08化本班 黄榕 05号 浅谈我国表面工程技术发展现状及趋势[推荐]_国内外现状及发展趋势

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浅谈我国表面工程技术发展现状及趋势

黄榕

（琼州学院理工学院 海南 五指山 572200）

摘要：表面工程技术的发展对工业生产和国民经济建设具有重大意义。本文简要介绍了表面工程技术的概念也特点以及我国表面工程技术发展现状及趋势。关键词：表面工程技术;发展现状

0 引言

表面工程是个涉及面极其广泛的综合性边缘学科，它的发展不仅在学术上丰富了材料科学、冶金学、机械学、电子学、物理学、化学、摩擦学等基础学科，开辟了新的研究领域，而且在实际应用上，为工业生产和国民经济建设做出了重要贡献。

现代工业的发展，对各种设备零部件表面性能的要求越来越高，材料的失效，如，疲劳、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐射损伤等，一般都是从表面开始的，表面的局部损坏又很快造成整个零件失效，最终导致设备停产。由表面失效带来的破坏和损失是很惊人的。中国机械工业每年所用的钢材，约有1/2是消耗在备件的生产上，备件中的大部分是由于磨损寿命不高而失效的。因此，采用表面技术，根据需要，改善材料的表面性能，会有效地延长使用寿命，节约资源，提高生产力，减少环境污染。

另一方面，表面工程技术也逐步发展成为新型材料制备工艺，其中，既有作为体材料的制备工艺，如，电铸成型、气相沉积特种材料(热解石墨、六方氮化硼、碳化硅)、喷射成型等，又有薄膜和微细加工工艺。后一类技术正致力于向更低的特征尺寸扩展，使得先进的微小尺度特征表面工程技术正在逐步成为支撑IC产业发展的微/纳技术的重要组成部分。

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，是当代材料科学技术、低温等离子体、真空科技等高技术的重要交叉领域和发展前沿。先进表面工程技术已成为现代制造业中一个重要的分支。

[1]1 表面工程

1.1 表面工程的概念与特点

表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面工程技术及其复合为特色，逐步形成了与其它学科密切相关的表面工程基础理论。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，面积小，但却承担着工作部件的主要功能。

国家的节能节材“九五”规划中曾将表面工程应用作为重大措施之一，并列为节能、节材示范项目。材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也被列入国家自然科学基金“九五”、“十五”优先资助域。由于表面工程的显著作用和重要地位，许多先进的表面工程技术及其基础理论研究被列入了国家“973”项目、国家重大技术创新项目、国家重点科技攻关项目等。例如，全军装备维修表面工程研究中心研究开发的高速电弧喷涂技术已经被列入国家重大技术创新项目和国家“九五”重点科技攻关项目。表面工程适合当今国际社会技术和经济发展的要求，符合可持续发展战略，体现了科技尽快转化为生产力的要求。近年来，复合表面工程和纳米表面工程已成为表面工程领域新的研究发展方向。1.2 表面工程技术体系

20世纪60—70年代，电子束、激光束、离子束技术的实用化并进入材料表面界面加工技术领域，使表面技术发生了突破性的进展。表面工程技术在机械制造、冶金、电子、汽车与船舶制造、能源与动力航空航天工业等领域中均起到了举足轻重的作用。表面工程已成为世界上20世纪80年代10项关键技术之一及20世纪90年代加强研究的9项科技项目之一，并形成了跨多种学科的一门边缘科学，成为涵盖材料科学、物理、化学、冶金、机械、电子与生物等领域的新型的交叉科学。

表面工程技术的体系如下图：

[3][2]我国表面工程技术发展

表面工程技术的应用，至今已经历了数千年的历史。中国在战国时代已经开始对钢进行淬火，并利用大豆中分解出来的N，C元素富化烧红的铁剑表面，以增强其强度和韧性。但总体上看，表 面技术的发展是缓慢的，种技术也局限于具体的应用中而互不关联没有形成完整的学科系统。直至20世纪后半叶，随着世界经济与技术的迅速发展，新型的表面技术蓬勃发展，各种学科和技术相互交叉渗透，表面工程学应运而生。目前，表面技术在制造业中举足轻重，已成为当今世界的关键技术之一。[1]2.1 复合表面工程技术

表面工程技术的复合，能够形成新的涂层体系，并建立表面工程新领域。单一的表面工程技术由于其固有的局限性，往往不能满足日益苛刻工况条件的要求。随着科学技术的进步，又发展了综合运用两种或多种表面工程技术的复合表面工程技术，或称为第 2 代表面工程技术，这种复合表面工程技术，通过最佳协同效应，获得了“1+1>2”的效果，解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术难题。

目前，复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂与激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面强化与喷丸强化的复合、表面强化与固体润滑的复合、多层簿膜技术的复合、金属材料基体与非金属材料涂层的复合等，复合技术使本体材料的表面簿层，具有了更加卓越的性能。采用金属―油漆涂层，可以在不需要维修的情况下使用25—40年，使油漆层获得最充分的应用年限；此外还有，对金属基体进行先期淬火渗碳处理，然后在渗碳层表面再进行钛沉积；采用加热和热化学的方法对表面淬火层进行抛光；综合应用渗氮处理和渗硼处理；采用PVD和CVD的方法进行真空沉积涂层，并同时进行离子注入；等离子加热与渗碳结合同时用于处理材料的表面等复合技术。

复合表面工程技术将在新世纪中不断得到发展，今后将根据产品的需要，进一步研究运用各种表面工程技术综合或复合，以达到最佳的优化效果。2.2 纳米表面工程技术

在理论研究与实践应用的基础上，“纳米表面工程”的新领域应运而生。纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。表面工程中纳米材料研究的基础问题：①纳米材料覆层与基体的表面、界面问题；②纳米材料在表面工程覆层制备动态过程中的冶金、化学、物理等过程；③表面覆层中纳米材料与其它材料之间的协同效应。

从1997年开始，全军装备维修表面工程研究中心在国内首先提出了“纳米表面工程” 的概念，并开展了纳米粉末表面工程的研究工作，主要包括：纳米粘接剂技术、纳米电刷镀技术、纳米添加剂技术、纳米固体润滑干膜技术、纳米热喷涂技术和纳米涂料技术等。2.2.1 纳米热喷涂技术

热喷涂技术在表面工程领域中应用十分广泛,如超音速火焰喷涂(HVOF)、高速电弧喷涂、气体爆燃式喷涂、电熔爆炸喷涂、超音速等离子喷涂和真空等离子喷涂等。纳米热喷涂技术就是以现有热喷涂技术为基础，通过喷涂纳米材料而得到纳米涂层。

热喷涂纳米涂层可分三类：单一纳米材料涂层体系；两种(或多种)纳米材料构成的复合涂层体系；添加纳米颗粒材料的复合体系，其中添加陶瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系较容易实现。目前，完全的纳米材料涂层由于技术繁杂、难度大，离应用还有相当距离。大部分的研究开发工作集中在第三种，即在传统涂覆层技术基础上，添加复合纳米材料，可在较低成本下，使涂覆层功能得到显著提高。

纳米热喷涂技术为零件表面强化提供了最新技术手段，提升了装备再制造的技术水平，扩大了装备再制造的使用范围，使重要装备关键零部件的再制造成为可能，效果非常显著。

[4]2.2.2 纳米电刷镀技术

电刷镀技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度快和镀层种类多等优点，被广泛应用于机械零件表面修复与强化，尤其适用于现场及野外抢修。纳米电刷镀就是在镀液中添加了特种纳米颗粒的新型电刷镀技术。装备再制造技术国防科技重点实验室的研究表明，纳米电刷镀复合涂层可显著提高材料的摩擦学性能，尤其提高了耐高温磨损及抗接触疲劳性能。例如在快速镍镀层中添加经改性处理的纳米Al2O3、SiC和金刚石粉后，其显微硬度和抗微动磨损性能明显高于传统快速镍刷镀层。纳米电刷镀层的硬度是不含纳米颗粒电刷镀层的1.5—1.7倍，耐磨性是1.6—2.5倍，抗接触疲劳寿命由105周次提高到106周次，可服役温度由200℃提高到400℃。纳米电刷镀技术已在装备再制造中得到具体运用，解决了重载车辆、舰船和飞机发动机再制造中的一些关键技术难题。2.2.3 纳米固体润滑技术

固体润滑是指利用固体材料本身的润滑性来减轻接触表面之间磨损程度的润滑方式，它是对流体润滑的有力补充，一般用于高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化和强辐射等特殊工况。固体润滑不仅可用于无油润滑的千摩擦场合，也可以广泛用于有油润滑的情况，形成润滑效果更好的“流体+固体”的混合润滑。对黑色金属材料进行低温离子渗硫处理，可在材料表面得到厚度不超过10um，并具有纳米结构特征的FeS固体润滑涂层。纳米固体润滑技术已用于发动机缸套一活塞环、喷油嘴针阀及滚动轴承等精密偶件的减摩，寿命延长均在1倍以上。2.2.4 纳米粘接技术

纳米粘接技术是指将特殊功能纳米颗粒和常规填料(如石墨、二硫化钼、陶瓷粉末等)与高分子聚合物相混合并涂敷于零件表面实现特定用途(如耐磨、抗蚀等)的一种表面工程技术。例如，含纳米金刚石的胶粘剂具有优异的耐磨性和很高的胶接强度，耐磨性和胶接强度随着纳米金刚石粉在胶粘剂中加入量的增加而增加，当加入量为8％时，耐磨性是未添加的2.2倍，拉伸强度可达50 MPa，比未添加的提高27.5％。[7]

[6]3 表面工程技术发展趋势

3.1 不断将各种先进技术应用到表面工程领域

为了追赶世界科技发展速度，使我国的科技发展立于世界科技发展的前沿，我国不仅要把先进制造技术列入国家“十五”科技计划体系，实现制造强国和制造大国的目标，而且针对我国国情，更要进一步把“再制造工程”列入国家重要科技发展专项计划中，才能真正使这项利国、利民、功在当代、利在千秋的任务落实在实处。要促进表面工程的发展，就必须将相关领域的最新研究成果不断应用于表面工程技术领域。

随着计算机的广泛应用和推广，在表面工程领域中将不断应用该领域的研究成果。例如发展数值模拟的方法设计表面工程技术，并完善表面工程技术设计。

推广机械化、自动化的表面涂层制备方法，特别在加工复杂形状零件及危害操作者的身体健康时，推广将十分有益。

3.2 发展节能、节材、降耗、少污染的表面工程技术

20世纪全球经济高速发展，与此同时，对自然资源的任意开发和对环境的无偿利用，造成全球生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等重大问题。其中机电产品制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。据统计，1996年全球有2 400万辆汽车报废 到，2000年全球将有2000万台计算机被淘汰。随着21世纪到来以优质、高效、节能、节材为目标的先进制造技术得到了快速发展，发展节能、节材、降耗、少污染的表面工程技术成为社会的重要课题。

低能耗的表面工程技术，例如通过大气或真空等方法代替盐浴池处理；采用高能量（但能耗低），光束方法及技术（如激光、电子、离子、等离子体），在表面工程技术中尽量减少涂层材料及基体材料的消耗。[4]4 总结

随着人们对低成本、高性能产品的追求，对产品外观的美、对环境协调美以及生态平衡美的追求，21世纪任何工程、任何产品的设计将会也必然会将表面设计纳入总体设计中，表面工程技术也将会充分发挥其独特的作用。同时，这种理念也将进一步反作用于表面工程学，使其自身得以更为迅猛的发展。[3]参考文献：

[1] 梁文萍,缪强,张平则,姚正军.先进表面工程技术的发展前沿[A].山西能源与节能 2010(4):72-86.[2] 徐滨士.表面工程和再制造工的现状及展望[A].材料工程 2003:1-6.[3] 孙宜华.材料的表面工程技术[A].中国资源综合利用 2002(11):42-44.[4] 俆滨士,张振学,马世宁,刘世参,朱胜,张伟.新世纪表面工程展望[J].中国表面工程2000(1):2-6.[5] 徐滨士,马世宁,梁秀兵,董世运.表面工程的进展[A].金属热处理 2002,27(7):1-3.[6] 徐滨士,刘世参,梁秀兵.纳米表面工程的进展与展望[J].机械工程学报 2003,39(10):21-26.[7] 海斗,庄大明,王昆林等．高速钢离子渗硫层的千摩擦学性能研究[J].摩擦学学报 2002(4)：250-253.