由于CVD法處理(li)溫度(du)太高，零件基(ji)體需(xu)承受相當高的(de)沉積(ji)溫度(du)，易(yi)產(chan)生變形和基(ji)體組(zu)織變化，導致其力學性能降低(di)，需(xu)在CVD沉積(ji)后進行熱處理(li)，增大了生產(chan)成本，因此在應(ying)用上受到(dao)一(yi)定(ding)的(de)限(xian)制。
PVD以各種物(wu)理方法產生(sheng)的原子或分子沉積(ji)(ji)在(zai)基材上(shang)形成外加覆蓋(gai)層(ceng)，工件沉積(ji)(ji)溫度(du)一般不超過600℃。不銹鋼沉積(ji)(ji)后通(tong)常都無需進(jin)行(xing)熱處理，因而其應(ying)用(yong)比化學氣相(xiang)沉積(ji)(ji)廣(guang)。
物理(li)(li)氣相沉(chen)積(ji)可分為真空蒸鍍、陰極濺射和離子(zi)鍍三類。與CVD法相比，PVD的(de)(de)主要優點是處理(li)(li)溫(wen)度較(jiao)低(di)、沉(chen)積(ji)速度較(jiao)快、無公害等，因而(er)有很高的(de)(de)實用價值；其不足之(zhi)處是沉(chen)積(ji)層與工件(jian)的(de)(de)結合力較(jiao)小，鍍層的(de)(de)均(jun)勻性稍差(cha)。此外，它(ta)的(de)(de)設備造價高，操作、維護的(de)(de)技術要求也較(jiao)高。
一、真空(kong)蒸鍍
在(zai)高真空中使金屬、合金或(huo)化(hua)合物蒸(zheng)發，然后凝聚在(zai)基體表面的方法(fa)叫作真空蒸(zheng)鍍(du)。真空蒸(zheng)鍍(du)裝置見(jian)圖3-14。
被(bei)沉積(ji)的(de)材料（如TiC）置(zhi)(zhi)于裝有加熱系(xi)統的(de)坩堝(guo)中，被(bei)鍍基體置(zhi)(zhi)于蒸發源前面。當真空度達(da)到(dao)0.13Pa時，加熱坩堝(guo)使材料蒸發，所(suo)產生(sheng)的(de)蒸氣以凝集的(de)形式沉積(ji)在物體上形成涂層。
基板入槽前要進行充分(fen)的清洗，在蒸鍍時，一(yi)(yi)般(ban)在基板背面設置一(yi)(yi)個加熱器，使基板保持適當溫度，使鍍層和基層之間形成薄的擴散層，以增(zeng)大(da)結合力。
蒸發用(yong)熱(re)源(yuan)主要分(fen)三類：電阻(zu)加(jia)熱(re)源(yuan)、電子束加(jia)熱(re)源(yuan)和高(gao)頻感應加(jia)熱(re)源(yuan)。最近還采用(yong)了激(ji)光蒸鍍(du)法和離子蒸鍍(du)法。
蒸鍍(du)過(guo)程：
a. 首先(xian)對真空裝置及(ji)被(bei)鍍零件(jian)進行處理，去掉污物、灰(hui)塵和油(you)漬(zi)等(deng)。
b. 把清洗過的(de)零件裝入鍍(du)槽的(de)支架(jia)上。
c. 補足蒸發物質。
d. 抽真空，先用回轉泵抽至13.3Pa，再用擴散(san)泵抽至133×10-6Pa。
e. 在高(gao)真空下對零(ling)件(jian)加熱，目的是去除水分（150℃）和增加結合(he)力(300~400℃)。
f. 對蒸鍍通電加(jia)熱(re)，達(da)到厚(hou)度后停電。
g. 停鍍后，需(xu)在真(zhen)空條(tiao)件(jian)下(xia)放置15～30min，使(shi)之冷(leng)卻到(dao)100℃左右。
h. 關閉真(zhen)空閥，導(dao)入(ru)空氣，取出模具。
二、陰極濺射(she)
陰(yin)極濺射即用荷能粒子轟(hong)擊某一(yi)靶材（陰(yin)極），使靶材表面的原子以一(yi)定(ding)能量逸出，然后在表面沉(chen)積的過程。
濺(jian)射過程：用沉積的材(cai)料（如TiC）作陰極靶，并接入(ru)1～3kV的直流(liu)負高壓，
在真(zhen)空室內(nei)通入壓力為0.133～13.3Pa的(de)氬氣（作(zuo)為工(gong)(gong)作(zuo)氣體）。在電場的(de)作(zuo)用下，氬氣電離(li)后產生(sheng)(sheng)的(de)氬離(li)子轟擊陰極靶面，濺(jian)射出(chu)的(de)靶材(cai)原子或(huo)分子以一(yi)定的(de)速度落(luo)在工(gong)(gong)件表面產生(sheng)(sheng)沉積，并使工(gong)(gong)件受(shou)熱。濺(jian)射時工(gong)(gong)件的(de)溫度可達500℃左右。圖3-15是陰極濺(jian)射系統簡圖。
當(dang)接通高壓電源時，陰極發(fa)(fa)出的(de)電子在(zai)電場的(de)作用下會跑向陽極，速(su)(su)度在(zai)電場中(zhong)不斷增加(jia)。剛離(li)開陰極的(de)電子能量很低(di)，不足以(yi)引起(qi)氣(qi)(qi)(qi)體原子的(de)變化，所(suo)以(yi)附近為暗區。在(zai)稍(shao)遠的(de)位置，當(dang)電子的(de)能力足以(yi)使氣(qi)(qi)(qi)體原子激(ji)發(fa)(fa)時就產(chan)生(sheng)輝光(guang)，形(xing)成陰極輝光(guang)區。越過(guo)這(zhe)一區域(yu)，電子能量進一步增加(jia)，就會引起(qi)氣(qi)(qi)(qi)體原子電離(li)，從而(er)產(chan)生(sheng)大(da)(da)量的(de)離(li)子與低(di)速(su)(su)電子。此過(guo)程不發(fa)(fa)光(guang)，這(zhe)一區域(yu)為陰極暗區。低(di)速(su)(su)電子在(zai)此后(hou)向陽極的(de)運(yun)動過(guo)程中(zhong)，也(ye)會被加(jia)速(su)(su)激(ji)發(fa)(fa)氣(qi)(qi)(qi)體原子而(er)發(fa)(fa)光(guang)，形(xing)成負(fu)(fu)輝光(guang)區。在(zai)負(fu)(fu)輝光(guang)區和(he)陽極之間(jian)，還(huan)有幾(ji)個陰暗相同的(de)區域(yu)，但它們與濺射離(li)子產(chan)生(sheng)的(de)關系(xi)不大(da)(da)，只起(qi)導電作用。
濺射(she)(she)下來(lai)的材(cai)料原子具有10～35eV的功能(neng)，比(bi)(bi)蒸鍍(du)時的原子動能(neng)大得(de)多(duo)，因而濺射(she)(she)膜(mo)的結合力也比(bi)(bi)蒸鍍(du)膜(mo)大。
濺(jian)射性(xing)能取決于所(suo)用的氣(qi)體、離子(zi)的能量及轟(hong)擊(ji)所(suo)用的材(cai)料(liao)等。離子(zi)轟(hong)擊(ji)所(suo)產(chan)生的投射作(zuo)用可(ke)用于任何(he)類型的材(cai)料(liao)，難熔材(cai)料(liao)W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能像(xiang)低(di)熔點(dian)材(cai)料(liao)一樣容易被沉積(ji)。濺(jian)射出的合金組成(cheng)常常與靶的成(cheng)分(fen)相當。
濺射(she)的(de)工藝很多，如果按(an)電極(ji)的(de)構造(zao)及(ji)其配置(zhi)方法(fa)進行(xing)分(fen)類，具有代(dai)表(biao)性的(de)有：二極(ji)濺射(she)、三極(ji)濺射(she)、磁控濺射(she)、對置(zhi)濺射(she)、離子束濺射(she)和吸(xi)收濺射(she)等。常用的(de)是磁控濺射(she)，目前已開發了(le)多種(zhong)磁控濺射(she)裝置(zhi)。
常用(yong)的磁控高速濺射方(fang)法的工作(zuo)原理(li)為(wei)(wei)：用(yong)氬氣作(zuo)為(wei)(wei)工作(zuo)氣體，充氬氣后反應(ying)室內的壓力為(wei)(wei)2.6～1.3Pa，以(yi)欲沉積的金屬和化(hua)合物為(wei)(wei)靶（如Ti、TiC、TiN），在靶附近設置與靶平面平行的磁場，另在靶和工件之間(jian)設置陽極以(yi)防工件過熱(re)。磁場導致靶附近等離(li)子密度（即金屬離(li)化(hua)率）提(ti)(ti)高，從而提(ti)(ti)高濺射與沉積速率。
磁控濺射效(xiao)率(lv)高，成(cheng)膜速度快（可達2μm／min），而且基板(ban)溫(wen)度低。因此，此法適應性(xing)廣(guang)，可沉(chen)積(ji)純金屬、合金或化合物(wu)。例如以鈦(tai)為靶，引入氮或碳氫(qing)化合物(wu)氣體可分別沉(chen)積(ji)TiN、TiC等。
三、離子(zi)鍍
近年來研究開發的(de)(de)(de)離子鍍(du)在零(ling)件表面強化方(fang)面獲得應用，效果較(jiao)顯著。所謂離子鍍(du)是蒸鍍(du)和(he)濺射鍍(du)相結合的(de)(de)(de)技術。它既保留(liu)了CVD的(de)(de)(de)本質，又具(ju)有PVD的(de)(de)(de)優點(dian)。離子鍍(du)零(ling)件具(ju)有結合力強、均(jun)鍍(du)能(neng)力好、被鍍(du)基體材料(liao)和(he)鍍(du)層材料(liao)可(ke)以(yi)廣(guang)泛(fan)搭配等(deng)優點(dian)，因此獲得較(jiao)廣(guang)泛(fan)的(de)(de)(de)應用。圖3-16是離子鍍(du)系(xi)統示意圖。
離(li)子鍍(du)的(de)基本原(yuan)理是借助于一種(zhong)惰性(xing)氣(qi)體的(de)輝(hui)光(guang)放電(dian)(dian)(dian)使金(jin)屬或合金(jin)蒸氣(qi)離(li)子化。離(li)子經電(dian)(dian)(dian)場(chang)加速而(er)沉(chen)(chen)(chen)積(ji)在(zai)(zai)帶負電(dian)(dian)(dian)荷(he)的(de)基體上(shang)。惰性(xing)氣(qi)體一般采用(yong)氬氣(qi)，壓力為0.133～1.33Pa，兩極電(dian)(dian)(dian)壓在(zai)(zai)500～2000V之間。離(li)子鍍(du)包括(kuo)鍍(du)膜(mo)材料（如TiC、TiN）的(de)受熱、蒸發(fa)、沉(chen)(chen)(chen)積(ji)過程(cheng)。蒸發(fa)的(de)鍍(du)膜(mo)材料原(yuan)子在(zai)(zai)經過輝(hui)光(guang)區時，一小部分發(fa)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)離(li)，并在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)場(chang)的(de)作用(yong)下飛(fei)向(xiang)工(gong)(gong)件(jian)，以(yi)幾千電(dian)(dian)(dian)子伏的(de)能量射(she)(she)到工(gong)(gong)件(jian)表面，可(ke)以(yi)打(da)入基體約幾納米的(de)深度，從而(er)大大提高了鍍(du)層的(de)結(jie)合力。而(er)未經電(dian)(dian)(dian)離(li)的(de)蒸發(fa)材料原(yuan)子直接在(zai)(zai)工(gong)(gong)件(jian)上(shang)沉(chen)(chen)(chen)積(ji)成(cheng)膜(mo)。惰性(xing)氣(qi)體離(li)子與鍍(du)膜(mo)材料離(li)子在(zai)(zai)基板表面上(shang)發(fa)生(sheng)的(de)濺射(she)(she)還可(ke)以(yi)清除工(gong)(gong)件(jian)表面的(de)污染(ran)物，從而(er)改善結(jie)合力。
如果提高金屬(shu)蒸氣原子(zi)的(de)離子(zi)化(hua)程(cheng)度，可以增加(jia)鍍(du)(du)層(ceng)的(de)結(jie)合力，為此(ci)發(fa)展(zhan)了一系列的(de)離子(zi)鍍(du)(du)設(she)備和(he)方法，如高頻(pin)離子(zi)鍍(du)(du)、空心陰極放(fang)電離子(zi)鍍(du)(du)、熱(re)陰極離子(zi)鍍(du)(du)、感應(ying)加(jia)熱(re)離子(zi)鍍(du)(du)、活性化(hua)蒸發(fa)離子(zi)鍍(du)(du)及(ji)低壓等(deng)離子(zi)鍍(du)(du)等(deng)。近年(nian)來，多弧離子(zi)鍍(du)(du)由于設(she)備結(jie)構(gou)簡(jian)單、操作方便(bian)、鍍(du)(du)層(ceng)均(jun)勻、生(sheng)產率高，而(er)受到(dao)人們的(de)重視。其工作原理和(he)特(te)點(dian)是：
a. 將(jiang)被蒸(zheng)發膜材(cai)料制(zhi)成陰(yin)極(ji)靶即(ji)弧蒸(zheng)發源(yuan)，該(gai)蒸(zheng)發源(yuan)為固態，可在真空(kong)內任(ren)意方位(wei)布置(zhi)，也可多源(yuan)聯合工作(zuo)，有(you)利大件鍍膜。
b. 弧(hu)(hu)蒸(zheng)發(fa)源(yuan)(yuan)接電(dian)源(yuan)(yuan)負極，真(zhen)空室外殼(ke)接正極，調整工(gong)(gong)作(zuo)電(dian)流，靶(ba)材表(biao)面(mian)(mian)進行弧(hu)(hu)光放電(dian)，同時蒸(zheng)發(fa)出大量(liang)陰極金屬蒸(zheng)氣(qi)(qi)，其(qi)中部分發(fa)生電(dian)離并在基板負偏(pian)壓的吸(xi)引下(xia)轟(hong)擊工(gong)(gong)件表(biao)面(mian)(mian)，從(cong)而起到(dao)潔凈工(gong)(gong)件表(biao)面(mian)(mian)的作(zuo)用(yong)和使(shi)工(gong)(gong)件的溫度(du)升高達到(dao)沉積所需溫度(du)。此后，逐(zhu)漸降低基板負壓氣(qi)(qi)化(hua)了的靶(ba)粒(li)子(zi)飛向(xiang)基板形成鍍(du)膜。如果(guo)同時通入適當流量(liang)的反應氣(qi)(qi)體(ti)(ti)，即可(ke)在工(gong)(gong)件表(biao)面(mian)(mian)沉積得到(dao)化(hua)合物(wu)膜層。從(cong)以上鍍(du)膜過程看，弧(hu)(hu)蒸(zheng)發(fa)源(yuan)(yuan)既是蒸(zheng)發(fa)器又是離化(hua)源(yuan)(yuan)，無需增(zeng)加輔助(zhu)離化(hua)源(yuan)(yuan)，也無需通入惰性氣(qi)(qi)體(ti)(ti)轟(hong)擊清(qing)洗工(gong)(gong)件，并且(qie)不需要烘烤裝置，設(she)備簡單(dan)、工(gong)(gong)藝穩定。
c. 多(duo)弧(hu)離(li)子鍍離(li)化率高達60％～90％，有利于改善膜(mo)(mo)層的質量，特別適用于活(huo)性反(fan)應沉積化合物膜(mo)(mo)層。
d. 多弧蒸(zheng)發源在蒸(zheng)發陰(yin)極材(cai)料時，往往有液(ye)(ye)滴(di)沉(chen)積在工(gong)件表(biao)(biao)面(mian)，造成工(gong)件表(biao)(biao)面(mian)具有較高(gao)的(de)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值(zhi)。所以減少和(he)細化蒸(zheng)發材(cai)料液(ye)(ye)滴(di)是當(dang)前多弧離(li)子(zi)鍍工(gong)藝的(de)關鍵問題(ti)。
離子鍍(du)(du)除(chu)了具有(you)(you)鍍(du)(du)層結合力強的特點之(zhi)外，還具有(you)(you)如下優點：離子繞射性(xing)強，沒有(you)(you)明顯的方(fang)向性(xing)沉積(ji)，工(gong)件的各(ge)個表面(mian)(mian)都能鍍(du)(du)上(shang)；鍍(du)(du)層均勻性(xing)好，并(bing)且具有(you)(you)較(jiao)高的致(zhi)(zhi)密(mi)度和細的晶粒度，即使經鏡面(mian)(mian)研(yan)磨(mo)過的工(gong)件，進行離子鍍(du)(du)后，表面(mian)(mian)依然光(guang)潔致(zhi)(zhi)密(mi)，無(wu)需(xu)再(zai)作研(yan)磨(mo)。
總之，采(cai)用(yong)PVD技術(shu)可以(yi)在各種材料(liao)上沉積致(zhi)密、光滑、高精(jing)度的(de)化合物（如(ru)TiC、TiN）鍍(du)層(ceng)，所以(yi)十分適合模(mo)具(ju)的(de)表(biao)面熱處(chu)理。目前，應用(yong)PVD法(fa)(fa)沉積TiC、TiN等鍍(du)層(ceng)已(yi)在生產中(zhong)獲(huo)得應用(yong)。例如(ru)Cr12MoV鋼制(zhi)(zhi)油開關精(jing)制(zhi)(zhi)沖模(mo)，經PVD法(fa)(fa)沉積后，表(biao)面硬度為2500～3000HV，摩擦(ca)因數減小(xiao)，抗(kang)粘(zhan)著和抗(kang)咬合性改(gai)善，模(mo)具(ju)原使用(yong)1～3萬次即要刃(ren)磨，經PVD法(fa)(fa)處(chu)理后，使用(yong)10萬次不需刃(ren)磨，尺(chi)寸無(wu)變化，仍可使用(yong)；用(yong)于沖壓和擠壓粘(zhan)性材料(liao)的(de)冷作模(mo)具(ju)，采(cai)用(yong)PVD法(fa)(fa)處(chu)理后，其使用(yong)壽命大為提高，從發展趨勢來看(kan)，PVD法(fa)(fa)將成為模(mo)具(ju)表(biao)面處(chu)理的(de)主要技術(shu)方法(fa)(fa)之一(yi)。表(biao)3-40列出了三種PVD法(fa)(fa)與CVD法(fa)(fa)的(de)特性比(bi)較，供選(xuan)用(yong)時參考。
目(mu)前應(ying)用(yong)PVD法沉積TiC、TiN等(deng)鍍層已(yi)在生產中得(de)到推廣應(ying)用(yong)，同時在TiN基礎上發展(zhan)起來(lai)的(de)多元膜，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等(deng)，性(xing)能優于(yu)TiN，是一(yi)種更(geng)有前途的(de)新型薄膜。
