新型表面功能覆層技術

        一、技術概述  
     新型表面功能覆層技術，包括低溫化學表面涂層技術及超深層表面改性技術，它運用物理、化學或物理化學等技術手段來改變“材料及其制件表面成份和組織結構”，其特點是保持基體材料固有的特征，又賦予表面化所要求的各種性能，從而適應各種技術和服役環(huán)境對材料的特殊要求，因而它是制造和材料學科*為活躍的技術領域，又是涉及表面處理與涂層技術的交叉學科。其*大的優(yōu)勢在于能以極少的材料和能源消耗制備出基體材料難以甚至無法獲得的性能優(yōu)異的表面薄層，從而獲得*大的經(jīng)濟效益，它是一種優(yōu)質(zhì)高效的表面改性與涂層技術。
    優(yōu)質(zhì)、高效的表面改性與涂層技術其范圍廣闊：如熱化學表面技術；物理氣相沉積；化學氣相沉積；物理化學氣相沉積技術；高能等離體表面涂層技術；金剛石薄膜涂層；多元多層復合涂層技術；表面改性及涂層性能預測及剪栽技術；性能測試與壽命評估等等。
    新型低溫化學氣相沉積技術引入等離子體增強技術，使其溫度降至600度以下，獲得硬質(zhì)耐磨涂層新工藝，所生產(chǎn)的高強度、高性能的涂層工藝，在高速、重負荷、難加工領域中有其特殊的作用。
    超深層表面改性技術可應用于絕大多數(shù)熱處理件和表面處理件，可替代高頻淬火，碳氮共滲，離子滲氮等工藝，得到更深的滲層，更高的耐磨性，產(chǎn)品壽命劇增，可產(chǎn)生突破性的功能變化。  
     二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢  
     隨著基礎工業(yè)及高新技術產(chǎn)品的發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)、高效表面改性及涂層技術的需求向縱深延伸，國內(nèi)外在該領域與相關學科相互促進的局勢下，在諸如“熱化學表面改性”、“高能等離子體表面涂層”、“金剛石薄膜涂層技術”以及“表面改性與涂層工藝模擬和性能預測”等方面都有著突破的進展。
    1.熱化學表面改性技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    國外近年來重視對“可控氣氛條件和真空條件下的滲碳，碳氮共滲等技術的研究，并已實現(xiàn)工業(yè)化。而在我國應用很少，相關的技術研究工作亦不夠�？煽貧夥諠B碳和真空滲碳技術是顯著縮短生產(chǎn)周期，節(jié)能、省時，同時可提高工件質(zhì)量，不氧化、不脫碳，保證零件表面耐腐蝕和抗疲勞性，并減少熱處理后機加工余量及清理工時。
    目前國際上碳勢控制和監(jiān)測，滲層布型控制等方面的研究成果已應用于實際生產(chǎn)，并用計算機進行在線動態(tài)控制。
    2.PVD、CVD、PCVD技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    各種氣相沉積是當前世界上著名研究機構和大學競相開展的具有挑戰(zhàn)的性的研究課題。目前該技術在信息、計算機、半導體、光學儀器等產(chǎn)業(yè)及電子元器件、光電子器件、太陽能電池、傳感器件等制造中應用十分廣泛，在機械工業(yè)中，制作硬質(zhì)耐磨鍍層、耐腐蝕鍍層、熱障鍍層及固體潤滑鍍層等方面也有較多的研究和應用，其中TiN等鍍膜刀具的普及已引起切削領域中的一場革命，金剛石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也十分火熱，并已向實用化方面推進。在不同PVD、CVD工藝的基礎上，通過發(fā)展和復合很多新的工藝和設備，如IBAD、PCVD與空心陰極多弧復合離子鍍膜裝置、離子注入與油濺射鍍或蒸鍍的復合裝置、等離子體浸沒式離子注裝置等不斷將該類技術推向新的高度。與國外的發(fā)展相比，我國在上述方面雖研究較多，但水平有較大差異，在實用化方面差距更大。
    3.高能等離子體表面涂層技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    該技術是增加表面物理化學反應，獲取特殊性能覆蓋層。其核心是更有效地增強和控制陰極電弧等離子體的產(chǎn)生和作用，美國、日本、德國大力發(fā)展該技術。等離子體增強電化學表面改性技術，是目前國際上較活躍的開發(fā)研究領域，對于鋁、鈦等材料，通過等離子體調(diào)光放電手段，增強電化學處理效果，在金屬表面上生成致密氧化鋁和其它氧化物陶瓷膜層，可使基體具有極高性能表面，是先進制造工藝的前沿技術，在機加工用刀具和模具行業(yè)也有很了的應用前景。
    4.金剛石薄膜涂層技術
    金剛石具有極好的物理性能，在形狀復雜的刀具、模具、鉆頭等工件表面沉積上一層很薄的金剛石薄膜，可提高工件的使用性能，并滿足一些特殊條件的需求。近年來，由于金剛石薄膜的優(yōu)異性能以及廣泛的應用前景，日本、美國、西歐均進行大量的研究工作，并開發(fā)了多種金剛石涂層工藝技術，已在國內(nèi)外掀起金剛石涂層研究的熱潮。尤其是在提高金剛石涂層和基體結合強度，大面積快速沉積金剛石涂層技術，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)涂層金剛石薄膜設備系統(tǒng)等關鍵技術方面國外已取得突破性進展，美國、瑞典等國已推出金剛石金屬切削工具供應市場，而我國該技術還沒有達到實用水平，急待開發(fā)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
    5.多元多層復合涂層技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    單一的表面涂層不能滿足表面工程設計中苛刻的工況條件，任何表面處理均有其不同的優(yōu)缺點，因為利用不同涂層材料的性能優(yōu)點，在基體表面形成多元多層復合涂層（含萬分漸變的梯度層）具有重大的意義。國外已開展單層涂層厚度為納米級，層數(shù)在100層以上的多元多層復合涂層技術的研究，所制備的涂層具有較高的耐腐性、韌性和強度，和基體的結合強度也好，表面粗糙度低，這對直精高速工削機械加工十人有利。國外已列入主要發(fā)展方面，予計在納米級精細涂層材料研究和應用領域會有新的突破。因為復合涂層技術具有抗磨損、抗高溫氧化腐蝕、隔熱等功能，能擴大涂層制品使用范圍，延長使用壽命，是一項在下一世紀會得到迅速發(fā)展的技術。我國目前已開始研究，并取得初步成果，但還存在一些問題有待于解決。
    6.表面改性與涂層工藝模擬和性能預測的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    表面改性與涂層技術作為表面工程的重要組成部分，已經(jīng)滲透到傳統(tǒng)工業(yè)與高新技術產(chǎn)業(yè)部門，根據(jù)應用的要求反過來又促進表面功能覆層技術的進一步發(fā)展。根據(jù)使用要求，對材料表面進行設計、對表面性能參數(shù)進行剪裁，使之符合特定要求，并進一步實現(xiàn)對表面覆蓋層的組織結構和性能和預測等，已成為該領域重要研究方向。國外已對CVD、PVD以及其它表面改性方法開展計算機模擬研究，針對CVD過程進行模擬，采用宏觀和微觀多層次模型，對工藝和涂層各種性能和基體的結合力進行模擬和預測；對滲碳，滲氮工件滲層性能應力等進行計算機模擬等等，人們可以更好地控制和優(yōu)化工藝過程。我國這方面的研究剛處地超步階段。  
     三、“十五”目標及主要研究內(nèi)容  
     1.目標
    根據(jù)國內(nèi)外表面功能覆層技術的發(fā)展，結合機械工業(yè)的需求與現(xiàn)狀，為國家重大工程、重大技術裝備研究開發(fā)一批先進適用的表面功能覆層關鍵技術。
    2.主要研究內(nèi)容：
    （1）新型低溫氣相沉積技術及裝備研究
    研制新型磁控濺射、離子鍍膜、PCVD設備及其復合裝備，并實現(xiàn)工藝過程的自動控制。加強成膜、膜基結合機理的研究，降低制膜溫度，優(yōu)化反應過程及工藝參數(shù)，合成各種耐磨、抗蝕的新優(yōu)質(zhì)鍍層。重點解決國家安全及支柱產(chǎn)業(yè)急需解決的表面工程技術難題，力爭形成創(chuàng)新性科技成果，促進通用機械、閥門、冷作模具、高溫模具等行業(yè)的技術進步。
    （2）納米級多無多層復合涂層材料及工藝技術研究
    跟蹤國際先進水平，研究50層以上納米級復合涂層技術及材料，包括納米級多層多元復合涂層材料重組、結構、厚度、層數(shù)的綜合設計，以及涂層材料的微觀組織結構及制備工藝技術研究。
    （3）表面涂層工藝及質(zhì)量的數(shù)值模擬及優(yōu)化控制的研究與工發(fā)
    著重對熱化學表面改性過程以及PVD和CVD沉積技術進行工藝模擬及優(yōu)化研究。建立數(shù)學模型和算法，開發(fā)出相應計算機軟件系統(tǒng)來指導和分析表面改性和涂層工藝過程的設計，并預測表面性能和服役壽命。
    （4）金剛石薄膜涂層技術
    開展大面積、快速、高質(zhì)量金剛石薄膜涂層工藝技術及涂層刀具產(chǎn)業(yè)化技術研究，以涂層質(zhì)量好，均勻一致性能穩(wěn)定可靠為研究重點，提高金剛石涂層沉積速率，完成相應設備的設計、制造，同時開發(fā)金剛石薄膜涂層刀片、硬質(zhì)合金鉆頭等刀具，使壽命提高10倍，并用于汽車等工業(yè)。