PDF《表面工程领域科学技术发展*》

第6期乔玉林等:ASPS 技术制备微纳结构 FeS 固体润滑渗硫层的研究

1 表面工程领域科学技术发展* 徐滨士

1 ,谭俊1,陈建敏

2 (1.

装甲兵工程学院 再制造技术重点实验室,北京 100072;

2. 中国科学院 兰州化学物理研究所,兰州 730000) 摘要:近年来,表面工程已由传统表面工程向复合表面工程、纳米表面工程及表面工程的自动化发展;

表面工程应 用从对应磨损与腐蚀向抵抗疲劳与蠕变拓展;

表面工程新的增长点正在信息技术、生物技术、纳米科技等前沿领域中 萌生;

表面工程产业化在航空、航天、新能源、新材料、环保与资源循环中得到迅速发展.文中对近

5 年来我国表面 工程发展现状和趋势进行了研究,以我国机械制造的工程需求为背景,突出表面工程技术的创新及应用,重点对面向 绿色制造和节能减耗的表面工程、装备维修与再制造中的表面工程、极端环境下的表面工程、新能源中的表面工程、 生物医学中的表面工程、轻合金构件的表面工程等方面的新进展、新成果、新观点、新方法和新技术进行了评述. 关键词:表面工程;

进展;

趋势 中图分类号:TH16;

TH17 文献标识码 :A 文章编号:1007C9289(2011)02C0001C12 Science and Technology Development of Surface Engineering XU BinCshi1 , TAN Jun1 , CHEN JianCmin2 (1. Science and Technology on Remanufacturing Laboratory, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072;

2. State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000) Abstract:In recent years, surface engineering developed from single surface engineering to multiCsurface engineering, nanosurface engineering and their automation. The application of surface engineering ranges from resisting wear and corrosion to preventing fatigue and creep. The new growth of surface engineering rises in the frontier of information technology, biological technology and nano science and technology. Surface engineering gets a quick development in the aviation, aerospace, new energy, new material, environmental protection and resources circulation industries. This paper carried on a research on the domestic development and trend of surface engineering in the recent five years. Focusing on the engineering need of machine manufacture and the innovation and application of surface engineering, it mainly comments the new progress, achievement, view, methods and techniques of surface engineering in the fields of green manufacturing, energy saving and consumption reducing, maintenance and remanufacturing, new energy, biomedical science, light metal components, extreme environment and so on. Key words: surface engineering;

development;

tendency

0 引言表面工程是表面预处理后,通过表面涂覆、表 面改性或多种表面技术复合处理,改变固体金属表 面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应 力状况,以获得所需表面性能的系统工程[1] . 国际表面工程学科发展的重要标志是

1983 年英 国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立、1985 年《表面工程》国际刊物创刊和

1986 年国际热处 收稿日期:2011C03C27;

修回日期:2011-04-01 基金项目:*再制造技术重点实验室基金项目(9140C8502021001);

中国机械工程发展研究(成形制造)项目 作者简介: 徐滨士(1931―), 男(汉), 哈尔滨市人, 中国工程院院士. 理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会. 中国 表面工程发展的标志是

1987 年中国机械工程学会 表面工程研究所成立、徐滨士任所长;

1988 年中文 《表面工程》杂志创刊,1998 年更名为《中国表面 工程》[2] .目前,表面工程已成为横跨材料学、摩 擦学、物理学、化学、光电子学、界面和表面力学、 纳米材料技术、信息技术、生物医学材料等学科的 边缘性、交叉性、综合性、复合型学科. 我国表面工程的学术交流日益活跃,每两年一 届的全国表面工程学术会议暨青年表面工程学术论 坛和中国表面工程国际会议已成为中国机械工程学 会的品牌学术会议,大大促进了我国表面工程的国 doi: 10.3969/j.issn.1007?9289.2011.02.001 第24 卷第2期中国表面工程Vol.24 No.2

2011 年4月CHINA SURFACE ENGINEERING April

2011 2 中国表面工程2011 年 内和国际交流与合作,提升了我国表面工程的水平 和国际地位.为表彰徐滨士院士对国际和我国表面 工程的杰出贡献,国际热处理与表面工程联合会和 中国机械工程学会表面工程分会分别授予徐滨士院 士 最高学术成就奖 ,标志着他的研究成果得到国 内外同行的赞赏;

标志着中国表面工程的发展受到 国际同行的肯定. 表面工程的特色与优势主要表现在以下几个 方面.①以高性能的表面与基体的配合获得更加优 异的整体性能;

②以较少的能源和材料获得比基体 材料更高的性能,具有显著的节能节材效果;

③近 零排放的表面工程新技术替代传统表面工程技术, 可大幅度减少对环境的负面影响.因此,表面工程 在提升成形制造的水平、提高产品质量、解决制造 业发展中遇到资源、能源、环境等共性问题中发挥 着重要作用.

1 面向绿色制造和节能降耗的表面工程 国家可持续发展,对装备的绿色制造和装备运 行的节能减耗提出了更高的要求,不断发展的真空 离子镀膜、磁控溅射镀膜、蒸发镀膜、离子注入、 离子清洁等及其复合技术正在替代传统对环境污 染严重的电镀技术,在绿色制造和节能降耗中发挥 了重要作用. 1.1 替代传统电镀铬的绿色镀膜技术 传统电镀铬是一种污染严重的工艺技术,尤其 六价铬离子对水的污染非常严重,且难以消除,是 公认的致癌物, 给环境保护造成大量的困难. 为此, 世界各国对替代传统电镀铬的新技术开展了大量 的研究.其中以物理气相沉积(PVD)为代表的绿 色镀膜技术已成为其替代技术的研究热点. 兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程 技术研究中心采用计算机自动控制技术,实现了镀 膜过程组态的控制、复杂曲面结构均匀镀膜、超大 容积室体高真空的动态快速获得,为工业化高效镀 膜奠定了技术基础.开发了替代传统电镀铬的汽车 铝(镁)合金轮毂表面的绿色镀膜技术;

在高端汽 车轮毂、灯具镀膜设备及工艺方面实现了产业化. 替代发动机活塞环的电镀铬的涂层中,最具代 表性的是 CrN 系复合膜和 Cr/CrN 多层膜等.装甲 兵工程学院和武汉大学等单位在新型 CrN 系膜层 的开发和提高膜基结合强度等应用研究方面开展 了大量工作.开发的 Cr/CrN 纳米多层膜,使涂层 的残余应力大幅下降,结合强度明显提高.开发的 CrTiAlN 薄膜比电镀 Cr 具有更高的硬度和抗高温 氧化性能[3] . 同时,从摩擦副整体出发,研究了活塞环与缸 套摩擦匹配.不同表面技术改性后的活塞环与缸套 摩擦副材料磨损试验结果表明,缸套激光淬火加离 子渗硫与活塞环离子镀摩擦副的摩擦匹配效果相 对最佳,总失重仅为缸套中频淬火与活塞环电镀铬 摩擦副原始摩擦副的 1/6[4] . 1.2 闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术 磁控溅射离子镀技术因沉积温度低、易沉积多 组元和梯度膜等优点受到精密制造及功能薄膜制 备领域的广泛关注,但由于存在薄膜厚度沿靶基距 方向的均匀性极差(平均递减速率>

3 ?m/m)的技 术瓶颈,严重制约了该技术的产业化推广.为克服 这一工艺缺憾,众多学者先后引入 非平衡 和 闭 合场 等物理学概念,试图通过扩展等离子体区域 并提高等离子体密度以改善薄膜厚度的均匀性.西 安理工大学蒋百灵等采用 Langmuir 探针对真空腔 内的等离子体进行诊断后发现[5] : 闭合场 和 非平 衡 磁场在构建大范围、高密度等离子环境方面取 得了预期目标,但薄膜厚度沿靶基径向均匀性的改 善尚无让产业界为之心动的成果显现. 西安理工大学的研究人员在对以上结果综合 分析后提出:当前以气体直流放电伏安特性曲线为 依据设计的闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备,其 真空腔内等离子体密度的增大主要源自氩气离化 率的提高,而并非靶材原子离化率的增大.所以, 仅靠 非平衡 及 闭合场 等磁场参量难以改善镀层 的厚度均匀性.进而提出具有过压脉冲增强特点的 新一代闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的设计 思路,研制的设备不仅有可能改善膜层厚度沿靶基 距方向的均匀性,还有可能因被过压电场加速的高 密度电子对沉积离子拖动的库伦力的增大而提高 膜基结合力,进而使具有沉积温度低、易实现多组 元共沉积和梯度沉积等工艺优点的闭合场非平衡 磁控溅射离子镀技术得以广泛应用. 1.3 工程化超润滑复合碳膜技术 工程化超润滑薄膜是指摩擦因数显著降低到 10-3 量级, 并具有高技术工程应用价值的新型薄膜, 这是一项近年来随着纳米科技和薄膜技术的发展 第2期徐滨士等:表面工程领域科学技术发展

3 而发展起来的前沿技术,在相关研究领域,主要研 究包括:①具有一定晶体取向的类石墨薄膜;

②溅 射制备的纳米富勒烯结构二硫化钼(MoS2)薄膜;

③磁控溅射制备的二硫化钨(WS2)薄膜;

④采用 气相沉积制备的类金刚石碳膜.其中研究最广、最 具有发展前景和工程应用价值的是特殊组成和结 构的超润滑类金刚石薄膜,代表性工作如美国 Argonne 国家实验室发出的在干燥惰性气氛中具有 10-3 量级超低摩擦因数的含氢类金刚石薄膜等.但 这一类薄膜存在内应力高、摩擦学性能环境依赖性 强等主要问题,严重制约了这一类材料的应用. 高技术装备对超润滑技术的需求主要集中在 航天航空精密机械和电子信息技术领域,该领域要 求相关传动部件传输效率高、反应灵敏、运行平稳 可靠、无振动和噪音,润滑技术是关键技术之一, 其中摩擦因数是关键指标,超润滑技术在该领域的 应用将对提高相关产品的技术水平具有重要作用. 近年来,航天领域诸多精密传动部件如气浮轴承、 蜗轮蜗杆、滚珠丝杠等,对超润滑技术有着十分迫 切的需求,以解决现有润滑技术所难以解决的传输 效率不够、可靠性较低的问题. 中国科学院兰州化学物理研........