表面工程领域的最

表面工程领域的最新进展和发展趋势主要内容0、引言1、表面工程新技术不断涌现2、研究复合表面技术3、完善表面工程技术设计体系4、开发多种功能涂层5、研究开发新型涂层材料6、发展高能束堆焊技术7、深化表面工程基础理论和测试方法研究8、扩展表面工程的应用领域9、积极为国家重大工程建设服务10、纳米表面工程技术正在形成11、促进再制造工程的发展12、向自动化、智能化的方向迈进13、降低对环保的负面效应0引言表面工程形成一门独立的学科虽然只是近20年的事，但其发展之快、涉及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。以1983年表面工程的概念被首次提出、1986年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会、1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立、1988年《表面工程》杂志创刊为标志，表面工程在我国迅速发展。2000年，全国焊接学会将原来的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。表面工程已经发展成为横跨材料学、摩擦学、物理学、化学、界面力学和表面力学、材料失效与防护、金属热处理学、焊接学、腐蚀与防护学、光电子学等学科的边缘性、综合性、复合型学科。表面工程具有学科的综合性，手段的多样性，广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性，很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。其产生的经济效益更是令人瞩目。目前，我国技术门类齐全，部分表面技术的设备、材料和工艺已达到了国际先进水平。据不完全统计，仅我国自第6个五年计划以来，通过表面工程在设备维修领域和制造领域推广应用，已取得了几百亿元的经济效益。回顾表面工程自兴起以来的成长历程，大约可以从13个方面来概括其轨迹。而表面工程在21世纪的发展，以及它将对21世纪科学技术总体水平和经济发展所起的促进作用，也应该从这条轨迹向前延伸。1表面工程新技术不断涌现传统的表面技术，随着科学技术的进步而不断创新。在电弧喷涂方面，发展了高速电弧喷涂，使喷涂质量大大提高。在等离子喷涂方面，已研究出射频感应藕合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、用三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂。在电刷镀方面研究出摩擦电喷镀及复合电刷镀技术。在涂装技术方面开发出了粉末涂料技术。在粘结技术方面，开发了高性能环保型粘结技术、纳米胶粘结技术、微胶囊技术。在高能束应用方面发展了激光或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技术。在离子注入方面，继强流氮离子注入技术之后，又研究出强流金属离子注入技术和金属等离子体浸没注入技术。在解决产品表面工程问题时，新兴的表面技术与传统的表面技术相互补充，为表面工程工作者提供了宽广的选择余地。2研究复合表面技术在单一表面技术发展的同时，综合运用两种或多种表面技术的复合表面技术（也称第二代表面技术）有了迅速的发展。复合表面技术通过多种工艺或技术的协同效应使工件材料表面体系在技术指标、可靠性、寿命、质量和经济性等方面获得最佳的效果，克服了单一表面技术存在的局限性，解决了一系列工业关键技术和高新技术发展中特殊的技术问题。强调多种表面工程技术的复合，是表面工程的重要特色之一。复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合等。即使同一种表面技术，在其发展历程中也同样存在着博采众长与其它技术相互交叉的趋势。以离子注入为例：在用于半导体材料搀杂的离子注入机基础上发展起来的束线离子注入技术可大大改善零件表面的耐磨性、耐疲劳性和光、电、磁性能。为了克服改性层比较薄的缺点，学者们将蒸镀、溅射镀膜技术与束线离子注入技术相结合发展了离子辅助镀膜（IAC）或离子束辅助沉积（IBAD）技术，既克服了一般镀膜技术中膜基结合不良的缺点，又将改性层厚度从原来的0.2μm提高到了几微米至几十微米。由于束线离子注入存在着固有的视线限制，无法处理形状复杂或者较为大型的零件，近10年来国内外兴起的等离子体浸没离子注入（PIII）技术，将工件浸没在等离子体中，能全方位处理形状复杂的零件，也能方便地处理大和重的工件。该技术在材料表面改性方面取得了巨大的成功。而沿着束线离子注入技术路线发展起来的MeVVA等离子体源，可以向金属表面注入金属离子，并在航空航天零部件的抗高温腐蚀方面取得了令人满意的效果。最近，一些研究者又综合了PIII和MeVVA二者的优点，实现了金属等离子体浸没离子注入与沉积（MePIIID）。这项技术既可进行纯金属等离子沉积，又可进行金属等离子体注入，还可任意改变二者的比例，为离子注入技术在表面改性方面的应用开拓了更为广阔的空间。3完善表面工程技术设计体系表面工程技术设计是针对工程对象的工况条件和设备中零部件等寿命的要求，综合分析可能的失效形式与表面工程的进展水平，正确选择表面技术或多种表面技术的复合，合理确定涂层材料及工艺，预测使用寿命，评估技术经济性，必要时进行模拟实验，并编写表面工程技术设计书和工艺卡片。目前，表面工程技术设计仍基本停留在经验设计阶段。有些行业和企业针对自己的工程问题开发出了表面工程技术设计软件，但局限性很大。随着计算机技术、仿真技术和虚拟技术的发展，建立有我国特色的表面工程技术设计体系既有条件又迫在眉睫。欲建立较为完善的表面工程技术设计体系，当务之急是建立大型的表面工程数据库，广泛搜集包括材料成分与服役性能的关系，涂层性能与服役性能的关系，工况条件及其变化对表面层性能的要求，工艺方法以及相关工艺参数，工艺设备等一切有关表面工程的数据，评估现有理论和经验公式的成熟性，然后通过数学建模并应用计算机技术逐步建立和完善表面工程技术设计体系。要达到这个目标，仅靠某个单位或个人的力量显然是无法完成的。必须集合全行业的力量，通过充分的信息交换，实现资源共享、成果共享。4开发多种功能涂层表面工程大量的任务是使零件、构件的表面延缓腐蚀、减少磨损、延长疲劳寿命。随着工业的发展，在治理这3种失效之外提出了许多特殊的表面功能要求。例如舰船上甲板需要有防滑涂层，现代装备需要有隐身涂层，军队官兵需要防激光致盲的镀膜眼镜，太阳能取暖和发电设备中需要高效的吸热涂层和光电转换涂层，录音机中需要有磁记录镀膜、不沾锅中需要有氟树脂涂层、建筑业中的玻璃幕墙需要有阳光控制膜等等。此外，隔热涂层、导电涂层、减振涂层、降噪涂层、催化涂层、金属染色技术等也有广泛的用途。在制备功能涂层方面，表面工程也可大显身手，做出自己的贡献。5研究开发新型涂层材料表面涂层材料是表面技术解决工程问题的重要物质基础。当前发展的涂层新材料，有些是单独配制或熔炼而成的，有些则是在表面技术的加工过程中形成的，后一类涂层材料的诞生，进一步显示了表面工程的特殊功能。轿车涂装技术中新发展的第五代阴极电泳涂料（ED5），其泳透力比前几代进一步提高，有机溶剂、颜料含量降低，且不含有害金属铅，代表了阴极电泳涂料的发展趋势。以聚氯乙烯树脂为主要基料与增塑剂配成的无溶剂涂料，构成了现代汽车涂装中所用的抗石击涂料和焊缝密封胶，有效地防止了车身底板和焊缝出现过早腐蚀，并保证了车身的密封性。粘结固体润滑涂层材料，在解决航空航天等军工高科技领域特殊工况条件下的机械磨损、润滑、粘着冷焊等摩擦学问题中发挥了重要作用，并在民用真空机械、低温设备上有广阔的用途。等离子喷涂B4C涂层，具有很高的硬度和优异的抗辐射性能，是理想的核反应堆壁面材料。Fe3Al是一种抗高温冲蚀的好材料，而且成本较低，被誉为“穷人用的不锈钢”。但是过去只能用铸造的方法来获取。最近采用高速电弧喷涂的方法制备出了Fe3Al基涂层，突破了Fe3Al无法应用于零件表面的难题。以Fe3Al为基础再与多种硬质粉末相复合，可以制备出抗高温氧化、硫化及抗冲蚀磨损的涂层，在军用装备和电站锅炉管道上有广阔的应用前景。在不断研发新的喷涂材料的同时，对传统材料的重新认识和潜力挖掘工作也在进行。例如在电弧喷涂耐海水腐蚀涂层时常常被推荐选用锌铝合金（85/15）和铝镁合金（AlMg5）。据认为这两种具有更好的耐腐蚀性能，但价格比纯锌和纯铝高得多。许多专家呼吁，从性能价格比的角度应该回归到传统的电弧喷涂防腐材料纯锌和纯铝，而且仅仅从性能来说也缺乏足够的证据证明85/15和AlMg5比纯锌和纯铝好。6发展高能束堆焊技术堆焊作为一种经济有效的表面改性方法是现代材料加工与制造业不可缺少的工艺手段。为了最大限度地发挥堆焊技术的优越性，优质、高效、低稀释率历来是国内外堆焊技术的重要研究方向。传统的电弧粉末堆焊技术由于受电弧吹力的影响难以同时达到高效和低稀释率的目标。为了提高堆焊效率必然导致热输入的增加，基材的熔深增大，堆焊层性能下降。近年来，基于等离子弧等高能密度热源的粉末堆焊技术研究在国外十分活跃。等离子弧堆焊可以获得较低的稀释率（5～10%），但是其堆焊效率也是各种堆焊方法中较低的。以激光堆焊为代表的高能束堆焊技术的特点是可以实现热输入的准确控制，涂层厚度大、热畸变小、成分和稀释率可控性好，可以获得组织致密、性能优越的堆焊层，因而成为国内外学者的研究热点，近十几年来得到了迅速发展。例如电子束堆焊，其能源利用率很高，可达30%以上。基材的加热不受金属蒸气的影响，熔敷金属冷却速度快，熔敷层的耐磨性往往成十倍地提高。但激光设备、电子束设备一次性投资昂贵，运行费用高。因此，国内外对低成本、高效率的高能束堆焊技术的研究开发十分重视。聚焦光束表面堆焊是近年来发展起来的新型表面堆焊技术。聚焦光束加热的特点是金属材料对它的吸收率高，能源利用率达到20%以上；聚焦光束单道处理宽度大，设备造价仅为同功率激光的三分之一，工艺成本低。过去，实现聚焦光束堆焊的技术路线大多采用一级反光镜聚焦，功率密度约为103W/cm2，堆焊在可控气氛工作舱中进行，堆焊效率低。由于采用了简单的聚焦模式，限制了聚焦光束的能量密度，增加了聚焦光束堆焊的工艺复杂性，阻碍了聚焦光束堆焊技术的发展和应用。清华大学最近开发了采用二次聚焦方式的光束加热设备，功率密度达到104W/cm2以上。在低碳钢表面上进行的手涂预置镍基合金和铁基合金粉末的聚焦光束堆焊研究表明，选用合适的合金材料和工艺，可以获得良好的单道单层、单道多层及多道单层大面积堆焊层。堆焊层的宏观硬度高于采用同种材料获得的热喷涂层的宏观硬度。但是，手涂预置粉末方式易出现基材熔化不足、不能多道连续堆焊等缺点。因此，聚焦光束自动送粉堆焊技术的研究是高能束粉末堆焊技术的重要发展方向之一。7深化表面工程基础理论和测试方法研究摩擦学是表面工程的重要基础理论之一。近10年来，针对具体的工程问题，摩擦学工作者作出了出色的成果，在摩擦副失效点判定、磨损失效的主要模式、磨损失效原因分析及对策等方面积累了丰富的经验，并在重大工程问题上作出了重要贡献。当前研究摩擦学问题的手段越来越齐全、先进，可以模拟各种条件进行试验研究，这些试验手段和已积累的研究方法、评估标准，有力地支持了表面工程的发展。国外大量实践证明，工程摩擦学问题的投入与节约的效果相比约是1∶50的关系，谁重视工程中摩擦学问题的投入，谁就能获得高额回报。在腐蚀学研究方面，针对大气腐蚀、海洋环境腐蚀、化工储罐腐蚀、高温环境腐蚀、地下长输管线腐蚀、热交换设备腐蚀、建筑物中的钢筋水泥腐蚀等，应用各种现代材料进行了腐蚀机理和防护效果研究，提出了从结构到材料到维护一整套防腐治理措施。这些研究成果，对表面工程技术设计有很大的参考价值。无论用什么表面技术在零件表面上制备涂覆层，必须掌握涂覆层与基体的结合强度、涂覆层的内应力等力学性能。这是表面工程技术设计的核心参数之一，也是研究和改进表面技术的重要依据。对于涂覆层厚度大于0.15mm的膜层（如热喷涂涂层），尚可用传统的机械方法进行测试，但是对于涂覆层厚度小于0.15mm的膜层（如气相沉积几个微米的膜层）传统的机械方法已无能为力。而气相沉积技术又发展的很快，应用面越来越广，这就使研究新的测试方法更加紧迫。近10年，一些学者用划痕法、X射线珩射法、纳米压入法、基片弯曲法等思路和手段