由于CVD法处理温度太高，零件基体需承受相当高的沉积温度，易产生变形和基体组织变化，导致其力学性能降低，需在CVD沉积后进行热处理，增大了生产成本，因此在应用上受到一定的限制。
PVD以各种物理方法产生的原子或分子沉积在基材上形成外加覆盖层，工件沉积温度一般不超过600℃。不锈钢沉积后通常都无需进行热处理，因而其应用比化学气相沉积广。
物理气相沉积可分为真空蒸镀、阴极溅射和离子镀三类。与CVD法相比，PVD的主要优点是处理温度较低、沉积速度较快、无公害等，因而有很高的实用价值；其不足之处是沉积层与工件的结合力较小，镀层的均匀性稍差。此外，它的设备造价高，操作、维护的技术要求也较高。
一、真空蒸镀
在高真空中使金属、合金或化合物蒸发，然后凝聚在基体表面的方法叫作真空蒸镀。真空蒸镀装置见图3-14。
被沉积的材料（如TiC）置于装有加热系统的坩埚中，被镀基体置于蒸发源前面。当真空度达到0.13Pa时，加热坩埚使材料蒸发，所产生的蒸气以凝集的形式沉积在物体上形成涂层。
基板入槽前要进行充分的清洗，在蒸镀时，一般在基板背面设置一个加热器，使基板保持适当温度，使镀层和基层之间形成薄的扩散层，以增大结合力。
蒸发用热源主要分三类：电阻加热源、电子束加热源和高频感应加热源。最近还采用了激光蒸镀法和离子蒸镀法。
蒸镀过程：
a. 首先对真空装置及被镀零件进行处理，去掉污物、灰尘和油渍等。
b. 把清洗过的零件装入镀槽的支架上。
c. 补足蒸发物质。
d. 抽真空，先用回转泵抽至13.3Pa，再用扩散泵抽至133×10-6Pa。
e. 在高真空下对零件加热，目的是去除水分（150℃）和增加结合力(300~400℃)。
f. 对蒸镀通电加热，达到厚度后停电。
g. 停镀后，需在真空条件下放置15～30min，使之冷却到100℃左右。
h. 关闭真空阀，导入空气，取出模具。
二、阴极溅射
阴极溅射即用荷能粒子轰击某一靶材（阴极），使靶材表面的原子以一定能量逸出，然后在表面沉积的过程。
溅射过程：用沉积的材料（如TiC）作阴极靶，并接入1～3kV的直流负高压，
在真空室内通入压力为0.133～13.3Pa的氩气（作为工作气体）。在电场的作用下，氩气电离后产生的氩离子轰击阴极靶面，溅射出的靶材原子或分子以一定的速度落在工件表面产生沉积，并使工件受热。溅射时工件的温度可达500℃左右。图3-15是阴极溅射系统简图。
当接通高压电源时，阴极发出的电子在电场的作用下会跑向阳极，速度在电场中不断增加。刚离开阴极的电子能量很低，不足以引起气体原子的变化，所以附近为暗区。在稍远的位置，当电子的能力足以使气体原子激发时就产生辉光，形成阴极辉光区。越过这一区域，电子能量进一步增加，就会引起气体原子电离，从而产生大量的离子与低速电子。此过程不发光，这一区域为阴极暗区。低速电子在此后向阳极的运动过程中，也会被加速激发气体原子而发光，形成负辉光区。在负辉光区和阳极之间，还有几个阴暗相同的区域，但它们与溅射离子产生的关系不大，只起导电作用。
溅射下来的材料原子具有10～35eV的功能，比蒸镀时的原子动能大得多，因而溅射膜的结合力也比蒸镀膜大。
溅射性能取决于所用的气体、离子的能量及轰击所用的材料等。离子轰击所产生的投射作用可用于任何类型的材料，难熔材料W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能像低熔点材料一样容易被沉积。溅射出的合金组成常常与靶的成分相当。
溅射的工艺很多，如果按电极的构造及其配置方法进行分类，具有代表性的有：二极溅射、三极溅射、磁控溅射、对置溅射、离子束溅射和吸收溅射等。常用的是磁控溅射，目前已开发了多种磁控溅射装置。
常用的磁控高速溅射方法的工作原理为：用氩气作为工作气体，充氩气后反应室内的压力为2.6～1.3Pa，以欲沉积的金属和化合物为靶（如Ti、TiC、TiN），在靶附近设置与靶平面平行的磁场，另在靶和工件之间设置阳极以防工件过热。磁场导致靶附近等离子密度（即金属离化率）提高，从而提高溅射与沉积速率。
磁控溅射效率高，成膜速度快（可达2μm／min），而且基板温度低。因此，此法适应性广，可沉积纯金属、合金或化合物。例如以钛为靶，引入氮或碳氢化合物气体可分别沉积TiN、TiC等。
三、离子镀
近年来研究开发的离子镀在零件表面强化方面获得应用，效果较显著。所谓离子镀是蒸镀和溅射镀相结合的技术。它既保留了CVD的本质，又具有PVD的优点。离子镀零件具有结合力强、均镀能力好、被镀基体材料和镀层材料可以广泛搭配等优点，因此获得较广泛的应用。图3-16是离子镀系统示意图。
离子镀的基本原理是借助于一种惰性气体的辉光放电使金属或合金蒸气离子化。离子经电场加速而沉积在带负电荷的基体上。惰性气体一般采用氩气，压力为0.133～1.33Pa，两极电压在500～2000V之间。离子镀包括镀膜材料（如TiC、TiN）的受热、蒸发、沉积过程。蒸发的镀膜材料原子在经过辉光区时，一小部分发生电离，并在电场的作用下飞向工件，以几千电子伏的能量射到工件表面，可以打入基体约几纳米的深度，从而大大提高了镀层的结合力。而未经电离的蒸发材料原子直接在工件上沉积成膜。惰性气体离子与镀膜材料离子在基板表面上发生的溅射还可以清除工件表面的污染物，从而改善结合力。
如果提高金属蒸气原子的离子化程度，可以增加镀层的结合力，为此发展了一系列的离子镀设备和方法，如高频离子镀、空心阴极放电离子镀、热阴极离子镀、感应加热离子镀、活性化蒸发离子镀及低压等离子镀等。近年来，多弧离子镀由于设备结构简单、操作方便、镀层均匀、生产率高，而受到人们的重视。其工作原理和特点是：
a. 将被蒸发膜材料制成阴极靶即弧蒸发源，该蒸发源为固态，可在真空内任意方位布置，也可多源联合工作，有利大件镀膜。
b. 弧蒸发源接电源负极，真空室外壳接正极，调整工作电流，靶材表面进行弧光放电，同时蒸发出大量阴极金属蒸气，其中部分发生电离并在基板负偏压的吸引下轰击工件表面，从而起到洁净工件表面的作用和使工件的温度升高达到沉积所需温度。此后，逐渐降低基板负压气化了的靶粒子飞向基板形成镀膜。如果同时通入适当流量的反应气体，即可在工件表面沉积得到化合物膜层。从以上镀膜过程看，弧蒸发源既是蒸发器又是离化源，无需增加辅助离化源，也无需通入惰性气体轰击清洗工件，并且不需要烘烤装置，设备简单、工艺稳定。
c. 多弧离子镀离化率高达60％～90％，有利于改善膜层的质量，特别适用于活性反应沉积化合物膜层。
d. 多弧蒸发源在蒸发阴极材料时，往往有液滴沉积在工件表面，造成工件表面具有较高的表面粗糙度值。所以减少和细化蒸发材料液滴是当前多弧离子镀工艺的关键问题。
离子镀除了具有镀层结合力强的特点之外，还具有如下优点：离子绕射性强，没有明显的方向性沉积，工件的各个表面都能镀上；镀层均匀性好，并且具有较高的致密度和细的晶粒度，即使经镜面研磨过的工件，进行离子镀后，表面依然光洁致密，无需再作研磨。
总之，采用PVD技术可以在各种材料上沉积致密、光滑、高精度的化合物（如TiC、TiN）镀层，所以十分适合模具的表面热处理。目前，应用PVD法沉积TiC、TiN等镀层已在生产中获得应用。例如Cr12MoV钢制油开关精制冲模，经PVD法沉积后，表面硬度为2500～3000HV，摩擦因数减小，抗粘着和抗咬合性改善，模具原使用1～3万次即要刃磨，经PVD法处理后，使用10万次不需刃磨，尺寸无变化，仍可使用；用于冲压和挤压粘性材料的冷作模具，采用PVD法处理后，其使用寿命大为提高，从发展趋势来看，PVD法将成为模具表面处理的主要技术方法之一。表3-40列出了三种PVD法与CVD法的特性比较，供选用时参考。
目前应用PVD法沉积TiC、TiN等镀层已在生产中得到推广应用，同时在TiN基础上发展起来的多元膜，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能优于TiN，是一种更有前途的新型薄膜。
