石 勇

（山西大學(xué)工程學(xué)院，山西 太原 030013）

0 引 言

磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)械零部件、工程構(gòu)件三大主要破壞形式，他們所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失占有非常大的比重。在美國國家材料政策委員會向美國國會提出的一份報告中指出，由于摩擦磨損引起的損失，使美國經(jīng)濟(jì)每年支付1 000億元美元的巨額資金，這項損失中的材料部分僅為200億元美元；在2010年德國的一次調(diào)查中指出，由于摩擦磨損造成的總損失估計為300億歐元；2008年我國對摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了全面徹底的調(diào)查分析指出，此項損失至少占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的1.8%。許多國家政府對腐蝕造成的損失進(jìn)行了調(diào)查分析，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局2000年調(diào)查表明，現(xiàn)在美國因為腐蝕一年損失達(dá)3 000億元美元；2005年我國曾作過腐蝕調(diào)查，當(dāng)時結(jié)論為我國因腐蝕造成的損失至少在400億元人民幣以上。

眾所周知，磨損和腐蝕均是發(fā)生于機(jī)件表面的材料流失過程，而且其他形式的機(jī)件失效有許多也是從表面開始，采用表面防護(hù)措施延緩和控制表面的破壞，成為解決上述問題的有效方法，在解決問題的同時，也促進(jìn)了表面工程科學(xué)和表面技術(shù)的形成與發(fā)展。

1 表面工程新技術(shù)的創(chuàng)立

表面工程技術(shù)圍繞腐蝕、摩擦、磨損的功能特性（聲、光、磁、電的轉(zhuǎn)換等）三大因素，成為世界上20世紀(jì)80年代重點(diǎn)發(fā)展的十項關(guān)鍵技術(shù)之一，取得了長足的進(jìn)展，形成了一門新興學(xué)科——表面工程學(xué)。1986年在布達(dá)佩斯舉行的國際材料熱處理聯(lián)合理事會上決定接受表面工程學(xué)科，并且決定把聯(lián)合會改名為“國際熱處理及表面工程聯(lián)合會”。進(jìn)入90年代，其發(fā)展勢頭有增無減，目前仍處于重點(diǎn)加強(qiáng)研究的領(lǐng)域。美國工程科學(xué)院為美國國會提供的2000年前集中力量加強(qiáng)發(fā)展的92項新科學(xué)技術(shù)項目，表面工程為其中之一，這也是有關(guān)材料研究中的唯一重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域。

2 表面工程新技術(shù)的發(fā)展

近30年多來，有許多新的科學(xué)技術(shù)滲透到表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，使金屬的表面強(qiáng)化技術(shù)得到了迅速發(fā)展，由此開發(fā)出來的表面強(qiáng)化技術(shù)構(gòu)成了目前材料表面技術(shù)的主流。例如，激光是上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的重大科學(xué)技術(shù)成就之一，70年代制造出大功率的激光器以后，便開始用激光加熱進(jìn)行表面淬火。用激光和電子束加熱，有利于環(huán)境保護(hù)，便于實現(xiàn)自動化。激光、電子束用于表面加熱后，就使表面強(qiáng)化技術(shù)超出了熱處理范疇，可以通過熔化－結(jié)晶過程、熔融合金化—結(jié)晶過程、熔化—非晶態(tài)過程，大幅度改變硬化層的結(jié)構(gòu)與性能。熱噴涂技術(shù)作為一種新的表面防護(hù)和表面強(qiáng)化工藝在近20多年里得到了迅速的發(fā)展。在這個時期，熱噴涂技術(shù)由早期制備一般的裝飾性和防護(hù)性涂層發(fā)展到制備各種功能性涂層；由產(chǎn)品的維修發(fā)展到大批量的產(chǎn)品制造；由單一涂層發(fā)展到包括產(chǎn)品失效分析、表面預(yù)處理、噴涂材料和設(shè)備的選擇、涂層系統(tǒng)設(shè)計和涂層后加工等在內(nèi)的熱噴涂系統(tǒng)工程。熱噴涂技術(shù)的發(fā)展是從使用條件最苛刻，要求最嚴(yán)格的宇航工業(yè)開始，然后迅速向各民用工業(yè)部門擴(kuò)展開來的[1]。目前，熱噴涂技術(shù)已成為金屬表面材料領(lǐng)域中一個十分活躍的獨(dú)立領(lǐng)域。氣相沉積法中化學(xué)氣相沉積是利用鍍層材料的揮發(fā)性化合物氣體分解或化合反應(yīng)后沉積成膜；物理氣相沉積則是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法沉積成膜。這些薄膜強(qiáng)化新技術(shù)用材廣泛，使用面寬，已廣泛用于機(jī)械制造，冶金工業(yè)以及宇航、核能等領(lǐng)域。

20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的離子注入新技術(shù)，利用注入離子可得到過飽和固溶體、非晶態(tài)和某些化合物層，能改變材料摩擦系數(shù)，增加表面硬度，提高耐磨性及抗蝕性，延長了零件的使用壽命。近幾年，由美國人發(fā)明的等離子體淹沒離子混合注入技術(shù)發(fā)展很快，可在鈦合金、鋁合金等零件上全方位注入N，混合注入TiN等，還可在低于300℃下制備金剛石膜。還有一些歷史較長的表面處理技術(shù)，近十幾年來也得到了飛速發(fā)展，例如，電鍍技術(shù)已由單一的金屬發(fā)展到鍍各種合金。尤其是前些年發(fā)明的一種局部電鍍技術(shù)——刷鍍，已經(jīng)成為人們公認(rèn)的金屬表面新技術(shù)，在我國已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。傳統(tǒng)電鍍工藝與近代激光技術(shù)結(jié)合形成的激光電鍍是新興的高速電鍍技術(shù)。運(yùn)用激光輻照提高金屬沉積速度，其速率比無激光照射的高1 000倍。當(dāng)用一種連續(xù)激光或脈沖激光照射于陰極表面時，不僅極大地提高了沉積速度，而且可以用計算機(jī)控制激光束的運(yùn)動軌跡而得到預(yù)期的復(fù)雜幾何圖形的無屏蔽鍍層。20世紀(jì)80年代又出現(xiàn)一種激光噴射強(qiáng)化電鍍的新技術(shù)，將激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)與電鍍液噴射結(jié)合起來，使激光和鍍液同步射向陰極表面，使傳質(zhì)速度大大超過激光照射所引起的微攪拌的速度，從而達(dá)到很高的沉積速度[2]。

近十幾年來，薄膜技術(shù)獲得了全面的發(fā)展，取得了顯著的效益。例如，近代建筑樓宇外部以幕墻玻璃裝修，是采用蒸鍍或磁控濺射在玻璃上鍍上薄膜，不僅色彩鮮艷奪目，顯示藝術(shù)魅力，而且夏季能反射強(qiáng)烈的陽光（紅外線），降低室溫和空調(diào)能耗；冬季能防止室內(nèi)暖氣（紅外線）的流失，起保溫作用；同時，能使進(jìn)入室內(nèi)紫外線降低90%，防止室內(nèi)物品的老化和腿色。當(dāng)今，大規(guī)模發(fā)展的固體電子器件的集成化，無論是有源或無源器件，真正參與工作的媒質(zhì)，只有很薄的一層。集成電路從小規(guī)模到大規(guī)模乃至超大規(guī)模的發(fā)展，從材料上講，就是從塊狀材料轉(zhuǎn)為薄膜材料的變化。沒有近代薄膜技術(shù)，就難以發(fā)展近代微電子學(xué)和微電子工程。

3 結(jié)束語

總之，目前各種材料表面新技術(shù)大量涌現(xiàn)，已引起各工業(yè)部門及材料學(xué)工作者的高度重視，成為材料學(xué)科中一個非?；钴S的領(lǐng)域，我們相信在新的世紀(jì)里金屬表面工程新技術(shù)必將會獲得更快和更大的發(fā)展。

[1] 馮瑞.材料科學(xué)導(dǎo)輪[J].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[2] 石勇.刷鍍在電力工業(yè)上的應(yīng)用[J].電力學(xué)報,1998（2）：18-20.