表層改性技術，機械制造的“內(nèi)科”
——訪表面改性技術專家，同濟大學教授高玉魁

：電子束加工技術是近年發(fā)展起來的一種先進制造技術，在材料表層改性、打孔、焊接等方面已成為不可缺少的特種加工手段之一。然而這只是其應用的一部分，還有巨大的潛力待挖掘。您近年來年發(fā)表的論文中采用電子束對TC21鈦合金進行表層改性并取得了較好的效果。請簡單為我們介紹一下，電子束表層改性的應用優(yōu)勢及其應用領域。

高玉魁：表層改性近年來得以重視，一方面是因為表層加工質(zhì)量不僅影響制造加工尺寸精度、紋理度、粗糙度和光潔度，而且還直接決定了零部件的抗疲勞、耐腐蝕及磨損等使用性能。這里談表層改性，主要是體現(xiàn)出改性層的深度和梯度特性。近年來電子束表層改性技術因能量利用率高、真空下無氧化或污染、便于精確控制等而被重視得以研發(fā)并逐漸應用到以下領域：

（1）拋光與凈化。絕大多數(shù)零部件失效是由于其表層失效造成的，提高材料的表層性能，是延長零部件使用壽命、合理配置性能、保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定服役的關鍵。而拋光處理是材料表面加工的關鍵工序，所以各工業(yè)發(fā)達國家均深入地開展了這方面的研究。目前，對材料表面拋光的主要方法有機械拋光、電解拋光、化學機械拋光、化學拋光、激光拋光等。機械拋光是目前工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的加工方法，并將在很長一段時間內(nèi)占據(jù)主導地位，但其速率較低且成本高，此外機械拋光產(chǎn)生的熱量和振動會導致工件形成加工硬化形變層及殘余拉應力。電解拋光可以增加工件表面抗腐蝕性且成本低廉，主要應用于原始表面粗糙度較低的金屬制品，但電解拋光質(zhì)量與電解液及電流電壓的規(guī)范有關，需要經(jīng)過大量試驗獲得，所以難以廣泛應用。化學機械拋光引起的沖擊與振動有時會使工件受損。激光拋光易在表層形成氧化或造成某些相的脆化，難以大量投入實際生產(chǎn)。電子束拋光技術是21世紀出現(xiàn)的新型材料表層改性技術，它是用高密度能量的電子通過聚焦形成電子束轟擊材料表面，而使其表層熔化或蒸發(fā)從而獲得粗糙度較低、雜質(zhì)較少且力學性能較好的加工技術。傳統(tǒng)拋光主要針對形狀簡單的平面進行，電子束拋光可以應用于曲面、軸承甚至一些孔的拋光，是一種很有應用前景的新型材料表面加工技術。當然，事物均具有兩面性，電子束拋光和凈化改性也有其短板，抽真空，零部件不宜太大等，對于電子束拋光與凈化的表層改性仍然需要進一步的不斷深入研究才能加強其工程應用。

（2）修復與表層再制造。電子束能量密度高、控制靈活、重復性好，能夠精確控制表面溫度和穿透深度，在真空條件下，對金屬保護好，是較好的表面修復方法。當表面出現(xiàn)微小裂紋時，用電子束對工件表面進行加熱，使其表面在瞬間處于熔化狀態(tài)，可實現(xiàn)裂紋愈合和損傷得以修復，根據(jù)裂紋深度來控制電子束的穿透深度，可實現(xiàn)對工件損傷表面的局部修復。而且在金屬構(gòu)件的維修過程中，不破壞材料的整體性能。此外電子束還可對涂層、鍍層或覆層進行封孔致密化及二次熔融的再制造加工，這可以改善涂鍍覆層的使用性能。

（3）殺菌消毒。在食品、醫(yī)療領域的殺菌加工處理中，電子束滅菌的應用尤為活躍，很有希望取代從20世紀30年代以來延續(xù)至今的γ射線殺菌及環(huán)氧乙烷殺菌技術。

電子束加工技術的應用領域?qū)㈦S著研究的深入而不斷拓寬，前景值得期待。

高玉魁：20世紀60年代到90年代發(fā)生的14起航空發(fā)動機重大事故中，13起源自關鍵構(gòu)件發(fā)生疲勞失效。20世紀80年代，機翼主梁疲勞裂紋故障導致3000架飛機停飛。飛行器事故和故障的分析表明，疲勞破壞大都起源于工作應力高、形狀復雜、工作條件惡劣的零部件表面或接近表面的部位。這個問題起先并未被人們所認識，設計和修理人員只是單純地選擇高強度的材料或增加零件的斷面面積。這樣既提高了成本又增加了重量，還不能從根本上防止事故的發(fā)生。隨著人們對表面完整性的認識，表層改性技術所體現(xiàn)出來的巨大價值逐漸為大家所認同。通過噴丸強化、激光沖擊強化、滾壓、擠壓、三束高能改性、復合強化等工藝提高材料的抗疲勞性能，從而達到延壽的目的。

航天與航空在這個認知上還是有差別的，在以前，航天中的產(chǎn)品大多為一次性的，不存在疲勞失效這樣的問題，但是隨著空間站等項目的進行，零部件的使用壽命問題被列入關鍵技術點，在不增加重量的情況下提高零部件的使用性能，尤其是服役壽命，那么表層改性技術就成為了首選。

如果材料本身沒有問題，疲勞其實說到底就是表面層的加工問題和裝配時的連接問題，當前還有一個突出的問題是缺少相應的行業(yè)標準或規(guī)范，對工藝的檢測結(jié)果也缺少判斷依據(jù)和參考體系，需要制定相關標準來規(guī)范和約束制造工藝和流程，這樣有了要求才能指導零部件的設計和生產(chǎn)。

：您多次提到行業(yè)標準制定的重要性和緊迫性，有關材料加工工藝參數(shù)和工序的優(yōu)化及標準化在工程應用中體現(xiàn)了怎樣的價值？

高玉魁：一個著名公司的核心競爭力一方面是體現(xiàn)在專利技術的創(chuàng)新上，另一方面就是該公司制定的產(chǎn)品標準或規(guī)范的水平。一個加工工藝往往由多道工序構(gòu)成，生產(chǎn)中要進行細化并逐一規(guī)范，既要充分考慮材料自身的加工特點，也要結(jié)合零部件的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)條件，這樣才能充分發(fā)揮材料自身優(yōu)勢，加工出具有預期使用性能的高端裝備。如航空工業(yè)大量采用的鈦合金，強度高、密度小、機械性能、韌性和抗蝕性能好，但工藝性能差、切削加工困難，尤其是導熱系數(shù)小，在加工過程中很容易破壞材料的完整性。鈦的導熱系數(shù)為 15.24W/(m·K)，僅為鎳的 1/4、鐵的1/5，鋁的1/14，因此其加工過程中產(chǎn)生的熱不易傳出，往往集中在某些較小區(qū)域內(nèi)，導致局部溫度很高，造成α相脆化或燒傷。鈦合金的燒傷與鋼的燒傷有所不同，鋼燒傷表面會有裂紋和表層脫碳硬度減低，便于檢測，而鈦合金燒傷無法通過肉眼從表面觀察到，也無法通過硬度來判斷。有一個很典型的案例是某工廠為加快鈦合金構(gòu)件制造進度，增加了對鈦合金的切削速度，致使加工區(qū)域溫度升高，使鈦合金葉片表層出現(xiàn)燒傷，產(chǎn)生α相脆化，但檢測過程中形狀尺寸是沒有異常的，繼而對這批鈦合金構(gòu)件進行噴丸強化處理，當施加疲勞載荷時發(fā)生了提前斷裂而報廢，在分析其斷裂原因時曾懷疑是噴丸強化參數(shù)不當所造成的，但進一步通過掃描電鏡觀察分析發(fā)現(xiàn)，造成其斷裂的原因是表面燒傷α相脆化導致的裂紋。從這個案例可以看出，雖然有時投入大量的人力、財力、物力來加工產(chǎn)品，但最后卻沒有達到預期的使用性能，這就說明了一個問題：對關鍵工藝參數(shù)域的控制沒有引起足夠的重視，也缺少從工程應用角度對材料加工的系統(tǒng)研究，對于某些材料或結(jié)構(gòu)，加工時該慢的時候就需要慢下來，不能浮躁地只追求進度。

為使材料充分發(fā)揮其性能，在加工過程中，必須重視對重要構(gòu)件關鍵工藝參數(shù)域的控制。尤其是疲勞關鍵件，采用表層強化處理，對疲勞強度的提高可達40%，這比更換新材料要更有意義。因為即使投入大量財力物力和人力來發(fā)明一種新材料，其疲勞強度比已有性能提高10%都很困難，從某種意義上說工藝的改進對材料性能的提高遠比研發(fā)新材料要容易得多。國外發(fā)達國家之所以能夠生產(chǎn)高端產(chǎn)品都得益于重視制造技術和不斷提高工藝水平，制造造就實業(yè)，美國近年來也提出了回歸制造強國的規(guī)劃。

：您目前主持的科研項目有哪些？科研過程中有哪些感受？

高玉魁：現(xiàn)主持的主要科研項目有國家自然科學基金面上項目“激光沖擊作用下金屬材料殘余應力場的響應規(guī)律和強化效應”、國家冷軋板帶制備及工藝工程技術研究中心開放課題“TWIP鋼軋制過程組織及殘余應力演化規(guī)律研究”、中央高?；緲I(yè)務費專項資金資助項目“航空高強度結(jié)構(gòu)材料的表面強化理論和試驗驗證”、“高強度鈦合金和鋁鋰合金的表面強化與殘余應力研究”、“航空鈦合金材料噴丸及孔擠壓強化處理”、“航空高強鋼強化處理及強化層殘余應力研究”等。做科研和工程應用是相輔相成的，高校不能投入大筆經(jīng)費去做實踐研究，而企業(yè)有現(xiàn)成的資源；有時候在企業(yè)困擾他們很久的問題，有可能在高校這只是一個小案例，碰撞才能產(chǎn)生火花。由于以前的工作經(jīng)歷，我與企業(yè)工程技術人員之間的交流較多，經(jīng)常的探討有助于盡快解決問題，在專業(yè)深度上共同進步，通過這些項目的研究，越來越意識到表面完整性及表層改性技術的重要性，它是高端裝備實現(xiàn)服役壽命和性能的可靠保障，也是實現(xiàn)我國制造強國夢的途徑。

：您在北京航空材料研究院從事航空航天零部件的表面強化與表面完整性研究12年，然后再加入同濟大學，這不同的經(jīng)歷對您的教育觀點有什么影響？

高玉魁：教學相長，不同的經(jīng)歷、科研的成果及積累的經(jīng)驗對教學很有幫助，同時教學時思考的全面性、系統(tǒng)性，對學生問題的梳理，一些教學方面的進展也對提高科研水平大有益處。我主要從以下來談談不同的經(jīng)歷給我?guī)淼囊稽c啟發(fā)：

（1）大學的教學模式必須從填鴨式教育轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑浇逃?。大學之所以是大學，這就說明大學教育是與中小學教育有著重要區(qū)別。大學教育對學生更多的是引導他們?nèi)ニ伎迹l(fā)現(xiàn)知識點，探索問題并分析原因以解決問題和形成自己的知識體系，而不是像中小學教育來填鴨和灌輸知識。我在給學生講授《飛機的疲勞與斷裂》課程時，會把學生分成小組，讓他們大量查閱資料和閱讀文獻，查找飛機疲勞失效事故案例，分析原因并提出看法，這樣一方面是充分調(diào)動學生學習的主動性、積極性和激發(fā)大家思考問題，另一方面也讓學生通過調(diào)研的圖片視頻資料增加對疲勞失效的認識，理論與實踐相結(jié)合，不斷引導學生去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，雖然學生不一定都能提出正確的解決問題的方法，但是這種團隊鉆研的精神和探索討論分析問題的能力是應該具備的。

（2）教育和科研都不能完全照搬書本上的理論，要相信書本但也要跳出課本，對實際問題實際分析。如單晶葉片的噴丸問題，曾因擔心其再結(jié)晶而一度不被采用。其實單晶葉片榫頭部位與渦輪盤榫齒相連接，即使噴丸強化處理因其使用溫度低于再結(jié)晶溫度，所以榫頭的噴丸強化不僅不會發(fā)生再結(jié)晶，還會提升它的疲勞性能。最終通過研究，我把噴丸應用到了單晶葉片零部件上，提高了航空發(fā)動機葉片的微動疲勞抗力。

（3）師徒制存在的必要性。目前我感到師傅帶徒弟這種關系的存在對于提升我國的制造水平非常必要。師傅帶徒弟這種關系尤其是優(yōu)秀的師徒，將是一種技術的傳承，師傅如將積累了數(shù)十年的還未轉(zhuǎn)換成科學數(shù)據(jù)的經(jīng)驗技術傳授給徒弟，相應也是對剛?cè)胄心贻p人的一種指導和幫助，更是年輕人提高的重要途徑。年輕人總不缺乏探索精神（笑），但缺少吃苦精神也不愿吃虧，有時也沒有團隊意識。通過師徒制在工廠公司的推行，不僅激勵師傅精益求精加強制造技術的提升，也將培養(yǎng)一代青年人才，讓他們熱愛制造，樂于探索，成為制造大師或工匠。

我目前也在積極學習和探索國外航空航天專業(yè)的課程設置與學科內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)一些與國內(nèi)課程設置的不同之處，如國外教材對興趣培養(yǎng)非常重視，而且多數(shù)是深入淺出，教育就是廣取精華，這樣在人才培養(yǎng)方案上才能更趨合理?？蒲惺且环N深入探索，教育培養(yǎng)下一代也需要像科研一樣去不斷探索，這不僅體現(xiàn)在航空航天的高技術領域，而且對整個制造行業(yè)的教育來說都非常重要。去年我非常有幸參與編寫了教育部的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃（2016～2020年）》并最終在北京通過了國家制造強國領導小組的審批。