现代表面技术

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 论文题目：表面工程技术的发展及作用学院：材料科学与工程学院班级：复合材料1202学号：**********姓名：**表面工程技术的发展及应用摘要：表面工程技术是20世纪80年代世界十项关键技术之一。

简要回顾了表面工程的发展历程，概述了热喷涂技术、激光表面工程技术、堆焊表面工程技术及其它表面工程技术的特点、应用范围、研究现状和发展中存在的问题。

表面工程技术在国民经济和社会发展中的作用以及未来面临的问题。

关键词：表面工程技术，发展，作用，展望0.引言世界上任何物体都有表面，无论生活用品、生产设备、航空航天装置、军事装备、高科技器件等都离不开表面。

高耸云空的电视塔表面、浸入海水的钻探机械表面、埋入地下的各种管道表面，都必须进行表面预防腐蚀保护；破土开山的挖掘机铲斗表面必须进行防磨损强化处理；录音机磁带表面；因为有了钴—磷或钴镍磁性镀层，才能反复奏出美妙的音乐；氟树脂涂于锅体内表面而成为不粘锅；飞机因为表面有吸收雷达波的涂层而能隐身；计算机更离不开大量薄膜、涂层等表面工程技术的支撑。

表面工程形成一门独立的学科虽然只是近20年的事，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1983年表面工程的概念被首次提出、1986 年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会、1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立、1988 年《表面工程》杂志创刊为标志，表面工程在我国迅速发展，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、光电子学等学科的边缘性、综合性、复合型学科。

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，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。

目前，我国技术门类齐全，部分表面技术的设备、料和工艺已达到了国际先进水平。

据不完全统计，仅我国自第 6个五年计划以来，通过表面工程在设备维修领域和制造领域推广应用已取得了几百亿元的经济效益。

1.表面工程的发展历程表面工程是指经表面预处理后,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,以获得所需表面性能的系统工程[1]。

现代化工业的发展对设备与零部件表面性能的要求越来越高,特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下,零部件材料的破坏往往自表面开始,如磨损、腐蚀、高温氧化等,表面的局部损坏又往往造成整个零件失效,最终导致设备停产。

因此,改善材料的表面性能,能有效地延长其使用寿命。

许多国家都致力研究各种提高零件表面性能的新技术、新工艺,开发出大批实月、先进、高效的表面工程技术，并通过与微电子及计算机控制技术相结合使表面工程技术的装备水平大大提高。

许多表面工程技术不仅成为现代制造业中的重要工艺,而且在设备的技术改造和维修方面发挥了重要作用。

一些国内外知名专家预言,表面工程将成为主导21世纪工业发展的关键技术之一表面工程技术的应用和发展促进了各种新型表面工程材料的发展,对各种表面功能性薄膜加工的需要又促进了各种表面加工技术的发展。

为了从根本上弄清材料表面的失效机制以及研究表面膜层的性能,在有关学科理论的基础上,通过对材料表面物理、化学特性和表面检测技术的研究,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性能优于基体材料的表面功能性薄膜,其厚度一般为几微米到几毫米,仅为结构尺寸的几百分之一到几十分之一,却使零件具有了比基体材料更高的耐磨性,抗腐蚀性和耐高温等性能[2]。

因此,即使采用性能优异的贵重、稀有元素,也不会显著提高成本,采用表面工程技术的经济效益和社会效益是难以估量的。

表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和1985年《表面工程》国际刊物的出版[3]。

十几年来,表面工程在中国的发展异常迅速,中国机械工程学会于1987年建立了学会性质的表面工程研究所,1988年出版了第一本中国的《表面工程》期刊并连续出版至今,1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会。

在国内召开了多次国际或全国性的表面工程学术会议.我国表面工程的研究与应用多从维修人手并逐步扩展到新设备与新产品的设计和制造。

自第六个五年计划以来,通过在设备维修与制造领域的推广应用,表面工程已取得了几百亿元的经济效益。

在国家的节能节材“九五”规划中建议将发展表面工程作为重大措施之一,并列为节能、节材示范项目[4]。

材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也被列人国家自然科学基金“九五”优先资助领域[5]。

2.几种具体表面工程技术表面工程技术多达几十类，有热喷涂技术、激光表面工程技术、堆焊表面工程技术还包括传统的表面工程技术如电镀、刷镀、化学镀、涂装、粘结、喷丸强化等和20世纪60年代以后发展的等离子弧表面处理、电子束表面处理、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积、离子束合成薄膜技术等。

各种表面工程技术都有各自的优缺点，如利用气态物质在固体表面发生化学反应来生成固态沉积物的化学气相沉积技术，可以用来制备玻璃态薄膜、结晶薄膜和纯金属薄膜、合金膜及金属间化合物薄膜，其沉积层质密均匀且与基体结合强度高，设备和操作也简单，但主要缺点是沉积温度高，通常在700-1000℃，限制了许多材料的应用；再如离子注入技术，优点是几乎所有可电离的元素都可用来注入材料表面，可获得各种过饱和的固溶层、非晶态和某些化合物层，有效增加表面硬度，但往往对材料表面造成辐射损伤，设备也较复杂[6]。

2.1热喷涂[7,8]2.1.1热喷涂的定义热喷涂是一种重要的表面工程技术，通过在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层，来实现耐磨、耐蚀、耐高温、绝缘、导光的功能特性。

近20年来发展迅速，由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到各种功能性涂层，由产品的维修发展到大批量的产品制造；由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层后加工的热喷涂系统工程。

其应用领域从宇航业开始，迅速发展到各民用工业部门。

热喷涂所用热源从电弧到等离子体、激光、电子束等，其喷涂粒子飞行速度从最初的几十m/s提高到1000m/s（爆炸喷涂），在我国“六五”、“七五”、“八五”期间连续被列为重点推广项目。

热喷涂技术有许多工艺方法，目前应用比较广泛的主要有火焰喷涂（丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂）、等离子喷涂和电弧喷涂，其所占市场份额见表1。

由于电弧性能不断改善，电弧喷涂在20世纪80年代再次兴起其原理是通过送丝装置将两根丝状金属喷涂材料送进喷极中两导电嘴内，作为阴、阳极，利用其接触短路生成电弧，熔化丝材，并用压缩空气雾化喷射到工件表面形成致密结合层。

由于用电能作为能源，在节能和经济方面都优于其它喷涂方法，喷涂效率高，涂层结合强度高，对于恶劣环境下的工件防腐，如煤矿井筒、水冷壁十分有效，用电弧喷涂Cr13修复造纸烘缸既耐磨又耐蚀。

目前我国的研究主要集中在封闭式电弧喷枪、推丝式送丝机构、平特性电源、药芯丝材喷涂材料等方面，国际上已研究高速射流电弧喷涂技术。

喷涂粒子的飞行速度对涂层的质量有很大影响。

近年来，国际上喷涂技术正向高能高速方向发展，以超音速火焰喷涂和超音速等离子弧喷涂为代表。

文献[9]指出：超音速火焰喷涂尤其适用金属合金及有粘结相的碳化物粉末涂层，而超音速等离子弧喷涂对高熔点材料陶瓷粉末最具优势。

塑料粉末喷涂是新兴技术。

由于塑料喷涂的不断完善及新型塑料粉末品种出现，20世纪70年代才得以在生产中应用，在防腐、装饰方面尤有优势。

塑料涂层具有良好化学稳定性、良好的耐蚀性:（酸碱及有机液）、吸震性、重量轻等优点。

塑料粉末火焰喷涂原理是用压缩空气将塑料粉末通过喷枪中心管道喷出，在塑料粉末外因喷枪中冷却压缩空气在最外层，为可燃气体火焰，通过空气层来加热塑料粉末至熔融状态，其要点在于粉末加热程度的控制。

美国和德国已生产出不预热可直接喷涂EVA的特殊塑料粉末。

我国尚处于开始阶段，装甲兵工程学院、北京新迪表面技术工程公司现已开发出了塑料喷涂装置。

对等离子弧喷涂机理的最新研究表明：粒子的温度是影响喷涂层结合的主要原因，等离子电弧功率的提高不能有效增加粒子温度。

低速等离子弧喷涂通过延长粒子加热时间获得高硬度涂层，已经试验证明。

喷焊在范畴上也属于热喷涂，是在喷涂层的基础上，加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火焰喷焊与等离子弧喷焊两类。

等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的，火焰喷焊通常是先形成涂层，然后再用火焰加热涂层，又称其为“重熔”处理。

经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。

热喷涂的具体应用可参见文献[10]。

2.1.2热喷涂的具体应用大型钢铁结构件的防护长期暴露在海洋环境中的大型钢铁构件，如钢结构桥、海上钻井平台、舰船的钢结构等会受到不同程度的腐蚀和侵蚀。

由于锌、铝、锌－铝涂层的电极电位均负于钢铁，故对钢铁结构能起到阴极保护作用。

热喷涂此类涂层作为钢铁构件的防护始于 20 世纪 20 年代［11］。

目前，在欧洲、美国、日本等发达国家仍广泛用其作为钢铁结构件长效防腐的方法［12-14］。

我国应用这种技术约有半个多世纪，例如 1964 年喷涂锌防护淮河蒋坝三河闸63 孔闸门［15］。

迄今为止，已在水工闸门、船体、海洋平台钢结构、码头钢管桩、桥塔、钢箱梁等结构中应用。

根据实际工程情况，通常将锌、铝或锌－铝防护层与封孔防锈层和防老化面漆层结合，形成多层防护体系，目前已获得较好的防护效果［16-17］。

与国外相比，我国利用锌、铝涂层的防腐蚀技术起步较晚，应用比例也远低于发达国家，还有待于进一步推广应用。

此外，相关的防护标准与评价方法也有待进一步完善。

2.2堆焊技术区别于其它表面工程技术，堆焊在使基体表面获得耐磨性能的同时，覆层材料与基体间形成牢固的冶金结合，因此，在一些要求表面不仅具有抗磨、抗蚀等性能而且还需承受强载荷作用的条件下，堆焊具有绝对优势，如冶金设备的轧辊等。

堆焊广泛应用于冶金、航空、机械等行业旧工件的修复和新产品的制造上，目前我国以修复为主。

2.2.1堆焊方法各国从20世纪50、60年代就开始发展各种各样的堆焊方法，基本上每种熔焊方法都可用于堆焊,应从：1焊件的尺寸和形状、2堆焊材料的化学组分、3合金化对母材性能的影响、4表面变形修整、5操作的费用等5个方面来具体考虑堆焊工艺方法。

采用每种堆焊方法都希望获得尽可能小的稀释率、好的堆焊层质量和经济效益，近年来堆焊工艺方法也都是围绕“优质、高效、低稀释率”来进行[18]的。