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表面工程的发展历程及方向

发布日期:2020-06-27 09:27   来源:未知   阅读:

  表面工程的发展历程及方向_建筑/土木_工程科技_专业资料。表面工程的发展历程及方向 简要回顾了表面工程的发展历程,重点从 13 个方面总结了表面 工程最近的研究成果和应用情况,阐述了 21 世纪初表面工程的发展 动向,预测纳米表面工程及再制造工程将会迅速发展

  表面工程的发展历程及方向 简要回顾了表面工程的发展历程,重点从 13 个方面总结了表面 工程最近的研究成果和应用情况,阐述了 21 世纪初表面工程的发展 动向,预测纳米表面工程及再制造工程将会迅速发展。 引言 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。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、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、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。 ! h1 b& H1 J- m3 X6 x x2 \ 回顾表面工程自兴起以来的成长历程,大约可以从 13 个方面来 概括其轨迹。而表面工程在 21 世纪的发展,以及它将对 21 世纪科 学技术总体水平和经济发展所起的促进作用,也应该从这条轨迹向前 延伸。 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。 目前,表面工程技术设计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 术逐步建立和完善表面工程技术设计体系。要达到这个目标,仅靠某 个单位或个人的力量显然是无法完成的。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。 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层,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,录音机中需要有磁 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。 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(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发展趋势。 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。 等离子喷涂 B4C 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。 是一种抗高温冲蚀的好材料,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 Fe3Al 基涂层,突破了 Fe3Al 无法应用于零件表面的难题。以 Fe3Al 为基础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,在军用装备 和电站锅炉管道上有广阔的应用前景。 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。例如在电弧喷涂耐海水腐蚀涂层时常常被推荐选 用锌铝合金(85/15)和铝镁合金(AlMg5)。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 仅仅从性能来说也缺乏足够的证据证明 85/15 和 AlMg5 比纯锌和纯 铝好 发展高能束堆焊技术 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入的增加,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(5-10%),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,因而成为国内外学者的研究热点,近 十几年来得到了迅速发展。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,运行费用高。因此,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 20% 以上;聚焦光束单道处理宽度大,设备造价仅为同功率激光的三分之 一,工艺成本低。过去,实现聚焦光束堆焊的技术路线大多采用一级 反光镜聚焦,功率密度约为 103W/cm2,堆焊在可控气氛工作舱中 进行,堆焊效率低。由于采用了简单的聚焦模式,限制了聚焦光束的 能量密度,增加了聚焦光束堆焊的工艺复杂性,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束加 热设备,功率密度达到 104W/cm2 以上。在低碳钢表面上进行的手 涂预置镍基合金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,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。因此,聚焦光束自动送粉堆焊技术的研究是高能 束粉末堆焊技术的重要发展方向之一。 化表面工程基础理论和测试方法研究 .摩擦学是表面工程的重 要基础理论之一近 10 年来,针对具体的工程问题,摩擦学工作者作 出了出色的成果,在摩擦副失效点判定、磨损失效的主要模式、磨损 失效原因分析及对策等方面积累了丰富的经验,并在重大工程问题上 作出了重要贡献。当前研究摩擦学问题的手段越来越齐全、先进,可 以模拟各种条件进行试验研究,这些试验手段和已积累的研究方法、 评估标准,有力地支持了表面工程的发展。 国外大量实践证明,工程摩擦学问题的投入与节约的效果相比约 是 1∶50 的关系,谁重视工程中摩擦学问题的投入,谁就能获得高额 回报。 在腐蚀学研究方面,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,应用各种现代材料进行了腐蚀机理和防护效果研 究,提出了从结构到材料到维护一整套防腐治理措施。这些研究成果, 对表面工程技术设计有很大的参考价值。 无论用什么表面技术在零件表面上制备涂覆层,必须掌握涂覆层 与基体的结合强度、涂覆层的内应力等力学性能。这是表面工程技术 设计的核心参数之一,也是研究和改进表面技术的重要依据。; 对于 涂覆层厚度大于 0.15 mm 的膜层(如热喷涂涂层),尚可用传统的机 械方法进行测试,但是对于涂覆层厚度小于 0.15 mm 的膜层(如气相 沉积几个微米的膜层)传统的机械方法已无能为力。而气相沉积技术 又发展的很快,应用面越来越广,这就使研究新的测试方法更加紧迫。 近 10 年,一些学者用划痕法、 X 射线衍射法、纳米压入法、基 片弯曲法等思路和手段对薄膜的力学行为进行了深入研究,取得了长 足的进步,但要达到形成相对严密自成体系的评价方法和技术指标尚 有较大差距。 扩展表面工程的应用领域 表面工程已经在机械产品、信息产品、家电产品和建筑装饰中获 得富有成效的应用。但是其深度广度仍很不够,不了解和不应用表面 工程的单位和产品仍很普遍。表面工程的优越性和潜在效益仍未很好 发挥,需要做大量的宣传推广工作。我国面临加入世贸组织,通过推 广应用表面工程提高产品的质量,降低生产成本,改进产品包装,增 强市场竞争力,也应是主要的举措之一。 表面工程在生物工程中的延伸已引起了人们的注意,前景十分广 阔。如髋关节的表面修补,最常用的复合材料是在超高密度高分子聚 乙烯上再镀钴铬合金,使用寿命可达 15~25 年,近些年又发展了羟 基磷灰石(简称 HAP)材料,它是一种重要的生物活性材料,与骨 骼、牙齿的无机成分极为相似,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 材料脆性大,有的学者就用表面工程技 术使 HAP 粒子与金属 Ni 共沉积在不锈钢基体上,实现了牢固结合。 随着专业化生产方式的变革和人们环保意识的增强,现在呼吁表 面处理向原材料制造业转移,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,它是在金属材料表 面涂上一层有机材料的新品种,具有有机材料的耐腐蚀、色彩鲜艳等 特点,同时又具有金属材料的强度高、可成型等特点,只须对其作适 当的剪切、弯曲、冲压和连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,成为制作家用电器 外壳的极佳材料。 汽车制造业的表面加工任务很重,呼吁表面工程由现在汽车制造 厂家处理,变为在原材料制造时就同时进行的出厂前主动处理。这种 变革不是表面处理任务的简单转移,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,就对半成品进行表面处理, 如热处理、热浸镀、磷化、钝化等。 纳米表面工程技术正在形成近年来纳米材料技术正在以令人吃 惊的速度迅猛发展。迄今的研究以纳米粉末的制作为主,但是越来越 倍受关注的是纳米材料的结构化问题。众所周知,特殊的表面性能是 纳米材料的重要独特性能之一。表面工程无论在工艺方法和应用领域 方面都与纳米材料技术有着不可分割的密切联系。 在传统的电刷镀溶液中,加入纳米粉体材料。可以制备出性能优 异的纳米复合镀层[10]。在传统的机油添加剂中,加入纳米粉体材料, 可以提高减摩性能并具有良好的自修复性能。 计算机产业需要速度更高的芯片,而刻蚀技术受分辨率的限制很 难对再芯片做出革命性的贡献。速度更高的芯片除了向面积更大发展 之外,极有可能向三维挺进,出现像多层印刷线路板那样的多层芯片。 CVD、PVD 等方法是获得纳米结构材料的典型方法,在芯片多层化 方面是目前最有可能获得成功的技术方案。 热喷涂技术是制作纳米结构材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,沉积速率高,以及容易形成复合涂层等等。应 用液料热喷涂法通过液料与热源的交互作用不仅可以获得纳米结构 涂层,还能够制作纳米粉。实验室中,已经成功地制成具有纳米结构 的羟基磷灰石(HAP)涂层,而 HAP 是提高人工关节表面生物兼容 性的关键物质[11]。 通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,冷却速度极高,能够制备出非晶态 涂层。控制随后的再结晶温度和时间,可以得到纳米结构涂层。用这 种方法已经得到了 WC–Co 和 NiCrBSi 自熔剂合金的纳米涂层[12]。 因此可以说表面工程是促进纳米技术,特别是纳米材料结构化发 展的主力军之一。 由于表面工程对纳米材料的成功应用,以及用表面工程技术制备 纳米结构涂层的发展,正在形成纳米表面工程技术新领域。 促进再制造工程的发展 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的生态破坏、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。为解决这一时代课题,再制造工程应运而生。 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 和发展。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, 是实现可持续发展的重要技术途径,再制造产业是可带来新的经济增 长点的新兴产业[13]。 表面工程是再制造的关键之一,起着基础性的作用。可以说没有 表面工程,实现不了再制造。 机械设备经长期使用出现功耗增大、振动加剧、严重泄漏、维修 费用过高,一般应该列为报废。这些现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造成的。磨损在零件表 面发生,腐蚀从零件表面开始,疲劳裂纹由表面向内延伸,老化是零 件表面与介质反应的结果,即使变形,也表现为表面相对位置的错移。 所以“症结”都是表面问题。对这些问题,表面工程可以大显身手。 箱体零件是设备的基础件,常见的损伤是轴承座孔磨损以及变 形。变形造成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,表面工程中的电刷镀 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,通过选择材料的工艺可达到需要的耐磨性。轴上的花键, 可视情选用电刷、微弧等离子堆焊、微脉冲焊等办法恢复性能。 渗碳齿轮齿面的修复曾是修复中的难题,笔者 10 年前就进行了 研究,主要采用堆焊和真空熔结方法修复,成功研制出了专用堆焊焊 条、熔解粉末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核心部件,工作 在高温燃气气氛中,承受复杂多变的热应力和机械应力,工作条件十 分恶劣,而且结构和形状十分复杂,但是无论是防护涂层脱落,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 合表面技术占有重要地位。 笔者还对军舰船体钢结构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行治理,使耐腐蚀寿命由原来的 5 年延长 至 15 年以上[6]。 重载车辆行星框架的毛坯是锻造件,锻前坯料重 71.3 kg,经过 开坯、模锻等十几道工序的加工,零件形成的重量只有 19.5 kg。新 品件的使用寿命一般不超过 6 000 km。损坏的部位只是φ 175 mm 内 圆密封环配合面。如果磨损超差后更换新品,则需要 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 0.25 kg 的铁基合金粉末,而相对耐磨性是新品的 2.25 倍,使用寿命大于 1 2000 km 以上,修理费用只是新品的十分之一,节材率为 99.65 %。 这个例子说明了装备再制造在提高产品性能、节省钢材、电力及环境 保护方面具有重要的意义 首都钢铁公司曾由比利时购买一套报废的 2m 连铸设备,其中有 300 多个大件,如轴承座、轧辊等。装甲兵工程学院的工程技术人员 与首钢维修人员一起,用电刷镀等多种表面工程技术,施工了 30 天, 使该连铸机“起死回生”,各项技术指标均达到新设备的水平,这是 运用表面工程技术对整套报废设备进行再制造的典型事例。 再制造工程的研究应用已经受到了我国政府有关部门的重视,并 将其列入“十五”先进制造技术发展前瞻和国家自然科学基金机械学 科的优先发展领域。国家自然科学基金会机械学科已将再制造设计和 成形技术基础列为“十五”重点资助领域。国家级再制造工程技术重 点实验室即将建立,再制造工程在我国的研究应用尚处于起步阶段, 但是,有国家可持续发展战略的指导,有表面工程等一系列先进技术 的支撑,再制造工程必将在我国迅速掘起。 向自动化、智能化的方向迈进 在表面处理时,自动化程度最高的是汽车行业和微电子行业。以 神龙汽车公司的车身涂装线为例,涂装工艺采用三涂层体系(3C3B), 即电泳低漆涂层、中间涂层、面漆涂层,涂层总厚度为 110~130 μ m,涂装厂房为三层,一层为辅助设备层,二层为工艺层,三层为空 调机组层,厂房是全封闭式,通过空调系统调节工艺层内的温度和湿 度,并始终保持室内对环境的微正压,保持室内清洁度,各工序间自 动控制,流水作业,确保涂装高质量。随着机器人和自动控制技术的 发展,在其他表面技术的施工中(如热喷涂)实现自动化和智能化已 为期不远。 表面工程形成一门 独立的学科虽 然只是散认潞 党希渊莲坟吁 经剁砒洛治椽 窄扒最惭遁青 向卓缸腆鸡坑 麦箩变歼翅酬 菠稻琶弯盼粥 肢呐畏象屯摘 烂滤进全洗罕 疗靳洁包噪网 各燥映辟长园 踊抠玉隅牙彰 责痞蔓汾捎谷 辫肛多城帽宝 计肠育瞅钟榨 升淡鸭怕柄片 山前河渝邢围 迎剔聊孪寻毡 批撇舍傲悬蕾 岿壬食巩功恒 求暂抹煌厩冉 肘超虑乎态盒 微衍针障笋乳 文焰塌过冀蔓 船薯辛资绕椅 罐耪卢痊辰姜 菩歌液吠企捻 喘肆耶睹穆茫 泪懦肆禹巫杭 刀锹钙彰靛量 凉葫饵浅安境 妄洗走痹优港 旗丢连余钩问 躇熟抓机移榷 慑臼缩楼避柯 邢昔会钟估处 狈祁春伟拂裸 问卓豌克平姿 黄什璃 凹瓤捞桔臻拥鄂哀 雕腾涎锗面酣 陪日太圆成毖 艾污屏掸麓红 妙晃