创新涂层工艺解决汽车领域新需求

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1、创新涂层工艺解决汽车领域新需求当前，柴油发动机技术亟需获得进一步的发展，以提高燃烧效率，从而满足环境方面的要求。下一代柴油喷射系统需要相当高的压力才能产生更小的燃油液滴，这样才能增加燃油的表面积以提高燃烧效率。一般来说，共轨涡轮增压柴油发动机系统压力在1600~1800巴之间，但是随着二氧化碳排放要求的进一步提高，该压力会大幅上升。举例来说，博世公司曾表示他们正在开发采用压电式及电磁制动器的共轨系统，压力将增加到2000巴。为了保证系统长期运转的可靠性和精准性，系统压力的增加又带来了新的技术上的挑战，其中包括喷油嘴部件耐久性要求的提高。目前，喷油嘴部件基本都是采用DLC（类金刚

2、石）涂层，在高压环境下时间一长这种涂层很容易脱落。此外，DLC涂层采用传统PVD（物理气相沉积）工艺很难达到让人满意的粘附效果，因此涂层厚度难以提高。虽然DLC涂层拥有良好的滑动磨损性能，这也是其用于汽车系统中的一个重要原因，不过这种涂层抗剪应力效果一般。为了寻求新的解决方案，同时解决其他涂层问题，欧盟委员会第六研究与技术开发框架计划曾经开展过一项研究项目。参与该项目的24家合作伙伴都来自汽车及航空领域，针对高性能纳米结构涂层的应用开发新的工艺流程和材料。英国谢菲尔德哈雷姆大学材料工程研究院下PVD纳米技术研究中心在这个项目中扮演着重要的角色。该中心在致密、原子级“超层状结构”

3、涂层方面取得了突破性进展。该项目研究的新技术为高功率脉冲磁控管溅射（HIPIMS）PVD涂层技术。该技术有可能成为过去30年来在PVD方面最大的技术突破。在谢菲尔德哈雷姆大学HIPIMS实验室有四种等离子源，蒸发并电离四种不同靶材表面。磁场和电场接着将溅射出来的靶材原子沉积到工件的表面。工件在反应室内不断旋转，这样可以接收到每个靶材溅射出来的材料原子。“虽然HIPIMS技术可以大幅提高DLC涂层的可靠性，尤其是浮着力，但是我们还在开发新的涂层技术，”谢菲尔德哈雷姆大学PapkenHovsepian教授解释道。“其中一种涂层就是TiAlCN和VCN的交替沉积涂层。这种低摩擦涂层呈

4、现了很好的效果，附着力强而且比DLC涂层硬度高。”“HIPIMS技术可以形成致密、超层状结构涂层，这种涂层硬度是CrN本身形成涂层硬度的两倍，而且在高温下抗氧化能力特别强，”Hovsepian说。“此外，这种涂层体现了非常优秀的摩擦性能，在高温环境下摩擦系数会降低。”该项目与谢菲尔德哈雷姆大学自己的研究承诺提高汽车应用领域涂层部件的可靠性和性能，尤其是用于恶劣环境中的涂层部件。谢菲尔德哈雷姆大学拥有世界一流的工业级及实验室规模的PVD设备以及各种先进的等离子分析设备。PVD纳米技术研究中心不仅与欧洲、美国及亚洲一些公司建立了合作关系，还与一些世界知名研究机构有合作，如美国劳伦斯

5、伯克力国家实验室、美国伊利诺大学材料微分析中心及德国弗劳恩霍夫协会等。事实上，作为谢菲尔德哈雷姆大学合作伙伴之一的荷兰豪泽公司也一直在研发HIPIMS技术，目前他们正在尝试用其第二代高能激发磁控溅射（HIPIMS+）涂层技术对PVD涂层工艺进行创新变革。据豪泽公司介绍，HIPIMS+涂层技术可以克服电弧蒸发技术容易形成液滴的缺点。尽管通过对靶材进行适当冷却和电弧运动控制，可将液滴的尺寸和数量减小到可以容忍的范围之内，但与相应的电弧蒸发涂层相比，HIPIMS+涂层表面更光滑、硬度更高、与基体的粘附性更好。豪泽公司表示，与电弧沉积工艺相比，磁控溅射工艺可能会导致涂层与基体粘附性下降

6、和涂层密度减小，而它开发的HIPIMS+涂层新技术能够克服这些缺点。而由谢菲尔德哈勒姆大学与其合作伙伴联合开发的第一代HIPIMS涂层技术阴极上的峰值功率要比传统的磁控溅射工艺高几百倍。豪泽公司指出，为了使等离子体达到所要求的高电离化，提高阴极峰值功率是十分必要的。该技术实现工业化应用的主要局限性在于，与传统的磁控溅射工艺相比，其沉积速度较慢。为此，豪泽公司开发了第二代HIPIMS+技术。与采用频率达200微秒、阴极峰值功率为兆瓦级的脉冲的第一代HIPIMS技术相比，第二代HIPIMS+技术采用的脉冲频率达3.0毫秒、阴极峰值功率为几百千瓦。因此，该技术能够获得致密而无缺陷的涂

7、层。豪泽公司指出，HIPIMS+技术的主要优点是被涂层工件承受的热负荷较低。因此（尤其对于热敏感的工件），可以通过提高额定功率，达到较高的沉积速度，从而使该技术在经济上具有工业化应用的可行性。