，李洪，苏一凡，郭朝乾.电弧离子镀高温防护涂层[C].粤港澳大湾区真空科技与宽禁带半导体应用高峰论坛暨2017年广东省真空学会学术年会，2017.

[3]程泽飞，杨加胜，邵芳.柱状晶结构热障涂层的沉积生长和织构研究[J].航空制造技术，2019，62（3）：48-54.

[4]沈阳，刘海青，成明.物理气相沉积在镁合金表面防护领域的研究现状[J].材料保护，2019（1）：102-106.

[5]孙磊，熊计，杨天恩.含量对Ti（C，N）基金属陶瓷涂层组织与摩擦性能的影响[J].硬质合金，2019（1）：20-28.

[6]吴鲜花，陈勇，王安正.基于微观结构的热障涂层冲蚀机理数值分析[J].燃气涡轮试验与研究，2017，30（5）：47-52.

[7]高丽华，冀晓鹃，侯伟骜.等离子物理气相沉积准柱状结构YSZ涂层的制备及抗热震性能[J].材料导报，2019（12）：152-153.

[8]王力，都日苏拉，郭永丰.热障涂层高温合金电火花小孔加工伺服控制系统的研制[C].特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议，2017.