1.3　表面工程技术的发展趋势

堆焊与表面工程专业委员会在2001年第十次全国焊接会议上，回顾了表面工程技术的发展历程，概括了该领域的发展轨迹。展望了它将对 21世纪科学技术总体水平和经济发展所起的促进作用，做了如下总结。

（1）表面工程新技术不断涌现

传统的表面技术，随着科学技术的进步而不断创新。在电弧喷涂方面，发展了高速电弧喷涂，使喷涂质量大大提高。在等离子喷涂方面，已研究出射频感应藕合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、用三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂。在电刷镀方面研究出摩擦电喷镀及复合电刷镀技术。在涂装技术方面开发出了粉末涂料技术。在黏结技术方面，开发了高性能环保型黏结技术、纳米胶黏结技术、微胶囊技术。在高能束应用方面发展了激光或电子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔融等技术。在离子注入方面，继强流氮离子注入技术之后，又研究出强流金属离子注入技术和金属等离子体浸没注入技术。在解决产品表面工程问题时，新兴的表面技术与传统的表面技术相互补充，为表面工程工作者提供了宽广的选择余地。

（2）研究复合表面技术

在单一表面技术发展的同时，综合运用两种或多种表面技术的复合表面技术（也称第二代表面技术）有了迅速的发展。复合表面技术通过多种工艺或技术的协同效应使工件材料表面体系在技术指标、可靠性、寿命、质量和经济性等方面获得最佳的效果，克服了单一表面技术存在的局限性，解决了一系列工业关键技术和高新技术发展中特殊的技术问题。强调多种表面工程技术的复合，是表面工程的重要特色之一。复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合等。

（3）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。

（4）开发多种功能涂层

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，在治理这三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；建筑业中的玻璃幕墙需要有阳光控制膜等。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，表面技术也可大显身手。

近年来，石墨烯作为一种新兴的功能性材料，在涂料中能够形成稳定的导电网格，有效提高锌粉的利用率。而且，它有利于延长防腐应用过程中的重涂年限，有效减少资源浪费与环境污染，符合绿色发展的战略要求。同时石墨烯兼具良好的导电性，还可用于制备导静电涂料，一般应用于对防火、防爆等要求很高的领域，比如石油、化工、煤矿、航空等。

（5）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。汽车涂装技术中使用的阴极电泳涂料，其有机溶剂、颜料含量降低，且不含有害金属铅。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。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。Fe3Al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。现在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。

（6）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。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，熔敷层的耐磨性显著提高。

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。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。

（7）深化表面工程技术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。近年来，针对具体的工程问题，摩擦学工作者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做出了重要贡献。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技术的发展。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。

在材料的腐蚀与防护研究方面，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技术研究，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高的参考价值。

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0.15mm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0.15mm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。目前，气相沉积技术又发展得很快，应用面越来越广，这就使研究新的测试方法更加紧迫。近年来，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。

（8）扩展表面工程技术的应用领域

表面工程技术已经在机械产品、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。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。表面技术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。备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。在欧洲一些国家的钢厂中，就对半成品进行表面处理，如热处理、热浸镀、磷化、钝化等。

（9）积极为国家重大工程建设服务

在新型军用飞机的研制过程中，先进的胶粘技术、特种热处理技术、表面改性技术、薄膜技术以及涂层技术都发挥了重要作用。吸波材料的研制成功为装备隐形提供了重要的物质基础。离子注入、离子刻蚀和电子曝光技术的结合，形成了集成电路微细加工技术，成为制作超大规模集成电路的重要技术基础。

长江三峡工程与其说是土木工程，不如说是钢铁工程，在大坝全长2309.47m中钢铁结构闸门就占全长的72%。在三峡工程中，所有机械设备、金属结构、水工闸门以及隧洞、桥梁、公路、码头、储运设备都离不开表面工程。在国家科技攻关项目，如“六五”、“七五”、“八五”和“九五”攻关项目的安排上以及三峡工程重新论证和设计审查中，表面工程的应用始终是一项研究和讨论的重要课题之一。从表面技术和涂覆材料的选择、喷涂工艺的制定到表面电化学保护等，都在三峡重大装备研制项目中占有重要地位。

（10）纳米表面工程正在形成

近年来，纳米材料技术正在以令人吃惊的速度迅猛发展。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。如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。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。

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。 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。

（11）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。表面技术是再制造的关键之一，起着基础性的作用。可以说没有表面技术，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。

（12）向自动化、智能化的方向快速迈进

目前表面处理正快速向智能化方向迈进。以汽车车身涂装线为例，涂装工艺采用三涂层体系，即电泳底漆涂层、中间涂层、面漆涂层，涂层总厚度为110～130μm，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）已逐步实现自动化和智能化。

（13）降低对环保的负面效应

从宏观上讲，表面工程在节能、节材、环境保护方面有重大效能，但是对具体的表面技术，如涂装、电镀、热处理等均有“三废”的排放问题，仍会造成一定程度的污染。现在，在民用领域有氰电镀已经基本上被无氰电镀所代替，部分电镀锌工艺已被耐蚀性更好的电镀锌镍合金取代，一些有利于环保的镀液相继被研制出来；镀锌工件的六价铬钝化也被三价铬钝化逐步取代；油性涂料被水性涂料取代。当前，在表面工程领域，正在逐步实现封闭循环，达到零排放，实现“三废”综合利用的目标。在表面处理排放方面国家也制定了如《清洁生产标准 电镀行业》（HJ/T 314—2006），《电镀废水治理工程技术规范》（HJ 2002—2010）的标准。总的来看，表面行业在降低对环保负面效应方面，仍是任重道远，有许多工作要做。