简而言之，物理气相沉积（PVD）利用三种材料的组合：被涂覆的物体（基材）、被沉积的固体材料（靶材）以及真空腔内使用的气体。常见的基材包括钢、钛和ABS塑料，而常见的靶材是钛、锆和金等金属。氮气和氧气等气体用于与靶材反应，形成最终的耐用涂层。
需要掌握的核心原则是，PVD不是单一材料，而是一个系统。涂层部件的最终性能——其硬度、颜色和耐腐蚀性——是所选基材、汽化的靶材和腔室中反应性气体之间相互作用的直接结果。
PVD中的三种核心材料类型
要理解PVD，您必须从三种不同的角色来思考。每种材料的选择都是为了达到最终目标。
基材（基础）
基材是接受涂层的工作件或部件。主要要求是它必须与真空兼容，这意味着它不会释放会污染过程的气体。
常见的基材包括：
- 钢：特别是工具钢、高速钢和不锈钢等高合金系列。
- 有色金属：钛、铝、铜及其合金经常使用。
- 硬质合金：碳化钨等材料从PVD的耐磨性中受益匪浅。
- 电镀或处理过的材料：黄铜或锌等基材通常预先电镀镍和铬，使其适合PVD。
- 其他材料：某些聚合物，如ABS塑料，甚至玻璃，在经过适当的表面处理后也可以进行涂覆。
靶材（涂层来源）
靶材是高纯度固体材料块，在真空腔内通过能量源（如电弧或溅射枪）汽化。这种蒸汽会移动并沉积到基材上。
流行的靶材包括：
- 钛（Ti）：用途极其广泛，广泛用于制造金黄色（TiN）或灰色（TiCN）硬涂层。
- 锆（Zr）：常用于生产浅黄色或黄铜色外观的涂层（ZrN）。
- 铬（Cr）：硬质、耐腐蚀和装饰性银色涂层的标准材料。
- 金（Au）：对于需要真金饰面的应用，可以使用9k至24k金的靶材。
工艺气体（改性剂）
将气体引入腔室以促进工艺或与汽化的靶材发生化学反应。
- 惰性气体：几乎总是使用氩气（Ar）。它被轰击到靶材上以剥离原子（溅射），并有助于维持腔室中的等离子体而不发生化学反应。
- 反应性气体：这些气体与金属蒸汽结合，在基材表面形成新的陶瓷化合物。这是创建特定性能的关键。
- 氮气（N₂）：与金属蒸汽反应形成硬质氮化物（例如，氮化钛，TiN）。
- 氧气（O₂）：产生高度稳定和耐腐蚀的氧化物。
- 碳氢化合物气体（例如，乙炔，C₂H₂）：引入碳以形成极硬的碳氮化物（例如，TiCN）或类金刚石碳（DLC）涂层。
材料如何决定结果
基材、靶材和气体的组合是为实现特定结果而设计的精确配方。
用于硬度和耐磨性
这里的目标是形成坚硬的陶瓷层。例如，钛靶材与氮气结合沉积氮化钛（TiN）涂层。当应用于Ti-6Al-4V合金基材时，这种涂层可以显著提高零件的疲劳极限和耐久性。
用于装饰性颜色和饰面
颜色是所形成化合物的直接功能。通过改变反应气体或靶材，可以获得广泛的调色板。
- 氮化钛（TiN）产生经典的金色。
- 氮化锆（ZrN）产生浅黄铜色或香槟金色。
- 碳氮化钛（TiCN）可以从蓝灰色到现代玫瑰金，具体取决于气体混合物。
用于耐腐蚀和耐化学性
氧化物和氮化物等涂层在基材和环境之间形成致密、非反应性的屏障。这就是为什么PVD涂层不锈钢或钛部件具有卓越的防锈、防变色和耐化学侵蚀能力。
理解权衡和限制
虽然PVD功能强大，但它并非万能解决方案。材料限制至关重要。
真空兼容性规则
这是最重要的限制。在真空中“放气”的材料不适用，因为它们会污染腔室并破坏涂层。
- 镀锌材料（镀锌）通常不使用，因为锌会在低温下汽化。
- 生黄铜也可能放气，这就是为什么它在PVD应用之前几乎总是电镀一层镍铬阻挡层。
通常需要预处理
某些材料，如前面提到的黄铜或塑料，不能直接涂覆。它们需要中间层，通常是电镀镍和/或铬，以提供稳定、真空兼容的表面，以便PVD涂层附着。
涂层是表面，而不是整体变化
PVD形成一层极其坚硬的薄膜，但它完全依赖于底层基材的强度。如果零件本身在负载下变形，软基材上的硬涂层可能会开裂或失效。基材必须足够坚固，以适应预期的应用。
为您的应用做出正确选择
选择合适的材料就是将其与您的主要目标相匹配。
- 如果您的主要重点是极致的耐用性和耐磨性：选择在工具钢或钛合金等高强度基材上的氮化物或碳氮化物涂层（来自Ti、Cr或Zr靶材）。
- 如果您的主要重点是特定的装饰颜色：根据所需的色调选择您的靶材和反应气体，并将其应用于具有良好表面光洁度的基材，如抛光不锈钢或镀镍铬零件。
- 如果您的主要重点是生物相容性和耐腐蚀性：在医用级不锈钢或钛基材上使用钛或锆基涂层，以创建安全、惰性的表面。
最终，理解基材、靶材和气体之间的相互作用是释放PVD技术在您的项目中全部潜力的关键。
总结表：
| 材料类型 | 主要示例 | 主要功能 |
|---|---|---|
| 基材 | 钢、钛、ABS塑料 | 接受涂层的基本部件 |
| 靶材 | 钛、锆、金 | 汽化形成涂层的源材料 |
| 气体 | 氮气、氧气、氩气 | 与靶材蒸汽反应，形成最终涂层性能 |
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