科技创新与论文写作表面工程学

科技论文写作表面工程学摘要：表面工程技术是21世纪的关键技术之一，从上世纪八十年代开始一直保持较快的发展速度，在科研和生产中得到广泛应用，收到了良好的效益。本文简要概述了金属材料表面工程技术中的表面改性处理、表面涂镀/层技术和堆焊表面改性技术的特点、应用范围和发展现状。关键词：金属材料；表面工程；发展趋势；主要技术成就；1材料表面工程学简介表面工程学是一门涉及材料科学、冶金技术、机械工程等众多领域的综合学科，包括表面科学理论、表面工程技术、表面工程技术设计、表面分析与检测技术、表面质量与工艺过程控制工程、表面工程管理与经济分析等几个方面[1]。其中表面工程技术是和生产实践联系最为密切的，同时也代表着生产技术水平的高低。科学技术的发展和进步对生产设备与仪器提出了更高的要求，复杂多变的工况考验着材料性能的优劣，必须在保证经济性前提下，综合运用各种高新技术提高和改善金属材料性能。表面工程技术是利用科技手段对材料表面进行处理，通过改变材料表面和亚表面的成分、微观组织结构以此来改善和提高其性能，满足使用要求。金属零件在使用过程中的破坏往往是从表面开始的，或因接触介质的化学腐蚀，或高温环境的氧化和熔化，或摩擦工况及磨料介质中的磨损，或复杂受力下的弯曲、扭转、拉压或剪切。因此，强化表面成为抵抗此类破坏的第一道防线。近年来，表面改性处理、表面涂镀/层技术和堆焊表面改性技术因其不同的优点在表面工程技术领域迅速发展。2表面工程学发展历史表面技术在几千年前就被开始应用于生产实践当中，在二十世纪取得突破性进展。六十到七十年代高能束引入表面工程学的应用当中大大促进了其发展的步伐，八十年代表面科学正式形成一门系统的科学。90年代迎来了其发展的高峰期。进入21世纪随着科学技术的不断发展，表面工程学技术发展更加成熟。表面工程技术在航空航天和现在工业中获得广泛应用。自1984年英国建立了第一个表面工程学会并出版了第一本国际性的表面工程杂志以来,国际上出现了表面工程研究热潮,表面工程技术成为80年代世界10项关键技术之一。进人90年代,其发展势头方兴未艾,成为美国工程科学院向美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术项目之一。表面工程技术的高速发展,国际及各国国内表面工程学术会议的频繁召开,表面工程系、腐蚀工程与表面科学系或专业在大学的出现,逐步形成并发展充实表面工程学。。3表面工程学的主要技术成就3.1表面改性技术表面改性技术包括以喷丸强化、辊压强化为代表的表面强化技术，以各种氧化、钝化成膜的化学转化膜技术，化学气相沉积技术（CVD）与等离子束、激光束等高能束的表面处理技术。表面改性技术是借助外在介质改善材料的表面性能，不对原材料添加任何化学元素，改性后的材料表面不存在化学元素的增减，只是成分的比例和组织结构发生变化。因此，该技术相对于涂镀（层）技术和堆焊表面改性技术要工艺简单，只需控制好过程参数即可。不同的工况环境对材料的要求也不同，应根据具体的实际需求选择处理工艺。科技论文写作3.1.1化学转化膜技术该技术经过近些年的发展已经实现了不仅在金属材料表面成膜，而且可在陶瓷等非金属表面成膜，膜的厚度也在向着更优更薄的方向发展。如各种碳化钛超导陶瓷薄膜系多晶或外延单晶薄膜、抗高温大功率的半导体用金刚石薄膜以及各种光电子薄膜和集成光学薄膜。铝及其合金的表面改性技术大多采用的是表面成膜技术，在表面形成耐磨、耐蚀、多孔、结合性强的高性能薄膜。目前铝合金表面的改性技术主要有：电化学氧化法、化学转化法、微弧氧化技术、等离子注入表面改性、冷喷涂技术、稀土转化膜和激光处理等[2]。3.1.2高能束表面改性技术高能束表面改性技术是运用高能束热源，添加或不加化学元素，对材料表面及亚表面进行重熔或熔覆处理，形成满足使用要求的高性能表层。所谓的高能束（HighEnergyDensityBeam------HEDB）即高能量密度的束流，包括激光束、电子束、等离子束[3]，与传统热源相比较，高能束具有独特的优点：1、能量更加集中，因此热效率高；2、方向性更强；3、易于实现精确控制；4、属于绿色能源，不易造成浪费。高能束的诸多优点使得它在传统技术工业、聚合物、生物医用材料、制备纳米材料等各个领域得到广泛的应用[4]。激光重熔、等离子重熔、激光表面熔覆、激光表面合金化等高能束表面改性技术在各行业得到飞速发展。高能束作为新型能源在表面改性技术中的应用，给表面工程学科带来了大发展，必将是倡导节约能源降低能耗的21世纪快速发展的能源之一。表面改性处理改善金属材料的使用性能与组织、硬度和耐磨性的改变有关，而各项改变的量和质决定于材质和高能束热源。不同材料在具体的过程中还受到诸如扫描速度、扫描间距、电流、电压等工艺条件选择的影响。通常，输入材料表面的高能束热量越大，材料的散热能力越强，则获得的性能改善层深度越大，材料表面组织与原始组织差别越大。具体行业领域中的应用还需根据实际情况选择高能束热源类型和实际生产中合适的工艺参数。3.2表面涂镀/层技术古典技术与现代技术相结合在材料表面形成一层或多层同质或异质层的技术称为表面涂镀/层技术。该技术包括在材料表面电镀耐磨、耐蚀、耐高温等优异性能的单层或复合表层、非晶态镀层的电镀技术；有机涂层技术、热喷涂技术、物理气相沉积技术等。3.2.1热喷涂技术热喷涂技术是一种重要的表面工程技术，通过在材料表面喷涂保护层、强化层和装饰层来实现抗磨、耐热、耐蚀、绝缘和导光等特性功能[5]。热喷涂技术作为一种表面强化和防护工艺如今已日渐成熟，从单一的表面强化层发展到及产品失效分析、表面预处理、喷涂材料、喷涂设备选择、喷涂工艺确定、涂层系统设计和喷涂层后期加工为一体的系统工程。该技术由条件要求极高的宇航工业开始，如今已深入发展到民用工业的各个行业[6]。热喷涂技术包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。电弧喷涂效率高、涂层结合力强、生产效率高且能适合各种复杂环境，因此在市场上的份额较大。喷涂材料离子的温度和速度对涂层的性能影响较大，由此而生的超音速等离子热喷涂技术近年来在国际上发展迅速。火焰喷涂根据涂层材料的种类不同分为线材火焰喷涂和丝材火焰喷涂技术。该技术是利用火焰将材料先熔化然后形成涂层，之后再用火焰加热涂层，可以使基层与涂层材料间达到冶金结合，对于高温下承受热冲击的高温磨具处理尤为重要[7]。科技论文写作3.2.2物理气相沉积技术物理气相沉积技术是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方法在材料表面成膜。表面膜可以是金属膜、合金膜、陶瓷膜亦或是金刚石膜等。此类沉积成膜技术已经在机械、航空等行业得到广泛应用。该技术在实际生产中操作灵活，可以根据需要调整成分和比例，从而改善材料的不同性能。3.3堆焊表面改性技术堆焊表面改性技术是利用焊接技术在基体表面堆焊一层或多层同质或异质的覆层材料，使其与基层间达到冶金结合，以此来改善或提高材料的表面抗磨、耐高温、耐蚀或承压等性能。几乎所有的焊接方法都可用于堆焊技术，所以该技术在表面工程技术中使用更为广泛，航空、机械、冶金等行业中都可见其应用，且更加多的应用于破旧零器件的修复。根据焊接方法的不同，堆焊技术以分为等离子弧堆焊、埋弧焊堆焊、CO2保护自动堆焊、震动电弧自动堆焊等。其中埋弧堆焊技术因其堆焊覆层优质、生产效率高、易于控制等优点在生产制造业界应用最为广泛。表面堆焊技术的优缺点应该从质量、效率、经济性、焊材的稀释率等各个不同的方面来综合比较。材料的稀释率越高，质量相对越差，对企业来讲，经济性也就越差。等离子弧堆焊技术就属于高稀释率就属于此类低效率高稀释率的堆焊方法，但是近年来随着科技水平的不断提高，大功率的等离子弧粉末堆焊已经从实验室进入生产一线。堆焊材料有焊条、焊丝、焊剂之分，不同的形状焊材的生产效率、堆焊质量也各不相同。起初由于自动化程度不高，应用焊条的堆焊技术在各行业中份额比较大，随着自动化程度的不断提高，后两种焊材的应用范围逐渐扩大，使覆层合金化的药芯焊丝堆焊技术也得到日益推广。材料表面的堆焊覆层也不在是单一的金属覆层，早在2002年清华大学的单际国等人就利用高能束在低碳钢表面生成陶瓷增强相的复合材料表层，并对陶瓷颗粒的粒度和加入量对表层性能的影响规律做了分析[8]。相信在日新月异的高科技发展下必将带动堆焊技术向着更系统、更完善、更高效的方向发展。4我国表面涂镀技术的发展现状与趋势户外钢铁结构件表面喷涂锌、铝及其合金实行阴极保护，代替传统的刷油漆，大面积防腐工程近年来国内发展迅速。钢结构厂房、钢制集装箱、梁桥、电视铁塔、大楼天线、送变电站、钢制灯杆等户外钢结构，这些钢构件因长期暴露在大气中，受到气候变化和日晒雨淋，表面迅速氧化，生成一层三氧化二铁，严重影响钢结构的强度及使用寿命，为防止钢结构表面的氧化，以往一般都采用油漆或镀锌保护，其防腐年限一般在3～5年，因此需要经常性进行维修保养，耗费大量人力物力。现采用火焰或电弧喷锌、喷铝工艺加以保护，防腐年限可达30年以上无需保养。如在锌或铝涂层外再加油漆封闭，其防腐年限更长。钢结构表面只有采用火焰或电弧喷锌、喷铝工艺后，才能真正起到阳极保护作用，从而达到钢结构长效防腐之目的，因此国家许多重大工程及市政项目被指定采用该工艺。如：长江三峡永久闸门、上海东方明珠电视塔、杨浦大桥主护杆、广州市内环高架钢梁、上海证券大厦钢结构天线、浦东机场路共同沟爆气管道、上海南桥50万千瓦变电站等等,以确保重大工程的百年大计。据报道世界钢产量的十分之一消耗于腐蚀：机械制造中有1/3的能源直接或间接发地消耗于摩擦磨损。发达国家由于磨损和腐蚀造成了占国民经济总产值的科技论文写作2~4%，例如美国约为200亿美元，在德国由于腐蚀、磨损造成的损失占几十亿马克以上；我国每年磨损损失达400亿元；腐蚀方面的损失达450万元以上。因此，适当地采取表面涂层技术能有效地避免相当一部分损失；另外，随着工业现代化的发展，对各种机械设备和钢结构构件的表面性能要求越来越高；因此，表面喷涂技术往往有成为解决这些表面特殊性能的关键技术。如耐辐射、耐光、耐热、耐电等性能。国内外热喷涂技术发展极为迅速，应用也越来越广泛。各种新能源、新工艺、新材料的发展及高新科技的要求，必将促进热喷涂技术更加飞速发展。热喷涂技术在我国工业现代化进程中，特别是在我国国民经济实现两个根本转变，即从“粗放型向效益型”转变的发展过程中不可缺少的高新技术。参考文献[1]李红.表面工程学新进展[J],东莞理工学院学报,1997:75~81[2]钱苗根.材料表面技术及其应用手册[M],北京:机械工业出版社,1998:197-205[3]牛二武,邸英皓,曹晓明.高能束技术的应用与发展[J],天津冶金.2004,(2):35-49[4]崔福斋,郑传林.等离子体表面工程新进展[J],中国表面工程.2003,(4):7-11[5]徐滨士,李长久.热喷涂技术应用与发展[A],第八次全国焊接会议论文集[C].1997[6]赵文轸,等.金属表面工程新技术的特点与应用[J],机械工程材料.1995(4):55-58[7]周永强,等.表面工程技术的发展与应用[J],焊接技术.2001,30(4):5-8[8]单际国,等.聚焦光束堆焊生成陶瓷颗粒增强的材料表面[J],机械工程材料.2002,26(7):15-19