[科普中国]-无机涂层工艺

制备无机涂层的方法。无机涂层是以金属氧化物、金属间化合物、难熔化合物等无机化合物及金属和合金等为原料，用各种工艺方法加涂在各种结构底材上。典型无机涂层有红外辐射、热控、高温绝缘、热防护、防腐蚀等。在宇航、航空、能源、机械、化工等领域广泛应用。

制备工艺常用的工艺有：①热喷涂。包括火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂及等离子喷涂；②物理气相沉积(PVD)。包括真空蒸发新工艺、磁控溅射、离子镀及分子束外延；③化学气相沉积(CVD)。按反应条件分为常压、低压、低温、金属有机物(MOCVD)、等离子体增强(PECVD)及激光诱导(LCVD)等；④渗涂。可分为填料埋渗、料浆渗、气相渗和熔渗等；⑤溶胶一凝胶(Sol-Gel)；⑥熔烧涂层。⑦电化学。包括阴极化和电镀；⑧无机胶凝粘结(低温烘烤)。⑨放热反应工艺。可按保护涂层或功能涂层的性能要求，考虑介质与压力，结构底材，涂层厚度，使用寿命、储存期等因素选择涂层工艺及其参数。1

常用的涂层原料和气体基本上所有的金属及非金属材料都可以采用PVD涂层的方式进行除层，它可以通过靶材或蒸发源等材料源直接沉积而获得源物质的涂层材料，也可以在此基础上通人其他的反应性气体，并通过反应沉积获得包含源物质成分和反应气体成分的化合物。反应溅射沉积的一个突出问题是“靶材中毒”，但研究表明，当靶材表面原子部分生成复合物，即处于“转变区域”类型时所制备的涂层拥有最佳的性能。目前，硬质合金工具、模具表面的PVD硬质涂层基本上都采用的反应沉积方法获得，根据涂层成分大致可分为以下几类：(1)金属氮化物； (2) 金属碳化物； (3) 金属氧化物；(4) 金属硼化物；(5)其他金属合金及化合物。2

基体表面预处理CVD涂层的温度相对较高( 800~1000℃)，化学键合是涂层与基体结合的主要模式；而PVD涂层沉积过程中的温度一般较低(500℃左右)， 涂层与村底发生化学键合的程度较低，结合主要基于机械结合与物理结合。因而PVD涂层与衬底的结合力较低。

因此在实际的PVD涂层生产中为了保证涂层与基体的良好结合，对于衬底的表面状况和清洁度具有较高的要求，产品在涂层前一般都要求进行超声波清洗和喷砂处理。另外，在硬质合金工具PVD涂层工艺过程中也会增加一道特殊离子的刻蚀阶段，可以采用惰性气体离子，也可以采用金属离子对工件表面进行轰击，改善产品表面状况，进一步提高涂层与基体的结合力。此外，在特殊场合条件下，首先在衬底表面沉积一层薄的特殊的黏结层，然后再沉积功能层，也将有利于涂层与衬底的更好结合。2

涂层在涂层工艺中，主要的工艺参数如温度、压力、反应气体浓度以及气体总流量都需要精确的控制和监测。涂层沉积发生的温度是决定性的因素，沉积温度必须要保证反应在硬质合金基体表面上而不会在气相中发生，同时获得一个适当的显微结构。各工艺参数如基体温度，气体流速，反应器几何形状，气体黏度都会影响边界层的传输形式，这些也影响了沉积涂层的结构和组成成分。工艺过程监测方法被用来控制气体纯度和浓度，出口气体组分，沉积气氛的温度等，监测方式一般分为物理探测和光学仪表分析。2

本词条内容贡献者为:

邱学农 - 副教授 - 济南大学