對(duì)表面工程方向研究生培養(yǎng)的思考

蔡 飛，張世宏, 2

(1. 安徽工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代表界面工程研究中心，安徽 馬鞍山 243002； 2. 安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

近年來，航空航天、汽車、精密機(jī)械等領(lǐng)域?qū)Ω呔?、高效率和高可靠性的要求不斷提升，尤其在高承載磨損、寬溫域交變應(yīng)力和腐蝕等嚴(yán)苛服役條件下，零部件失效加劇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分失效源于工件表面，因此對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化，可提高其服役性能。表面工程技術(shù)可賦予零部件表面不同于基體內(nèi)部的性能，如高硬度、高耐磨、抗腐蝕、抗氧化等性能，進(jìn)而提高其服役壽命。表面工程是我校先進(jìn)金屬材料綠色制備與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和安徽省現(xiàn)代表界面工程國際聯(lián)合研究中心的一個(gè)重要研究方向。該方向的研究生需具有扎實(shí)的表面科學(xué)與表面工程理論知識(shí),以及能夠運(yùn)用表面工程技術(shù)處理實(shí)際問題的能力。但面對(duì)零部件復(fù)雜的服役條件，如何選擇合適的表面工程方法、涂層材料以及工藝，對(duì)表面工程方向的研究生提出了更高的要求。如何培養(yǎng)一個(gè)優(yōu)秀的表面工程方向的研究生是一個(gè)值得深入探討的課題。

一、表面工程方向研究生的培養(yǎng)應(yīng)該從思想上重視

與本科生培養(yǎng)不同，研究生教育階段著重培養(yǎng)學(xué)生的科研系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、獨(dú)立性。且由于研究生不同的接受能力、性格等，因此無法用統(tǒng)一的“大鍋飯”模式來培養(yǎng)。而研究生的培養(yǎng)首先要端正其思想。表面工程方向研究生的培養(yǎng)應(yīng)該從思想上重視，主要包括導(dǎo)師和學(xué)生都要從思想上重視。

一要加強(qiáng)導(dǎo)師組培養(yǎng)制度。研究生階段是本科階段的延續(xù)，是進(jìn)入社會(huì)之前的過渡階段。因此，培養(yǎng)研究生分析問題、解決問題以及舉一反三的能力至關(guān)重要。在此過程中，導(dǎo)師起著極其重要的作用。對(duì)于培養(yǎng)表面工程方向研究生，可實(shí)行并加強(qiáng)導(dǎo)師組培養(yǎng)制度。一個(gè)研究生可有一個(gè)主導(dǎo)師，同時(shí)可配備1至2名副導(dǎo)師。主導(dǎo)師制定研究生的課題方向，副導(dǎo)師可具體負(fù)責(zé)指導(dǎo)研究生的實(shí)驗(yàn)過程，這樣可以更加有效地加強(qiáng)研究生的培養(yǎng)。

二要增加研究生對(duì)專業(yè)的認(rèn)可度。表面工程是一門專業(yè)性比較強(qiáng)的專業(yè)，其應(yīng)用的領(lǐng)域較專一。因此，剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究生比較迷茫，不知道表面工程方向是做什么的，能不能做好表面工程方向的課題以及將來畢業(yè)以后何去何從。其實(shí)不然，表面工程作為一個(gè)既古老又新興的技術(shù)，已經(jīng)在航天航空、汽車、機(jī)械、電子等各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。大到航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層，衛(wèi)星關(guān)鍵部件的減摩涂層、小到汽車裝飾部件的電鍍裝飾涂層，以及最近較熱門的新能源燃料電池雙極板表面耐蝕導(dǎo)電薄膜等，均是采用表面工程技術(shù)所制備，表面涂層技術(shù)已滲入我們生活的方方面面。其次，我們帶著研究生到表面工程相關(guān)的企業(yè)如馬鋼、華菱汽車、奇瑞汽車等進(jìn)行交流，讓研究生進(jìn)一步了解表面工程技術(shù)在軋輥、切削刀具等上面的重要作用。通過與研究生深入交流，使他們更深入地了解表面工程的應(yīng)用，增強(qiáng)了其對(duì)表面工程方向的認(rèn)可度。

二、表面工程方向研究生的培養(yǎng)要重視學(xué)習(xí)方法

一是注重研究生課程的改革和設(shè)計(jì)。在給研究生上“材料的表面與界面”這門課程時(shí)，研究生反映，課程理論性過強(qiáng)。據(jù)此，我們將這門課分為8個(gè)專題，從理論到應(yīng)用并結(jié)合課題組已有的應(yīng)用實(shí)例，涵蓋激光、熱噴涂、氣相沉積、噴丸、電鍍、等離子滲氮等典型目前現(xiàn)有的表面技術(shù)。每個(gè)專題包括基本原理和典型的應(yīng)用。以氣相沉積章節(jié)為例，本章節(jié)分為氣相沉積原理和分類、制備的涂層優(yōu)缺點(diǎn)以及典型的應(yīng)用。在應(yīng)用部分，穿插了本課題組近幾年應(yīng)用的一些典型案例。通過這些案例，同學(xué)們?cè)诶斫馕锢須庀喑练e相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，能夠更加直觀的了解氣相沉積技術(shù)在表面領(lǐng)域的應(yīng)用。如進(jìn)一步了解了刀具涂層和模具涂層的不同點(diǎn)，以及防腐蝕涂層和耐磨減摩涂層的不同點(diǎn)。

二是表面工程方向研究生的查閱文獻(xiàn)能力有待加強(qiáng)。開組會(huì)討論時(shí)，經(jīng)常聽到研究生抱怨，查不到或者只能查到很少相關(guān)的表面處理方法。這里主要有兩部分原因，一是剛從本科生階段進(jìn)入到研究生階段，缺乏系統(tǒng)和科學(xué)的文獻(xiàn)查閱方法；二是科研“啃老”，寄托希望于導(dǎo)師給文獻(xiàn)。針對(duì)這兩種典型的情況，前者，對(duì)于剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的研究生，告知其表面工程領(lǐng)域的專業(yè)期刊，英文期刊如Surface&CoatingsTechnology、AppliedSurfaceScience和SurfaceEngineering等，中文期刊如《中國表面工程》和《表面技術(shù)》等，這樣他們可以針對(duì)性地查閱與自己課題相關(guān)的文獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)展至Wear，TribologyInternational，《摩擦學(xué)學(xué)報(bào)》等與表面工程應(yīng)用相關(guān)的雜志，可進(jìn)一步了解表面工程技術(shù)最新的研究和應(yīng)用進(jìn)展。文獻(xiàn)資料是科研的源泉，表面工程方向的研究生必須學(xué)會(huì)文獻(xiàn)搜尋，查找該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和該領(lǐng)域的頂級(jí)科學(xué)家與團(tuán)隊(duì)動(dòng)態(tài)以及國內(nèi)相關(guān)研究單位等等。從這些期刊中找到與自己研究方向相關(guān)的文章，找到合適的切入點(diǎn)和研究方法，可以起到事半功倍的顯著成效。在研究生查閱文獻(xiàn)的過程中，導(dǎo)師起著至關(guān)重要的作用，除了指導(dǎo)研究生如何查閱文獻(xiàn)之外，還必須指導(dǎo)研究生如何閱讀文獻(xiàn)，怎么閱讀文獻(xiàn)最有效率。通常，對(duì)于剛?cè)雽W(xué)的研究生，閱讀文獻(xiàn)時(shí)可以先綜述性文章后研究性文章，先中文后英文。這樣循循漸進(jìn)，避免了研究生不知道怎么看、看不懂的窘境。同時(shí)，在剛開始閱讀文獻(xiàn)時(shí)，一定要做好筆記并及時(shí)消化。

三是加強(qiáng)對(duì)研究生在實(shí)驗(yàn)過程中的指導(dǎo)。近幾年，國內(nèi)各高校對(duì)實(shí)驗(yàn)條件投入較大，科研硬件均有顯著的改善。對(duì)于我們地方工科院校，實(shí)驗(yàn)條件也相應(yīng)地有了很大提升。但結(jié)合近幾年在對(duì)表面工程方向的研究生培養(yǎng)的過程中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)比較明顯的問題。首先，面對(duì)良好的實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生變成一個(gè)實(shí)用主義者，只要儀器有人管，能用就行，不再關(guān)心儀器的原理，不會(huì)最基本的維修，更加不會(huì)關(guān)心實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展規(guī)劃。如本課題組擁有多臺(tái)氣相沉積表面薄膜制樣設(shè)備。通過觀察，大多數(shù)研究生只會(huì)機(jī)械式地操作，而不去了解真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和鍍膜系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。一旦做出來的薄膜質(zhì)量不好，只會(huì)反復(fù)地調(diào)整鍍膜的參數(shù)如氮?dú)鈮簭?qiáng)和溫度，卻忽略了真空度和控制系統(tǒng)對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。遇到簡單的故障，本來可通過簡單的檢查即可直接排除，卻直接找老師和工程師解決。類似情況在本實(shí)驗(yàn)室等離子氮化和熱噴涂等其它表面方向的研究生身上也存在，其根本原因是缺乏對(duì)設(shè)備原理的深入了解。其次，由于各種設(shè)備的便利性，研究生缺乏深入的思考，只想著做出結(jié)果，而沒有去更深層次地思考，這個(gè)是浮躁的體現(xiàn)。從這個(gè)方面講，表面工程方向的研究生需要提升在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用方面的能力。本課題針對(duì)每一屆剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的研究生制定了一個(gè)熟悉薄膜或者涂層制備和表征設(shè)備的計(jì)劃。計(jì)劃利用六個(gè)月熟悉薄膜或涂層裝備及原理，另外六個(gè)月熟悉薄膜或者涂層的表征手段如XRD、SEM、摩擦磨損以及腐蝕等裝置的方法和原理。通過一年的系統(tǒng)強(qiáng)化培訓(xùn)，研究生可以很熟練地操作各種涂層或者薄膜制備設(shè)備和表征設(shè)備。我們實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)兩屆研究生的實(shí)施，發(fā)現(xiàn)這種措施可以幫助研究生在研二和研三階段研究課題的順利進(jìn)行。另一方面，這種有利的措施可以促進(jìn)學(xué)生深入思考在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，而不是一遇到問題就去詢問導(dǎo)師，進(jìn)而增強(qiáng)研究生思考的獨(dú)立性。

三、表面工程方向研究生的培養(yǎng)應(yīng)該注重聯(lián)系實(shí)際

表面工程方向最重要的一個(gè)特點(diǎn)是應(yīng)用和實(shí)踐性很強(qiáng)。經(jīng)常聽到課題組已經(jīng)畢業(yè)的研究生反饋的疑惑，某些看起來很合適的表面處理技術(shù)在有些工況下卻并不適用。這主要是因?yàn)?，一種表面處理技術(shù)可以運(yùn)用于多種工況或者零部件的表面；而同一種零部件也可運(yùn)用不同表面處理技術(shù)或者多種表面處理技術(shù)的聯(lián)合進(jìn)行處理，這就對(duì)表面工程方向的研究生對(duì)所需表面處理的對(duì)象作出正確的判定，從而對(duì)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用水平提出了更高的要求。如交給研究生一個(gè)研究課題：鋁合金輪胎模具的表面防護(hù)處理。學(xué)生經(jīng)過查閱文獻(xiàn)和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)電鍍Cr涂層和物理氣相沉積CrN薄膜均可運(yùn)用于輪胎模具表面防護(hù)。這就給研究生造成了困惑：到底選哪一種表面處理的方法？當(dāng)時(shí)鼓勵(lì)研究生設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案，對(duì)鋁合金輪胎表面分別進(jìn)行了電鍍Cr層和物理氣相沉積CrN薄膜處理。經(jīng)過結(jié)合強(qiáng)度、靜態(tài)腐蝕和鹽霧腐蝕等檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，物理氣相沉積技術(shù)所制備的CrN薄膜比電鍍的Cr層性能更為優(yōu)異，從而最終選擇物理氣相沉積制備CrN薄膜作為輪胎模具表面處理的最終方案。又如在對(duì)馬鋼表面公司的結(jié)晶器銅板表面防護(hù)課題進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，目前馬鋼表面公司采用電鍍NiCoW合金涂層進(jìn)行保護(hù)。研究生經(jīng)過查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器銅板的工況為主要為熱腐蝕和熱磨損。他們首先提出利用熱噴涂技術(shù)制備NiCr-Cr3C2涂層，且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)掛片實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，其性能均優(yōu)于現(xiàn)有電鍍NiCoW涂層。但等到產(chǎn)品上線驗(yàn)證時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱噴涂NiCr-Cr3C2涂層涂覆的結(jié)晶器銅板服役壽命不如電鍍NiCoW涂層。經(jīng)過對(duì)失效產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器銅板的失效模式除了熱腐蝕和熱磨損之外，還有熱疲勞失效。因此，研究生從增加熱噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的思路出發(fā)，先利用電鍍技術(shù)在結(jié)晶器銅板表面制備Ni層，進(jìn)而在電鍍Ni層表面采用熱噴涂技術(shù)制備NiCr-Cr3C2層。這種雙層涂層設(shè)計(jì)有效的增加了熱噴涂涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而解決了結(jié)晶器銅板在熱沖擊條件下，NiCr-Cr3C2涂層易疲勞失效的問題。

表面工程方向的研究生應(yīng)該更加貼合實(shí)際，勤于思考，分析清楚適用對(duì)象的實(shí)際服役工況。如安排研究生針對(duì)安徽華菱有限公司重載柴油機(jī)缸體和缸蓋切削加工用刀具進(jìn)行涂層開發(fā)，開發(fā)的物理氣相沉積(PVD)AlCrSiN涂層在直柄立銑刀上面應(yīng)用效果很好，甚至超過進(jìn)口鈷領(lǐng)同類產(chǎn)品15%，但在鉆頭上應(yīng)用效果卻很差，甚至性能不如簡單的TiN二元涂層。這給當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)此課題的研究生造成很大的困惑。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)觀察鉆頭的加工方式，以及檢測(cè)失效后下線的涂層鉆頭的磨損失效方式，并與現(xiàn)場(chǎng)工程師溝通，發(fā)現(xiàn)鉆頭與銑刀的加工形式完全不一樣。鉆頭切削部分會(huì)承擔(dān)主要的切削過程，麻花鉆頭在鉆削過程中，首先與被加工工件接觸的是刀尖處的橫刃。因此鉆頭對(duì)涂層的要求是光潔度更加高而不是高穩(wěn)定性。隨后，此研究生修改了方案，降低了涂層中Al含量，制備的涂層的表面粗糙度降低，制備的低Al含量的CrAlSiN涂層鉆頭上面的應(yīng)用超過了現(xiàn)有的進(jìn)口鈷領(lǐng)同類產(chǎn)品。因此，對(duì)于表面工程方向的研究生，在表面工程技術(shù)、涂層材料以及工藝方案的選擇上面，更應(yīng)該考慮全面。

四、結(jié)語

表面工程方向的研究生培養(yǎng)在思想和學(xué)習(xí)方法等方面要加強(qiáng)，堅(jiān)持導(dǎo)師組培養(yǎng)模式，在講授表面方向課程時(shí)，可將“專題講座”模式引入課堂。同時(shí)應(yīng)該重視研究生查閱文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)過程的動(dòng)手能力，表面工程方向的研究生在培養(yǎng)過程中要理論聯(lián)系實(shí)際。