镀层与基体的结合形式探析

镀层与基体之间的结合强度是衡量镀层体系使用性能的重要指标，镀层与基体界面间的结合机理一直都是表面工程理论研究的一个重要基础；而镀层制备工艺过程的差别，决定了镀层与基体之间界面结合类型出现多种形式，如冶金结合、扩散结合、外延生长、化学键结合、分子键结合、机械结合等^[1]。

（1）冶金结合 当镀层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基体表面向外凝固结晶而形成时，镀层与基体之间的结合就是冶金结合，形成的界面称为冶金结合界面。冶金结合的实质是金属键结合，结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在使用过程中发生剥落。能够获得这种冶金结合的表面工程技术有激光熔覆技术、各种堆焊、热浸镀及喷焊技术等。

（2）扩散结合 两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的结合界面即为扩散结合界面。其特点是覆层与基体之间存在成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。可以获得扩散结合界面的表面工程技术主要为热渗工艺。离子注入工艺获得的界面可以看成扩散结合界面的一种特殊形式，有时也称为“类扩散”界面，因为它是靠高能量的粒子束强行进入基材内部的。

（3）外延生长 当工艺条件合适时，在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面就是外延生长界面。外延生长工艺主要有两类：一种是气相外延，如化学气相沉积技术；另一种是液相外延，如电镀技术等。实际工艺过程中，外延的程度取决于基体或衬底材料与外延层的晶格类型和常数。以电镀为例，在两种金属是同种或晶格常数相差不大的情况下都可以出现外延，外延厚度可为0.1～400nm。由于外延生长界面在覆层与基体或衬底之间的晶体取向一致，因此，两者原则上应有较好的结合强度。但具体的结合强度高低则应该取决于所形成的单晶层与衬底的结合类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。(www.xing528.com)

（4）化学键结合 当镀层与基体材料之间发生化学反应，形成成分固定的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。可以获得化学键结合的表面工程技术主要有物理和化学气相沉积技术、离子注入技术、热扩渗技术、化学转化膜技术、阳极氧化和化学氧化技术等。此外，材料表面发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。化学键结合的优点是结合强度较高；缺点是界面的韧性较差，在冲击载荷或热冲击作用下，容易发生脆性断裂或剥落。

（5）分子键结合 分子键结合界面是指镀（涂）层与基材表面以范德华力结合的界面。这种界面的特征是覆层与基材（或衬底）之间未发生扩散或化学作用。部分物理气相沉积层、涂装技术中有机粘结涂层与基材的结合界面等均属于典型的分子键结合界面。

（6）机械结合 机械结合界面是指覆层与基材之间主要通过两种材料相互镶嵌的机械连接作用而形成的界面。表面工程技术中覆层与基体之间以机械结合方式结合的主要包括热喷涂与包镀技术等。