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表面功能覆層技術(shù)

一、技術(shù)概述

      新型表面功能覆層技術(shù)，包括低溫化學(xué)表面涂層技術(shù)及超深層表面改性技術(shù)，它運(yùn)用物理、化學(xué)或物理化學(xué)等技術(shù)手段來(lái)改變“材料及其制件表面成份和組織結(jié)構(gòu)”，其特點(diǎn)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(yīng)各種技術(shù)和服役環(huán)境對(duì)材料的特殊要求，因而它是制造和材料學(xué)科最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域，又是涉及表面處理與涂層技術(shù)的交叉學(xué)科。其最大的優(yōu)勢(shì)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(wú)法獲得的性能優(yōu)異的表面薄層，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，它是一種優(yōu)質(zhì)高效的表面改性與涂層技術(shù)。

      優(yōu)質(zhì)、高效的表面改性與涂層技術(shù)其范圍廣闊：如熱化學(xué)表面技術(shù)；物理氣相沉積；化學(xué)氣相沉積；物理化學(xué)氣相沉積技術(shù)；高能等離體表面涂層技術(shù)；金剛石薄膜涂層；多元多層復(fù)合涂層技術(shù)；表面改性及涂層性能預(yù)測(cè)及剪栽技術(shù)；性能測(cè)試與壽命評(píng)估等等。

      新型低溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)引入等離子體增強(qiáng)技術(shù)，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(qiáng)度、高性能的涂層工藝，在高速、重負(fù)荷、難加工領(lǐng)域中有其特殊的作用。

      超深層表面改性技術(shù)可應(yīng)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(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

      隨著基礎(chǔ)工業(yè)及高新技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)、高效表面改性及涂層技術(shù)的需求向縱深延伸，國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域與相關(guān)學(xué)科相互促進(jìn)的局勢(shì)下，在諸如“熱化學(xué)表面改性”、“高能等離子體表面涂層”、“金剛石薄膜涂層技術(shù)”以及“表面改性與涂層工藝模擬和性能預(yù)測(cè)”等方面都有著突破的進(jìn)展。

1.熱化學(xué)表面改性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

      國(guó)外近年來(lái)重視對(duì)“可控氣氛條件和真空條件下的滲碳，碳氮共滲等技術(shù)的研究，并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。而在我國(guó)應(yīng)用很少，相關(guān)的技術(shù)研究工作亦不夠�？煽貧夥諠B碳和真空滲碳技術(shù)是顯著縮短生產(chǎn)周期，節(jié)能、省時(shí)，同時(shí)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(jī)加工余量及清理工時(shí)。

目前國(guó)際上碳勢(shì)控制和監(jiān)測(cè)，滲層布型控制等方面的研究成果已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)控制。www.mczpk.cn

2.PVD、CVD、PCVD技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

      各種氣相沉積是當(dāng)前世界上著名研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)競(jìng)相開(kāi)展的具有挑戰(zhàn)的性的研究課題。目前該技術(shù)在信息、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、光學(xué)儀器等產(chǎn)業(yè)及電子元器件、光電子器件、太陽(yáng)能電池、傳感器件等制造中應(yīng)用十分廣泛，在機(jī)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(rùn)滑鍍層等方面也有較多的研究和應(yīng)用，其中TiN等鍍膜刀具的普及已引起切削領(lǐng)域中的一場(chǎng)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?qū)嵱没�方面推進(jìn)。在不同PVD、CVD工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)發(fā)展和復(fù)合很多新的工藝和設(shè)備，如IBAD、PCVD與空心陰極多弧復(fù)合離子鍍膜裝置、離子注入與油濺射鍍或蒸鍍的復(fù)合裝置、等離子體浸沒(méi)式離子注裝置等不斷將該類技術(shù)推向新的高度。與國(guó)外的發(fā)展相比，我國(guó)在上述方面雖研究較多，但水平有較大差異，在實(shí)用化方面差距更大。

3.高能等離子體表面涂層技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

      該技術(shù)是增加表面物理化學(xué)反應(yīng)，獲取特殊性能覆蓋層。其核心是更有效地增強(qiáng)和控制陰極電弧等離子體的產(chǎn)生和作用，美國(guó)、日本、德國(guó)大力發(fā)展該技術(shù)。等離子體增強(qiáng)電化學(xué)表面改性技術(shù)，是目前國(guó)際上較活躍的開(kāi)發(fā)研究領(lǐng)域，對(duì)于鋁、鈦等材料，通過(guò)等離子體調(diào)光放電手段，增強(qiáng)電化學(xué)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(jìn)制造工藝的前沿技術(shù)，在機(jī)加工用刀具和模具行業(yè)也有很了的應(yīng)用前景。

4.金剛石薄膜涂層技術(shù)

      金剛石具有極好的物理性能，在形狀復(fù)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(lái)，由于金剛石薄膜的優(yōu)異性能以及廣泛的應(yīng)用前景，日本、美國(guó)、西歐均進(jìn)行大量的研究工作，并開(kāi)發(fā)了多種金剛石涂層工藝技術(shù)，已在國(guó)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(jié)合強(qiáng)度，大面積快速沉積金剛石涂層技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)涂層金剛石薄膜設(shè)備系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面國(guó)外已取得突破性進(jìn)展，美國(guó)、瑞典等國(guó)已推出金剛石金屬切削工具供應(yīng)市場(chǎng)，而我國(guó)該技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用水平，急待開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

5.多元多層復(fù)合涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

      單一的表面涂層不能滿足表面工程設(shè)計(jì)中苛刻的工況條件，任何表面處理均有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因?yàn)槔�用不同涂層材料的性能�?yōu)點(diǎn)，在基體表面形成多元多層復(fù)合涂層（含萬(wàn)分漸變的梯度層）具有重大的意義。國(guó)外已開(kāi)展單層涂層厚度為納米級(jí)，層數(shù)在100層以上的多元多層復(fù)合涂層技術(shù)的研究，所制備的涂層具有較高的耐腐性、韌性和強(qiáng)度，和基體的結(jié)合強(qiáng)度也好，表面粗糙度低，這對(duì)直精高速工削機(jī)械加工十人有利。國(guó)外已列入主要發(fā)展方面，予計(jì)在納米級(jí)精細(xì)涂層材料研究和應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)有新的突破。因?yàn)閺?fù)合涂層技術(shù)具有抗磨損、抗高溫氧化腐蝕、隔熱等功能，能擴(kuò)大涂層制品使用范圍，延長(zhǎng)使用壽命，是一項(xiàng)在下一世紀(jì)會(huì)得到迅速發(fā)展的技術(shù)。我國(guó)目前已開(kāi)始研究，并取得初步成果，但還存在一些問(wèn)題有待于解決。

6.表面改性與涂層工藝模擬和性能預(yù)測(cè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

      表面改性與涂層技術(shù)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(shù)產(chǎn)業(yè)部門，根據(jù)應(yīng)用的要求反過(guò)來(lái)又促進(jìn)表面功能覆層技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)使用要求，對(duì)材料表面進(jìn)行設(shè)計(jì)、對(duì)表面性能參數(shù)進(jìn)行剪裁，使之符合特定要求，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)表面覆蓋層的組織結(jié)構(gòu)和性能和預(yù)測(cè)等，已成為該領(lǐng)域重要研究方向。國(guó)外已對(duì)CVD、PVD以及其它表面改性方法開(kāi)展計(jì)算機(jī)模擬研究，針對(duì)CVD過(guò)程進(jìn)行模擬，采用宏觀和微觀多層次模型，對(duì)工藝和涂層各種性能和基體的結(jié)合力進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)；對(duì)滲碳，滲氮工件滲層性能應(yīng)力等進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬等等，人們可以更好地控制和優(yōu)化工藝過(guò)程。我國(guó)這方面的研究剛處地超步階段。www.mczpk.cn

三、“十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容

1.目標(biāo)

      根據(jù)國(guó)內(nèi)外表面功能覆層技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合機(jī)械工業(yè)的需求與現(xiàn)狀，為國(guó)家重大工程、重大技術(shù)裝備研究開(kāi)發(fā)一批先進(jìn)適用的表面功能覆層關(guān)鍵技術(shù)。

2.主要研究?jī)?nèi)容：

   （1）新型低溫氣相沉積技術(shù)及裝備研究

      研制新型磁控濺射、離子鍍膜、PCVD設(shè)備及其復(fù)合裝備，并實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的自動(dòng)控制。加強(qiáng)成膜、膜基結(jié)合機(jī)理的研究，降低制膜溫度，優(yōu)化反應(yīng)過(guò)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(diǎn)解決國(guó)家安全及支柱產(chǎn)業(yè)急需解決的表面工程技術(shù)難題，力爭(zhēng)形成創(chuàng)新性科技成果，促進(jìn)通用機(jī)械、閥門、冷作模具、高溫模具等行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

   （2）納米級(jí)多無(wú)多層復(fù)合涂層材料及工藝技術(shù)研究

      跟蹤國(guó)際先進(jìn)水平，研究50層以上納米級(jí)復(fù)合涂層技術(shù)及材料，包括納米級(jí)多層多元復(fù)合涂層材料重組、結(jié)構(gòu)、厚度、層數(shù)的綜合設(shè)計(jì)，以及涂層材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及制備工藝技術(shù)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(duì)熱化學(xué)表面改性過(guò)程以及PVD和CVD沉積技術(shù)進(jìn)行工藝模擬及優(yōu)化研究。建立數(shù)學(xué)模型和算法，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)來(lái)指導(dǎo)和分析表面改性和涂層工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)，并預(yù)測(cè)表面性能和服役壽命。

   （4）金剛石薄膜涂層技術(shù)

      開(kāi)展大面積、快速、高質(zhì)量金剛石薄膜涂層工藝技術(shù)及涂層刀具產(chǎn)業(yè)化技術(shù)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(diǎn)，提高金剛石涂層沉積速率，完成相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造，同時(shí)開(kāi)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)。www.mczpk.cn