Zhang Dongbo, Song Guanyu, Xue Zhiyong, Jia Long, Xu Gang. NiAlHf
Coating on TiAl Substrate Prepared by EB-PVD. Rare Metal Materials
and Engineering, 2014,43(11): 2657-2662.
前言
电子束物理气相沉积方法（EB-PVD）的优点的是，由于涂层是由柱状结构体构成，所以具有良好的应变力和耐热冲击行为。通过在真空中进行EB-PVD制备涂层具有良好的表面粗糙度，以确保涂层中含最少的氧气。因此，对于涂层制备EB-PVD技术是一种很好的方法。
在这项研究中，首先通过EB-PVD在TiAl基片制备NiAlHf涂层。然后研究了TiAl基体的NiAlHf涂层在高温氧化后涂层和基片之间界面的氧化行为，表面特征和扩散原理。结果表明，NiAlHf涂层显示出良好的高温抗氧化性。
实验
在本研究中，TiAl合金基底试样的尺寸为直径6mm，长度8mm。NiAlHf涂层具有大约重量0.1％的Hf，由EB-PVD在TiAl合金基体制备了大约40微米厚度的涂层。沉积之前，衬底样品通过不同规格的研磨球研磨，然后分别用丙酮和乙醇在超声中清洗。将样品固定在EB-PVD设备中的样品架上。以3×10 -3 Pa的真空度，0.3微米/分钟的沉积速率进行沉积。为了提高界面间的附着力，将NiAlHf涂层的样品在10-3 Pa的大气压下以1050℃下退火2小时，退火速率为10℃/
min。
实验分析 在基板温度为850℃下时，以EB-PVD沉积的NiAlHf涂层具有柱状结构。柱状晶体中有许多氧气扩散路径，所以NiAlHf涂层的抗氧化性能不是很好。与涂层的样品的质量增益曲线比无涂层的低。经过30小时高温氧化，元素在涂层扩散和氧扩散的路径消失。柱状晶粒长大和Al2 O3膜在30小时的高温氧化下形成，因而样品的耐氧化性能增强。随着温度的升高，所有样品质量增益都增加。但是可以看出涂层的样品比无涂层样品质量收益增加缓慢，所以NiAlHf涂层的抗氧化性能要优于无涂层的样品。NiAlHf涂层的样品经过150h氧化后质量增益曲线上升。由于高温，某些因素可能影响涂层的抗氧化性能。当温度为1000℃，出现边缘效应，氧元素将直接进入到涂层，这解释了氧化质量增益上升。然而，质量增益曲线也表现出一定的波动，这被认为是在观察测量误差。 TiAl合金基底的质量增益曲线在约100
薄膜生长与薄膜结构
1、概述
“薄膜”很难用一句话来定义。为了与厚膜相区别，一般认为厚度小于1μm的膜称为薄膜。另外针对于薄膜的生长过程和形态，人们对于薄膜的认知也不同，比如在成膜初期的岛状不连续构造，很多人不认为是薄膜。
薄膜（film）材料和块体（bulk）材料有很多的不同。首先薄膜生长伴随着温度的急剧变化，内部会存在大量的缺陷；其次，薄膜的厚度与表面尺寸相比相差甚远，可以看成二维结构，表面效应非常强。
薄膜的最终性能与薄膜的生长过程密切相关。从微观角度看，入射到基板或薄膜表面的气相原子，一部分被反射回去，一部分被表面捕获吸附后吸收能量再蒸发出去，一部分被表面捕获吸附后凝结成核，逐渐长大，最终形成连续的膜层。下面将详细分析薄膜的生长过程。
2、吸附
材料表面是一种特殊的状态，从结构方面讲，这里存在原子或分子间结合键的中断，因此具有吸引外来原子或分子的能力；从能量方面来讲，这里具有一种较高的能量：表面自由能，只有吸附了气相原子之后，自由能才会减小，从而变得稳定。这种气相原子被吸引住的现象称为吸附，伴随吸附现象的发生而释放的能量称为吸附能。
入射到基板表面的原子可能会发生三种现象：
1、与基板表面进行能量交换被吸附；
2、吸附后在基板表面做短暂停留，能量过大或吸收能量后再次蒸发；
3、直接被基板表面反弹回去。
用溅射法制备薄膜时，入射到基板表面的气相原子，绝大多数都与基板表面原子进行能量交换而被吸附。如果吸附仅仅是由原子电偶极矩间的范德华力起作用，则称为物理吸附，比如冬天窗户上形成的雾状水气；如果吸附是由化学键结合力起作用，则称为化学吸附，比如当前研究比较热的纳米氧化层。
作为实际问题，使用何种材料，进行什么处理，在真空容器内发生哪种吸附，效果怎么样，这些还不能简单说清楚，特别是表面状态不能保持一定，越发使问题复杂化。到现在为止，这方面的研究还不多。在薄膜制造中，如果我们想要获得新材料，那么可以积极利用这种吸附情况；如果我们想得到清洁的纯膜，那么这种吸附会引起麻烦。
溶剂法成膜
溶剂法成膜是一种常见的薄膜制备方法，通过将溶解了高分子材料的溶液涂布在基材上，然后通过溶剂的挥发使溶液中的高分子材料形成均匀的薄膜。
溶剂法成膜的步骤一般包括以下几个过程：
1. 选择适当的高分子材料和溶剂，并将高分子材料溶解在溶剂中。溶剂的选择通常需要考虑高分子材料的溶解度、挥发性和安全性等因素。
2. 将溶液涂布在基材上，可以通过多种方法进行涂布，如刷涂、喷涂、浸涂等。
3. 溶剂开始挥发，使溶液中的高分子材料逐渐凝聚形成薄膜。在这个过程中，溶剂的挥发速度和涂布的均匀性会影响薄膜的质量和厚度。
4. 当溶剂完全挥发后，薄膜形成并附着在基材上。此时可以进行后续的处理，如烘干、烧结、交联等，以增强薄膜的性能。
溶剂法成膜具有简单、经济、适用范围广等优点，被广泛应用于膜材料、涂层和电子器件等领域。但同时也存在溶剂挥发带来的环境污染和溶剂残留的问题，近年来研究者也在探索无溶剂或低溶剂的成膜方法。
第七章 薄膜的形成
薄膜结构和性能的差异与薄膜形成过程中的许多因素密切相关。因此，在讨论薄膜结构和性能之前，先研究薄膜的形成问题。虽然薄膜的制备方法有许多种类，薄膜形成的机制各不相同，但是在许多方面，还是具有其共性特点。在本章中，我们以真空蒸发薄膜的形成为例进行重点讨论。
§7-l 凝结过程
薄膜的形成一般分为凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。凝结过程是薄膜形成的第一阶段。
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。
一、吸附过程
一个气相原子入射到基体表面上，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。
固体表面与体内在晶体结构上一个重大差异就是原子或分子间的结合化学键中断。原子或分子在固体表面形成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键。这种键具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基体表面的气相原子被这种悬挂键吸引住的现象称为吸附。如果吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起作用称为物理吸附；若吸附是由化学键结合力起作用则称为化学吸附。
固体表面的这种特殊状态使它具有一种过量的能量称为表面自由能。吸附现象使表面自由能减小。伴随吸附现象的发生而释放的一定的能量称为吸附能。将吸附在固体表面上的气相原子除掉称为解吸，除掉被吸附气相原子的能量称为解吸能。因为从蒸发源入射到基体表面的气相原子都有一定的能量。它们到达基片表面之后可能发生三种现象；
（1）与基体表面原子进行能量交换被吸附；
（2）吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸蒸发（再蒸发或二次蒸发）；
（3）与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射回去。
用真空蒸发法制备薄膜时，入射到基体表面上的气相原子中的绝大多数都与基体表面原子进行能量交换形成吸附。
将吸附过程用能量关系表示时可由图7-1说明。当入射到基体表面的气相原子动能较小时，处于物理吸附状态，其吸附能用Qp表示。当这种气相原子动能较大但小于或等于Ea时则可产生化学吸附。达到完全化学吸附，这种气相原子所具有的动能必须达到吸附能Ed的数量。Ed与Ea的差值Qe称为化学吸附热，Ea称为激活能。由此可以看出，化学吸附是一种激活过程。因为Qc大于Qp，所以只有动能较大的气相原子才能和基体表面产生化学吸附。当这种气相原子具有的动能大于Ed时，它将不被基体表面吸附，通过再蒸发或解吸而转变为气相。因此Ed又称为解吸能。
