合肥永信等離子技術有限公司
合肥永信等離子技術簡介
在國家加快建設資源節約型、環境友好型社會，大力發展循環經濟，加強資源節約和管理，加大環境保護力度，增強可持續發展能力和科技創新能力，加快轉變經濟發展方式的大環境下。積極投資和發展低能耗、無污染的新材料表面處理技術，永信公司引進美國西南研究院的“基於等離子表面工程的類金剛石塗層沉積技術”和“等離子增強磁控濺射技術”，通過引進、消化、吸收和自主創新的發展途徑，依據“兩化融合”的新型工業化發展模式，將瞄準汽車、船舶、飛機及其重裝備等關鍵零部件和機械加工行業消費需求量大、質量要求高的關鍵基礎部件生產行業，重點投入，重點推廣，以安徽相關行業為拓展中心，輻射全國市場，做專、做大、做強。以此實現電漿技術的產業化套用與推廣，並藉此實現高性能鍍膜材料的研發與生產。
一、魏博士簡介（發明專利權人）
引進技術的發明專利權人魏榮華博士系美國西南研究院電漿技術和表面工程處理的首席科學家，其主要研究領域為：電漿材料表面工程，薄膜科學與工程，物理氣象沉積，電漿輔助化學氣象沉積，全方位電漿注入，離子束輔助鍍膜，材料科學及工程，電漿滲氮-滲碳，摩擦磨損學。主編一本專著，5章專業著作論文，兩個國際會議論文集；已在多種國際雜誌上發表近100餘篇論文。已申請30餘項發明專利，已頒發專利證書12項；並於1997年榮獲美國休斯公司最高發明獎（Malcolm R.Currie Innovation Award）,於2009年度榮獲國際科研開發一百項大獎（R&D100）。
二、基於等離子表面工程的類金剛石塗層沉積技術介紹
基於等離子表面工程的類金剛石塗層沉積技術（PIID），是等離子增強化學氣相沉積PECVD技術的一種，該技術是美國西南研究院經過多年研製開發出來的一種新技術。利用PIID技術可以製備出類金剛石塗層，簡稱DLC塗層，DLC塗層可以顯著降低工件表面的摩擦係數，提高耐磨耐腐蝕性能。
PIID技術沉積DLC塗層的基本過程是：將工件置於真空罐（1.5m直徑×1.5m圓柱狀罐體），利用組合泵體將真空罐抽氣至10Pa以下，此時，向真空罐內充入Ar氣，並在工件上施加高壓脈衝電壓（~﹣4KV）。由於工件表面為陰極，工件表面不斷向外釋放電子，電子與Ar原子發生碰撞使其電離，這時，整個真空罐內部都充滿了電漿，工件表面電漿強度更高。Ar帶正電，受到工件的吸引加速轟擊表面，實現電漿清洗，這個過程一般需要2-3小時。
清洗完畢後，在不降低電壓的情況下，向真空罐直接充入碳氫氣體，如乙炔、甲烷、乙烯等，電子轟擊這些氣體分子將其電離，和Ar氣不同的是，帶正電的這些離子轟擊到工件表面，獲得電子後不會變成氣體脫離表面（Ar氣則直接脫離工件表面），而是以固態的形式直接沉積下來，形成了碳氫塗層，也就是類金剛石塗層，其中含有30%左右的固態氫，因此比金剛石韌性高，硬度能達到金剛石的25-30%。
PIID技術製備的DLC塗層具有以下特點：
低的摩擦係數≤ 0.05；高硬度 HV 2500-3000；高熱穩定性 400℃；化學惰性，耐腐蝕性能好；低沉積溫度150℃，對基體幾乎無損傷；不受工件形狀限制，可實現內孔和表面的全方位鍍膜；零污染。套用案例
該技術可廣泛套用於汽車、船舶等裝備製造業和機械加工及關聯產業領域。諸如，活塞活塞環的鍍膜、連桿曲軸和凸輪軸的鍍膜、汽車擋風玻璃鍍膜、齒輪、軸承以及人體膝關節和髖關節替代物鍍膜處理等。下面是在我公司已廣泛套用的相關產品案例。
具體案例分析：
1、活塞鍍膜
3、連桿、曲軸和凸輪軸的鍍膜處理
5、各種汽車零部件的類金剛石鍍膜技術處理
用於防腐的鋁鎂合金的DLC鍍膜
活塞、活塞銷、氣門等工件的鍍膜
6、汽車擋風玻璃鍍膜處理
7、尼桑Z-28零部件處理
8、液壓件鍍膜
9、粉末冶金模具鍍膜
三、等離子增強磁控濺射技術（籌備中）
等離子增強磁控濺射(Plasma Enhanced Magnetron Sputtering)沉積技術，簡寫為PEMS，是物理氣相沉積(PVD)技術的一種，是在傳統磁控濺射技術的基礎上做了改進，使膜層更加緻密，硬度更高，韌性和結合力更好。它與傳統磁控濺射(Conventional Magnetron Sputtering，簡寫為CMS)的區別在於其運用獨立的電子發射源達到電漿增強的效果，製備出的塗層緻密度、硬度和韌性等均有顯著提高。運用PEMS技術可以製備傳統磁控濺射技術的所有塗層，如TiN，CrN，TiAlN，TiCN等，以下介紹PEMS的原理和特點。
（一）PEMS技術的原理
PEMS技術結合傳統磁控濺射技術的優點，在其基礎上做了改良，圖1為PEMS技術的原理圖和實際鍍膜工作時的圖片。如圖1 (a)所示，真空室左右兩邊分別有一個圓柱形金屬靶，在真空室的中央，有一個鏇轉的工作檯便於懸掛工件。PEMS技術套用了一個電子發射源來產生更多的電子，一般選用加熱的鎢絲或者空心陰極管作為電子發射源。從實際工作圖1(b)的下方可以隱約看見耀眼的光線，即鎢絲在加熱狀態發出的光線。當真空室內氣壓到達幾個毫托，在鎢絲和真空壁之間施加直流放電電壓(DC Discharge Power Supply)，即：真空壁接地，鎢絲上為恆定負偏壓。同時，在鎢絲上載入交流電，鎢絲被加熱後向真空室內釋放電子，在放電電壓的作用下，電子被加速向真空壁飛去，由於真空室記憶體在大量的氣體分子(Ar，TMS，N2等)，電子與中性氣體分子(原子)發生碰撞，導致氣體電離，並最終使真空室內產生電漿。PEMS與傳統的MS的主要優勢就是由引入的燈絲導致的，它使整個真空室產生了電漿(Global Plasma)，而傳統的MS所產生的電漿只是局限在磁控濺射的靶之前，這個Global Plasma極大地增強了等離子的密度，電漿中帶正電的Ar離子受到靶材的吸引，轟擊靶材產生濺射。所以，電漿的增加可以提高濺射速率，同時基片也可以吸引充滿於整個真空室的Ar，其不斷的轟擊使膜層的緻密度和結合力增強。
(a)PEMS技術的工作原理圖(b)實際鍍膜工作圖
從圖1(a)可以看出，PEMS原理圖的下半部分有一個燈絲，通常使用鎢絲。在交流電加熱下，鎢絲不斷釋放電子，它獨立於磁控管。因此，在工件清洗和鍍膜過程中，它可以實現傳統磁控濺射沒有的功能。在PEMS工件清洗過程中，磁控管保持關閉狀態，此時真空室內Ar的氣壓保持幾個毫托，在鎢絲上載入交流電，並在工件上緩慢增大負偏壓，燈絲上釋放出的電子向真空壁加速，與Ar碰撞後使整個真空室內充滿Ar電漿，這時在工件上載入的負偏壓將帶正電的離子吸到工件表面，在離子的轟擊下降其表面清洗乾淨。需要指出，工件表面的負偏壓需要緩慢增加，調節過快表面會出現電弧，對工件的新鮮表面很不利。清洗完畢，在不關閉鎢絲電源的情況下開啟磁控管，這樣在清洗和鍍膜之間避免了氣壓過渡過程，工件表面不容易被氧化。
在鍍膜過程中，金屬蒸汽沉積到工件表面形成金屬膜，此時，在工件上加有的負偏壓將氬離子拉到塗層上進行轟擊，提高了膜的緻密性和結合強度。需要強調的是，鍍膜過程中鎢絲產生的電漿是獨立於磁控管產生的電漿的，經法拉第杯(Faraday Cup)試驗測定，發現有鎢絲的離子電流密度是單獨磁控管產生離子電流密度的25倍，足夠的電流密度為鍍膜過程中提供了充足的能量，膜的緻密度顯著提高。
（二）CMS和PEMS實驗結果比較
| 圖2 CMS技術(左)和PEMS技術(右)在矽片上沉積Cr塗層的表面形貌(上側)和橫截面(下側)形貌圖 |
圖2為塗層表面和橫截面SEM形貌，其中左側運用的是CMS技術，右側是PEMS技術。從表面形貌可以看出，採用傳統磁控濺射CMS沉積出來的Cr塗層表面粗糙，晶粒比較粗大；從橫截面上看，CMS沉積的塗層呈現出典型的柱狀結構，緻密度低。相近參數下，PEMS技術沉積的Cr塗層表面光滑，無明顯的柱狀結構，而且非常緻密。這是由於熱鎢絲釋放的電子增加了電漿密度，劇烈的離子轟擊靶材使得塗層的緻密度增加。
（三）離子增強磁控濺射技術的套用
1、等離子增強磁控濺射技術在刀具上的套用
在機械加工過程中，傳統的單相(Single Phase)的一些硬膜，包括TiN，TiCN，TiAlN以及其他硬的碳、氮化合物塗層，很早就開始用於提高刀具的性能，各種物理氣相沉積PVD技術已經運用於製造這類塗層。隨著工業的發展，對刀具的要求越來越苛刻，切削速度越來越高，同時對環境的要求也越來越嚴格，無切削液的的乾式加工已經提到日程。理想的刀具需結合高硬度，韌性和高溫穩定性於一體，在這三項指標中，硬度和韌性往往是一對矛盾的參量，高硬度通常伴隨著是脆性的增加，目前還沒有很好的刀具能同時兼顧韌性和硬度的指標。人們在高韌性的基體上鍍上耐磨塗層，厚度為3~10μm，以此來實現硬度和韌性的結合，隨著研究的深入，人們對塗層的組織結構和厚度的最佳化來進一步提升性能。
Luca Settineri等人對兩種超硬納米複合塗層的力學性能和摩擦學特性進行了研究，與傳統TiN塗層比較，發現納米複合塗層的硬度，韌性和壽命都顯著提高，其摩擦係數在0.8左右，但磨痕寬度和深度都比TiN大。美國西南研究院的魏榮華博士發明了等離子增強磁控濺射技術，首次在濺射過程引入三甲基矽烷(TMS)氣體沉積TiSiCN超硬納米複合塗層，研究發現韌性的增加對塗層的綜合性能提升顯著，鍍有TiSiCN超硬納米複合塗層刀具的壽命是普通商業鍍膜刀具壽命的4倍以上。
2、等離子增強磁控濺射技術在耐沖蝕領域的套用
飛機發動機和汽輪機葉片，以及鼓風機葉輪等工件在惡劣環境下(固體顆粒，水滴等)長時間工作會產生嚴重磨損，導致穩定性和可靠性降低。人們在其表面鍍過各種塗層來試圖延長壽命，包括最硬的材料金剛石到很軟的材料環氧樹脂。商業上人們使用得較多的有單相的TiN，CrN，ZrN，TiAlN塗層；雙層的Ti/TiN，Cr/CrN，W/WC，TiN/TaN；以及超晶格的CrN/NBN等，工業上製備這些塗層的方法一般使用磁控濺射(MS)和陰極電弧蒸發技術(CAE)。
考慮到金屬有機物氣體對人體的危害性，使用CVD的方法來製備含有金屬的塗層發展緩慢。自等離子技術套用到CVD之後，較硬的DLC(Diamond Like Carbon coating)薄膜由此誕生，人們稱這種技術為PECVD或PACVD(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition)。由於鍍膜過程中使用的氣體都是甲烷，乙炔，TMS等有機氣體，DLC膜的主要成分是碳和固態的氫，它擁有硬度高、摩擦係數小、室溫和高溫穩定性好、耐腐蝕、不導電等優點。另外，在鍍膜過程中其操作簡單，低溫下工作對基體材料熱破壞效應小，而且具有工件無需鏇轉，鍍膜效率高等優勢。對於PECVD的一個最為重要的特點是，它可以將非常複雜的3-D工件的任何表面都鍍上膜。因此，商業上使用DLC膜作為鼓風機葉輪等工件的保護塗層效益巨大。
3、等離子增強磁控濺射技術在耐腐蝕領域的套用
油氣管道、海水環境工作下的發動機葉片以及在含有硫化氫，氨氣，二氧化碳等酸鹼氣體下的工件長時間工作會產生電化學腐蝕，最終會造成嚴重的經濟損失，甚至會威脅到操作人員的安全。因此，如何提高工件的電化學穩定性變得十分重要。
早期人們發現TiN塗層不僅具有好的力學和光學性能，其耐腐蝕性能也較好，隨著研究的深入，科學家們在TiN的基礎上製備了TiAlN，TiCrN，CrAlN以及TiZrN等三元乃至四元的塗層。Penttinen et al.使用物理氣相沉積的方法在不鏽鋼(AISI 316)基體上分別鍍上TiN和TiAlN塗層，採用陽極極化和恆電位測量的方法來研究這兩種塗層的耐腐蝕性能。研究發現，當這兩種塗層與基體的界面形成一層含Cr或者Cr的氧化物的過渡層時，塗層具有最好的腐蝕阻力。Jenh et al.在304不鏽鋼基體上沉積(TiCr)Nx薄膜，並在中性PH值或者弱酸性溶液中(Na2SO4和NaCl)做了電化學測試，發現與TiN塗層相比，含有Cr的塗層耐腐蝕性能更好。
4、等離子增強磁控濺射技術在模具上的套用
汽車工業是世界工業的重要支柱產業之一。鋁合金是汽車上使用得較多的材料，其質地輕，強度較高，而且耐氧化。在實際製備這些汽車零部件的時候，會發現液態的鋁和模具之間粘合嚴重，造成脫模困難。
鑄鋁模具在生產的時候會受到不同程度，不同機理的破壞。經過長期的研究人們發現，除了熱處理和電鍍化學鍍，在鑄鋁模具表面鍍上硬塗層也可以很好的保護模具表面。鋁製工件和模具之間會產生化學粘附，而且鋁會侵入到模具，最終導致難於脫模。而且，液態鋁合金在注入、冷卻、脫模過程中，溫度頻繁的變化會產生嚴重的熱疲勞，並最終導致熱裂紋。模具表面的損壞最終會導致整塊模具失效，帶來了巨大的經濟損失。通常，粘附在模具表面的鋁會以機加工的方式去除，一段時間後，模具也就因為各方面的原因而不能繼續使用，如出現裂紋，精度差，表面粗糙度高等。適當的表面處理可以顯著提高其性能和壽命，硬納米複合塗層可以防止液態鋁的侵蝕，提高熱開裂的抗力，並能延緩裂紋的形成和拓展同時，最關鍵可以使液態鋁和模具之間的粘結力降低。
