堆焊与表面工程的发展历程

作者：徐滨士 董祖珏 刘世参

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 我国的堆焊技术与表面工程伴随着焊接学会、焊接协会的成长蓬勃发展，当前在有些方面已接近或达到国际先进水平。焊接学会和焊接协会在推动包括堆焊与表面工程在内的焊接学科各分支的发展以及工业应用方面发挥了极其重要的作用。 由单一技术向多种技术及其复合发展 表面强化、表面改性、表面防护以及表面修复已有悠久的历史，但技术手段和技术内涵却在不断发展。焊接学会成立的时候，主要技术手段是手工电弧堆焊、埋弧自动堆焊和水蒸气保护振动电弧堆焊。 70 年代以后等离子堆焊、低真空熔结、 CO2 保护堆焊、氧－乙炔喷熔以及等离子喷涂、电弧喷涂、氧－乙炔喷涂等相继发展，焊接学会对这些新技术及时组织了交流与宣传，并把焊接学会下属的专业委员会定名为“堆焊与热喷涂”即 I C 。进入 80 年代，化学气相沉积和物理气相沉积技术获得广泛应用，尤其是以激光束、电子束和离子束为代表的高能束技术趋于成熟，它以能量密度高、可控性好、加工精密等独特优点而被引用到表面熔覆、表面改性中。与此同时电刷镀、化学镀等镀覆技术以及超音速火焰喷涂技术也相继发展解决了设备制造与维修中的许多难题。 在新工艺手段不断涌现的同时，一些传统的工艺也在不断吸收新的科技成果丰富其内涵。新材料的开发为堆焊技术的发展注入了活力。 70 年代开发了基本性能达到钴基合金水平的无钴铁基堆焊合金，该材料成功用于国内 50 ～ 300MW 发电机组高温高压阀门密封面的制造及修复中，提高了产品质量，延长了阀门使用寿命，经济效益显著。 80 年代进一步开发了全面性能达到或超过 Co 基 StelliteNo.6 合金的无钴镍基堆焊材料，优于国内外已有的代钴材料，价格仅为钴基合金的一半，具有国际领先水平。该项目获得国家发明三等奖，并获中、美、英三国发明专利。八十年代末研究的无缝药芯焊带埋弧自动堆焊技术，不但可获得高合金堆焊材料，且熔敷效率高（ >20kg/h ），稀释率低（ <30% ），十多年来，已稳定用于要求抗高应力，强冲击磨损的水泥辊压机、混凝土泵等产品的堆焊，取得显著经济效益。 在传统的电弧喷涂枪中，采用拉瓦尔喷射技术对喷枪喷嘴进行优化设计，使雾化气流速度由传统电弧喷涂的 375m/s 左右，提高到 550 ～ 700m/s 。电弧喷涂时， Al 粒子的速度由 250m/s 提高到 342m/s ， 3Cr13 粒子的速度由 250m/s 提高到 388m/s 。沉积率由 60 ％提高到 75 ％。 Al 涂层的拉伸结合强度提高 114 ％，达到 35MPa ， 3Cr13 涂层的拉伸结合强度提高 43 ％，达到 43 MPa ，而高速电弧喷涂涂层的孔隙率只是传统电弧喷涂的三分之一。高速电弧喷涂的发展使传统的电弧喷涂在高结合强度、低孔隙率方面上了一个台阶，大大扩展了电弧喷涂技术的应用领域。 另一方面，两种或多种表面工程技术的复合运用，通过最佳协同效应，获得了“ 1 ＋ 1>2 ”的效果，而被称为第二代表面工程技术。例如热喷涂与激光（或电子束）重融的复合，热喷涂与电刷镀的复合，化学热处理与电镀的复合，表面熔覆强化与喷丸强化的复合，表面熔覆强化与新型润滑技术的复合，多层薄膜技术的复合，热渗扩技术与离子注入的复合等等。这些技术复合已成为表面性能的“倍增器”。 由单一学科向多学科的交叉、综合以及理论升华发展 当今的科学技术发展十分需要学科之间的交叉与综合，这中间既有技术方面的借鉴也有研究问题的方法、思维方式的借鉴，而且后者更为重要。哲学家歌德和科学家爱因斯坦都深刻地指出，用什么方法研究问题比研究什么问题更重要。一种研究方法、研究思路的创新会迅速带来一系列研究成果面世。向别人的研究成果学习，向别人的研究方法学习，就可以迸发出自己创新的火花。焊接学会、焊接协会的各项活动，为研究成果与研究方法的交流提供了舞台。 焊接学会中的各专业委员会集中了相关学科方面有造诣的专家，但是生产问题往往是复杂的，需要多方面的知识，需要解决系统问题的能力。每位焊接工作者不可能面面俱到在每个学科方面上都做出重大贡献，只能有所为有所不为，一方面要发挥自己的特长在某一方面上深入探索，另一方面就要向其他的专家学习，采用拿来主义的方针结合自己的工程对象进行技术整合与技术创新。 结构焊接与表面堆焊有许多共性技术，高能三束焊接与表面熔覆、表面改性也有共同的技术基础，焊接剖口先进行刷镀镍处理可以解决高强钢焊接中的裂纹问题，通过表面技术预处理可以改善针焊接头的性能，焊接机器人研究的进展推动了表面工程自动化的进程，焊接材料的研究成果为表面堆焊、热喷涂以及三束熔覆积累了宝贵经验。这些例子说明，焊接学会既为焊接工作者展现自己的社会价值提供了重要场所，又在促进学科、技术之间的交叉、渗透方面作出了贡献。 表面技术增多之后，呼唤着理论上的创新。要求对表面、界面、基体之间的相互关系有深刻的认识，要求对表面失效原理、表面技术、涂覆层性能、表面技术设计、涂覆层材料、预处理与后加工、表面检测、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理、技术经济分析、三废处理等各环节上的问题进行综合系统的研究。在新的实践和新的形势下，表面工程作为一个综合、完整的概念而被提出，并建立了相应的学科体系，从而指导着表面工程的迅速发展。表面工程是在表面物理、表面化学和固体力学的理论基础上融汇了现代摩擦学、腐蚀与防护、材料学、焊接学、电子学、自动控制、无损检测以及环境工程等有关成果而发展起来的。表面工程涉及的学科领域十分宽广，已形成了一个巨大的技术体系。表面工程特定的研究对象，坚实的理论基础，独立的研究内容，成熟的研究方法，国家重点实验室的建立和比较规范的学科体系，标志着表面工程作为一门学科趋向成熟。 表面工程最大的优势是能够以多种方法制备出优于基体材料性能的表面功能薄层，该薄层厚度一般从几十微米到几毫米，仅是工件整体厚度的几百分之一或几十分之一。但却使工件具有比基体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。采用表面工程措施的费用一般只占产品价格的 5 ％— 10 ％，却可以大幅度地提高产品的性能及附加值，从而获得更高的利润。由于表面工程在节能、节材方面的显著功效，发展表面工程已经成为我国落实可持续发展战略的重要技术措施之一。 当前我国的表面工程事业迅速发展，充满活力。表面工程方面的研究成果不断创新、以表面工程命名的企业和研究单位如雨后春笋，表面工程应用领域迅速扩展，表面工程的高层次人才日益增多，表面工程对国民经济建设、国防建设和科技进步的贡献硕果累累。 传统表面工程技术向纳米表面工程技术发展 随着工业产品的发展，材料在特殊工况如超高温、低温、超高压、高真空、强辐射、强氧化还原环境等条件下服役的情况越来越多，为了提高产品性能还对机电产品的表面提出了磁学、电学、光学、声学等方面的新要求。纳米科技为解决这些问题提供了新的思路和手段，因此，基于纳米技术的纳米表面工程应运而生，被专家称为第三代表面工程技术。与传统表面工程相比，纳米表面工程的特点是：取决于基体性能和功能的因素被弱化，表面处理、改性和功能化的自由度扩大，表面加工技术的作用会更加突出，产品的附加值也会更高。纳米表面工程是以纳米材料（或其他低维非平衡材料）和纳米加工技术为基础，通过特定的加工技术、组装方法，使材料表面纳米化、纳米结构化或功能化，从而使材料表面得以强化、改性，或赋予表面新功能的系统工程。 当前在纳米表面工程技术方面发展较快并已取得成效的有： ——纳米颗粒复合电刷镀技术 ——纳米原位、动态自修复添加剂技术 ——纳米固体润滑技术 ——纳米胶粘技术 ——纳米热喷涂及冷喷涂技术 ——纳米薄膜技术 ——纳米涂装技术 以及金属材料表面纳米化加工和超精表面纳米级加工等。 发展纳米表面工程的重要意义在于： 1 表面工程能够提升产品性能 纳米表面工程技术在制备功能薄膜方面具有广阔前景。功能薄膜包括超导薄膜、磁性薄膜、光电薄膜等。随着纳米材料研究的深入，具有力、热、声、电、磁等特异性能的许多低维、小尺寸、功能化的纳米结构薄膜能够显著改善材料的组织结构或赋予产品新的性能。这是传统表面工程技术所无法比拟的。纳米表面工程制备的功能薄膜在电学、电子学、光学、光电子学、热学、化学（催化）、生物学等方面具有特殊的性能，成为提升产品性能的重要手段。 2 表面工程能够提高产品质量 运用纳米表面工程技术修复和强化零件表面，赋予零件表面耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射的性能，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，体积小，但却承载着工作部件的重要功能。从事机电产品设计及制造厂家及时掌握纳米表面工程的进展，就可以使自己的产品质量提高并迅速占领市场。 3 纳米表面工程技术是解决修复与再制造难题的关键技术 表面工程和纳米表面工程技术是再制造工程的重要技术基础和关键技术，能够解决许多过去不能解决的维修难题。绿色再制造工程是一个以产品全寿命周期管理为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段，来修复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。绿色再制造工程是一个发展迅速的新兴研究领域和新兴产业，是高科技维修的产业化。我国对再制造工程的研究尚处在起步阶段，其组成内容应包括再制造工程设计基础、再制造工程技术、再制造工程质量控制、再制造工程技术设计等部分。纳米表面工程技术能够以纳米材料为基础，通过特定的工艺手段，对固体的表面进行强化、改性、或者赋予表面新功能，或者对损伤的表面进行自修复。维修与再制造的技术难度并不亚于新品制造，它是对尺寸成形的损伤零件在不致使零件变形和内部结构、力学性能发生改变以及有时加工定位基准已经破坏等众多约束条件下恢复零件的表面性能，所以在维修与再制造过程中会遇到许多难题，纳米表面工程是解决这些难题的一种有效手段，同时它对维修工程和再制造工程的发展具有重要的推动作用。 表面工程技术在纳米科技的推动下形成了新的研究方向和领域。当前，在诸多的纳米表面工程技术中，纳米颗粒的应用占有重要地位，主要研究趋势是纳米颗粒对涂覆层的强化与功能改性。 21 世纪，纳米表面工程技术将在先进制造技术及再制造工程中的材料成形加工方面发挥重要作用。应用纳米颗粒复合表面技术尚处在初级阶段，纳米表面工程技术的研究与应用尚需一段发展历程。 由学术研究与生产应用松散结合向紧密结合发展 在邓小平同志作出科学技术是第一生产力的科学论断和党中央、国务院把“科教兴国”列为基本国策之后，科学研究要面向国民经济、面向企业，企业要依靠科技进步不断创新已逐步成为大家的共识。 我国的堆焊与表面工程在发展历程中始终坚持科学研究、学术交流、生产应用之间紧密结合、相互促进的原则，推动了科学技术进步，并解决了许多工程中的技术难题。 我国研制开发的热成型部件堆焊材料既具有良好的耐磨性，又有优良的耐冷热疲劳性能。用该材料堆焊的产品比用传统的 3Cr2W8 堆焊的产品寿命提高 1.5 倍以上，成品率提高 30 ％～ 40 ％，该技术已在宝钢、鞍钢、重钢、太钢、济钢等大中型冶金企业推广应用，有力推动了我国热成型部件复合制造技术的发展，并使大量报废的部件得以修复利用，经济效益巨大，并节省大量外汇。 在我国南海运行的船舶，由于高温、高盐雾、高湿、高日照导致腐蚀严重，工作 5 年钢板更换率达到 20 ％— 50 ％。全军装备维修表面工程研究所于 1993 年采用电弧喷涂技术对工作条件苛刻的船舶钢结构进行了电弧喷涂防腐技术综合处理。经 8 年多的使用考核，证明这种方法显著提高了钢结构的防腐性能。经实验室模拟实验和科学测算，维修后的钢结构耐蚀寿命可提高到 15 年以上。而后，电弧喷涂技术又在新建的多艘船舶上得到应用，将热喷涂技术直接用于船舶的制造工艺，在我国造船史上尚属首次。 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。徐滨士院士曾于 1999 年 8 月到三峡工地进行调研，向三峡施工指挥部和中国工程院提出了推广高速电弧喷涂技术并将有污染的喷锌技术换为既无污染又能降低成本的喷铝及铝稀土合金技术的建议，受到了有关方面的重视。 西陵长江大桥和汕头海湾大桥都是悬索式结构，这种悬索式的特点是在桥的两端分别建立两个约 100 米高的桥墩，在桥墩上放置两块平面钢板称为鞍座底板，鞍座底板上放置两排悬索鞍座，再把两条主缆分别架在两排悬索鞍座上，然后在两条主缆上吊挂桥梁板。在建桥的过程中，为了力的平衡，需要多次纵向推移悬索鞍座，由于整桥上万吨重量全部加在悬索鞍座上，使悬索鞍座对底座形成了很大的正压力，这就给纵向推移带来了很大的困难，为了减少纵向推力，唯一的办法就是降低悬鞍座与鞍座底板摩擦副的摩擦因数。国外的办法是在摩擦副间加上几千枚滚针，把滑动摩擦改为滚动摩擦，这样可以减少摩擦阻力，从而减少纵向推移力。但是这种办法给制造工艺增加了难度，首先要对每件几十吨重的悬索鞍座和鞍座底板进行热处理，保证摩擦表面的机械性能。其次，要对摩擦副表面和滚针进行精加工。我国目前的加工能力和水平很难保证摩擦副表面及数千枚滚针的尺寸精度和几何形状精度。向国外订购整件或委托加工，价格都十分昂贵。在这种情况下，全军装备维修表面工程研究中心成功地采用了表面工程技术方案，在悬索鞍座和鞍座底板上制备出复合减摩表面涂层，以减少摩擦副的摩擦因数，从而显著降低纵向推力。这种方案是表面工程在桥梁建设上的一次创新应用，在国内外建桥史上均为首次，它不仅有效减少了摩擦副的摩擦因数，而且降低了对大型悬索鞍座及鞍座底板的制造工艺要求，还节约了大批经费，保证了大桥顺利建成通车。 基本启示 回顾堆焊与表面工程的发展历程可以总结出如下启示： 1 表面工程以其学科的综合性、手段的多样性、广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性和巨大的增效性而受到各行各业的重视。 2 现代工业对机电产品提出的能在高温、高速、重载、腐蚀介质、恶劣环境下可靠持续地工作以及一些力、热、声、光、电、磁等特异功能是牵动堆焊与表面工程迅速发展的动力。 3 环境保护的紧迫性是促进堆焊与表面工程迅速发展的时代要求。今后堆焊与表面工程的研发一定要增强环保意识，贯彻可持续发展战略。 4 现代科技成果为堆焊与表面工程的发展提供了技术支撑。堆焊与表面工程的发展一定要坚持学科的交叉、技术的复合、应用的综合和系统的优化。 5 下列发明创造对堆焊与表面工程的发展具有原始创新的意义： ——能源转换形式的创新（如电弧、等离子弧、激光束、电子束、离子束、微波、超声等）； ——金属或非金属元素沉积形式的创新（如电沉积、化学沉积、喷涂沉积、化学和物理气相沉积、热渗扩散等）； ——新材料的创新（如新型合金、金属间化合物、新型有机材料、纳米材料等）； ——材料的制备与加工成形一体化的创新（如运用粉芯焊丝通过堆焊与表面工程手段动态形成新型合金涂覆层。通过改进机油添加剂使运行过程中的零件表面自行、原位修复等）。 6 要根据技术的发展和生产应用的实践，结合时代要求坚持理论创新、用于指导堆焊与表面工程的深入发展。当前，要以全寿命周期设计和管理为指导，研究机件新品表面的一次服役性能和再制造、修理后的二次服役性能；要深入探讨表面、界面与基体之间的关系，研究表面强化、表面改性的机理；要发展堆焊与表面工程方面的实验技术和计算机模拟仿真技术。(end)

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