表面工程领域的最新进展和发展趋势

例如 弧喷 海水 蚀涂层 常被 选用锌铝合 ８ １） 铝镁合 ＡＭ ５ｏ 在电 涂耐 腐 时常 推荐 金（ １ 和 ５５ 金（ｌｇ） 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
第十次全国焊接会议论文集
表面工程领域的最新进展和发展趋势
摘 要 简要回 顾了 表面工程的发展历程， 重点从 １个方面总结了表面工程最近的 ３ 研究成果和应用情况，阐述了２ 世纪初表面工程的发展动向，预测纳米表面工程及再制 １ 造工程将会迅速发展。 ０ 引 言 表面工程形成一门独立的学科虽然只 是近２ 年的事， ０ 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 １８ ９３年表面工程的概念被首 次提出、１ ６年国 ９ ８ 际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会、１ ７年中国 ９ ８ 机 械工程学会表面工程研究所成立、 ９８ 《 １８ 年 表面工程》 杂志创刊为 标志， 表面工程在我国 迅速发展。 ００ 全国 ２０ 年， 焊接学会将原来的 “ 堆焊与热喷涂专业委员 正式更名为 “ 会” 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、 子 光电 学等学科的 边缘性、 综合性、复合型学科。 表面 工程具有学利的 ．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 前， 。目 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 个五年计划以 通过表面工程在设备维修领域 第６ 来， 和制造领域推广应用，已取得了ｎ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 １个方面来概括其轨迹。 从 ３ 而表面 工程在２世纪的发展， 及它将对 ２世纪科学技术总体水平和经济发展所起的 １ 以 １ 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， 研究出射频感应藕合式等离子喷涂、 已 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 发了高性能环保型枯结技术、 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。 在离子注人方面， 继强 流氮离子注人技术之后， 又研究出 强流金属离子注人技术和金属等离子体浸没注人技术。 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
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［ ［ ４ ｌ 等离子喷涂 ４ ＢＣ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［ ５ ］ Ｆ３ｌ ｅ 是一种抗高温冲 Ａ 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Ｆ３１ ｅ 基涂层， Ａ 突 破了Ｆ３ｌ ｅ 无法应用于零件表面的 Ａ 难题。以Ｆ３１ ｅ 为基础再与多种硬质粉末相复合， Ａ 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ｆ ６ ］ 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。
仅 功 激 的 分 为同 率 光 三 之一， 艺 低。 去， 现 焦 束堆 技 路线天 采 工 成本 过 实 聚 光 焊的 术 多 用 一级 镜聚 功率密 反光 焦， 度约为１ Ｗ／ｍ， 在可 ０ ｃｚ堆焊 控气氛工作 进行， 焊效率 １ 舱中 堆 低。 由 采 了 单的 焦 式， 制 聚 光 的 量 度 增 聚 光 堆 的 艺 于 用 简 聚 模 限 了 焦 束 能 密 ， 加了 焦 束 焊 工 复
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， 几年来得到了 近十 迅速发展。 例如电子束堆焊， 其能源利用率 很高， 可达３％以上。 ０ 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。 此， 因 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２％以上： ０ 聚焦光束单道处理宽度大， 设备造价
子注人技术在表面 性方面的 改 应用开拓了 广阔的 ［ 更为 空间ｎ
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 表面工 程技术栋 十 前， 州 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
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完善表面工程技术设计体系。 要达到这个目 仅靠某个单位或个人的力量显然是无法完 标，
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Байду номын сангаас， 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， 音机中 录 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。
作者提供了 宽广的 选择余地。
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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） 迅速的发展。 有了 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、 命、 寿 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［ 一 ｎ ［ 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 离子注人为例： 在用于半导体材料搀杂的离子注人机基础上发展起来的束线离子注人技术可大大改 善零件表面的耐磨性、 耐疲劳性和光、 磁性能。 电、 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人技术相结合发展了 离子辅助镀膜 （ Ｃ Ｉ ） Ａ 或离子 束辅助沉积 （ Ａ 技术，既克服了 Ｉ Ｄ） Ｂ 一般镀膜技术中膜基结合不良的缺点， 又将改性层
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（Ｄ ） Ｅ ５， 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 泳涂料的发展趋势ｒ 极电 ３ ） 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
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人的 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 （－１％） 但是其堆焊效率也是各种堆焊方法中 ５ ０ ， 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 实现热输人的 准确控制， 涂层厚度
缺 足 证 证 ５５ Ｉ萝比 锌 纯 好 ］ 乏 够的 据 明８１和Ａ １ Ｍ 纯 和 铝 ｎ
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６ 发展高能束堆焊技术Ｉ ８ １
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
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 热设备， 束加 功率密度 达到１Ｗ ｍ 以 在 扩 ／ 上。 低碳钢 ｃ２ 表面上进 手涂预置镍 金 行的 基合
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， 获得良 可以 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。 此， 因 聚焦光束自 送粉堆焊技术的研究是高能束粉末堆焊技术的 动 重要发展方
厚 从原来的ｏｐ 度 ． ｍ提高到了 ｚ 几微米 几 甚至 十微米。 于 由 束线离 子注人存在 有的 着固 视线
限制， 无法处理形状复杂或者较为大型的零件， Ｉ 来国内 近 ｏ年 外兴起的等离子体浸没离 子注人 （Ｈ） Ｐ Ｉ 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 注人技术路线发展起来的Ｍ Ｖ ｅＶ Ａ等离子体源， 可以向金属表面注人金属离子， 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ＰＩ Ｈ和 Ｍ Ｖ Ａ二者的优点，实现了金属等离子体浸没离子注人与沉积 （ ｃＩＤ 这项技术既 ｃＶ Ｍ Ｐ ｉ） 。 可进行纯金属等离子沉积， 又可进行金属等离子体注人， 还可任意改变二者的比 例， 为离