表面工程技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展*

李 霞,楊效田

(1.蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)

表面工程技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展*

李 霞1,楊效田2

(1.蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)

根據(jù)表面工程在現(xiàn)代工業(yè)中的巨大價(jià)值闡述了表面工程的意義,對(duì)表面工程按學(xué)科特點(diǎn)和工藝特征進(jìn)行了分類。對(duì)表面工程在應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了全面歸納,并根據(jù)其應(yīng)用現(xiàn)狀和工業(yè)科技發(fā)展特點(diǎn),提出了表面工程未來的發(fā)展方向。

表面工程;技術(shù);應(yīng)用

0 引 言

表面工程是經(jīng)表面預(yù)處理后,應(yīng)用物理、化學(xué)、機(jī)械等技術(shù)手段改變固體材料表面成分過組織結(jié)構(gòu)及盈利狀況,獲得所要求的性能,以提高產(chǎn)品的可靠性或延長(zhǎng)其使用壽命的各種技術(shù)總稱[1]。

1 表面工程技術(shù)的意義

工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用證明,因?yàn)椴牧系钠跀嗔选⒛p、腐蝕、氧化、燒損等造成的破壞十分驚人。據(jù)報(bào)道,每年因腐蝕造成西方主要發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)損失占其經(jīng)濟(jì)總值的2%～4%,全球因腐蝕導(dǎo)致的金屬損耗超過一億噸。因摩擦磨損造成的材料損失在美國每年高達(dá)200億美元;在英國每年超過5億英鎊。全球由于腐蝕和磨損造成的失效破壞在各種機(jī)電產(chǎn)品失效破壞中約占70%[2-3]。而在社會(huì)資源和能源日益短缺的今天,為了讓工件使用壽命延長(zhǎng),如果使用高級(jí)合金材料制成零件和整個(gè)設(shè)備來達(dá)到表面強(qiáng)化和防護(hù)的目的,這是不經(jīng)濟(jì)的,也是不科學(xué)的。

隨著科技發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn),僅僅通過提高材料表面的耐磨耐蝕性,也能大大提高材料的使用壽命,從而就有了表面工程技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。表面工程技術(shù)概念的提出與發(fā)展應(yīng)用,對(duì)工業(yè)科技發(fā)展具有了重大的影響和推動(dòng)意義[4-7]:

(1)表面工程技術(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)工藝藝術(shù),滿足不同工況服役與裝飾外觀的要求,顯著提高產(chǎn)品的使用壽命、可靠性與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

(2)表面工程技術(shù)是節(jié)能、節(jié)材和挽回經(jīng)濟(jì)損失的有效手段。采用有效的表面防護(hù)手段,至少可減少腐蝕損失15～35%,減少磨損損失33%左右。

(3)表面工程技術(shù)在制備新型材料方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)。通過表面原位合成技術(shù),能在低成本基礎(chǔ)上在工件表面制備出性能優(yōu)良的新型合金材料涂層,很好滿足了工業(yè)、航空航天工業(yè)對(duì)高性能零部件表面的需求。

(4)表面工程技術(shù)是微電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。以化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、光刻技術(shù)和離子注入為代表的表面薄膜沉積技術(shù)和表面微細(xì)加工技術(shù)是制作大規(guī)模集成電路、光導(dǎo)纖維和集成光路、太陽能薄膜電池等元器件的基礎(chǔ)。

2 表面工程技術(shù)的分類

表面工程技術(shù)的分類目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),其可依據(jù)涂層種類、表面功能特性、制備工藝方法及其制備的作用原理等進(jìn)行不同分類。按學(xué)科特點(diǎn)分類[2],表面工程有:

(1)表面涂鍍:即將液態(tài)涂料涂覆在材料表面或?qū)㈠兞显映练e在材料表面形成涂層或鍍層。常見手段有:熱噴涂、堆焊、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積和涂裝技術(shù)。

(2)表面改性:即利用熱處理、機(jī)械處理、離子處理和化學(xué)處理等方法,改變材料表面的成分及性能的技術(shù)。常見手段有:熱擴(kuò)滲、轉(zhuǎn)化膜、表面合金化、離子注入和噴丸強(qiáng)化。

(3)薄膜技術(shù):即采用各種方法在工件表面上沉積厚度為100 nm至1 μm或數(shù)微米薄膜的技術(shù)。常見手段:氣相沉積技術(shù)。

按工藝特點(diǎn)來分[8-9],表面技術(shù)有:

(1)電鍍技術(shù):即合金電鍍、復(fù)合電鍍、電刷鍍、非晶態(tài)電鍍和非金屬電鍍的總稱。

(2)涂裝:指制備特殊用途、特殊類型的新涂料和涂裝工藝。

(3)堆焊:目前比較成熟的有埋弧自動(dòng)堆焊、振動(dòng)電弧堆焊、CO2保護(hù)自動(dòng)堆焊和等離子堆焊。

(4)熱噴涂:是采用火焰、電弧、等離子弧進(jìn)行的噴涂和爆炸噴涂。

(5)熱擴(kuò)滲:是在基體材料表面進(jìn)行的固體滲、液體滲、氣體滲和等離子滲。

(6)化學(xué)轉(zhuǎn)化膜:是采用化學(xué)氧化、陽極氧化制備表面膜層。

(7)彩色金屬:是對(duì)工件進(jìn)行整體著色、吸附著色及電解著色。

(8)氣相沉積:一般采用化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。

(9)三束改性:目前一般采用激光束改性、電子束改性和離子束改性。

3 表面工程技術(shù)的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代提出表面工程概念以來,表面工程對(duì)人們生活和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響并顯示出強(qiáng)大的生命力[10-15]。

(1)在保護(hù)、優(yōu)化環(huán)境中的應(yīng)用 采用化學(xué)氣相沉積和溶膠-凝膠等技術(shù)制成的催化劑載體,可有效地治理被污染的大氣,起到凈化大氣環(huán)境的作用。采用化學(xué)氣相沉積、陽極氧化和溶膠-凝膠等表面工程技術(shù)制備過濾膜,能起到凈化水質(zhì)。采用表面技術(shù)制成的吸附劑,可使空氣、水、溶液中的有害成分被吸附,起到吸附雜質(zhì)作用,還可去濕、除臭。表面工程技術(shù)還是開發(fā)綠色能源的基礎(chǔ)技術(shù)之一,許多綠色能源裝置都應(yīng)用了氣相沉積鍍膜和涂覆技術(shù)。

(2)在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用 表面工程技術(shù)在耐腐蝕性和耐磨性方面起著重要作用,同時(shí)在強(qiáng)化、裝飾等方面也起著重要作用。

采用表面工程技術(shù)在結(jié)構(gòu)件表面制備耐腐蝕保護(hù)膜或涂層,能顯著提高結(jié)構(gòu)件表面化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕等的能力。利用熱噴涂、堆焊、電刷鍍和電鍍等表面技術(shù),在材料表面形成Ni基、Co基、Fe基、金屬陶瓷等覆層,可有效地提高材料或制件的耐磨性。采用表面工程技術(shù)能夠有效提高材料表面耐磨耐腐蝕性能之外,通過各種表面強(qiáng)化處理還能提高材料表面除腐蝕和磨損之外的其他抵御環(huán)境作用的能力。表面工程技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料中應(yīng)用除了上述功能外,在表面裝飾功能方面也得到了較好的應(yīng)用。合理地選擇電鍍、化學(xué)鍍、氧化等表面技術(shù),可以獲得鏡面鍍層、全光亮鍍層、亞光鍍層、緞狀鍍層,不同色彩的鍍層,各種平面、立體花紋鍍層、仿貴金屬、仿古和仿大理石鍍層等。

(3)在功能材料和元器件中的應(yīng)用 功能材料主要指具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物等功能,以及一些聲、電、光、磁等互相轉(zhuǎn)換功能,而被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料,常用來制造各種裝備中具有獨(dú)特性能的核心部件。材料的功能特性與其表面成分、組織結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。采用表面工程技術(shù)能在低成本基礎(chǔ)上制備出特殊功能性質(zhì)的表面涂層材料。

① 在電學(xué)特性方面的應(yīng)用。利用電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、離子注入等技術(shù)可制備具有電學(xué)特性的功能薄膜及其元器件。

②在磁學(xué)特性方面的應(yīng)用。通過氣相沉積技術(shù)和涂裝等表面技術(shù)能制備出磁記錄介質(zhì)、磁帶、磁泡材料、電學(xué)屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。

③ 在光學(xué)特性方面的應(yīng)用。利用電鍍、化學(xué)鍍、轉(zhuǎn)化膜、涂裝、氣相沉積等方法,能夠獲得具有反光、光選擇吸收、增透性、光致發(fā)光、感光等特性的薄膜材料。

④在聲學(xué)特性方面的應(yīng)用。利用涂裝、氣相沉積等表面技術(shù),可以制備摻雜Mn-Zn鐵氧體復(fù)合聚苯胺款頻段的吸波涂層、紅外隱身涂層、降低雷達(dá)波反射系數(shù)的納米復(fù)合雷達(dá)隱身涂層,聲反射和聲吸收涂層以及聲表面波器件等。

⑤在生物學(xué)特性方面的應(yīng)用。將具有一定的生物相容性和物理化學(xué)性質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)材料,利用等離子噴涂、氣相沉積、等離子注入等方法形成的專用涂層,可在保持基體材料特性的基礎(chǔ)上,提高基體表面的生物學(xué)性質(zhì)、耐磨性、耐蝕性和絕緣性等,阻隔基體材料離子向周圍組織溶出擴(kuò)散,起到改善同人體機(jī)能的作用。在金屬材料上制備生物陶瓷涂層,能提高材料的生物活性,用作人造關(guān)節(jié)、人造牙等醫(yī)學(xué)植入體。將磁性涂層涂覆在人體的一定穴位上,有治療疼痛、高血壓等功能。

⑥在轉(zhuǎn)換功能方面的應(yīng)用。采用表面工程技術(shù)可獲得能光-電,熱-電,光-熱,力-熱,磁-光等轉(zhuǎn)換功能的器件。

(4)在再制造工程中的應(yīng)用 再制造工程是在維修工程和表面工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興科學(xué),是以產(chǎn)品全壽命周期論為指導(dǎo),以實(shí)現(xiàn)廢舊產(chǎn)品的性能提升為指標(biāo),以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保為準(zhǔn)則,以先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化為手段,來修復(fù)、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施或工程活動(dòng)的總稱。簡(jiǎn)而言之為是廢舊產(chǎn)品高技術(shù)修復(fù)、改造的產(chǎn)業(yè)。其重要特征是,再制造以后的產(chǎn)品質(zhì)量和性能達(dá)到或超過新品,成本只是產(chǎn)品的50%,可節(jié)能 60%,節(jié)材70%,對(duì)環(huán)境的不良影響顯著降低,可有力的促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。

表面工程在再制造工程中的應(yīng)用,使廢舊產(chǎn)品的零部件因被直接用作再制造,毛坯而不用回爐再次熔煉,鋼錠到新零件的二次制造時(shí)對(duì)能源的再次消耗和對(duì)環(huán)境的再度污染。一方面提高了產(chǎn)品的綠色度,另一方面避免了成為固體垃圾而造成的環(huán)境污染。已在民用工業(yè)和軍事工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

4 表面工程的發(fā)展方向

工業(yè)科技的發(fā)展促進(jìn)了表面科學(xué)和工程的發(fā)展,同時(shí),表面科學(xué)與工程的發(fā)展也必須適應(yīng)工業(yè)科技的發(fā)展?，F(xiàn)代表面工程要在未來工業(yè)中發(fā)揮更加巨大作用,必須從以下方面做深入研究。

(1)深化表面科學(xué)理論和表面測(cè)試技術(shù)的研究。從原子角度研究摩擦磨損及潤(rùn)滑機(jī)理,研究表面效應(yīng),表面改性及表面涂敷在摩擦學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用。研究腐蝕過程和腐蝕機(jī)理,腐蝕膜形成及失效機(jī)理。研究在線監(jiān)測(cè)技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),形成相關(guān)嚴(yán)密的覆層失效評(píng)估體系。

(2)發(fā)展復(fù)合表面技術(shù)。單一的表面技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)工業(yè)快速發(fā)展對(duì)產(chǎn)品性能的要求,綜合應(yīng)用復(fù)合表面技術(shù),能夠解決工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)品對(duì)特殊技術(shù)指標(biāo)、可靠性、和經(jīng)濟(jì)性的要求。

(3)研究開發(fā)新型涂層材料。涂層材料是制備優(yōu)良涂層的物質(zhì)基礎(chǔ),不斷開發(fā)優(yōu)良的耐磨耐腐蝕以及不同環(huán)境需求的優(yōu)質(zhì)涂層材料是保證表面工程強(qiáng)大生命力的基礎(chǔ),開發(fā)在表面工程技術(shù)加工過程中自形成新材料的功能涂層能夠更加顯示出表面工程的優(yōu)越性。

(4)開發(fā)多功能涂層。隨著工業(yè)的發(fā)展,許多行業(yè)需要特殊涂層,如防滑涂層、隱身涂層、吸熱涂層、隔熱涂層、導(dǎo)電涂層、催化涂層等,采用激光、高能電子束、離子束等現(xiàn)代先進(jìn)表面技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用,制備特殊結(jié)構(gòu),特殊要求的功能涂層,具有很好的發(fā)展前景。

(5)研究表面工程技術(shù)的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)。目前為止,表面處理在微電子行業(yè)和汽車行業(yè)自動(dòng)化程度較高,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)表面技術(shù)在其他行業(yè)的自動(dòng)化、智能化是施工,是表面工程技術(shù)未來的發(fā)展基本趨勢(shì)。

(6)實(shí)現(xiàn)表面工程的清潔生產(chǎn)。表面工程基本來說是屬于節(jié)能環(huán)保型工程,但某些技術(shù)任然存在污染問題,比如涂裝、電鍍熱處理等。研究從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行全過程的無污染的、節(jié)約型的、再生的表面技術(shù)工程,也是表面工程一個(gè)基本發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 姜銀方.現(xiàn)代表面工程技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] 王兆華,張 鵬,林修洲.材料表面工程[M].化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.

[3] 吳子健,吳朝軍,曾克里,等.熱噴涂技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4] 張 建,楊 軍,朱浪濤.超音速等離子噴涂&203陶瓷涂層的微觀組織及其耐磨性能[J].兵器材料科學(xué)與工程,2012,35 (2):1-6.

[5] Hirokazu Tahara,Yasutaka Ando.Study of titanium nitride deposition by supersonic plasma spraying[J].Vacuum,2009(83):98-101.

[6] 路 陽,鄧 剛,楊效田,等.高鋁青銅粉體超音速等離子噴涂層感應(yīng)重熔后的組織及性能[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)2014,36 (3):333-338.

[7] 楊效田,王智平,路 陽,等.超音速等離子-感應(yīng)復(fù)合技術(shù)制備高鋁銅合金涂層特[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào).2012,33(7):906 -910.

[8] 張九淵.表面工程與失效分析[M].杭州:浙江大學(xué)出版社, 2005.

[9] 徐濱士,劉世參.表面工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[10] 張 建,楊 軍,朱浪濤.超音速等離子噴涂&203陶瓷涂層的微觀組織及其耐磨性能[J].兵器材料科學(xué)與工程,2012,35 (2):1-6.

[11] 謝兆錢,王海軍,郭永明,等.超音速等離子噴涂超細(xì)WC-12Co涂層的性能[A].裝甲兵工程學(xué)院.裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2010(5):54-58.

[12] S.AL am.Friction and Wear Characteristics of Coating on Steel Substrates Sprayed by a Low Pressure Plasma Technique[J]. Wear,2001,248(1-2):75-81.

[13] L.-M.Berger,S.Sauro,T.Naumann,et al.Structure and Properties of F-sprayed Alloyed WC-Co and WC-Ni coatings[J]. Surface&Coatings Technology,2008(202):4417-4421.

[14] 趙新寶,高斯峰,楊初斌,等.鎳基單晶高溫合金晶粒取向的選擇及控制[J].中國材料進(jìn)展,2013,32(1):24-37.

[15] 劉 明,王海軍,韓志海,等.內(nèi)孔等離子噴涂Ni45-15%Mo涂層與28CrMoAl滲氮層耐磨性研究[J].中國表面工程,2007,20 (2):16-18.

Application and Development of Surface Engineering Technology

LI Xia1,YANG Xiao-tian2
(1.School of Chemical and Biological Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou Gansu 730070,China; 2.College of Materials Science and Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou Gansu 730050,China)

According to the great value of surface engineering in the modern industry,the significance of surface engineering was expounded in this article,and the surface engineering was classified according to the subject characteristics and technology characteristics respectively.The application status of surface engineering was comprehensively concluded,and the future development direction of surface engineering was then put forward according to its application status and the development characteristics of the industrial technology.

surface engineering;technology;application

TG146

A

1007-4414(2015)05-0202-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.075

2015-09-30

李 霞(1970-),女,甘肅蘭州人,工程師,主要從事材料制備研究及化工機(jī)械相關(guān)工作。