不銹鋼表面工程領(lǐng)域的***新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì) 

摘  要  簡(jiǎn)要回顧了表面工程的發(fā)展歷程，要點(diǎn)從13個(gè)方面總結(jié)了表面工程***近的研究成果和應(yīng)用情況，闡述了21世紀(jì)初表面工程的發(fā)展動(dòng)向，預(yù)測(cè)納米表面工程及再制造工程將會(huì)迅速發(fā)展。

0   引  言

表面工程形成一門獨(dú)立的學(xué)科雖然只是近20年的事，但其發(fā)展之快、涉及范圍之廣、對(duì)人們生產(chǎn)生活影響之大是當(dāng)初大多數(shù)人所始料未及的。以1983年表面工程的概念被首次提出、1986年******熱處理聯(lián)合會(huì)更名為******熱處理與表面工程聯(lián)合會(huì)、1987年中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程研究所成立、1988年《表面工程》雜志創(chuàng)刊為標(biāo)志，表面工程在我國迅速發(fā)展。2000年，全國焊接學(xué)會(huì)將原來的“堆焊與熱噴涂專業(yè)委員會(huì)”正式更名為“堆焊及表面工程專業(yè)委員會(huì)”。表面工程已經(jīng)發(fā)展成為橫跨材料學(xué)、摩擦學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、界面力學(xué)和表面力學(xué)、材料失效與防護(hù)、金屬熱處理學(xué)、焊接學(xué)、腐蝕與防護(hù)學(xué)、光電子學(xué)等學(xué)科的邊緣性、綜合性、復(fù)合型學(xué)科。

表面工程具有學(xué)科的綜合性，手段的多樣性，廣泛的功能性、潛在的創(chuàng)新性、環(huán)境的保護(hù)性，很強(qiáng)的實(shí)用性和巨大的增效性，因而受到各行各業(yè)的重視。其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更是令人矚目。目前，我國技術(shù)門類齊全，部分表面技術(shù)的設(shè)備、材料和工藝已達(dá)到了******xj****水平。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅我國自第6個(gè)五年計(jì)劃以來，通過表面工程在設(shè)備維修領(lǐng)域和制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用，已取得了幾百億元的經(jīng)濟(jì)效益。

回顧表面工程自興起以來的成長歷程，大約可以從13個(gè)方面來概括其軌跡。而表面工程在21世紀(jì)的發(fā)展，以及它將對(duì) 21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)總體水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所起的促進(jìn)作用，也應(yīng)該從這條軌跡向前延伸。

1   表面工程新技術(shù)不斷涌現(xiàn)

    傳統(tǒng)的表面技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷創(chuàng)新。在電弧噴涂方面，發(fā)展了高速電弧噴涂，使噴涂質(zhì)量大大提高。在等離子噴涂方面，已研究出射頻感應(yīng)藕合式等離子噴涂、反應(yīng)等離子噴涂、用三陰極***等離子噴槍噴涂及微等離子噴涂。在電刷鍍方面研究出摩擦電噴鍍及復(fù)合電刷鍍技術(shù)。在涂裝技術(shù)方面開發(fā)出了粉末涂料技術(shù)。在粘結(jié)技術(shù)方面，開發(fā)了高性能環(huán)保型粘結(jié)技術(shù)、納米膠粘結(jié)技術(shù)、微膠囊技術(shù)。在高能束應(yīng)用方面發(fā)展了激光或電子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技術(shù)。在離子注入方面，繼強(qiáng)流氮離子注入技術(shù)之后，又研究出強(qiáng)流金屬離子注入技術(shù)和金屬等離子體浸沒注入技術(shù)。在解決產(chǎn)品表面工程問題時(shí)，新興的表面技術(shù)與傳統(tǒng)的表面技術(shù)相互補(bǔ)充，為表面工程工作者提供了寬廣的選擇余地。

2   研究復(fù)合表面技術(shù)

在單一表面技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，綜合運(yùn)用兩種或多種表面技術(shù)的復(fù)合表面技術(shù)（也稱第二代表面技術(shù)）有了迅速的發(fā)展。復(fù)合表面技術(shù)通過多種工藝或技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)使工件材料表面體系在技術(shù)指標(biāo)、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性等方面獲得***佳的效果，克服了單一表面技術(shù)存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和高新技術(shù)發(fā)展中特殊的技術(shù)問題。強(qiáng)調(diào)多種表面工程技術(shù)的復(fù)合，是表面工程的重要特色之一[1]。

復(fù)合表面工程技術(shù)的研究和應(yīng)用已取得了重大進(jìn)展，如熱噴涂和激光重熔的復(fù)合、熱噴涂與刷鍍的復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍的復(fù)合等。

即使同一種表面技術(shù)，在其發(fā)展歷程中也同樣存在著博采眾長與其它技術(shù)相互交叉的趨勢(shì)。以離子注入為例：

在用于半導(dǎo)體材料攙雜的離子注入機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的束線離子注入技術(shù)可大大改善零件表面的耐磨性、耐疲勞性和光、電、磁性能。為了克服改性層比較薄的缺點(diǎn)，學(xué)者們將蒸鍍、濺射鍍膜技術(shù)與束線離子注入技術(shù)相結(jié)合發(fā)展了離子輔助鍍膜（IAC）或離子束輔助沉積（IBAD）技術(shù)，既克服了一般鍍膜技術(shù)中膜基結(jié)合不良的缺點(diǎn)，又將改性層厚度從原來的0.2μm提高到了幾微米甚至幾十微米。由于束線離子注入存在著固有的視線限制，無法處理形狀復(fù)雜或者較為大型的零件，近10年來國內(nèi)外興起的等離子體浸沒離子注入（PIII）技術(shù)，將工件浸沒在等離子體中，能全方位處理形狀復(fù)雜的零件，也能方便地處理大和重的工件。該技術(shù)在材料表面改性方面取得了巨大的成功。而沿著束線離子注入技術(shù)路線發(fā)展起來的MeVVA等離子體源，可以向金屬表面注入金屬離子，并在航空航天零部件的抗高溫腐蝕方面取得了令人滿意的效果。***近，一些研究者又綜合了PIII和MeVVA二者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了金屬等離子體浸沒離子注入與沉積（MePIIID）。這項(xiàng)技術(shù)既可進(jìn)行純金屬等離子沉積，又可進(jìn)行金屬等離子體注入，還可任意改變二者的比例，為離子注入技術(shù)在表面改性方面的應(yīng)用開拓了更為廣闊的空間[2]。

3   完善表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)體系

表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)是針對(duì)工程對(duì)象的工況條件和設(shè)備中零部件等壽命的要求，綜合分析可能的失效形式與表面工程的進(jìn)展水平，正確選擇表面技術(shù)或多種表面技術(shù)的復(fù)合，合理確定涂層材料及工藝，預(yù)測(cè)使用壽命，評(píng)估技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，必要時(shí)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并編寫表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)書和工藝卡片。

目前，表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)仍基本停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。有些行業(yè)和企業(yè)針對(duì)自己的工程問題開發(fā)出了表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)軟件，但局限性很大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)的發(fā)展，建立有我國特色的表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)體系既有條件又迫在眉睫。

欲建立較為完善的表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)體系，當(dāng)務(wù)之急是建立大型的表面工程數(shù)據(jù)庫，廣泛搜集包括材料成分與服役性能的關(guān)系，涂層性能與服役性能的關(guān)系，工況條件及其變化對(duì)表面層性能的要求，工藝方法以及相關(guān)工藝參數(shù)，工藝設(shè)備等一切有關(guān)表面工程的數(shù)據(jù)，評(píng)估現(xiàn)有理論和經(jīng)驗(yàn)公式的成熟性，然后通過數(shù)學(xué)建模并應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步建立和完善表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)體系。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，僅靠某個(gè)單位或個(gè)人的力量顯然是無法完成的。須***集合全行業(yè)的力量，通過充分的信息交換，實(shí)現(xiàn)資源共享、成果共享。

4   開發(fā)多種功能涂層

表面工程大量的任務(wù)是使零件、構(gòu)件的表面延緩腐蝕、減少磨損、延長疲勞壽命。隨著工業(yè)的發(fā)展，在治理這3種失效之外提出了許多特殊的表面功能要求。例如艦船上甲板需要有防滑涂層，現(xiàn)代裝備需要有隱身涂層，軍隊(duì)官兵需要防激光致盲的鍍膜眼鏡，太陽能取暖和發(fā)電設(shè)備中需要有效的吸熱涂層和光電轉(zhuǎn)換涂層，錄音機(jī)中需要有磁記錄鍍膜、不沾鍋中需要有氟樹脂涂層、建筑業(yè)中的玻璃幕墻需要有陽光控制膜等等。此外，隔熱涂層、導(dǎo)電涂層、減振涂層、降噪涂層、催化涂層、金屬染色技術(shù)等也有廣泛的用途。在制備功能涂層方面，表面工程也可大顯身手，做出自己的貢獻(xiàn)。

5   研究開發(fā)新型涂層材料

表面涂層材料是表面技術(shù)解決工程問題的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前發(fā)展的涂層新材料，有些是單獨(dú)配制或熔煉而成的，有些則是在表面技術(shù)的加工過程中形成的，后一類涂層材料的誕生，進(jìn)一步顯示了表面工程的特殊功能。

轎車涂裝技術(shù)中新發(fā)展的第五代陰極電泳涂料（ED5），其泳透力比前幾代進(jìn)一步提高，有機(jī)溶劑、顏料含量降低，且不含有害金屬鉛，代表了陰極電泳涂料的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

以聚氯乙烯樹脂為主要基料與增塑劑配成的無溶劑涂料，構(gòu)成了現(xiàn)代汽車涂裝中所用的抗石擊涂料和焊縫密封膠，有效地防止了車身底板和焊縫出現(xiàn)過早腐蝕，并保證了車身的密封性。

粘結(jié)固體潤滑涂層材料，在解決航空航天等軍工高科技領(lǐng)域特殊工況條件下的機(jī)械磨損、潤滑、粘著冷焊等摩擦學(xué)問題中發(fā)揮了重要作用，并在民用真空機(jī)械、低溫設(shè)備上有廣闊的用途[4]。

等離子噴涂 B4C涂層，具有很高的硬度和優(yōu)異的抗輻射性能，是理想的核反應(yīng)堆壁面材料[5]。

Fe3Al是一種抗高溫沖蝕的好材料，而且成本較低，被譽(yù)為“窮人用的不銹鋼”。但是過去只能用鑄造的方法來獲取。***近采用高速電弧噴涂的方法制備出了Fe3Al基涂層，突破了Fe3Al無法應(yīng)用于零件表面的難題。以Fe3Al為基礎(chǔ)再與多種硬質(zhì)粉末相復(fù)合，可以制備出抗高溫氧化、硫化及抗沖蝕磨損的涂層，在軍用裝備和電站鍋爐管道上有廣闊的應(yīng)用前景[6]。

在不斷研發(fā)新的噴涂材料的同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)材料的重新認(rèn)識(shí)和潛力挖掘工作也在進(jìn)行。例如在電弧噴涂耐海水腐蝕涂層時(shí)常常被推薦選用鋅鋁合金（85/15）和鋁鎂合金（AlMg5）。據(jù)認(rèn)為這兩種具有更好的耐腐蝕性能，但價(jià)格比純鋅和純鋁高得多。許多zj****呼吁，從性能價(jià)格比的角度應(yīng)該回歸到傳統(tǒng)的電弧噴涂防腐材料純鋅和純鋁，而且僅僅從性能來說也缺乏足夠的證據(jù)證明85/15和AlMg5比純鋅和純鋁好[7]。

6   發(fā)展高能束堆焊技術(shù)[8]

堆焊作為一種經(jīng)濟(jì)有效的表面改性方法是現(xiàn)代材料加工與制造業(yè)不可缺少的工藝手段。為了***大限度地發(fā)揮堆焊技術(shù)的優(yōu)越性，優(yōu)質(zhì)、有效、低稀釋率歷來是國內(nèi)外堆焊技術(shù)的重要研究方向。

傳統(tǒng)的電弧粉末堆焊技術(shù)由于受電弧吹力的影響難以同時(shí)達(dá)到有效和低稀釋率的目標(biāo)。為了提高堆焊效率必然導(dǎo)致熱輸入的增加，基材的熔深增大，堆焊層性能下降。近年來，基于等離子弧等高能密度熱源的粉末堆焊技術(shù)研究在國外十分活躍。等離子弧堆焊可以獲得較低的稀釋率（5－10％），但是其堆焊效率也是各種堆焊方法中較低的。

以激光堆焊為代表的高能束堆焊技術(shù)的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)熱輸入的準(zhǔn)確控制，涂層厚度大、熱畸變小、成分和稀釋率可控性好，可以獲得組織致密、性能優(yōu)越的堆焊層，因而成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，近十幾年來得到了迅速發(fā)展。例如電子束堆焊，其能源利用率很高，可達(dá)30％以上?；牡募訜岵皇芙饘僬魵獾挠绊懀鄯蠼饘倮鋮s速度快，熔敷層的耐磨性往往成十倍地提高。但激光設(shè)備、電子束設(shè)備一次性投資昂貴，運(yùn)行費(fèi)用高。因此，國內(nèi)外對(duì)低成本、有效率的高能束堆焊技術(shù)的研究開發(fā)十分重視。

聚焦光束表面堆焊是近年來發(fā)展起來的新型表面堆焊技術(shù)。聚焦光束加熱的特點(diǎn)是金屬材料對(duì)它的吸收率高，能源利用率達(dá)到20％以上；聚焦光束單道處理寬度大，設(shè)備造價(jià)僅為同功率激光的三分之一，工藝成本低。過去，實(shí)現(xiàn)聚焦光束堆焊的技術(shù)路線大多采用一級(jí)反光鏡聚焦，功率密度約為103Ｗ／cm2，堆焊在可控氣氛工作艙中進(jìn)行，堆焊效率低。由于采用了簡(jiǎn)單的聚焦模式，限制了聚焦光束的能量密度，增加了聚焦光束堆焊的工藝復(fù)雜性，阻礙了聚焦光束堆焊技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。清華大學(xué)***近開發(fā)了采用二次聚焦方式的光束加熱設(shè)備，功率密度達(dá)到104Ｗ／cm2以上。在低碳鋼表面上進(jìn)行的手涂預(yù)置鎳基合金和鐵基合金粉末的聚焦光束堆焊研究表明，選用合適的合金材料和工藝，可以獲得良好的單道單層、單道多層及多道單層大面積堆焊層。堆焊層的宏觀硬度高于采用同種材料獲得的熱噴涂層的宏觀硬度。但是，手涂預(yù)置粉末方式易出現(xiàn)基材熔化不足、不能多道連續(xù)堆焊等缺點(diǎn)。因此，聚焦光束自動(dòng)送粉堆焊技術(shù)的研究是高能束粉末堆焊技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

7   深化表面工程基礎(chǔ)理論和測(cè)試方法研究

摩擦學(xué)是表面工程的重要基礎(chǔ)理論之一近10年來，針對(duì)具體的工程問題，摩擦學(xué)工作者作出了出色的成果，在摩擦副失效點(diǎn)判定、磨損失效的主要模式、磨損失效原因分析及對(duì)策等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并在重大工程問題上作出了重要貢獻(xiàn)。當(dāng)前研究摩擦學(xué)問題的手段越來越齊全、xj****，可以模擬各種條件進(jìn)行試驗(yàn)研究，這些試驗(yàn)手段和已積累的研究方法、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，有力地支持了表面工程的發(fā)展。

國外大量實(shí)踐證明，工程摩擦學(xué)問題的投入與節(jié)約的效果相比約是1∶50的關(guān)系，誰重視工程中摩擦學(xué)問題的投入，誰就能獲得高額回報(bào)。

在腐蝕學(xué)研究方面，針對(duì)大氣腐蝕、海洋環(huán)境腐蝕、化工儲(chǔ)罐腐蝕、高溫環(huán)境腐蝕、地下長輸管線腐蝕、熱交換設(shè)備腐蝕、建筑物中的鋼筋水泥腐蝕等，應(yīng)用各種現(xiàn)代材料進(jìn)行了腐蝕機(jī)理和防護(hù)效果研究，提出了從結(jié)構(gòu)到材料到維護(hù)一整套防腐治理措施。這些研究成果，對(duì)表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)有很大的參考價(jià)值。

無論用什么表面技術(shù)在零件表面上制備涂覆層，須***掌握涂覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、涂覆層的內(nèi)應(yīng)力等力學(xué)性能。這是表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)的核心參數(shù)之一，也是研究和改進(jìn)表面技術(shù)的重要依據(jù)。

對(duì)于涂覆層厚度大于0.15 mm的膜層（如熱噴涂涂層），尚可用傳統(tǒng)的機(jī)械方法進(jìn)行測(cè)試，但是對(duì)于涂覆層厚度小于0.15 mm的膜層（如氣相沉積幾個(gè)微米的膜層）傳統(tǒng)的機(jī)械方法已無能為力。而氣相沉積技術(shù)又發(fā)展的很快，應(yīng)用面越來越廣，這就使研究新的測(cè)試方法更加緊迫。

近10年，一些學(xué)者用劃痕法、 X射線衍射法、納米壓入法、基片彎曲法等思路和手段對(duì)薄膜的力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究，取得了長足的進(jìn)步，但要達(dá)到形成相對(duì)嚴(yán)密自成體系的評(píng)價(jià)方法和技術(shù)指標(biāo)尚有較大差距。

8   擴(kuò)展表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域

表面工程已經(jīng)在機(jī)械產(chǎn)品、信息產(chǎn)品、家電產(chǎn)品和建筑裝飾中獲得富有成效的應(yīng)用。但是其深度廣度仍很不夠，不了解和不應(yīng)用表面工程的單位和產(chǎn)品仍很普遍。表面工程的優(yōu)越性和潛在效益仍未很好發(fā)揮，需要做大量的宣傳推廣工作。我國面臨加入世貿(mào)組織，通過推廣應(yīng)用表面工程提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，改進(jìn)產(chǎn)品包裝，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，也應(yīng)是主要的舉措之一。

表面工程在生物工程中的延伸已引起了人們的注意，前景十分廣闊。如髖關(guān)節(jié)的表面修補(bǔ)，***常用的復(fù)合材料是在超高密度高分子聚乙烯上再鍍鈷鉻合金，使用壽命可達(dá)15～25年，近些年又發(fā)展了羥基磷灰石（簡(jiǎn)稱HAP）材料，它是一種重要的生物活性材料，與骨骼、牙齒的無機(jī)成分極為相似，具有良好的生物相容性，埋入人體后易與新生骨結(jié)合。但是HAP材料脆性大，有的學(xué)者就用表面工程技術(shù)使HAP粒子與金屬Ni共沉積在不銹鋼基體上，實(shí)現(xiàn)了牢固結(jié)合。

隨著專業(yè)化生產(chǎn)方式的變革和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，現(xiàn)在呼吁表面處理向原材料制造業(yè)轉(zhuǎn)移，這也是一個(gè)重要?jiǎng)酉颉?

倍受家用電器廠家歡迎的是預(yù)涂型彩色鋼板，它是在金屬材料表面涂上一層有機(jī)材料的新品種，具有有機(jī)材料的耐腐蝕、色彩鮮艷等特點(diǎn)，同時(shí)又具有金屬材料的強(qiáng)度高、可成型等特點(diǎn)，只須對(duì)其作適當(dāng)?shù)募羟?、彎曲、沖壓和連接即可制成多種產(chǎn)品外殼，不僅簡(jiǎn)化了加工工序，也減少了家用電器廠家加工設(shè)備的投資，成為制作家用電器外殼的******材料。

汽車制造業(yè)的表面加工任務(wù)很重，呼吁表面工程由現(xiàn)在汽車制造廠家處理，變?yōu)樵谠牧现圃鞎r(shí)就同時(shí)進(jìn)行的出廠前主動(dòng)處理。這種變革不是表面處理任務(wù)的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)移，更重要的是一種節(jié)能、節(jié)材、有利環(huán)保的舉措。它可以簡(jiǎn)化除油、除銹工序，還可以利用軋鋼后的余熱，降低能耗。在西歐一些******的鋼廠中，就對(duì)半成品進(jìn)行表面處理，如熱處理、熱浸鍍、磷化、鈍化等。

9   積極為******重大工程建設(shè)服務(wù)

在新型軍用飛機(jī)的研制過程中，xj****的膠粘技術(shù)、特種熱處理技術(shù)、表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)以及涂層技術(shù)都發(fā)揮了重要作用。吸波材料的研制成功為裝備隱形提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

離子注入、離子刻蝕和電子曝光技術(shù)的結(jié)合，形成了集成電路微細(xì)加工技術(shù)，成為制作超大規(guī)模集成電路的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

長江三峽工程，與其說是土木工程，不如說是鋼鐵工程，在大壩全長2309.47m中鋼鐵結(jié)構(gòu)閘門就占全長的72%。在三峽工程中，所有機(jī)械設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、水工閘門以及隧洞、橋梁、公路、碼頭、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備都離不開表面工程。在******科技攻關(guān)項(xiàng)目，如“六五”、“七五”、“八五”和“九五”攻關(guān)項(xiàng)目的安排上以及三峽工程重新論證和設(shè)計(jì)審查中，表面工程的應(yīng)用始終是一項(xiàng)研究和討論的重要課題之一。從表面技術(shù)和涂覆材料的選擇、噴涂工藝的制定到表面電化學(xué)保護(hù)等，都在三峽重大裝備研制項(xiàng)目中占有重要地位。筆者曾于1999年8月到三峽工地進(jìn)行了調(diào)研，向三峽施工指揮部和中國工程院提出了推廣高速電弧噴涂技術(shù)并將有污染的噴鋅技術(shù)換為既無污染又能降低成本的噴鋁及鋁稀土合金技術(shù)的建議，受到了有關(guān)方面的重視[9]。

西陵長江大橋和汕頭海灣大橋都是懸索式結(jié)構(gòu)，這種懸索橋的特點(diǎn)是在橋的兩端分別建起兩個(gè)約100米高的橋墩，在橋墩頂上放置兩塊平面鋼板稱為鞍座底板，鞍座底板上放置兩排懸索鞍座，再把兩條主纜分別架在兩排懸索鞍座上，然后在兩條主纜上吊掛橋梁板。在建橋的過程中，為了力的平衡，需要多次在高空縱向推移懸索鞍座，由于整橋上萬噸重量全部加在懸索鞍座上，使懸索鞍座對(duì)底座形成了很大的正壓力，這就給高空縱向推移帶來了很大的困難，為了減少縱向推移力，***一的辦法就是降低懸索鞍座與鞍座底板摩擦副的摩擦因數(shù)。國外的辦法是在摩擦副間加上幾千枚滾針，把滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，這樣可以有效減小縱向推移力。但是，這種辦法給制造工藝增加了難度，首先要對(duì)每件幾十噸重的懸索鞍座和鞍座底板進(jìn)行熱處理，保證摩擦副表面的機(jī)械性能。其次，要對(duì)摩擦副表面和滾針進(jìn)行準(zhǔn)確加工。我國目前的加工能力和和水平很難保證摩擦副表面及數(shù)千枚滾針的尺寸精度和幾何形狀精度。向國外訂購整件或委托加工，價(jià)格都十分昂貴。在這種情況下，全軍裝備維修表面工程研究中心成功地采用了表面工程技術(shù)在懸索鞍座和鞍座底板上制備出復(fù)合減摩表面涂層，以減少摩擦副的摩擦因數(shù)，從而顯著減少縱向推力的方案。這種方案是表面工程在橋梁建設(shè)上的一次創(chuàng)新應(yīng)用，在國內(nèi)外建橋史上均為首次。它不僅有效減少了摩擦副的摩擦因數(shù)，而且降低了對(duì)大型懸索鞍座及鞍座底板的制造工藝技術(shù)要求，還節(jié)約了大批經(jīng)費(fèi)，保證了大橋順利建成通車。

10   納米表面工程技術(shù)正在形成

近年來納米材料技術(shù)正在以令人吃驚的速度迅猛發(fā)展。迄今的研究以納米粉末的制作為主，但是越來越倍受關(guān)注的是納米材料的結(jié)構(gòu)化問題。眾所周知，特殊的表面性能是納米材料的重要獨(dú)特性能之一。表面工程無論在工藝方法和應(yīng)用領(lǐng)域方面都與納米材料技術(shù)有著不可分割的密切聯(lián)系。

在傳統(tǒng)的電刷鍍?nèi)芤褐?，加入納米粉體材料。可以制備出性能優(yōu)異的納米復(fù)合鍍層[10]。在傳統(tǒng)的機(jī)油添加劑中，加入納米粉體材料，可以提高減摩性能并具有良好的自修復(fù)性能。

計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)需要速度更高的芯片，而刻蝕技術(shù)受分辨率的限制很難對(duì)再芯片做出革命性的貢獻(xiàn)。速度更高的芯片除了向面積更大發(fā)展之外，極有可能向三維挺進(jìn)，出現(xiàn)像多層印刷線路板那樣的多層芯片。CVD、PVD等方法是獲得納米結(jié)構(gòu)材料的典型方法，在芯片多層化方面是目前***有可能獲得成功的技術(shù)方案。

熱噴涂技術(shù)是制作納米結(jié)構(gòu)材料的另一種極有競(jìng)爭(zhēng)力的方法。與其它技術(shù)相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡(jiǎn)單，涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大，沉積速率高，以及容易形成復(fù)合涂層等等。應(yīng)用液料熱噴涂法通過液料與熱源的交互作用不僅可以獲得納米結(jié)構(gòu)涂層，還能夠制作納米粉。實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)成功地制成具有納米結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石（HAP）涂層，而HAP是提高人工關(guān)節(jié)表面生物兼容性的關(guān)鍵物質(zhì)[11]。

通過控制非晶物質(zhì)的再結(jié)晶，可以制成納米塊材。在熱噴涂過程中，高速飛行的粒子撞擊冷基體，冷卻速度******，能夠制備出非晶態(tài)涂層?？刂齐S后的再結(jié)晶溫度和時(shí)間，可以得到納米結(jié)構(gòu)涂層。用這種方法已經(jīng)得到了WC–Co和NiCrBSi自熔劑合金的納米涂層[12]。

因此可以說表面工程是促進(jìn)納米技術(shù)，特別是納米材料結(jié)構(gòu)化發(fā)展的主力軍之一。

由于表面工程對(duì)納米材料的成功應(yīng)用，以及用表面工程技術(shù)制備納米結(jié)構(gòu)涂層的發(fā)展，正在形成納米表面工程技術(shù)新領(lǐng)域。

11  促進(jìn)再制造工程的發(fā)展

20世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，與此同時(shí)，對(duì)自然資源的任意開發(fā)和對(duì)環(huán)境的無償利用造成全球的生態(tài)破壞、資源浪費(fèi)和短缺、環(huán)境污染等重大問題。其中機(jī)電產(chǎn)品制造業(yè)是***大的資源使用者，也是***大的環(huán)境污染源之一。為解決這一時(shí)代課題，再制造工程應(yīng)運(yùn)而生。

再制造工程技術(shù)屬綠色xj****制造技術(shù)，是對(duì)xj****制造技術(shù)的補(bǔ)充和發(fā)展。報(bào)廢產(chǎn)品的再制造是其產(chǎn)品全壽命周期管理的延伸和創(chuàng)新，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)途徑，再制造產(chǎn)業(yè)是可帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的新興產(chǎn)業(yè)[13]。

表面工程是再制造的關(guān)鍵之一，起著基礎(chǔ)性的作用。可以說沒有表面工程，實(shí)現(xiàn)不了再制造。

機(jī)械設(shè)備經(jīng)長期使用出現(xiàn)功耗增大、振動(dòng)加劇、嚴(yán)重泄漏、維修費(fèi)用過高，一般應(yīng)該列為報(bào)廢。這些現(xiàn)象的發(fā)生都是零件磨損、腐蝕、變形、老化，甚至出現(xiàn)裂紋這些失效的結(jié)果所造成的。磨損在零件表面發(fā)生，腐蝕從零件表面開始，疲勞裂紋由表面向內(nèi)延伸，老化是零件表面與介質(zhì)反應(yīng)的結(jié)果，即使變形，也表現(xiàn)為表面相對(duì)位置的錯(cuò)移。所以“癥結(jié)”都是表面問題。對(duì)這些問題，表面工程可以大顯身手。

箱體零件是設(shè)備的基礎(chǔ)件，常見的損傷是軸承座孔磨損以及變形。變形造成軸承座孔中心線的相對(duì)位移和結(jié)合面的撓曲。無論是鋁、鋼、鑄鐵的箱體，對(duì)這類損傷當(dāng)設(shè)備再制造時(shí)，表面工程中的電刷鍍技術(shù)是主要手段。

軸類零件上的軸承配合面(無論是靜配合面或動(dòng)配合面)，如發(fā)生磨損超標(biāo)，視磨損量，可選用電刷鍍、熱噴涂、堆焊、粘涂等多種方法來修復(fù)，通過選擇材料的工藝可達(dá)到需要的耐磨性。軸上的花鍵，可視情選用電刷、微弧等離子堆焊、微脈沖焊等辦法恢復(fù)性能。

滲碳齒輪齒面的修復(fù)曾是修復(fù)中的難題，筆者10年前就進(jìn)行了研究，主要采用堆焊和真空熔結(jié)方法修復(fù)，成功研制出了專用堆焊焊條、熔解粉末和配套的電解成型加工技術(shù)。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和導(dǎo)向器片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，工作在高溫燃?xì)鈿夥罩?，承受?fù)雜多變的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，工作條件十分惡劣，而且結(jié)構(gòu)和形狀十分復(fù)雜，但是無論是防護(hù)涂層脫落，還裂紋、燒損、腐蝕、振動(dòng)磨損，國外都有專門的廠家從事再制造，其復(fù)合表面技術(shù)占有重要地位。

筆者還對(duì)軍艦船體鋼結(jié)構(gòu)大面積防腐蝕用高速電弧噴涂技術(shù)，選用專門研制的鋁稀土絲材進(jìn)行治理，使耐腐蝕壽命由原來的5年延長至15年以上[6]。

重載車輛行星框架的毛坯是鍛造件，鍛前坯料重71.3 kg，經(jīng)過開坯、模鍛等十幾道工序的加工，零件形成的重量只有19.5 kg。新品件的使用壽命一般不超過6 000 km。損壞的部位只是φ175 mm內(nèi)圓密封環(huán)配合面。如果磨損超差后更換新品，則需要71.3kg的38CrSi鋼，需經(jīng)費(fèi)1200元。采用等離子噴涂修復(fù)，只需3道工序僅用了0.25 kg的鐵基合金粉末，而相對(duì)耐磨性是新品的2.25倍，使用壽命大于1 2000 km以上，修理費(fèi)用只是新品的十分之一，節(jié)材率為99.65 %。這個(gè)例子說明了裝備再制造在提高產(chǎn)品性能、節(jié)省鋼材、電力及環(huán)境保護(hù)方面具有重要的意義

首都鋼鐵公司曾由比利時(shí)購買一套報(bào)廢的2m連鑄設(shè)備，其中有300多個(gè)大件，如軸承座、軋輥等。裝甲兵工程學(xué)院的工程技術(shù)人員與首鋼維修人員一起，用電刷鍍等多種表面工程技術(shù)，施工了30天，使該連鑄機(jī)“起死回生”，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到新設(shè)備的水平，這是運(yùn)用表面工程技術(shù)對(duì)整套報(bào)廢設(shè)備進(jìn)行再制造的典型事例。

再制造工程的研究應(yīng)用已經(jīng)受到了我國政府有關(guān)部門的重視，并將其列入“十五”xj****制造技術(shù)發(fā)展前瞻和******自然科學(xué)基金機(jī)械學(xué)科的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。******自然科學(xué)基金會(huì)機(jī)械學(xué)科已將再制造設(shè)計(jì)和成形技術(shù)基礎(chǔ)列為“十五”要點(diǎn)資助領(lǐng)域。******級(jí)再制造工程技術(shù)要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室即將建立，再制造工程在我國的研究應(yīng)用尚處于起步階段，但是，有******可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)，有表面工程等一系列xj****技術(shù)的支撐，再制造工程必將在我國迅速掘起。

12  向自動(dòng)化、智能化的方向邁進(jìn)

在表面處理時(shí)，自動(dòng)化程度***高的是汽車行業(yè)和微電子行業(yè)。以神龍汽車公司的車身涂裝線為例，涂裝工藝采用三涂層體系（3C3B），即電泳低漆涂層、中間涂層、面漆涂層，涂層總厚度為110～130 μ m，涂裝廠房為三層，一層為輔助設(shè)備層，二層為工藝層，三層為空調(diào)機(jī)組層，廠房是全封閉式，通過空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)工藝層內(nèi)的溫度和濕度，并始終保持室內(nèi)對(duì)環(huán)境的微正壓，保持室內(nèi)清潔度，各工序間自動(dòng)控制，流水作業(yè)，確保涂裝高質(zhì)量。

隨著機(jī)器人和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，在其他表面技術(shù)的施工中（如熱噴涂）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化已為期不遠(yuǎn)。

13   降低對(duì)環(huán)保的負(fù)面效應(yīng)

    從宏觀上講，表面工程對(duì)節(jié)能、節(jié)材、環(huán)境保護(hù)有重大效能，但是對(duì)具體的表面技術(shù)，如涂裝、電鍍、熱處理等均有“三廢”的排放問題，仍會(huì)造成一定程度的污染?，F(xiàn)在，有氰電鍍已經(jīng)基本上被無氰電鍍所代替，一些有利于環(huán)保的鍍液相繼被研制出來。當(dāng)前，在表面工程領(lǐng)域，提出了封閉循環(huán)，達(dá)到零排放，實(shí)現(xiàn)“三廢”綜合利用的目標(biāo)。陰極電泳后的清洗，******xj****的做法是采用超濾系統(tǒng)（UF）與反滲透系統(tǒng)（RO）聯(lián)合的全封閉清洗，為零排放奠定了基礎(chǔ)。但國內(nèi)使用這些設(shè)備的廠家尚少。磷化處理中的廢渣，可以壓濾成渣塊，但還不能逆向處理為有用之物，只能填埋。至于一些中小企業(yè)，距上述奮斗目標(biāo)相距很遠(yuǎn)?？偟膩砜?，表面工程工作者在降低對(duì)環(huán)保負(fù)面效應(yīng)方面，仍是任重而艱巨。

                                                          堆焊與表面工程專業(yè)委員會(huì)

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