物理氣相沉積硬質(zhì)涂層的開發(fā)及工程應(yīng)用

王晨曦

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

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

中圖分類號(hào)：TG174.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）12-0236-02

0? 引言

目前，我國真空工藝和材料科學(xué)的發(fā)展前沿主要匯集在先進(jìn)的表面工程技術(shù)應(yīng)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(hù)涂層的運(yùn)用上。尤其這幾年更加飛速的開展，越來越對(duì)發(fā)展前沿的制造業(yè)以及其他新型高智能技術(shù)涉及范圍帶來極大地影響。主要體現(xiàn)在涂層材質(zhì)的研發(fā)逐步向多元化和高智能化發(fā)展，既能提升產(chǎn)品的品質(zhì)，又能減少生產(chǎn)的本金，還能提升在大市場環(huán)境下產(chǎn)品的爭奪實(shí)力;同時(shí)還體現(xiàn)在越來越多新型涂層制作技術(shù)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(jié)合在基礎(chǔ)固體材質(zhì)的表面，性質(zhì)和效用高于基礎(chǔ)固體材質(zhì)的自身性能，待其覆蓋在基礎(chǔ)固體材質(zhì)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(zhì)來涂制表面，主要分為三種，即物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、分子束外延，本文主要講述物理氣相沉積技術(shù)的發(fā)展及工程應(yīng)用。

1? 物理氣相沉積技術(shù)簡介

物理真空鍍膜的主要技術(shù)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(biāo)材料獲取，即濺射鍍膜。離子的濺射反應(yīng)主要源于輝光氣體放電。從目標(biāo)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(yán)密度。高頻率濺射研發(fā)技術(shù)突破原始濺射鍍膜，濺射鍍膜應(yīng)用到了物理氣相沉積硬質(zhì)涂層的開發(fā)及工程應(yīng)用的飛速發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)有雙離子、兩級(jí)、三級(jí)濺射等多種氣相沉積技術(shù)[2]。在19世紀(jì)馬托克斯在前人的基礎(chǔ)之上研發(fā)出了離子鍍系統(tǒng)，主要作用于在金屬材質(zhì)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(shù)的結(jié)合。將基片臺(tái)作為陰極，外殼作陽極，充入惰性氣體（如氬）以產(chǎn)生輝光放電。從蒸發(fā)源蒸發(fā)的分子通過等離子區(qū)時(shí)發(fā)生電離。正離子被基片臺(tái)負(fù)電壓加速打到基片表面，電場對(duì)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(duì)基片的濺射清洗作用，使膜層附著強(qiáng)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(diǎn)，可為形狀復(fù)雜的工件鍍膜。

2? 我國物理氣相沉積技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

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

3? 智能涂層應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室的主要工作

在20世紀(jì)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(dá)國家和地區(qū)相比較，我國的薄膜在工業(yè)應(yīng)用方面還趕不上。我國大部分的生產(chǎn)企業(yè)把設(shè)備發(fā)送到發(fā)達(dá)國家進(jìn)行涂層和后期處理，但是生產(chǎn)的時(shí)間較長，很難短期內(nèi)得到技術(shù)工藝[5]。有一些價(jià)值非常高的引進(jìn)儀器設(shè)備由于長時(shí)間的缺乏先進(jìn)技術(shù)的支撐逐漸導(dǎo)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(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室（ACARL），并展開研發(fā)科研項(xiàng)目，以利于我國的薄膜應(yīng)用也能從技術(shù)上上升到全球前沿水平，與此同時(shí)，建設(shè)提供儀器設(shè)備建造的知識(shí)庫和必要的基礎(chǔ)支持，以全方位保障制造業(yè)的發(fā)展。智能涂層應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)方針是集中全力研發(fā)新型表面涂層技術(shù)，改善材質(zhì)性能，推薦技術(shù)提升，研發(fā)出屬于自己的涂層應(yīng)用范疇。促使我國的工業(yè)行業(yè)能夠第一時(shí)間得到好處[6]。

智能應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室首次在英國引入非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備（圖1）及工藝手段，并且緊跟其后配備了許多先進(jìn)智能的研究測(cè)量儀器設(shè)備，以進(jìn)行整體的分析、探究涂層，以保障技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)最高的價(jià)值和發(fā)揮最好的效果。最主要的一點(diǎn)，是集合了一支由不同領(lǐng)域的專業(yè)人才構(gòu)成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，共同對(duì)涂層技術(shù)進(jìn)行研發(fā)把關(guān)，并將取得成果用到生產(chǎn)操作中。在實(shí)驗(yàn)室建立后，又對(duì)其進(jìn)行投資，開展“納米復(fù)合涂層在造業(yè)中的發(fā)展”進(jìn)行分析探究，研發(fā)出硬質(zhì)強(qiáng)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(guān)于氣相沉積在基礎(chǔ)固體涂層的經(jīng)驗(yàn)，從研究中獲取新型材質(zhì)的定義，并在納米尺度上研發(fā)復(fù)合產(chǎn)物，除了實(shí)現(xiàn)氮化鈦膜、氮化鉻、氮化鎢等涂膜在工業(yè)的生產(chǎn)之外，智能應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室工作人員對(duì)納米的其他鍍膜進(jìn)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(jiān)定關(guān)系網(wǎng)，這標(biāo)志著智能應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)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(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)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(shù)研發(fā)等中心。

根據(jù)當(dāng)前我國和其他國家的涂層工藝技術(shù)開展的情況來看，智能應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室正研發(fā)多個(gè)在科技發(fā)展的前沿范疇的專題。其中的一個(gè)就是對(duì)超硬納米復(fù)合涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能可靠性的探索研究，從而對(duì)納米復(fù)合涂層的熱學(xué)、摩擦學(xué)、力學(xué)性能以及干切削特性作出系統(tǒng)評(píng)價(jià)。上文中已經(jīng)表明，當(dāng)前最為艱難的摩擦條件下超硬納米復(fù)合涂層是最佳選擇材質(zhì)，并且可以發(fā)揮更佳的綜合性能，如：高強(qiáng)度和高韌性能。當(dāng)前，此類涂層的堅(jiān)硬程度和容易斷裂是應(yīng)用過程中最主要的阻力。本研究組運(yùn)用磁控濺射鍍膜技術(shù)和物理氣相沉積相融合的等新型工藝來研發(fā)納米復(fù)合涂層。此外，在事先還將基礎(chǔ)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(zhì)和成效[8]。尤其可以運(yùn)用多層膜的研發(fā)理念來深入研究增強(qiáng)其韌性和脆性的方式和路徑。從而可以設(shè)想，不管是從理論上還是實(shí)驗(yàn)上對(duì)納米復(fù)合涂層大幅度的開展研究探索，相對(duì)于當(dāng)前我國的制造業(yè)來講，將會(huì)研發(fā)出以削切和成形為基礎(chǔ)的新型的應(yīng)用范疇，在納米涂層之外，智能應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室還將展開研究。

4? 展望

等離子體增強(qiáng)物理氣相沉積技術(shù)的開展無論是對(duì)硬質(zhì)涂層還是超硬涂層的開發(fā)和工程應(yīng)用都提提供了巨大的幫助，放眼未來，不難發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)，在專家學(xué)術(shù)和工業(yè)制作兩方繼續(xù)承擔(dān)著紐帶的角色，為我國日后的新型涂層技術(shù)研發(fā)出更高能的產(chǎn)品。

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