摘要：真空镀膜是一种在真空环境下制备高性能涂层材料和高质量表面的绿色制造技术。目前广泛应用的物理气相沉积技术制备的硬质涂层系列产品，能够助力制造业实现低碳制造和可持续发展。在真空镀膜实际应用过程中，摩擦学与表面界面是需要重点研究的科学性问题。高端真空镀膜设备的开发需要解决核心零部件、先进镀膜工艺及控制系统等技术难题，特别是要主动融入第四次工业革命的浪潮中，探索数字化变革之路。本文介绍了真空镀膜助力低碳制造和可持续发展的具体路径，除了工模具行业和汽车行业等成熟市场，真空镀膜对医疗行业、航空航天和半导体行业的创新发展亦可提供重要的支撑。

关键词： 真空镀膜 低碳制造 可持续发展 数字化

真空镀膜技术是一种在真空状态下制备高质量表面的制造技术。目前应用较多的是物理气相沉积（PVD）技术，包括真空电弧离子镀和磁控溅射等。

近年来，真空镀膜技术（主要是PVD 技术）取得了很多重要进展和工程应用。通过在腔体中增加弧光放电离子源，能够产生高密度等离子体，显著提高气体的离化率（图1）。磁控溅射/ 电弧离子镀复合技术结合了磁控溅射和电弧离子镀的优点：具有更高的离化率；蒸发过程中无液滴，可制备光滑表面；涂层具有极高的密度和硬度；膜基结合力好。电弧离子镀 脉冲增强电子发射技术可以在600℃以下制备氧化物涂层。嵌入式PVD技术可用于塑料金属化，替代电镀铬技术，生产过程中，不使用六价铬，对环境友好，且制造过程中能耗低，无废弃物，零部件可循环使用。

▲ 图1 弧光放电离子源用于清洗、氮化和镀膜

真空镀膜（特别是制备硬质涂层）从工艺、控制和设备开发到应用过程，需要深入理解镀膜件服役过程中的摩擦学行为和磨损机理，推断摩擦磨损开始起作用的节点。常见的摩擦学效应包括以下四个方面。①磨料磨损：去除材料中尖硬的颗粒进入相互作用的表面之间时产生的磨损。以涂层工具的使用为例，磨料磨损将导致工具的织构表面产生划痕、凹槽、碎屑、尺寸改变和光点。②表面疲劳：重复、交变的机械应力引发裂纹的萌生和扩展，进而导致涂层件的破坏。以涂层工具的使用为例，表面疲劳将导致横向和波峰裂缝、点蚀和微蚀（特别是滚动接触条件下），以及刀具破损。③摩擦化学：滑动接触会导致化学反应，这个反应反过来会影响摩擦学过程。以涂层刀具的切削加工过程为例，界面扩散会导致摩擦化学反应。通常，摩擦化学磨损的原因是摩擦氧化反应，后果是产生微动腐蚀。④腐蚀：来自于金属与接触物（电解质、湿空气或者熔化物）产生的化学或电化学反应。导致的后果为涂层工件的磨损、点蚀、裂纹和锈蚀等。大量的研究文献和工程应用实践均表明：对于任何一种摩擦学系统，可以通过选择合适的涂层使服役过程得到优化[1]。

本文在课题组前期科学研究、成果转化及产业应用的基础上[2]，总结真空镀膜助力低碳制造与可持续发展的进展情况，探索需要重点解决的技术问题。

1 真空镀膜设备

以工具类真空镀膜设备为例，国际上取得了很多最新进展。通用磁场系统的开发和使用[3]能够实现均匀的涂层结构，提高靶材利用率，提高产量；能够满足现代真空电弧离子镀技术的要求；可实现无穷变磁场，有效弥补靶材损耗带来的影响。弧源的磁场系统可以根据制备氮化物、氧化物或者金属涂层的需要进行个性化调节，通过调节永磁体与靶材的相对位置（图2）或者电磁线圈的电流特性（图3），可以实现在靶材的全寿命周期内靶材蒸发速率的恒定[4-5]，还可以兼顾所制备的薄膜表面特性与薄膜沉积速率。等离子体优化器（包括提供的磁场调节功能）的使用可以促使弧斑主要停留在靶材表面的周边区域，提高弧斑运动速度，控制真空腔体的等离子体密度、薄膜的生长速率，以及等离子体中活性粒子的离化率。可见，等离子体优化器能够改善等离子体的调节功能，有助于实现个性化涂层结构和涂层产品的差异化。例如，其可以抑制薄膜生长过程中的扩散行为，限制六方相结构的形成，有助于形成单一的立方相结构[6]。先进的加热刻蚀技术能够提高刻蚀速率，改善刻蚀均匀性，减少镀膜机的维护周期；允许范围广泛的自定义参数，以得到专用的工具表面；能够提供优异的涂层附着力，有助于提高涂层刀具的性能、使用寿命和再制造性能。目前，国内真空镀膜设备的发展情况表现为通用磁场系统技术尚未完全掌握，先进等离子体优化器及加热刻蚀技术已经具备了一定的研发和应用基础。

▲ 图2 一种永磁体位置可调的溅射阴极结构

▲ 图3 新旧靶材表面的垂直磁场强度控制：（a）新靶材，（b）刻蚀9000Ah后的旧靶材

在航空航天和汽车工业中，精密零部件服役过程中大都需要承受高载荷，这些零部件通常使用电镀硬铬等表面工程技术进行处理。从可持续发展的角度出发，真空镀膜技术及设备是一种极好的表面处理替代技术和平台，已成功应用在承受高滑动速度和接触压力，以及承受高温和极端载荷的场景中。以上应用场景对镀膜机硬件平台的要求包括：涂层在基材上分布均匀，多批次产品质量的一致性要好，涂层性能优异；方便且易于编程，支持全自动镀膜生产；能够为真空镀膜系统提供工艺支持和个性化解决方案。从国外的应用案例来看，碳基薄膜具有重要的应用潜力[7]。结合国内发展现状，则需要系统开展控制系统和涂层工艺的开发。

真空镀膜设备开发与应用，需要进行数字化变革，包括：①提供数字化解决方案，以满足客户的需求，提供更好的质量预测能力，使生产过程的透明性更高，易于扩展产品版图；②采用工业物联网和自动化技术[8]，从镀膜设备提取数据并显示在统一面板上，用于改进生产工艺和现场操作；③支持数据分析，比如配件和耗材管理等；④提供基于机器学习的解决方案，能够对质量问题进行预测，针对出现的质量波动问题，帮助进行溯源；⑤提供手机在线平台。从国内的发展现状来看，真空镀膜设备制造及应用行业，存在着碎片化等问题，数字化转型任重道远。

2 真空镀膜技术助力低碳制造

2.1 工具行业

涂层工具能够有效改善机械加工和注塑行业的加工质量，提高制造企业的产量。由于摩擦和磨损是制约工具加工性能和服役寿命的主要因素，所以真空镀膜能够提供有效的支撑。表面技术和热处理技术能够显著提高工具的使用寿命，允许工具承受更大的切削速度和进给量，从而显著降低加工时间、减少能耗和排放、节约资源。真空镀膜硬质涂层和渗氮技术是工具行业行之有效的低碳制造技术之一。具体应用的细分领域包括切削工具行业、成型模具行业、注塑模具行业和压铸模具行业等。

以切削工具行业为例，真空镀膜耐磨涂层能够显著降低制造企业的碳足迹，帮助制造企业增加产量，改善加工质量，提高加工效率。涂层工具的耐磨损性能可显著提高工具的服役寿命；高速切削和干式切削会导致极高的表面温度，得益于涂层的热稳定性、红硬性和抗氧化性，热量能够通过碎屑带走，对刃口起到保护作用[9]；具有低摩擦因数和低粘附性的涂层，更适合难加工材料（钛合金、铝合金、镁合金、高合金钢等）；针对具体的应用环境，需要提供个性化涂层方案。从国内的发展现状来看，需要开展的工作包括：系统开展高速切削加工工艺研究，建立数据库；开展难加工材料的涂层体系开发和实验研究。

以冲压模具行业为例，金属成型工具需要耐久、高质量、可靠、坚固的表面解决方案，以满足高性能制造的需求。冲压生产的首要目标是效益和精密度。表面缺陷将导致返工、报废和成本增加。真空镀膜能够帮助模具更长时间保持形状和精度，显著减少成本和停机时间，主要体现在以下方面：通过耐磨保护，提高服役寿命；通过提高冲压次数和模具寿命，降低制造成本；通过硬质底层/ 低摩擦顶层的结构，减少润滑剂的使用量；通过降低模具的载荷，增强生产的可靠性；通过磨损保护和减少冷焊，改善加工质量。

2.2 精密零部件行业

摩擦和磨损是制约零部件工作性能和服役寿命的主要因素。涂层零部件能够更可靠、更长久地完成相应功能。涂层零部件应用的行业包括汽车行业，摩托车行业，卡车、火车和轮船行业，航空航天，医疗，食品加工和包装，石油天然气，能源，家用电器，装饰，机械工程和半导体等。

❶ 汽车行业

针对汽车中的零部件，涂层和热处理技术的应用具有诸多益处[10]：涂层技术能够助力动力总成的创新设计，减少燃油和润滑油的消耗，减少污染排放；能够提高部件耐磨损性能和服役寿命，延长保养周期，减少备品备件数量；可实现更紧凑设计，促进轻质材料的使用，有助于降低整体车重；可减少发动机的摩擦损失，提高驱动系统的效率。可以预见，涂层技术正在日益成为汽车产业的设计要素之一。

❷ 卡车、火车和轮船行业

以重型车使用的齿轮为例，真空镀膜技术有助于提高效率，降低排放。例如，碳基薄膜有助于提高后桥齿轮的承载能力，显著降低摩擦损耗。以卡车发动机为例，碳基薄膜零件有助于替代青铜衬套，提高发动机的泵浦压力，降低材料和装配的成本。以柴油喷射系统为例，碳基薄膜有助于减小顶针和柱塞的磨损，助力滑动零部件承受更高的喷射压力，从而降低燃油消耗。

❸ 航空航天行业

航空航天行业使用的承载部件，如发动机、起落架等，主要破坏形式为微动磨损和黏着磨损，如果在贫油状况下服役，破坏会更加严重和危险。真空镀膜制备硬质涂层提供了一个替代电镀铬的优秀方案，能够使部件具有耐磨损、减摩擦、稳定的高温性能和耐腐蚀等特性，提供服役支撑。航空航天行业对轻质材料零部件的使用日益广泛，真空镀膜技术能够防止咬粘、延长保养周期等，助力精密零部件承受磨损和腐蚀，确保零部件在高载荷下正常工作。

以面向航空发动机的热障涂层应用为例，最新的电弧离子镀涂层带来的优势如下。①抗氧化性：支持更高的服役温度。②高密度：具有优异的阻隔屏障作用，能够更好地控制扩散过程。③低表面粗糙度：从空气动力学角度，能够在高温条件下提供光滑的表面。④提高了耐腐蚀特性：定制化的涂层工艺 电弧离子镀技术，能够防止叶片在高温下的过早热腐蚀。

❹ 医疗行业

真空镀膜能够提高医疗器械的耐磨损能力，助力医疗器械产品的高性能制造：涂层工具具有更高的锋利度，有利于伤口的快速愈合；镀膜表面的抗菌特性能够避免术后感染和重建手术；镀膜表面的防眩光特性，有助于外科医生更快速、更舒适的工作；镀膜表面的化学稳定性，能够提供防腐蚀特性，有助于医疗器械反复承受高压灭菌等操作。

另外，真空镀膜技术能够兼具美学和功能性。例如，真空镀膜应用于齿科种植体基台和手术器械时，可提供多种颜色，更具美学效果；镀膜的成分、厚度、机械与摩擦学特性可以实现良好的匹配，稳定性好[11-12]，且耐腐蚀性好（针对口腔护理环境、唾液等）。

医疗行业作为国内真空镀膜应用的新兴行业，目前需要解决的问题包括：开展系统的工艺开发与应用研究；开发低温等离子体沉积技术；建立相关的质量保证体系等。

❺ 石油天然气行业

石油天然气行业应用的零部件，必须要耐受苛刻的工作环境（潮湿、含油、污泥和高温等）。一些常用的精密零部件，如阀门、钻头、密封件等，由于遭受磨损、腐蚀和侵蚀，使用寿命很短，真空镀膜能够提高这些零部件的耐磨损性能，从而延长使用寿命[13]。已经开发出的厚膜产品（膜厚大于50μm）可以应用在承受磨粒磨损的场合，比如抽油泵和钻油管。

以钻头上的机械密封环为例，应用碳基厚膜可以减小摩擦因数，提高抗磨粒磨损的能力。镀膜表面的低摩擦特性，在突然启停的服役条件下，能够降低密封环损坏的概率，降低泄露风险，从而保护整个机械系统和外部环境；有助于提高使用寿命，减少维修时间；能够显著降低停机时间，提高生产效率。

❻ 能源动力行业

汽轮机和燃气轮机的叶片，容易受到腐蚀、磨损和气蚀的影响。真空镀膜作为现有热喷涂和电镀的替代方案，有助于进一步提高叶片的性能[14-17]。

以汽轮机为例，零部件必须抵抗高温、水蒸气腐蚀、侵蚀和微动磨损等。为满足对更高效率的追求，汽轮机零部件要承受越来越高的温度。真空镀膜能够提供高温防护，提高部件在水蒸气环境下的抗氧化能力。镀膜处理后，叶片的高周疲劳寿命没有下降；镀膜表面能够提高叶片抗颗粒、液滴侵蚀以及抗微动磨损的能力。

以风力发电机为例，其齿轮和轴承要承受很大的载荷，真空镀膜硬质涂层有助于提高零部件的工作寿命。以行星齿轮为例，碳基涂层能显著改善其表面特性，减少划痕和凹陷等问题，有效提高行星齿轮的可靠性。

❼ 机械工程行业

机械工程行业应用的零部件经常工作在极端条件下，比如高负载、高滑动速度、贫油工况等。在服役过程中，零部件易出现磨损或者高摩擦情况，导致使用寿命降低，或者效率下降。真空镀膜带来的优势包括低摩擦因数、高硬度、可干式运行、耐磨损、附着力强等。镀膜表面有助于提高零部件的可靠性、服役寿命和工作质量，允许使用环境友好的冷却液和润滑剂，甚至可以在无油润滑条件下工作。

碳基薄膜作为一种有效的防护涂层，可以应用于齿轮、滚珠轴承、泵、压缩机、直线导轨、螺杆传动、弹簧夹头、涡轮传动、纺织机械等。以旋片泵为例，碳基薄膜有利于减少偏心轴的磨粒磨损，减少齿轮泵的磨损，延长旋片泵的使用寿命，减少泄露。

❽ 半导体行业

在普通基底上制备高质量涂层是满足半导体行业苛刻要求的最佳方案。真空镀膜表面能够替代昂贵的整体材料，所需成本大幅度下降，而质量和性能不会降低。另外，真空镀膜有助于解决半导体生产过程中的金属颗粒污染问题，提高效率和效益。

真空镀膜对半导体工艺的支撑作用包括：①提高精密零部件的使用寿命；②降低生产成本；③减少颗粒污染；④增加设备的正常运行时间；⑤减少静电放电。

以碳基薄膜为例，碳基薄膜能够更好地满足个性化需求，显著降低生产成本。碳基薄膜提供的低摩擦、低磨损特性，能够显著降低颗粒物的产生，保证半导体的高产量；碳基薄膜具有的导电特性能够满足后端客户对无静电放电的需求。

以PVD硬质涂层为例，PVD硬质涂层能够助力半导体OEM厂商，涂层种类包括无静电放电涂层、耐磨涂层、高温防护涂层、等离子体刻蚀阻挡层和点迁移阻挡层等[18-21]。

3 真空镀膜技术助力可持续发展

可持续发展的重要性已经成为社会共识。在实现可持续发展的道路上，制造企业是重要的参与者。真空镀膜技术为制造业的可持续发展提供技术支撑：镀膜表面可显著提高工作效率，降低摩擦损耗，提高部件使用寿命；真空镀膜再制造技术将带来设计及制造过程的变革；真空镀膜助力制造企业提高生产效率，增加产量，优化原材料的使用，减少水和能源的使用，减少浪费。

❶ 在工具行业中减少废弃物，降低资源的消耗

提高工具的服役寿命是所有制造企业需要面对的课题。通过在工具表面开展真空镀膜，能够将工具寿命提高3倍以上。由此可以减少停工时间，增加产量[22-23]。废旧工具的再制造，能够显著减少原材料和资源的浪费。

目前，先进的镀膜服务厂家能够提供“修磨 镀膜”的一站式技术服务，实现更快速交付，减少停工时间或者减少备用刀具数量，从而进一步提高制造企业的生产效率，增加机加工厂的效益；可以减少50%的修磨费，降低运输成本，节约时间。

❷ 在汽车行业中减少摩擦、磨损和腐蚀

传统汽车厂家面临纯电动汽车和混合动力汽车浪潮的冲击，一方面要做好技术升级和应对，另一方面需要不断提高性能，防止零部件过早失效，降低维修成本。借助减摩、耐磨和耐腐蚀涂层，汽车行业能够不断提高动力学特性，也能够减少二氧化碳的排放[1]。

真空镀膜技术还能够为混合动力和纯电动汽车的生产提供支撑，比如模具、电池等。

❸ 在航空航天领域减少二氧化碳排放

航空发动机制造行业面临一系列挑战，包括提高推进性能、安全性和燃油效率，控制二氧化碳排放等。实现上述目标的策略之一是保护热端部件，使之能在更高温度下工作，输出更高的效率[24]。另一个策略是改进密封性，降低发动机和整个航天器的质量。

采用可磨耗涂层能够提高燃油管路的密封性能，这种镀膜表面能够提高发动机的服役安全性，降级燃油消耗（约3%），减少二氧化碳的排放。在热端部件（燃烧室、涡轮部件）上制备热障涂层有助于发动机在更高的温度下工作而不损害基底材料。例如，A320系列飞机采用热障涂层后，累计节约5×106L 的燃油，减少了11600t二氧化碳的排放。

❹ 用真空镀替代电镀

现有的电镀铬技术具有很多优点，能够提供高硬度、耐磨损和抗腐蚀等多种特性，有效延长金属部件的寿命。目前，电镀铬广泛应用于制造业和零部件生产中（如航空结构、起落架、发动机支架和空气框架等）。由于六价铬对操作者的生命健康和环境具有一定危害，因此，对很多制造企业来说，寻找电镀铬的替代方案是非常紧迫的任务。但要找到合适的替代技术并不容易。

用真空镀替代电镀是一个重要的方案。比如，碳基薄膜兼具高硬度、低摩擦因数和耐磨损等性能，完全能够达到甚至优于电镀铬的特性。这种技术对操作者没有危害，而且能够减少电镀淤泥的填埋（这些淤泥对土壤和地下水都是潜在的威胁）。

4 总结与展望

真空镀膜作为一种应用技术和支撑平台，要以制造企业为中心，满足制造业对效率和质量不断增长的需求，不断提高真空镀膜技术与装备的水平。作为一个多学科交叉的高技术行业，我国的真空镀膜行业要开展大量基础性的、成效慢的质量提升工作，并建立严格完整的标准体系、测试体系和质量保证体系。在与国际一流的真空镀膜公司正面竞争的过程中，加强学习和研发，实现科技自立。

在助力制造企业低碳制造和可持续发展的过程中，真空镀膜行业要踏踏实实从应用需求到工艺开发，从基础理论到关键技术，从核心装备到控制系统，从智能制造到可持续发展，建立产学研用的大团队。分工合作，专心致志做好产业链条上的每一个环节，做精做强，才有可能逐步接近和达到国际先进水平的行列。