表面工程技术的发展与应用

摘要：表面工程是由多个学科交叉、综合、复合，以系统为特色，逐步发展起来的新兴学科。它以“表面”及“界面”为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据材料表面的失效机制，以应用各种表面技术及其复合表面技术为特点，逐步形成了与其他学科密切相关的表面工程基础理论。本文主要分析了表面工程技术在电站中的应用与发展。

关键词：表面工程；技术发展；应用；

表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变物体表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。

一、表面工程技术的重要性

1.材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐射损伤等。一般都是从表面开始的，由此带来的破坏和损失也是很惊人的。据世界摩擦学会统计，摩擦损失了世界性一次能源的1/3―1/2，据有关资料介绍，磨损给工业国家带来的损失可达国民生产总值的2%-8%。我国机械工业每年所用的钢材，约有一半是消耗在备件的生产上，而备件中的大部分是由于磨损寿命不高而失效的。

2.随着经济和科学技术的迅速发展，人们对各种产品抵御环境作用的能力和长期运行的可靠性、稳定性提出了越来越高的要求。在许多情况下，构件、零部件和元器件的性能和质量主要取决于材料的表面性能和质量。例如：由于表面工程技术有了很大的改进，材料表面成分和结构可得到严格的控制，同时又能进行高精度的微细加工，因而许多电子元器件不仅可做得越来越小，大大缩小了产品的体积和减轻了质量，而且生产的重复性、成品率和产品可靠性、稳定性都获得显著提高。

4.许多产品的性能主要取决于表面的特性和状态，而表面（层）很薄，用材少，因此表面技术可大幅度节材、节能、节省资源。

5.应用表面工程技术，有可能在广阔的领域中生产各种新材料和新器件。目前表面技术已在制备高（临界温度）、超导膜、金刚石膜、纳米镀层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅、碳-6O等新型材料上起着关键作用。同时也是许多光学、光电子、微电子、磁性、量子、热工、声学、化学、生物等功能器件的研究和生产上最重要的基础之一。

二、表面工程技术在钢结构工程的应用

1.激光表面处理。激光表面处理技术是把传统的表面处理与焊接技术相结合的一门新技术，与其它传统的表面工艺和热喷涂等相比，突出特点在于能够得到其它表面工程技术很难达到或不能达到的效果。激光处理主要有以下几种工艺。

（1）激光相变硬化。用高能激光束扫过可硬化材料表面，使表面温度达到相变点以上，当激光束移开后，表面由于快速冷却而硬化。对一选定钢种，激光加热区域的组织主要取决于该区域达到的最高温度和此温度停留时间。研究表明：该工艺是改善高碳钢和铸铁耐磨性的有效方法。

（2）激光冲击硬化。高功率、短脉冲强激光和材料相互作用，在表面形成高压应力冲击波，当冲击波峰值压力超过被冲击金属材料的动态屈服强度时，金属材料表层发生塑性变形，形成的残余应力为压应力的冷硬层，其微观上表现为高密度位错和共格细化等。该工艺能改善金属材料的力学性能，特别是抗疲劳断裂性能。在提高抗疲劳断裂性能方面，可完全取代喷丸处理。

（3）激光表面熔覆。用一定功率激光扫描工件表面涂覆材料，使其熔化形成功能结合层。可获得较厚的覆层，易实现济上和覆层质量都优于传统的堆焊和热喷涂工艺。适用于局部易磨损、冲击、剥蚀、氧化腐蚀及要求特殊性能（局部光敏、热敏等）的零部件。

（4）激光表面合金化。与激光表面熔覆类似，不同的是激光功率更大一些，基体表面熔化与合金充分混合形成堆焊层。由于合金元素完全熔于表层，薄层成分均匀，对开裂和剥落等倾向不敏感。稀释率比激光表面熔覆要高。

（5）发展。第一，合金化熔覆材料的研究。利用激光的快速加热和冷却可以在非平衡态的情况下制出不受常规相图限制的新合金，乃至性能优异的非晶体。而现在的激光熔覆材料大部分是沿用热喷涂材料，不能充分发挥激光处理的特性。第二，建立适当的数学模型。激光和材料的交互作用是一个非常复杂的过程，建模尚处于试验和近似阶段。建立正确反映激光和材料交互作用及基体的热传导模型，对于实施现场控制，制定工艺参数都很有帮助。

2.焊接技术。堆焊在使基体表面获得耐磨性能的同时，覆层材料与基体形成牢固的冶金结合，因此，在一些要求表面不仅具有抗磨、抗蚀等性能而且还需承受强载荷作用的条件下，堆焊具有绝对优势。

（1）堆焊方法。采用每种堆焊方法都希望获得尽可能小的稀释率、好的堆焊层质量和经济效益。近年来堆焊工艺方法都是围绕“优质、高效、低稀释率”来进行的。埋弧焊是应用最广泛的堆焊方法。焊材从最初的单丝发展到多丝、带极。焊机也从单机头到多机头。熔敷效率从单丝的4.5-11.3kg/h提高到多带极堆焊的22-68kg/h，而稀释率则由30%-60%降到10%-25%。

（2）堆焊材料。按使用形式可分为焊丝、焊带、焊条、焊剂等。焊条堆焊适用于工作量比较小或用其他自动化焊接方法难以处理的场合。堆焊质量依赖焊工的水平，质量不稳定。由于我国自动化水平比较低，焊条堆焊占的比重不大。与焊条相比，利用焊丝、焊带堆焊可获得较高的工作效率，稳定的质量，焊材的消耗量也低。药芯焊丝近几年发展很快，具有合金成分自由可调、燃弧稳定、经济高效等优点，尤其适合硬度高、冷作硬化严重、轧制拉拔困难的合金材料的堆焊。

3.在钢结构构件喷涂方面，我国已利用喷焊技术解决了油泵柱塞、阀门等的耐磨问题。上海电力学院对宝钢电厂进口设备上的大型阀杆、石洞口一厂的给水泵大轴、吴泾热电厂磨煤机大轴进行了喷熔和喷涂修补，使废旧的部件重新投入使用。总的来看，国内在热喷涂材料及工艺研究方面取得了很多成果，如在设备方面，国内已研制成功适于大型零部件的等离子喷涂整套设备和电弧喷涂设备，等离子粉末喷涂技术应用于修复、强化汽车零部件，使其寿命提高了4-10倍，用于耐磨、热障、密封、高温、防腐等多种陶瓷材料的喷涂工艺技术已基本解决。

三、开拓表面工程，迎接新世纪的挑战

目前，许多发达国家都在努力研究和应用各种提高零件表面性能的新技术、新工艺，使得诸多表面工程技术不仅成为了先进制造技术中的重要工艺方法，而且在设备的技术改造和维修方面发挥了重要作用。我国的表面工程在过去的十几年中，已获得了重大发展，在国民经济中发挥了重要作用。在研究水平与规模方面，可与国际水平相比，并有自己的独创和特色，在重大工程中的部分应用已达到国际先进水平。

随着表面工程学科和技术的发展及其向现实生产力的转化，各种表面工程技术将促进我国先进制造技术的发展，并有力地推动产品制造和设备维修技术的进步，从而全面提高我国经济增长质量和我国产品在国际市场上的竞争能力，并建立起具有我国特色的表面工程学科体系。

参考文献：

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