新型表面功能覆层技术现状及发展趋势

一、技术概述 新型表面功能覆层技术，包括低温化学表面涂层技术及超深层表面改性技术，它运用物理、化学或物理化学等技术手段来改变“材料及其制件表面成份和组织结构”，其特点是保持基体材料固有的特征，又赋予表面化所要求的各种性能，从而适应各种技术和服役环境对材料的特殊要求，因而它是制造和材料学科最为活跃的技术领域，又是涉及表面处理与涂层技术的交叉学科。其最大的优势在于能以极少的材料和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层，从而获得最大的经济效益，它是一种优质高效的表面改性与涂层技术。 优质、高效的表面改性与涂层技术其范围广阔：如热化学表面技术；物理气相沉积；化学气相沉积；物理化学气相沉积技术；高能等离体表面涂层技术；金刚石薄膜涂层；多元多层复合涂层技术；表面改性及涂层性能预测及剪栽技术；性能测试与寿命评估等等。 新型低温化学气相沉积技术引入等离子体增强技术，使其温度降至600度以下，获得硬质耐磨涂层新工艺，所生产的高强度、高性能的涂层工艺，在高速、重负荷、难加工领域中有其特殊的作用。 超深层表面改性技术可应用于绝大多数热处理件和表面处理件，可替代高频淬火，碳氮共渗，离子渗氮等工艺，得到更深的渗层，更高的耐磨性，产品寿命剧增，可产生突破性的功能变化。 二、现状及国内外发展趋势 随着基础工业及高新技术产品的发展，对优质、高效表面改性及涂层技术的需求向纵深延伸，国内外在该领域与相关学科相互促进的局势下，在诸如“热化学表面改性”、“高能等离子体表面涂层”、“金刚石薄膜涂层技术”以及“表面改性与涂层工艺模拟和性能预测”等方面都有着突破的进展。 1.热化学表面改性技术现状及发展趋势 国外近年来重视对“可控气氛条件和真空条件下的渗碳，碳氮共渗等技术的研究，并已实现工业化。而在我国应用很少，相关的技术研究工作亦不够。可控气氛渗碳和真空渗碳技术是显著缩短生产周期，节能、省时，同时可提高工件质量，不氧化、不脱碳，保证零件表面耐腐蚀和抗疲劳性，并减少热处理后机加工余量及清理工时。 目前国际上碳势控制和监测，渗层布型控制等方面的研究成果已应用于实际生产，并用计算机进行在线动态控制。 2.PVD、CVD、PCVD技术现状及发展趋势 各种气相沉积是当前世界上著名研究机构和大学竞相开展的具有挑战的性的研究课题。目前该技术在信息、计算机、半导体、光学仪器等产业及电子元器件、光电子器件、太阳能电池、传感器件等制造中应用十分广泛，在机械工业中，制作硬质耐磨镀层、耐腐蚀镀层、热障镀层及固体润滑镀层等方面也有较多的研究和应用，其中TiN等镀膜刀具的普及已引起切削领域中的一场革命，金刚石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也十分火热，并已向实用化方面推进。在不同PVD、CVD工艺的基础上，通过发展和复合很多新的工艺和设备，如IBAD、PCVD与空心阴极多弧复合离子镀膜装置、离子注入与油溅射镀或蒸镀的复合装置、等离子体浸没式离子注装置等不断将该类技术推向新的高度。与国外的发展相比，我国在上述方面虽研究较多，但水平有较大差异，在实用化方面差距更大。 3.高能等离子体表面涂层技术现状及发展趋势 该技术是增加表面物理化学反应，获取特殊性能覆盖层。其核心是更有效地增强和控制阴极电弧等离子体的产生和作用，美国、日本、德国大力发展该技术。等离子体增强电化学表面改性技术，是目前国际上较活跃的开发研究领域，对于铝、钛等材料，通过等离子体调光放电手段，增强电化学处理效果，在金属表面上生成致密氧化铝和其它氧化物陶瓷膜层，可使基体具有极高性能表面，是先进制造工艺的前沿技术，在机加工用刀具和模具行业也有很了的应用前景。 4.金刚石薄膜涂层技术 金刚石具有极好的物理性能，在形状复杂的刀具、模具、钻头等工件表面沉积上一层很薄的金刚石薄膜，可提高工件的使用性能，并满足一些特殊条件的需求。近年来，由于金刚石薄膜的优异性能以及广泛的应用前景，日本、美国、西欧均进行大量的研究工作，并开发了多种金刚石涂层工艺技术，已在国内外掀起金刚石涂层研究的热潮。尤其是在提高金刚石涂层和基体结合强度，大面积快速沉积金刚石涂层技术，产业化生产涂层金刚石薄膜设备系统等关键技术方面国外已取得突破性进展，美国、瑞典等国已推出金刚石金属切削工具供应市场，而我国该技术还没有达到实用水平，急待开发并实现产业化。 5.多元多层复合涂层技术的现状及发展趋势 单一的表面涂层不能满足表面工程设计中苛刻的工况条件，任何表面处理均有其不同的优缺点，因为利用不同涂层材料的性能优点，在基体表面形成多元多层复合涂层（含万分渐变的梯度层）具有重大的意义。国外已开展单层涂层厚度为纳米级，层数在100层以上的多元多层复合涂层技术的研究，所制备的涂层具有较高的耐腐性、韧性和强度，和基体的结合强度也好，表面粗糙度低，这对直精高速工削机械加工十人有利。国外已列入主要发展方面，予计在纳米级精细涂层材料研究和应用领域会有新的突破。因为复合涂层技术具有抗磨损、抗高温氧化腐蚀、隔热等功能，能扩大涂层制品使用范围，延长使用寿命，是一项在下一世纪会得到迅速发展的技术。我国目前已开始研究，并取得初步成果，但还存在一些问题有待于解决。 6.表面改性与涂层工艺模拟和性能预测的现状及发展趋势 表面改性与涂层技术作为表面工程的重要组成部分，已经渗透到传统工业与高新技术产业部门，根据应用的要求反过来又促进表面功能覆层技术的进一步发展。根据使用要求，对材料表面进行设计、对表面性能参数进行剪裁，使之符合特定要求，并进一步实现对表面覆盖层的组织结构和性能和预测等，已成为该领域重要研究方向。国外已对CVD、PVD以及其它表面改性方法开展计算机模拟研究，针对CVD过程进行模拟，采用宏观和微观多层次模型，对工艺和涂层各种性能和基体的结合力进行模拟和预测；对渗碳，渗氮工件渗层性能应力等进行计算机模拟等等，人们可以更好地控制和优化工艺过程。我国这方面的研究刚处地超步阶段。 三、“十五”目标及主要研究内容 1.目标 根据国内外表面功能覆层技术的发展，结合机械工业的需求与现状，为国家重大工程、重大技术装备研究开发一批先进适用的表面功能覆层关键技术。 2.主要研究内容： （1）新型低温气相沉积技术及装备研究 研制新型磁控溅射、离子镀膜、PCVD设备及其复合装备，并实现工艺过程的自动控制。加强成膜、膜基结合机理的研究，降低制膜温度，优化反应过程及工艺参数，合成各种耐磨、抗蚀的新优质镀层。重点解决国家安全及支柱产业急需解决的表面工程技术难题，力争形成创新性科技成果，促进通用机械、阀门、冷作模具、高温模具等行业的技术进步。 （2）纳米级多无多层复合涂层材料及工艺技术研究 跟踪国际先进水平，研究50层以上纳米级复合涂层技术及材料，包括纳米级多层多元复合涂层材料重组、结构、厚度、层数的综合设计，以及涂层材料的微观组织结构及制备工艺技术研究。 （3）表面涂层工艺及质量的数值模拟及优化控制的研究与工发 着重对热化学表面改性过程以及PVD和CVD沉积技术进行工艺模拟及优化研究。建立数学模型和算法，开发出相应计算机软件系统来指导和分析表面改性和涂层工艺过程的设计，并预测表面性能和服役寿命。 （4）金刚石薄膜涂层技术 开展大面积、快速、高质量金刚石薄膜涂层工艺技术及涂层刀具产业化技术研究，以涂层质量好，均匀一致性能稳定可靠为研究重点，提高金刚石涂层沉积速率，完成相应设备的设计、制造，同时开发金刚石薄膜涂层刀片、硬质合金钻头等刀具，使寿命提高10倍，并用于汽车等工业。