标题：合肥永信等离子技术有限公司
合肥永信等离子技术有限公司
合肥永信等离子技术简介
在国家加快建设资源节约型、环境友好型社会，大力发展循环经济，加强资源节约和管理，加大环境保护力度，增强可持续发展能力和科技创新能力，加快转变经济发展方式的大环境下。积极投资和发展低能耗、无污染的新材料表面处理技术，永信公司引进美国西南研究院的“基于等离子表面工程的类金刚石涂层沉积技术”和“等离子增强磁控溅射技术”，通过引进、消化、吸收和自主创新的发展途径，依据“两化融合”的新型工业化发展模式，将瞄准汽车、船舶、飞机及其重装备等关键零部件和机械加工行业消费需求量大、质量要求高的关键基础部件生产行业，重点投入，重点推广，以安徽相关行业为拓展中心，辐射全国市场，做专、做大、做强。以此实现等离子体技术的产业化应用与推广，并借此实现高性能镀膜材料的研发与生产。
一、魏博士简介（发明专利权人）
引进技术的发明专利权人魏荣华博士系美国西南研究院等离子体技术和表面工程处理的首席科学家，其主要研究领域为：等离子体材料表面工程，薄膜科学与工程，物理气象沉积，等离子体辅助化学气象沉积，全方位等离子体注入，离子束辅助镀膜，材料科学及工程，等离子体渗氮-渗碳，摩擦磨损学。主编一本专著，5章专业著作论文，两个国际会议论文集；已在多种国际杂志上发表近100余篇论文。已申请30余项发明专利，已颁发专利证书12项；并于1997年荣获美国休斯公司最高发明奖（Malcolm R.Currie Innovation Award）,于2009年度荣获国际科研开发一百项大奖（R&D100）。
二、基于等离子表面工程的类金刚石涂层沉积技术介绍
基于等离子表面工程的类金刚石涂层沉积技术（PIID），是等离子增强化学气相沉积PECVD技术的一种，该技术是美国西南研究院经过多年研制开发出来的一种新技术。利用PIID技术可以制备出类金刚石涂层，简称DLC涂层，DLC涂层可以显著降低工件表面的摩擦系数，提高耐磨耐腐蚀性能。
PIID技术沉积DLC涂层的基本过程是：将工件置于真空罐（1.5m直径×1.5m圆柱状罐体），利用组合泵体将真空罐抽气至10Pa以下，此时，向真空罐内充入Ar气，并在工件上施加高压脉冲电压（~﹣4KV）。由于工件表面为阴极，工件表面不断向外释放电子，电子与Ar原子发生碰撞使其电离，这时，整个真空罐内部都充满了等离子体，工件表面等离子体强度更高。Ar带正电，受到工件的吸引加速轰击表面，实现等离子体清洗，这个过程一般需要2-3小时。
    图1 PIID工作原理图和实物图
清洗完毕后，在不降低电压的情况下，向真空罐直接充入碳氢气体，如乙炔、甲烷、乙烯等，电子轰击这些气体分子将其电离，和Ar气不同的是，带正电的这些离子轰击到工件表面，获得电子后不会变成气体脱离表面（Ar气则直接脱离工件表面），而是以固态的形式直接沉积下来，形成了碳氢涂层，也就是类金刚石涂层，其中含有30%左右的固态氢，因此比金刚石韧性高，硬度能达到金刚石的25-30%。
PIID技术制备的DLC涂层具有以下特点：
低的摩擦系数≤ 0.05；高硬度    HV 2500-3000；高热稳定性    400℃；化学惰性，耐腐蚀性能好；低沉积温度150℃，对基体几乎无损伤；不受工件形状限制，可实现内孔和表面的全方位镀膜；零污染。应用案例
该技术可广泛应用于汽车、船舶等装备制造业和机械加工及关联产业领域。诸如，活塞活塞环的镀膜、连杆曲轴和凸轮轴的镀膜、汽车挡风玻璃镀膜、齿轮、轴承以及人体膝关节和髋关节替代物镀膜处理等。下面是在我公司已广泛应用的相关产品案例。
具体案例分析：
1、活塞镀膜
  2、叶轮、导流片镀膜   
  叶轮、导流片镀膜过程及镀膜后的照片
3、连杆、曲轴和凸轮轴的镀膜处理
  4、高性能汽车零部件镀类金刚石膜
5、各种汽车零部件的类金刚石镀膜技术处理
用于防腐的铝镁合金的DLC镀膜
活塞、活塞销、气门等工件的镀膜
6、汽车挡风玻璃镀膜处理
7、尼桑Z-28零部件处理
8、液压件镀膜
9、粉末冶金模具镀膜
三、等离子增强磁控溅射技术（筹备中）
等离子增强磁控溅射(Plasma Enhanced Magnetron Sputtering)沉积技术，简写为PEMS，是物理气相沉积(PVD)技术的一种，是在传统磁控溅射技术的基础上做了改进，使膜层更加致密，硬度更高，韧性和结合力更好。它与传统磁控溅射(Conventional Magnetron Sputtering，简写为CMS)的区别在于其运用独立的电子发射源达到等离子体增强的效果，制备出的涂层致密度、硬度和韧性等均有显著提高。运用PEMS技术可以制备传统磁控溅射技术的所有涂层，如TiN，CrN，TiAlN，TiCN等，以下介绍PEMS的原理和特点。
（一）PEMS技术的原理
PEMS技术结合传统磁控溅射技术的优点，在其基础上做了改良，图1为PEMS技术的原理图和实际镀膜工作时的图片。如图1 (a)所示，真空室左右两边分别有一个圆柱形金属靶，在真空室的中央，有一个旋转的工作台便于悬挂工件。PEMS技术应用了一个电子发射源来产生更多的电子，一般选用加热的钨丝或者空心阴极管作为电子发射源。从实际工作图1(b)的下方可以隐约看见耀眼的光线，即钨丝在加热状态发出的光线。当真空室内气压到达几个毫托，在钨丝和真空壁之间施加直流放电电压(DC Discharge Power Supply)，即：真空壁接地，钨丝上为恒定负偏压。同时，在钨丝上加载交流电，钨丝被加热后向真空室内释放电子，在放电电压的作用下，电子被加速向真空壁飞去，由于真空室内存在大量的气体分子(Ar，TMS，N2等)，电子与中性气体分子(原子)发生碰撞，导致气体电离，并最终使真空室内产生等离子体。PEMS与传统的MS的主要优势就是由引入的灯丝导致的，它使整个真空室产生了等离子体(Global Plasma)，而传统的MS所产生的等离子体只是局限在磁控溅射的靶之前，这个Global Plasma极大地增强了等离子的密度，等离子体中带正电的Ar离子受到靶材的吸引，轰击靶材产生溅射。所以，等离子体的增加可以提高溅射速率，同时基片也可以吸引充满于整个真空室的Ar，其不断的轰击使膜层的致密度和结合力增强。
  图1 PEMS技术的原理图及工作图
(a)PEMS技术的工作原理图(b)实际镀膜工作图
从图1(a)可以看出，PEMS原理图的下半部分有一个灯丝，通常使用钨丝。在交流电加热下，钨丝不断释放电子，它独立于磁控管。因此，在工件清洗和镀膜过程中，它可以实现传统磁控溅射没有的功能。在PEMS工件清洗过程中，磁控管保持关闭状态，此时真空室内Ar的气压保持几个毫托，在钨丝上加载交流电，并在工件上缓慢增大负偏压，灯丝上释放出的电子向真空壁加速，与Ar碰撞后使整个真空室内充满Ar等离子体，这时在工件上加载的负偏压将带正电的离子吸到工件表面，在离子的轰击下降其表面清洗干净。需要指出，工件表面的负偏压需要缓慢增加，调节过快表面会出现电弧，对工件的新鲜表面很不利。清洗完毕，在不关闭钨丝电源的情况下开启磁控管，这样在清洗和镀膜之间避免了气压过渡过程，工件表面不容易被氧化。
在镀膜过程中，金属蒸汽沉积到工件表面形成金属膜，此时，在工件上加有的负偏压将氩离子拉到涂层上进行轰击，提高了膜的致密性和结合强度。需要强调的是，镀膜过程中钨丝产生的等离子体是独立于磁控管产生的等离子体的，经法拉第杯(Faraday Cup)试验测定，发现有钨丝的离子电流密度是单独磁控管产生离子电流密度的25倍，足够的电流密度为镀膜过程中提供了充足的能量，膜的致密度显著提高。
（二）CMS和PEMS实验结果比较
图2  CMS技术(左)和PEMS技术(右)在硅片上沉积Cr涂层的表面形貌(上侧)和横截面(下侧)形貌图
  为了深一步研究PEMS技术，美国西南研究院魏荣华等人使用CMS和PEMS两种方法，运用几乎相近的实验参数在Si片表面镀上Cr涂层。
图2为涂层表面和横截面SEM形貌，其中左侧运用的是CMS技术，右侧是PEMS技术。从表面形貌可以看出，采用传统磁控溅射CMS沉积出来的Cr涂层表面粗糙，晶粒比较粗大；从横截面上看，CMS沉积的涂层呈现出典型的柱状结构，致密度低。相近参数下，PEMS技术沉积的Cr涂层表面光滑，无明显的柱状结构，而且非常致密。这是由于热钨丝释放的电子增加了等离子体密度，剧烈的离子轰击靶材使得涂层的致密度增加。
（三）离子增强磁控溅射技术的应用
1、等离子增强磁控溅射技术在刀具上的应用
在机械加工过程中，传统的单相(Single Phase)的一些硬膜，包括TiN，TiCN，TiAlN以及其他硬的碳、氮化合物涂层，很早就开始用于提高刀具的性能，各种物理气相沉积PVD技术已经运用于制造这类涂层。随着工业的发展，对刀具的要求越来越苛刻，切削速度越来越高，同时对环境的要求也越来越严格，无切削液的的干式加工已经提到日程。理想的刀具需结合高硬度，韧性和高温稳定性于一体，在这三项指标中，硬度和韧性往往是一对矛盾的参量，高硬度通常伴随着是脆性的增加，目前还没有很好的刀具能同时兼顾韧性和硬度的指标。人们在高韧性的基体上镀上耐磨涂层，厚度为3~10μm，以此来实现硬度和韧性的结合，随着研究的深入，人们对涂层的组织结构和厚度的优化来进一步提升性能。
Luca Settineri等人对两种超硬纳米复合涂层的力学性能和摩擦学特性进行了研究，与传统TiN涂层比较，发现纳米复合涂层的硬度，韧性和寿命都显著提高，其摩擦系数在0.8左右，但磨痕宽度和深度都比TiN大。美国西南研究院的魏荣华博士发明了等离子增强磁控溅射技术，首次在溅射过程引入三甲基硅烷(TMS)气体沉积TiSiCN超硬纳米复合涂层，研究发现韧性的增加对涂层的综合性能提升显著，镀有TiSiCN超硬纳米复合涂层刀具的寿命是普通商业镀膜刀具寿命的4倍以上。
2、等离子增强磁控溅射技术在耐冲蚀领域的应用
飞机发动机和汽轮机叶片，以及鼓风机叶轮等工件在恶劣环境下(固体颗粒，水滴等)长时间工作会产生严重磨损，导致稳定性和可靠性降低。人们在其表面镀过各种涂层来试图延长寿命，包括最硬的材料金刚石到很软的材料环氧树脂。商业上人们使用得较多的有单相的TiN，CrN，ZrN，TiAlN涂层；双层的Ti/TiN，Cr/CrN，W/WC，TiN/TaN；以及超晶格的CrN/NbN等，工业上制备这些涂层的方法一般使用磁控溅射(MS)和阴极电弧蒸发技术(CAE)。
考虑到金属有机物气体对人体的危害性，使用CVD的方法来制备含有金属的涂层发展缓慢。自等离子技术应用到CVD之后，较硬的DLC(Diamond Like Carbon coating)薄膜由此诞生，人们称这种技术为PECVD或PACVD(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition)。由于镀膜过程中使用的气体都是甲烷，乙炔，TMS等有机气体，DLC膜的主要成分是碳和固态的氢，它拥有硬度高、摩擦系数小、室温和高温稳定性好、耐腐蚀、不导电等优点。另外，在镀膜过程中其操作简单，低温下工作对基体材料热破坏效应小，而且具有工件无需旋转，镀膜效率高等优势。对于PECVD的一个最为重要的特点是，它可以将非常复杂的3-D工件的任何表面都镀上膜。因此，商业上使用DLC膜作为鼓风机叶轮等工件的保护涂层效益巨大。
3、等离子增强磁控溅射技术在耐腐蚀领域的应用
油气管道、海水环境工作下的发动机叶片以及在含有硫化氢，氨气，二氧化碳等酸碱气体下的工件长时间工作会产生电化学腐蚀，最终会造成严重的经济损失，甚至会威胁到操作人员的安全。因此，如何提高工件的电化学稳定性变得十分重要。
早期人们发现TiN涂层不仅具有好的力学和光学性能，其耐腐蚀性能也较好，随着研究的深入，科学家们在TiN的基础上制备了TiAlN，TiCrN，CrAlN以及TiZrN等三元乃至四元的涂层。Penttinen et al.使用物理气相沉积的方法在不锈钢(AISI 316)基体上分别镀上TiN和TiAlN涂层，采用阳极极化和恒电位测量的方法来研究这两种涂层的耐腐蚀性能。研究发现，当这两种涂层与基体的界面形成一层含Cr或者Cr的氧化物的过渡层时，涂层具有最好的腐蚀阻力。Jenh et al.在304不锈钢基体上沉积(TiCr)Nx薄膜，并在中性PH值或者弱酸性溶液中(Na2SO4和NaCl)做了电化学测试，发现与TiN涂层相比，含有Cr的涂层耐腐蚀性能更好。
4、等离子增强磁控溅射技术在模具上的应用
汽车工业是世界工业的重要支柱产业之一。铝合金是汽车上使用得较多的材料，其质地轻，强度较高，而且耐氧化。在实际制备这些汽车零部件的时候，会发现液态的铝和模具之间粘合严重，造成脱模困难。
铸铝模具在生产的时候会受到不同程度，不同机理的破坏。经过长期的研究人们发现，除了热处理和电镀化学镀，在铸铝模具表面镀上硬涂层也可以很好的保护模具表面。铝制工件和模具之间会产生化学粘附，而且铝会侵入到模具，最终导致难于脱模。而且，液态铝合金在注入、冷却、脱模过程中，温度频繁的变化会产生严重的热疲劳，并最终导致热裂纹。模具表面的损坏最终会导致整块模具失效，带来了巨大的经济损失。通常，粘附在模具表面的铝会以机加工的方式去除，一段时间后，模具也就因为各方面的原因而不能继续使用，如出现裂纹，精度差，表面粗糙度高等。适当的表面处理可以显著提高其性能和寿命，硬纳米复合涂层可以防止液态铝的侵蚀，提高热开裂的抗力，并能延缓裂纹的形成和拓展同时，最关键可以使液态铝和模具之间的粘结力降低。