物理气相沉积技术简介

物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）技术是利用蒸汽或溅射等物理形式把金属从靶源移走，然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸汽离子沉积到基片或零件的表面形成膜层，这就涉及在某一基体上从气相沉积原子或分子。该工艺包括真空沉积、溅射沉积、离子镀、脉冲激光沉积及扩散沉积。

PVD工艺在镁表面精饰方面的作用可分为两部分：耐磨、耐蚀保护膜层的沉积和具有独特耐蚀性的块状镁合金的制备。

镁基体的PVD膜层需要面对一些挑战：沉积温度必须低于镁合金的稳定温度（180℃），而且在该低温下必须具有良好的附着力和良好的耐蚀性。对于大部分PVD工艺，基体温度必须在400～500℃，然而在沉积期间通过采用脉冲偏压可以显著降低沉积温度。

采用PVD工艺在AZ91镁合金上制备的TiN膜层附着力好且无孔隙。通过引入化学镀Ni-P中间层，这些样品的承载能力可以显著改善。在AZ91D镁合金上物理气相沉积Cr和CrN的多层膜层，这些膜层具有良好的附着力和耐磨性能，但由于在膜层中存在孔隙，因而耐蚀性较差。与单层Cr层和单层CrN层相比，Cr和CrN多层膜的耐蚀性略有增加。还有一种方法就是用纯镁和镁合金来沉积涂覆到镁合金上，这样膜层的耐蚀性提高，这是由于在合金中降低了引起电偶腐蚀的其他合金元素。表6-21所列为不同合金在质量分数1%的NaCl溶液中进行浸泡试验后的失重结果以及AZ31合金样品用纯镁涂覆后的失重结果。

表6-21 不同合金在质量分数1%的NaCl溶液中进行浸泡试验后的失重结果 以及AZ31合金样品用纯镁涂覆后的失重结果

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用纯镁膜层所获得的腐蚀保护性能与AZ91和6N-Mg镁合金的耐蚀性相当。在AZ31基体上用PVD法沉积3N或AZ91镁合金的微结构，用原子力显微镜确定沉积膜层是由多面体镁颗粒组成的，这些颗粒在沉积的初始阶段是以孤立态的形式存在的，而后随着沉积的进行长大并覆盖表面。尽管由于在表面形成Mg（OH）2导致某种均质腐蚀而产生轻微的颗粒鼓泡，但是在质量分数1%的NaCl溶液中，在这些试样上未观察到非均质腐蚀。

采用PVD-PLD工艺在镁基体上涂覆钛和钛合金材料。聚焦的激光束被用于加热和汽化钛和钛合金靶材，靶材蒸汽沉积在镁或镁合金基体上形成一层薄膜。该技术的缺点之一是其必须在低压（10^-6～10^-8Torr^[1]）条件下完成，而且也是一种存在遮蔽效应的工艺。

另一种由Daimler Chrysler公司发明的专利工艺描述了一种在镁材上制备耐蚀膜层的工艺，该专利所描述的腐蚀保护层可以通过火焰喷涂、等离子体喷涂或溅射获得。通过在浇注镁之前涂覆铸造模具，通过共挤出法（Co-extrusion）或电镀都可以在镁材的某一表面区域形成膜层。被保护的镁材是不含铁、镍或铜的高纯镁材。膜层由一种含有钛、锆或镁做基体再添加一定金属添加剂的合金组成。添加剂由碱金属、碱土金属、稀土金属和钇组成，金属来自周期表中第Ⅳ或更高周期的ⅡA～ⅤA主族的金属和锰。碱金属、碱土金属、稀土金属和钇具有比镁更低的静电位，因此可以做阴极保护下面的金属不被腐蚀；来自周期表中第Ⅳ或更高周期的ⅡA～ⅤA主族的金属和锰具有高的析氢过电位，通过使阴极半反应中毒而保护金属镁。腐蚀保护层的厚度至少应为0.2mm才有效。该专利给出了在AM50A镁合金和Mg-Mn、Mg-Pb、Mg-In样品之间测量负接触电流密度的例子的位置。

将多层材料用作轻金属上的耐摩擦、耐冲蚀和耐磨损的涂层材料。这种涂层包括沉积有Cr、Nb、Ni、Ti、Zr，它们的氮化物和碳化物或C和N在这些金属中的固溶体组成的一种中间层，这种中间层可以由单层或厚度分别为0.5～60μm的几层组成，最后一层是厚度为5～60μm的钨基涂层，如W、WC、WN和钨合金。