表面工程领域的最

1、外表工程领域的最新进展和开展趋势 .主要内容0、引 言 1、外表工程新技术不断涌现2、研讨复合外表技术 3、完善外表工程技术设计体系 4、开发多种功能涂层 5、研讨开发新型涂层资料 6、开展高能束堆焊技术 7、深化外表工程根底实际和测试方法研讨8、扩展外表工程的运用领域 9、积极为国家艰苦工程建立效力 10、纳米外表工程技术正在构成 11、促进再制造工程的开展 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 外表工程构成一门独立的学科虽然只是近20年的事，但其开展之快、涉及范围之广、对人们消费生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。以1983年外表工程的概念被初次

2、提出、1986年国际热处置结合会更名为国际热处置与外表工程结合会、1987年中国机械工程学会外表工程研讨所成立、1988年杂志创刊为标志，外表工程在我国迅速开展。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“堆焊及外表工程专业委员会。外表工程曾经开展成为横跨资料学、摩擦学、物理学、化学、界面力学和外表力学、资料失效与防护、金属热处置学、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。 . 外表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、环境的维护性，很强的适用性和宏大的增效性，因此遭到各行各业的注重。其产生的经济效益更是令人瞩目。目前

3、，我国技术门类齐全，部分外表技术的设备、资料和工艺已到达了国际先进程度。据不完全统计，仅我国自第6个五年方案以来，经过外表工程在设备维修领域和制造领域推行运用，已获得了几百亿元的经济效益。 回想外表工程自兴起以来的生长历程，大约可以从13个方面来概括其轨迹。而外表工程在21世纪的开展，以及它将对21世纪科学技术总体程度和经济开展所起的促进作用，也应该从这条轨迹向前延伸。.1 外表工程新技术不断涌现 传统的外表技术，随着科学技术的提高而不断创新。在电弧喷涂方面，开展了高速电弧喷涂，使喷涂质量大大提高。在等离子喷涂方面，已研讨出射频感应藕合式等离子喷涂、反响等离子喷涂、用三阴极枪等离子喷枪喷涂及微

4、等离子喷涂。在电刷镀方面研讨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。 在高能束运用方面开展了激光或电子束外表熔覆、外表淬火、外表合金化、外表熔凝等技术。在离子注入方面，继强流氮离子注入技术之后，又研讨出强流金属离子注入技术和金属等离子体浸没注入技术。在处理产品外表工程问题时，新兴的外表技术与传统的外表技术相互补充，为外表工程任务者提供了广大的选择余地。 .2 研讨复合外表技术 在单一外表技术开展的同时，综合运用两种或多种外表技术的复合外表技术也称第二代外表技术有了迅速的开展。复合外表技术经过多种工

5、艺或技术的协同效应使工件资料外表体系在技术目的、可靠性、寿命、质量和经济性等方面获得最正确的效果，抑制了单一外表技术存在的局限性，处理了一系列工业关键技术和高新技术开展中特殊的技术问题。强调多种外表工程技术的复合，是外表工程的重要特征之一。复合外表工程技术的研讨和运用已获得了艰苦进展，如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处置与电镀的复合等。 . 即使同一种外表技术，在其开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：在用于半导体资料搀和的离子注入机根底上开展起来的束线离子注入技术可大大改善零件外表的耐磨性、耐疲劳性和光、电、磁性能。为了抑制改性层比较薄的

6、缺陷，学者们将蒸镀、溅射镀膜技术与束线离子注入技术相结合开展了离子辅助镀膜IAC或离子束辅助堆积IBAD技术，既抑制了普通镀膜技术中膜基结合不良的缺陷，又将改性层厚度从原来的0.2m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野限制，无法处置外形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，能全方位处置外形复杂的零件，也能方便地处置大和重的工件。该技术在资料外表改性方面获得了宏大的胜利。而沿着束线离子注入技术道路开展起来的MeVVA等离子体源，可以向金属外表注入金属离子，并在航空航天零部件的抗高温腐蚀方面获得了令人称心的效

7、果。最近，一些研讨者又综合了PIII和MeVVA二者的优点，实现了金属等离子体浸没离子注入与堆积MePIIID。这项技术既可进展纯金属等离子堆积，又可进展金属等离子体注入，还可恣意改动二者的比例，为离子注入技术在外表改性方面的运用开辟了更为宽广的空间。 .3 完善外表工程技术设计体系 外表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，综合分析能够的失效方式与外表工程的进展程度，正确选择外表技术或多种外表技术的复合，合理确定涂层资料及工艺，预测运用寿命，评价技术经济性，必要时进展模拟实验，并编写外表工程技术设计书和工艺卡片。 目前，外表工程技术设计仍根本停留在阅历设计阶段。有些

8、行业和企业针对本人的工程问题开发出了外表工程技术设计软件，但局限性很大。随着计算机技术、仿真技术和虚拟技术的开展，建立有我国特征的外表工程技术设计体系既有条件又迫在眉睫。 . 欲建立较为完善的外表工程技术设计体系，当务之急是建立大型的外表工程数据库，广泛搜集包括资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外表层性能的要求，工艺方法以及相关工艺参数，工艺设备等一切有关外表工程的数据，评价现有实际和阅历公式的成熟性，然后经过数学建模并运用计算机技术逐渐建立和完善外表工程技术设计体系。要到达这个目的，仅靠某个单位或个人的力量显然是无法完成的。必需集合全行业的力量，经过充分的

9、信息交换，实现资源共享、成果共享。 .4 开发多种功能涂层 外表工程大量的义务是使零件、构件的外表延缓腐蚀、减少磨损、延伸疲劳寿命。随着工业的开展，在治理这3种失效之外提出了许多特殊的外表功能要求。例如舰船上甲板需求有防滑涂层，现代配备需求有隐身涂层，军队官兵需求防激光致盲的镀膜眼镜，太阳能取暖和发电设备中需求高效的吸热涂层和光电转换涂层，录音机中需求有磁记录镀膜、不沾锅中需求有氟树脂涂层、建筑业中的玻璃幕墙需求有阳光控制膜等等。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，外表工程也可大显身手，做出本人的奉献。 .5 研讨开发新型涂

10、层资料 外表涂层资料是外表技术处理工程问题的重要物质根底。当前开展的涂层新资料，有些是单独配制或熔炼而成的，有些那么是在外表技术的加工过程中构成的，后一类涂层资料的诞生，进一步显示了外表工程的特殊功能。轿车涂装技术中新开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开展趋势。 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。 .粘结固体光滑涂层资料，在处理航空航天等军工高科技领域特殊工况条件下的机械磨损、光滑

11、、粘着冷焊等摩擦学问题中发扬了重要作用，并在民用真空机械、低温设备上有宽广的用途。 等离子喷涂B4C涂层，具有很高的硬度和优良的抗辐射性能，是理想的核反响堆壁面资料。 Fe3Al是一种抗高温冲蚀的好资料，而且本钱较低，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无法运用于零件外表的难题。以Fe3Al为根底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，在军用配备和电站锅炉管道上有宽广的运用前景。在不断研发新的喷涂资料的同时，对传统资料的重新认识和潜力发掘任务也在进展。例如在电弧喷涂耐海水腐蚀涂

12、层时经常被引荐选用锌铝合金85/15和铝镁合金AlMg5。据以为这两种具有更好的耐腐蚀性能，但价钱比纯锌和纯铝高得多。许多专家呼吁，从性能价钱比的角度应该回归到传统的电弧喷涂防腐资料纯锌和纯铝，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 开展高能束堆焊技术 堆焊作为一种经济有效的外表改性方法是现代资料加工与制造业不可短少的工艺手段。为了最大限制地发扬堆焊技术的优越性，优质、高效、低稀释率历来是国内外堆焊技术的重要研讨方向。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到达高效和低稀释率的目的。为了提高堆焊效率必然导致热输入的添加，基材的熔深增大，堆焊

13、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讨在国外非常活泼。等离子弧堆焊可以获得较低的稀释率510%，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，因此成为国内外学者的研讨热点，近十几年来得到了迅速开展。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，运转费用高。因此，国内外对低本钱、高效率的高能束堆焊技术的研讨开

14、发非常注重。 .聚焦光束外表堆焊是近年来开展起来的新型外表堆焊技术。聚焦光束加热的特点是金属资料对它的吸收率高，能源利用率到达20%以上；聚焦光束单道处置宽度大，设备造价仅为同功率激光的三分之一，工艺本钱低。过去，实现聚焦光束堆焊的技术道路大多采用一级反光镜聚焦，功率密度约为103W/cm2，堆焊在可控气氛任务舱中进展，堆焊效率低。由于采用了简单的聚焦方式，限制了聚焦光束的能量密度，添加了聚焦光束堆焊的工艺复杂性，妨碍了聚焦光束堆焊技术的开展和运用。清华大学最近开发了采用二次聚焦方式的光束加热设备，功率密度到达104W/cm2以上。 在低碳钢外表上进展的手涂预置镍基合金和铁基合金粉末的聚焦光束

15、堆焊研讨阐明，选用适宜的合金资料和工艺，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资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缺乏、不能多道延续堆焊等缺陷。因此，聚焦光束自动送粉堆焊技术的研讨是高能束粉末堆焊技术的重要开展方向之一。 .7 深化外表工程根底实际和测试方法研讨 摩擦学是外表工程的重要根底实际之一。近10年来，针对详细的工程问题，摩擦学任务者作出了出色的成果，在摩擦副失效点断定、磨损失效的主要方式、磨损失效缘由分析及对策等方面积累了丰富的阅历，并在艰苦工程问题上作出了重要奉献。当前研讨摩擦学问题的手段越来越齐全、先进，

16、可以模拟各种条件进展实验研讨，这些实验手段和已积累的研讨方法、评价规范，有力地支持了外表工程的开展。国外大量实际证明，工程摩擦学问题的投入与节约的效果相比约是150的关系，谁注重工程中摩擦学问题的投入，谁就能获得高额报答。在腐蚀学研讨方面，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，运用各种现代资料进展了腐蚀机理和防护效果研讨，提出了从构造到资料到维护一整套防腐治理措施。这些研讨成果，对外表工程技术设计有很大的参考价值。 .无论用什么外表技术在零件外表上制备涂覆层，必需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。

17、这是外表工程技术设计的中心参数之一，也是研讨和改良外表技术的重要根据。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展测试，但是对于涂覆层厚度小于0.15mm的膜层如气相堆积几个微米的膜层传统的机械方法已无能为力。而气相堆积技术又开展的很快，运用面越来越广，这就使研讨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、基片弯曲法等思绪和手段对薄膜的力学行为进展了深化研讨，获得了长足的提高，但要到达构成相对严密自成体系的评价方法和技术目的尚有较大差距。 .8 扩展外表工程的运用领域 外表工程曾经在机械产品、信息产品、家电产品和建筑装饰中获得富有

18、效果的运用。但是其深度广度仍很不够，不了解和不运用外表工程的单位和产品仍很普遍。外表工程的优越性和潜在效益仍未很好发扬，需求做大量的宣传推行任务。我国面临参与世贸组织，经过推行运用外表工程提高产品的质量，降低消费本钱，改良产品包装，加强市场竞争力，也应是主要的举措之一。 外表工程在生物工程中的延伸已引起了人们的留意，前景非常宽广。如髋关节的外表修补，最常用的复合资料是在超高密度高分子聚乙烯上再镀钴铬合金，运用寿命可达1525年，近些年又开展了羟基磷灰石简称HAP资料，它是一种重要的生物活性资料，与骨骼、牙齿的无机成分极为类似，具有良好的生物相容性，埋入人体后易与新生骨结合。但是HAP资料脆性大

19、，有的学者就用外表工程技术使HAP粒子与金属Ni共堆积在不锈钢基体上，实现了结实结合。 .随着专业化消费方式的变革和人们环保认识的加强，如今呼吁外表处置向原资料制造业转移，这也是一个重要动向。倍受家用电器厂家欢迎的是预涂型彩色钢板，它是在金属资料外表涂上一层有机资料的新种类，具有有机资料的耐腐蚀、颜色艳丽等特点，同时又具有金属资料的强度高、可成型等特点，只须对其作适当的剪切、弯曲、冲压和衔接即可制成多种产品外壳，不仅简化了加工工序，也减少了家用电器厂家加工设备的投资，成为制造家用电器外壳的极佳资料。 汽车制造业的外表加工义务很重，呼吁外表工程由如今汽车制造厂家处置，变为在原资料制造时就同时进展

20、的出厂前自动处置。这种变革不是外表处置义务的简单转移，更重要的是一种节能、节材、有利环保的举措。它可以简化除油、除锈工序，还可以利用轧钢后的余热，降低能耗。在西欧一些国家的钢厂中，就对半废品进展外表处置，如热处置、热浸镀、磷化、钝化等。 .9 积极为国家艰苦工程建立效力 在新型军用飞机的研制过程中，先进的胶粘技术、特种热处置技术、外表改性技术、薄膜技术以及涂层技术都发扬了重要作用。吸波资料的研制胜利为配备隐形提供了重要的物质根底。离子注入、离子刻蚀和电子曝光技术的结合，构成了集成电路微细加工技术，成为制造超大规模集成电路的重要技术根底。 长江三峡工程，与其说是土木工程，不如说是钢铁工程，在大坝

21、全长2309.47m中钢铁构造闸门就占全长的72%。在三峡工程中，一切机械设备、金属构造、水工闸门以及隧洞、桥梁、公路、码头、储运设备都离不开外表工程。在国家科技攻关工程，如“六五、“七五、“八五和“九五攻关工程的安排上以及三峡工程重新论证和设计审查中，外表工程的运用一直是一项研讨和讨论的重要课题之一。从外表技术和涂覆资料的选择、喷涂工艺的制定到外表电化学维护等，都在三峡艰苦配备研制工程中占有重要位置。笔者曾于1999年8月到三峡工地进展了调研，向三峡施工指挥部和中国工程院提出了推行高速电弧喷涂技术并将有污染的喷锌技术换为既无污染又能降低本钱的喷铝及铝稀土合金技术的建议，遭到了有关方面的注重。

22、 .西陵长江大桥和汕头海湾大桥都是悬索式构造，这种悬索桥的特点是在桥的两端分别建起两个约100米高的桥墩，在桥墩顶上放置两块平面钢板称为鞍座底板，鞍座底板上放置两排悬索鞍座，再把两条主缆分别架在两排悬索鞍座上，然后在两条主缆上吊挂桥梁板。在建桥的过程中，为了力的平衡，需求多次在高空纵向推移悬索鞍座，由于整桥上万吨分量全部加在悬索鞍座上，使悬索鞍座对底座构成了很大的正压力，这就给高空纵向推移带来了很大的困难，为了减少纵向推移力，独一的方法就是降低悬索鞍座与鞍座底板摩擦副的摩擦因数。国外的方法是在摩擦副间加上几千枚滚针，把滑动摩擦改为滚动摩擦，这样可以有效减小纵向推移力。但是，这种方法给制造工艺添

23、加了难度，首先要对每件几十吨重的悬索鞍座和鞍座底板进展热处置，保证摩擦副外表的机械性能。 其次，要对摩擦副外表和滚针进展准确加工。我国目前的加工才干和和程度很难保证摩擦副外表及数千枚滚针的尺寸精度和几何外形精度。向国外订购整件或委托加工，价钱都非常昂贵。在这种情况下，全军配备维修外表工程研讨中心胜利地采用了外表工程技术在悬索鞍座和鞍座底板上制备出复合减摩外表涂层，以减少摩擦副的摩擦因数，从而显著减少纵向推力的方案。这种方案是外表工程在桥梁建立上的一次创新运用，在国内外建桥史上均为初次。它不仅有效减少了摩擦副的摩擦因数，而且降低了对大型悬索鞍座及鞍座底板的制造工艺技术要求，还节约了大批经费，保证

24、了大桥顺利建成通车。 .10 纳米外表工程技术正在构成 近年来纳米资料技术正在以令人吃惊的速度迅猛开展。迄今的研讨以纳米粉末的制造为主，但是越来越倍受关注的是纳米资料的构造化问题。众所周知，特殊的外表性能是纳米资料的重要独特性能之一。外表工程无论在工艺方法和运用领域方面都与纳米资料技术有着不可分割的亲密联络。在传统的电刷镀溶液中，参与纳米粉体资料。可以制备出性能优良的纳米复合镀层。在传统的机油添加剂中，参与纳米粉体资料，可以提高减摩性能并具有良好的自修复性能。 计算机产业需求速度更高的芯片，而刻蚀技术受分辨率的限制很难对再芯片做出革命性的奉献。速度更高的芯片除了向面积更大开展之外，极有能够向三

25、维挺进，出现像多层印刷线路板那样的多层芯片。CVD、PVD等方法是获得纳米构造资料的典型方法，在芯片多层化方面是目前最有能够获得胜利的技术方案。 .热喷涂技术是制造纳米构造资料的另一种极有竞争力的方法。与其它技术相比，它有许多优越性：工艺简单，涂层和基体选择范围广，涂层厚度变化范围大，堆积速率高，以及容易构成复合涂层等等。运用液料热喷涂法经过液料与热源的交互作用不仅可以获得纳米构造涂层，还可以制造纳米粉。实验室中，曾经胜利地制成具有纳米构造的羟基磷灰石HAP涂层，而HAP是提高人工关节外表生物兼容性的关键物质。经过控制非晶物质的再结晶，可以制成纳米块材。在热喷涂过程中，高速飞行的粒子撞击冷基体

26、，冷却速度极高，可以制备出非晶态涂层。控制随后的再结晶温度和时间，可以得到纳米构造涂层。用这种方法曾经得到了WCCo和NiCrBSi自熔剂合金的纳米涂层。 .因此可以说外表工程是促进纳米技术，特别是纳米资料构造化开展的主力军之一。 由于外表工程对纳米资料的胜利运用，以及用外表工程技术制备纳米构造涂层的开展，正在构成纳米外表工程技术新领域。 .11 促进再制造工程的开展 20世纪全球经济高速开展，与此同时，对自然资源的恣意开发和对环境的无偿利用呵斥全球的生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等艰苦问题。其中机电产品制造业是最大的资源运用者，也是最大的环境污染源之一。为处理这一时代课题，再制造工程应运

27、而生。再制造工程技术属绿色先进制造技术，是对先进制造技术的补充和开展。报废产品的再制造是其产品全寿命周期管理的延伸和创新，是实现可继续开展的重要技术途径，再制造产业是可带来新的经济增长点的新兴产业。 外表工程是再制造的关键之一，起着根底性的作用。可以说没有外表工程，实现不了再制造。 .机械设备经长期运用出现功耗增大、振动加剧、严重走漏、维修费用过高，普通应该列为报废。这些景象的发生都是零件磨损、腐蚀、变形、老化，甚至出现裂纹这些失效的结果所呵斥的。磨损在零件外表发生，腐蚀从零件外表开场，疲劳裂纹由外表向内延伸，老化是零件外表与介质反响的结果，即使变形，也表现为外表相对位置的错移。所以“症结都是

28、外表问题。对这些问题，外表工程可以大显身手。 箱体零件是设备的根底件，常见的损伤是轴承座孔磨损以及变形。变形呵斥轴承座孔中心线的相对位移和结合面的挠曲。无论是铝、钢、铸铁的箱体，对这类损伤当设备再制造时，外表工程中的电刷镀技术是主要手段。 .轴类零件上的轴承配合面无论是静配合面或动配合面，如发生磨损超标，视磨损量，可选用电刷镀、热喷涂、堆焊、粘涂等多种方法来修复，经过选择资料的工艺可到达需求的耐磨性。轴上的花键，可视情选用电刷、微弧等离子堆焊、微脉冲焊等方法恢复性能。渗碳齿轮齿面的修复曾是修复中的难题，笔者10年前就进展了研讨，主要采用堆焊和真空熔结方法修复，胜利研制出了公用堆焊焊条、熔解粉末

29、和配套的电解成型加工技术。 .飞机发动机涡轮叶片和导向器片是航空发动机的中心部件，任务在高温燃气气氛中，接受复杂多变的热应力和机械应力，任务条件非常恶劣，而且构造和外形非常复杂，但是无论是防护涂层零落，还裂纹、烧损、腐蚀、振动磨损，国外都有专门的厂家从事再制造，其复合外表技术占有重要位置。笔者还对军舰船体钢构造大面积防腐蚀用高速电弧喷涂技术，选用专门研制的铝稀土丝材进展治理，使耐腐蚀寿命由原来的5年延伸至15年以上。重载车辆行星框架的毛坯是锻造件，锻前坯料重71.3kg，经过开坯、模锻等十几道工序的加工，零件构成的分量只需19.5kg。新品件的运用寿命普通不超越6000km。损坏的部位只是175mm内圆密封环配合面。假设磨损超差后改换新品，那么需求71.3kg的38CrSi钢，需经费1200元。采用等离子喷涂修复，只需3道工序仅用了0.25kg的铁基合金粉末，而相对耐磨性是新品的2.25倍，运用寿命大于12000km以上，修缮费用只是新品的非常之一，