面向绿色制造与再制造的表面工程
谭 俊，陈建敏，刘 敏，李长久，蒋百灵
机械工程学报
摘要：表面工程是机械制造中赋予零件表面耐磨损、耐腐蚀和耐疲劳等特殊性能的重要技术途径。近零排放的表面工程新技术替代传统表面工程技术，可满足绿色制造要求，减小对环境的负面效应；以较少能源和材料获得比基体更高性能的表面工程技术，可在恢复零件尺寸的同时提升其性能，并广泛应用于装备的再制造。近年来，面向绿色制造与再制造的表面工程技术得到较快的发展，如替代传统电镀铬的绿色镀膜技术、工程化超润滑复合碳膜技术、纳米减摩自修复添加剂技术、纳米电刷镀技术、热喷涂新技术和激光表面强化技术等。从以上技术的基础研究及应用背景等方面，介绍我国表面工程研究的新进展、新成果、新观点、新方法和新技术，并对其未来发展做出思考。
关键词：表面工程 绿色制造 再制造 热喷涂
0 前言
表面工程是表面经过预处理后，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，以获得所需要表面性能的系统工程[1]。
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，表面工程在提升机械制造的水平，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[2]。
近年来，我国表面工程积极适应国家可持续发展的需求，面向装备的绿色制造、装备运行的节能减耗和装备的维修与再制造，进行技术创新，取得了新的进展。如不断发展的离子束表面工程技术正在替代传统对环境污染严重的电镀技术；研发的工程化超润滑复合碳膜技术和纳米减摩自修复添加剂可显著减小机件运行中摩擦，减少装备运行中的排放；纳米电刷镀、热喷涂和激光表面强化等技术的新进展，大大推进了装备维修与再制造零部件质量的提升。
1 替代传统电镀铬的绿色镀膜技术
传统的电镀铬技术对环境污染严重，尤其是其排放的六价铬离子对水的污染非常严重，其是公认的致癌物。因此，世界各国对替代传统电镀铬的新技术研究进行了大量的投入。目前，我国对替代传统电镀铬的绿色镀膜技术研究取得了较大的进展。
(1) 过压脉冲增强磁控溅射离子镀技术。在替代传统电镀铬的绿色镀膜技术中，物理气相沉积(Physical vapor deposition, PVD)是最具代表性的技术研究热点，如磁控溅射离子镀技术。为改善磁控溅射离子镀薄膜厚度沿靶基距方向的均匀性，先后采用了“非平衡”和“闭合场”的技术方法。西安理工大学蒋百灵等[3]研究提出：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。为此，依据靶材原子主要受离化后的 Ar+热震溅出离化和被电场加速的电子通过库仑力拖动的物理原理、电工学等通量变换原理和峰值电流控制理论，提出了过压脉冲增强离子镀的设计思路，研制的设备不仅改善了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仑力的增大而提高膜基结合力，进而使闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术得以更广泛的应用[4]。
(2) 替代发动机活塞环的电镀铬涂层。发动机活塞环的传统表面改性技术是电镀铬镀层，目前通常以 CrN 系复合膜和 Cr/CrN 多层膜等作为其替代涂层。装甲兵工程学院、武汉大学和哈尔滨工业大学等单位在新型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，开发了 CrN 系复合膜、CrTiAlN 薄膜和 Cr/CrN 纳米多层膜。其中Cr/CrN 纳米多层膜具有残余应力低，结合强度高的特点；CrTiAlN 薄膜具有比电镀 Cr 更高的硬度和抗高温氧化性能[5]。同时，从摩擦副匹配的角度，研究了不同表面技术改性后的活塞环与缸套摩擦副的摩擦磨损性能[6]，结果表明缸套激光淬火加离子渗硫与活塞环离子镀CrN摩擦副的磨损总失重仅为缸套中频淬火与活塞环电镀铬原始摩擦副的 1/6。
(3) 钨基合金电镀代替电镀铬的无毒绿色新工艺。湖南大学通过诱导沉积原理，可从水溶液中电沉积出具有独特成分(钨质量分数为 40%～50%)和结构(非晶态合金或纳米晶)的钨合金镀层，该合金的耐磨性和耐蚀性能相当或优于铬电镀层；研制出的新电镀溶液配方及电镀工艺，参数范围广，易于控制与操作；并针对不同基材的工件研究出不同的前处理工艺，使得基体金属与镀层有很好的结合力，从而拓展了该技术的应用范围。目前钨基合金电镀代替电镀铬的无毒绿色新技术已实现大规模低成本产业化。
(4) 工业化绿色镀膜装备。工业化绿色镀膜装备是实现绿色镀膜产业化的关键。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针对工业化绿色镀膜中存在的超大容积室体高真空的动态快速获得，复杂曲面结构的均匀镀膜和镀膜过程组态的控制等技术难题，开展了大量深入的研究，并在关键技术上取得了突破，开发出多种型号的替代传统电镀铬的工业化绿色镀膜装备及工艺，使汽车轮毂绿色镀膜和汽车车灯真空镀膜实现了产业化。其中，高中档汽车灯具镀膜市场占有率超过了 65.9%。
开发的大型快速等离子轰击清洁设备用于镀件及半导体器件的清洁，可克服传统的液体清洗工艺所带来的污染问题，已装备我国哈飞集团等汽车灯具企业。
2 工程化超润滑复合碳膜技术
超润滑复合碳膜是一种最新发展的具有超低摩擦因数的固体润滑薄膜，其摩擦因数比常规固体润滑薄膜低 1～2 个数量级。目前研究的薄膜体系主要包括具有一定晶体取向的石墨薄膜、纳米富勒烯结构二硫化钼(MoS2)薄膜、二硫化钨(WS2)薄膜和类金刚石碳膜。其中，超润滑类金刚石薄膜最具有发展前景和工程应用价值，其研究的重点是降低薄膜的内应力和摩擦学性能的环境依赖性，以实现其工程化的应用。
(1) 类富勒烯纳米结构的类金刚石(Diamond-like carbon, DLC)超润滑薄膜。中国科学院兰州化学物理研究所采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)方法制备了超润滑复合 DLC 薄膜。通过在基体与薄膜间引入硅过渡层的方法，实现了 DLC 薄膜在金属基体上的牢固沉积；通过薄膜组分设计和对 PECVD制备工艺参数的优化，控制了 sp3和 sp2键比例和氢的质量分数，实现了 DLC 薄膜的超润滑性能；利用脉冲PECVD法制备的类富勒烯纳米结构DLC薄膜具有高的硬度，高的弹性恢复以及对环境弱的依赖性，在干燥惰性环境和高湿度大气环境下均呈现了超低的摩擦因数(0.009～0.070)和磨损率。
(2) Mo/DLC 纳米复合薄膜。通过磁控溅射与PECVD 相结合的方法，制备了 Mo/DLC 纳米复合薄膜，Mo 的引入既保持了 DLC 薄膜超润滑性能，还降低了薄膜的内应力，提高了薄膜耐原子氧及紫外线辐射的能力、膜基结合强度及耐磨性能。其综合性能指标全面突破了其他几种固体润滑材料极限，显示了巨大的应用价值。目前，Mo/DLC 纳米复合超润滑类金刚石薄膜已用于多种精密运动部件的固体润滑，并取得了良好的应用效果。
(3) 掺金属 DLC 超润滑薄膜。广州有色金属研究院利用阳极层流型矩形气体离子源+非平衡磁控溅射+阴极电弧多技术复合，制备出细腻、硬度高、膜/基结合强度佳的掺金属类金刚石膜，涂层综合性能达到国外同类产品水平。目前，掺金属 DLC 超润滑薄膜已成功应用于高精密工模具和各种关键部件。如在传动系统及液压系统用花键轴表面镀掺钨类金刚石膜，以进一步提高直升机使用的稳定性和可靠性。同时，为了进一步提高类金刚石膜的润滑性能，实现了在类金刚石膜中掺入二硫化钨(WS2)，其在干摩擦条件下，摩擦因数小于 0.02，这可使直升机在无油润滑条件下，具有一定的干运转能力。
3 纳米减摩自修复添加剂技术
纳米减摩自修复添加剂技术是一种通过摩擦化学作用来实现磨损表面自修复的技术。其原理是加入润滑油的复合添加剂中纳米颗粒，随润滑油分散于各个摩擦副接触表面，在一定温度、压力、摩擦力作用下，纳米颗粒将与摩擦副发生摩擦化学作用，沉积在摩擦副表面，并填补表面微观沟谷，从而形成一层具有减摩耐磨作用的固态修复膜[7]。
(1) 微纳金属颗粒自修复添加剂。在微米减摩添加剂中加入纳米金属颗粒形成的微纳金属颗粒自修复添加剂，具有更好的自修复性能。如再制造技术国家重点实验室在 M3 微米减摩添加剂基础上配加纳米金属 Cu 颗粒，开发的 M6 微纳米减摩自修复添加剂，经 300 h 柴油发动机台架试验表明，其对发动机气缸—活塞环摩擦副的自修复效果十分明显，自修复膜的生成，大大改善了缸套—活塞环摩擦副的润滑状况，显著降低了发动机有效转矩[8]，修复后的活塞基本达到了“零磨损”。该微纳米减摩自修复添加剂的性能优于微米减摩添加剂和国外的某添加剂。中科院兰州化学物理研究所对 Cu-DDP表面修饰纳米颗粒添加剂的研究表明，粒径为 15nm 的铜纳米微粒在润滑油中的抗磨效果优于粒径为 40 nm 的铜纳米微粒。据此可以初步推测，粒径较小的纳米颗粒作为润滑油添加剂在金属磨损表面的沉积及其对磨损表面的修复能力更强。
(2) 微纳层状硅酸盐自修复添加剂。层状硅酸盐是一类具有层状结构的固体润滑材料，它和石墨、二硫化钼的结构非常相似，具有良好的润滑性能。层状硅酸盐独特的层状结构使其具有优良的抗磨和减摩作用。因此，层状硅酸盐作为润滑油脂添加剂，将具有良好的润滑性能。近年来，在微纳米级层状硅酸盐微粉的制备和硅酸盐粉体在润滑油中的分散稳定的研究上取得了突破，已制备出一种复合层状硅酸盐、稀土化合物及表面改性剂的金属表面强化减摩修复剂。该修复剂具有表面强化修复和精细磨合的特点，摩擦过程中既能够在摩擦副表面形成含FeC3、Fe3O4及铁镁硅酸盐纳米晶的高硬度修复层，延长运动摩擦部件磨损寿命，又可以显著降低摩擦副表面粗糙度，改善润滑状态，达到节能降耗的效果[9-11]。其性能优于国外同类金属磨损自修复材料，但成本只有同类产品的 1/5。该技术在变速箱、齿轮传动机构和发动机等的应用表明：可成倍延长机械装置的使用寿命，降低工作噪声减少摩擦功率损失，减少 CO、CHx的排放，降低油耗。
4 纳米电刷镀技术
纳米电刷镀技术是我国学者将传统电刷镀技术与纳米材料技术相结合的创新性研究成果。在电刷镀液中添加特种纳米陶瓷颗粒或纳米纤维，并使其与基质镀液均匀、弥散混合，可制备出高性能的纳米复合镀层[12-14]。采用单液法还可以制备出Cu/Ni 纳米多层镀层[15]。
(1) 电刷镀纳米晶镀层。纳米电刷镀研究中最重要的发现之一是电刷镀是一种“古老而未被认识的纳米技术”[16]，即传统电刷镀技术制备镀层的晶粒尺寸在纳米尺度范围之内。如常规电刷镀 Ni 镀层晶粒的平均尺寸约为 30 nm。这在以往的电刷镀研究中未被发现和重视，其纳米晶的形成机理可能与电刷镀溶液高的金属离子含量和电刷镀高的过电位引起的电沉积形核率的增加，以及电刷镀摩擦引起的断续结晶有关。
(2) 电刷镀纳米颗粒复合镀层。在电刷镀液中添加特种纳米陶瓷颗粒可制备出电刷镀纳米颗粒复合镀层。与普通电刷镀层相比，电刷镀纳米颗粒复合镀层的晶簇更细小均匀、表面更平坦，结合更致密，说明纳米颗粒显著细化了电刷镀层的组织。在直流电流条件下，纳米颗粒的加入，使镀层基体晶粒的尺寸减小。与直流 n-SiO2/Ni 复合刷镀层相比，脉冲换向电刷镀 n-SiO2/Ni 复合镀层晶粒更小，镀层中复合的 n-SiO2颗粒的尺寸也更小。这些说明纳米颗粒及脉冲(换向)电流的作用能提高电刷镀过程的形核率，从而进一步减小镀层纳米晶的尺寸。研究表明[16]，纳米颗粒均匀弥散分布在复合镀层之中，很少量的纳米复合质量分数(3%～8%)，可使纳米电刷镀镀层的硬度、耐磨性、抗高温性能和抗疲劳性能得到明显提升。
纳米电刷镀层高分辨透射电子显微镜分析表明，纳米 SiO2颗粒与基质金属 Ni 之间结合极为紧密[17]。结合 X 射线光电子能谱分析证明，纳米颗粒与基质金属之间形成了牢固的化学键结合。
(3) 电刷镀纳米纤维复合镀层。相对于电刷镀纳米颗粒复合镀层，电刷镀纳米纤维复合镀层的研究较少。目前主要选用具有高强度和高减摩特性的碳纳米管(Carbon nanotube, CNT)作为纳米纤维，制备碳纳米管/镍复合镀液，采用电刷镀技术在直流电源和脉冲电源下沉积制备了 CNT/Ni 复合镀层[18]。
研究表明：在直流条件下，镀液质量浓度为 1～3 g/L 的 CNT/Ni 复合刷镀层的晶粒团尺寸比快 Ni镀层明显减小，镀层孔隙也明显减少。当脉冲关断时间增加至 1 900 μs 时，镀层的表面形貌有明显改善，晶粒团尺寸明显减小，镀层变得非常细密。与快 Ni 和 n-SiO2/Ni(20 g/L)镀层相比，在直流条件下CNT/Ni(2 g/L)镀层的相对耐磨性分别为快 Ni 和n-SiO2/Ni 镀层的 3.1 倍和 1.5 倍；脉冲电源下，镀层的相对耐磨性分别为快Ni和n-SiO2/Ni 镀层的 6.2倍和 2.9 倍。
碳纳米管对复合镀层的耐磨性提高的主要原因如下：CNT 的复合共沉积对镀层基体金属细晶强化及碳纳米管的纤维强化提高了复合镀层的强度和硬度。同时，碳纳米管复合于镀层中时，还改善了复合镀层生长形式，增加了镀层的致密性，也有利于复合镀层的强化，从而提高复合镀层的耐磨性。
与纳米颗粒复合镀层(n-SiO2/Ni)不同，碳纳米管属一维纳米材料，且力学性能高于纳米颗粒材料，在磨损过程中能起到更好的支撑作用；即使在磨损后，由于碳纳米管的高韧性及自润滑性会产生显微润滑的效果。因此，CNT/Ni 复合镀层的耐磨性比n-SiO2/Ni 复合镀层更好。
(4) 电刷镀纳米多层复合镀层。采用电刷镀的方法制备纳米多层复合镀层是一个新的尝试。研究表明[19]：采用双液法电刷镀制备的 Cu/Ni 多层复合镀层的硬度在相同工艺条件下纯 Ni 和纯 Cu 镀层的硬度之间。随着多层复合镀层中单层镀层厚度(δ)减小，镀层的硬度逐渐增加，当 δ 减小至 20 nm 时，镀层硬度达到最大值；当 20 nm δ 80 nm 时，Cu/Ni多层复合镀层的磨损量比纯 Cu 和纯 Ni 镀层均要低，当 δ=20 nm 时，Cu/Ni 多层复合镀层的磨损量仅为纯 Cu 和纯 Ni 镀层 1/12 和 1/3。纳米电刷镀层已在装备的修复与再制造中得到运用，解决了坦克、车辆、舰船和飞机等重要零部件的耐磨损、耐疲劳难题。
5 热喷涂新技术
热喷涂技术可通过沉积不同涂层来改变材料表面性能(如耐磨、减磨、耐高温、隔热、抗高温氧化和耐腐蚀等)或赋予全新的表面特性，大幅度提高材料使用寿命与附加价值。以等离子喷涂、电弧喷涂、超声速火焰喷涂为主要涂层制备方法，通过传统结构与纳米结构制备工艺的不断发展，应用领域不断拓展。
(1) 纳米热喷涂技术。纳米热喷涂技术是 21 世纪初在美国海军成功应用的一项革命性的纳米涂层技术。与传统的涂层相比，这种纳米陶瓷涂层具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能。近年来，我国在纳米热喷涂技术方面也开展了大量的研究工作。应用喷雾造粒法对纳米 Al2O3+13%TiO2粉体进行了重新造粒，并对造粒喂料进行了热处理，制备了适合热喷涂的微米级 Al2O3/TiO2复喷涂喂料[20]。研究了等离子喷涂Al2O3+13%TiO2纳米涂层的性能三体磨损特性[21]及其激光重熔后的组织和性能[22]。采用等离子喷涂技 术 在 1Cr18Ni9Ti 不 锈 钢 基 体 上 制 备 出FeAl/3CeO2/40ZrO2纳米涂层，与纯 FeAl 涂层相比，该涂层的硬度、断裂韧性和耐磨性得到显著的提升[23]；制备了纳米结构的 13%Al2O3-8%Y2O3-ZrO2的热障涂层[24]、TiO2/Ag 抗细菌涂层[25]和 TiO2活性生物涂层[26]。研究了等离子喷涂过程中纳米涂层的形成机理[27]。
(2) 等离子喷涂物理气相沉积(Plasma spray-physical vapor deposition, PS-PVD)的基础研究与开发。PS-PVD 是基于高真空下的等离子体射流加热蒸发喷涂颗粒材料产生沉积物质气体而实现沉积的[28]，又称超低气压等离子喷涂或薄膜低压等离子喷涂。PS-PVD 是瑞士 Sulzer Metco AG 公司最先开发的，它既是一种热喷涂工艺，也可以气相沉积。并可实现大面积工件表面快速制备均匀的喷涂层和气相沉积层。当颗粒材料完全蒸发时，属于气相沉积的范畴，而当颗粒材料蒸发有限而主要被加热至熔化或半熔化状态时，其沉积过程属于传统热喷涂范畴。
因此，既可以制备均匀的薄膜，也可以制备热喷涂厚涂层，通过颗粒加热状态控制还可以获得气相沉积与颗粒沉积交替的组织，从而实现涂层组织结构的调控。例如可以制备适合于航空发动机热障涂层的，具有柱状结构的氧化钇稳定氧化锆(Yttrium stabilized zironia，YSZ)，也可以制备致密的 YSZ涂层。该方法的研究开发将有助于拓展热喷涂技术领域与新的应用领域。
(3) 高效能超音速等离子喷涂。高效能超音速等离子喷涂技术是我国学者发明的，它突破传统的依靠大功率、大气体流量来获得超音速射流的思想，科学应用单阳极拉伐尔喷管技术，采用独具特色的低功率、小气体流量的结构设计，在较低的能耗下得到了高能量密度、高稳定性的超音速等离子射流。高效能超声速等离子喷涂层的质量与国际先进的超声速等离子喷涂相当，而所需要的能量及气体流量却减少 2/3，并从基础及应用的角度，研究了高效能超音速等离子(HEPJet)喷涂粒子的特性，探讨了高效能超音速等离子在制备 Ni/Al 等金属及其合金涂层、WC-Co 金属陶瓷涂层、ZrO2等氧化物陶瓷涂层上的特点。研究成果已在装备关键零部件的制造与修复中得到应用[29-30]。
(4) 高稳定性智能高速电弧喷涂[31]。传统的电弧喷涂技术多采用手工和半自动化的方式，难以保证涂层的均匀性，更无法对喷涂过程进行有效的质量控制。再制造技术国家重点实验室设计并研制的脉宽调制型数字式电弧喷涂逆变电源替代硅整流电源，实现了在喷涂过程中喷涂参量与送丝速度之间的智能化自反馈和自调节。采用红外热像仪对喷涂温度场实时监控，实现了电弧喷涂工艺参数的在线智能化闭环反馈控制，进而实现涂层残余应力的优化控制。开发了基于 6 自由度关节式机器人的自动化高速电弧喷涂系统，利用离线编程机器人实现了喷涂路径和喷涂参数的精确控制，获得了高稳定性的涂层质量。使电弧喷涂由传统手工操作的“粗放型”技术提升为喷涂工艺与涂层质量精确可控的先进表面工程技术。
(5) 电热爆炸喷涂。电热爆炸喷涂是在一定的气体环境下，对金属导体(丝、片、箔)施加直流高电压，使其在瞬间爆炸，金属粒子在产生的冲击波的作用下，以极高的速度与基体碰撞变形后快速冷却而形成涂层的。电热爆炸喷涂可扩大亚稳固熔度，生成亚稳相，减少偏析。电热爆炸喷涂反应可形成冶金结合层，同时涂层为微晶、纳米晶组织结构，这些特点提高了涂层的强度和塑性、耐磨性和耐蚀性。国内目前在电热爆炸等离子体随时间的演化关系等方面进行了较为深入的研究，已成功研制出电热爆炸定向喷涂装置。制备的高耐磨金属陶瓷涂层，已在电厂测温热电偶护套外表面成功应用。制备的耐热腐蚀涂层成功应用于重载车辆废旧发动机排烟管，其防腐寿命较新品件延长了 2～4 倍[32]。
(6) 冷喷涂及其发展。冷喷涂基于高速固态颗粒沉积，因粒子温度低，喷涂过程中的氧化可以忽略，在制备含氧量低的金属合金涂层方面表现出巨大的潜力；同时，低温特点可避免沉积过程中的晶粒长大现象，实现纳米结构合金的沉积。基于冷喷涂不仅可以制备塑性良好的金属涂层，也可实现金属间化合物涂层、高硬度纳米结构金属陶瓷涂层的制备[33]，其已成为近年来发展最快的热喷涂方法之一。冷喷涂中，在保持固态与高速度的条件下提高喷涂粒子的温度可以提高沉积效率。基于提高颗粒温度可以提高沉积效率的特点，通过改良超音速火焰喷涂(High velocity oxygen fuel, HVOF)系统[34]，在原有系统的基础上配置惰性气体或水送入装置，获得低温火焰流，降低颗粒温度以期获得与冷喷涂相似的特征，该方法称为温喷涂，它的发展将拓展HVOF 与冷喷涂方法的应用范围。
6 激光表面强化技术
与热喷涂、电镀和电刷镀等传统表面工程技术相比，激光表面强化技术对环境的污染小，且激光熔覆层与基体呈冶金结合(结合强度高)，因此激光表面改性和熔覆层能胜任更加苛刻的工况，表现出广阔的应用前景，已在钢铁、冶金、电力、石化、汽车、能源和航空航天等领域获得了广泛应用[35-36]。
激光表面强化技术已有较长历史，近年来的研究进展主要包括以下几个方面。(1) 大功率半导体、光纤激光器的发展。与大功率 CO2气体激光器(波长 10.6 μm)相比，大功率半导体(波长 0.808 μm)、光纤激光器(波长 1.06 μm)具有波长短、金属材料吸收效率高；光电转化效率高、节省能源；重量轻、体积小、可现场作业；模块化设计、柔性加工性能好等优点，已成为先进激光器的发展方向。目前美国IPG公司生产的光纤激光器，德国通快公司生产的半导体激光器处于国际处领先地位，市场占有率高，IPG 公司的光纤激光器可达1 万 W 以上，通快公司半导体泵浦的 4 片碟片式激光器功率达到 1.6 万 W。国内从“九五”开始了大功率半导体激光器的研究，但总体上与西方先进国家相比还存在着很大的差距。开发大功率半导体激光加工设备将会改变我国在该领域缺乏的核心技术、关键成套装备基本依靠进口的局面，对于全面提升我国装备再制造的技术水平、改善产品质量和增强国际竞争能力具有重要意义。
(2) 有色金属的激光表面强化。由于 CO2气体激光器的波长较长，铜、铝、镁合金对 CO2激光的吸收率低，导热快，很难用于铜、铝、镁合金的表面强化。近年来随着波长较短的大功率光纤、半导体激光器的研发成功，使铜、铝、镁合金等有色金属的激光表面强化成为可能。MAJUMDAR 等[37]采用激光熔凝方法，在镁合金上得到了与基体结合良好、无气孔和裂纹且晶粒细化的表面改性层，其显微硬度较基体提高 2～3 倍；在 3.56%NaCl 溶液中的腐蚀速度，由未处理试样的 6.12 mm/a 降为处理后的 0.133 mm/a，耐腐蚀性得到显著改善。镁合金激光熔覆技术还可以用于镁合金铸造缺陷的修理和补焊。如对空军某型号航空发动机铸造镁合金机匣的局部铸造针孔、疏松和裂纹等缺陷，采用激光涂敷和重熔技术进行了修整，提高了机匣的致密性和完整性。铝合金表面激光涂敷技术已在汽车等工业中获得成功应用，并取得了良好的经济效益。广州有色金属研究院利用激光熔覆技术，在铜合金表面制备出金属陶瓷复合涂层[38]，与目前铜合金表面常用的电镀 Ni-Co 镀层相比，耐磨性提高了 2.2 倍，抗热震性提高了 3.5 倍。
(3) 激光熔覆纳米结构涂层的制备。近年来，在激光熔覆工艺中，采用金属和纳米陶瓷颗粒复合粉末，让高熔点的纳米陶瓷颗粒弥散分布在低熔点的金属熔池中，使液态金属冷却结晶时，纳米粒子镶嵌在金属晶粒之间，从而形成金属基纳米陶瓷复合涂层。目前，所用的纳米熔覆粉末主要有纳米碳化钨、纳米碳化硅、纳米氧化铝和纳米氧化钛等。
张建华等[39]采用激光与等离子喷涂复合工艺，制备了 Al2O3复合涂层，结果表明：采用优化的熔覆工艺，纳米 Al2O3熔覆材料的晶体长大得到极大抑制，材料晶粒尺寸为 68.6 nm，保持纳米结构。姚建华等[40]采用激光熔覆 Ni 包 Al2O3粉末，获得了性能优良的金属基纳米 Al2O3粒子增强涂层，与 2Cr13 基体相比，复合涂层的硬度提高了 150～300 HV，耐磨性能提高了 1.25 倍。激光熔覆制备的金属纳米陶瓷复合涂层不仅可赋予材料优异的表面性能，还可解决激光熔覆陶瓷涂层容易开裂的问题，具有广阔的应用前景。
7 结论
面对世界发展中遇到的资源、能源和环境的问题，绿色制造与再制造得到了越来越多重视。面向绿色制造与再制造的表面工程已经在节能、节材和减少污染中发挥了重要作用。随着材料科学、纳米科技、环保科技以及生命科学等领域的不断发展，表面工程将会得到新的发展。
在绿色镀膜技术方面，一是要大力推进新工艺和新设备的复合应用，开发具有高硬度、抗磨损、抗高温氧化腐蚀、隔热和抗冲刷等性能的纳米薄膜和多元多层复合薄膜，并提高涂层质量稳定性；二是要不断开发与之相配套的绿色清洗技术，进一步减少对环境的负面效应。
在高性能超润滑碳膜研究方面，针对传统的单一组分碳薄膜材料难以满足日益发展的高科技对高性能超润滑碳薄膜的需求，超润滑碳薄膜材料正朝着纳米多层、纳米复合、功能(智能)的方向发展。
在减摩自修复添加剂方面，应深入研究摩擦过程中的热、力、电、化学及材料等的非线性不可逆性交互作用，并在此基础上开发具有较高程度自组织、自适应、自修复功能的新型添加剂。在纳米电刷镀方面，应推进纳米第二相的多元化、纳米结构的稳定化、镀层开发的绿色化和施镀工艺的自动化的研究，以满足绿色制造与再制造的要求。
在激光表面强化技术方面，将向着大功率、自动化、智能化的方向发展。
参 考 文 献略
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