表面工程形成一門獨立的學科雖然只是近20年的事，但其發(fā)展之快、涉及范圍之廣、對人們生產(chǎn)生活影響之大是當初大多數(shù)人所始料未及的。以1983年表面工程的概念被首次提出、1986年國際熱處理聯(lián)合會更名為國際熱處理與表面工程聯(lián)合會、1987年中國機械工程學會表面工程研究所成立、1988年《表面工程》雜志創(chuàng)刊為標志，表面工程在我國迅速發(fā)展。2000年，全國焊接學會將原來的“堆焊與熱噴涂專業(yè)委員會”正式更名為“堆焊及表面工程專業(yè)委員會”。表面工程已經(jīng)發(fā)展成為橫跨材料學、摩擦學、物理學、化學、界面力學和表面力學、材料失效與防護、金屬熱處理學、焊接學、腐蝕與防護學、光電子學等學科的邊緣性、綜合性、復合型學科。
表面工程具有學科的綜合性，手段的多樣性，廣泛的功能性、潛在的創(chuàng)新性、環(huán)境的保護性，很強的實用性和巨大的增效性，因而受到各行各業(yè)的重視。其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益更是令人矚目。目前，我國技術門類齊全，部分表面技術的設備、材料和工藝已達到了國際先進水平。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國自第6個五年計劃以來，通過表面工程在設備維修領域和制造領域推廣應用，已取得了幾百億元的經(jīng)濟效益。
回顧表面工程自興起以來的成長歷程，大約可以從13個方面來概括其軌跡。而表面工程在21世紀的發(fā)展，以及它將對 21世紀科學技術總體水平和經(jīng)濟發(fā)展所起的促進作用，也應該從這條軌跡向前延伸。
1 表面工程新技術不斷涌現(xiàn)
傳統(tǒng)的表面技術，隨著科學技術的進步而不斷創(chuàng)新。在電弧噴涂方面，發(fā)展了高速電弧噴涂，使噴涂質(zhì)量大大提高。在等離子噴涂方面，已研究出射頻感應藕合式等離子噴涂、反應等離子噴涂、用三陰極槍等離子噴槍噴涂及微等離子噴涂。在電刷鍍方面研究出摩擦電噴鍍及復合電刷鍍技術。在涂裝技術方面開發(fā)出了粉末涂料技術。在粘結(jié)技術方面，開發(fā)了高性能環(huán)保型粘結(jié)技術、納米膠粘結(jié)技術、微膠囊技術。在高能束應用方面發(fā)展了激光或電子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技術。在離子注入方面，繼強流氮離子注入技術之后，又研究出強流金屬離子注入技術和金屬等離子體浸沒注入技術。在解決產(chǎn)品表面工程問題時，新興的表面技術與傳統(tǒng)的表面技術相互補充，為表面工程工作者提供了寬廣的選擇余地。
2 研究復合表面技術
在單一表面技術發(fā)展的同時，綜合運用兩種或多種表面技術的復合表面技術（也稱第二代表面技術）有了迅速的發(fā)展。復合表面技術通過多種工藝或技術的協(xié)同效應使工件材料表面體系在技術指標、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關鍵技術和高新技術發(fā)展中特殊的技術問題。強調(diào)多種表面工程技術的復合，是表面工程的重要特色之一[1]。
復合表面工程技術的研究和應用已取得了重大進展，如熱噴涂和激光重熔的復合、熱噴涂與刷鍍的復合、化學熱處理與電鍍的復合等。
即使同一種表面技術，在其發(fā)展歷程中也同樣存在著博采眾長與其它技術相互交叉的趨勢。以離子注入為例：
在用于半導體材料攙雜的離子注入機基礎上發(fā)展起來的束線離子注入技術可大大改善零件表面的耐磨性、耐疲勞性和光、電、磁性能。為了克服改性層比較薄的缺點，學者們將蒸鍍、濺射鍍膜技術與束線離子注入技術相結(jié)合發(fā)展了離子輔助鍍膜（IAC）或離子束輔助沉積（IBAD）技術，既克服了一般鍍膜技術中膜基結(jié)合不良的缺點，又將改性層厚度從原來的0.2µm提高到了幾微米甚至幾十微米。由于束線離子注入存在著固有的視線限制，無法處理形狀復雜或者較為大型的零件，近10年來國內(nèi)外興起的等離子體浸沒離子注入（PIII）技術，將工件浸沒在等離子體中，能全方位處理形狀復雜的零件，也能方便地處理大和重的工件。該技術在材料表面改性方面取得了巨大的成功。而沿著束線離子注入技術路線發(fā)展起來的MeVVA等離子體源，可以向金屬表面注入金屬離子，并在航空航天零部件的抗高溫腐蝕方面取得了令人滿意的效果。最近，一些研究者又綜合了PIII和MeVVA二者的優(yōu)點，實現(xiàn)了金屬等離子體浸沒離子注入與沉積（MePIIID）。這項技術既可進行純金屬等離子沉積，又可進行金屬等離子體注入，還可任意改變二者的比例，為離子注入技術在表面改性方面的應用開拓了更為廣闊的空間[2]。
圖為鋁管通過表面處理工藝后的彩色效果
3 完善表面工程技術設計體系
表面工程技術設計是針對工程對象的工況條件和設備中零部件等壽命的要求，綜合分析可能的失效形式與表面工程的進展水平，正確選擇表面技術或多種表面技術的復合，合理確定涂層材料及工藝，預測使用壽命，評估技術經(jīng)濟性，必要時進行模擬實驗，并編寫表面工程技術設計書和工藝卡片。
目前，表面工程技術設計仍基本停留在經(jīng)驗設計階段。有些行業(yè)和企業(yè)針對自己的工程問題開發(fā)出了表面工程技術設計軟件，但局限性很大。隨著計算機技術、仿真技術和虛擬技術的發(fā)展，建立有我國特色的表面工程技術設計體系既有條件又迫在眉睫。
欲建立較為完善的表面工程技術設計體系，當務之急是建立大型的表面工程數(shù)據(jù)庫，廣泛搜集包括材料成分與服役性能的關系，涂層性能與服役性能的關系，工況條件及其變化對表面層性能的要求，工藝方法以及相關工藝參數(shù)，工藝設備等一切有關表面工程的數(shù)據(jù)，評估現(xiàn)有理論和經(jīng)驗公式的成熟性，然后通過數(shù)學建模并應用計算機技術逐步建立和完善表面工程技術設計體系。要達到這個目標，僅靠某個單位或個人的力量顯然是無法完成的。必須集合全行業(yè)的力量，通過充分的信息交換，實現(xiàn)資源共享、成果共享。
4 開發(fā)多種功能涂層
表面工程大量的任務是使零件、構件的表面延緩腐蝕、減少磨損、延長疲勞壽命。隨著工業(yè)的發(fā)展，在治理這3種失效之外提出了許多特殊的表面功能要求。例如艦船上甲板需要有防滑涂層，現(xiàn)代裝備需要有隱身涂層，軍隊官兵需要防激光致盲的鍍膜眼鏡，太陽能取暖和發(fā)電設備中需要高效的吸熱涂層和光電轉(zhuǎn)換涂層，錄音機中需要有磁記錄鍍膜、不沾鍋中需要有氟樹脂涂層、建筑業(yè)中的玻璃幕墻需要有陽光控制膜等等。此外，隔熱涂層、導電涂層、減振涂層、降噪涂層、催化涂層、金屬染色技術等也有廣泛的用途。在制備功能涂層方面，表面工程也可大顯身手，做出自己的貢獻。
5 研究開發(fā)新型涂層材料
表面涂層材料是表面技術解決工程問題的重要物質(zhì)基礎。當前發(fā)展的涂層新材料，有些是單獨配制或熔煉而成的，有些則是在表面技術的加工過程中形成的，后一類涂層材料的誕生，進一步顯示了表面工程的特殊功能。
轎車涂裝技術中新發(fā)展的第五代陰極電泳涂料（ED5），其泳透力比前幾代進一步提高，有機溶劑、顏料含量降低，且不含有害金屬鉛，代表了陰極電泳涂料的發(fā)展趨勢[3]。
以聚氯乙烯樹脂為主要基料與增塑劑配成的無溶劑涂料，構成了現(xiàn)代汽車涂裝中所用的抗石擊涂料和焊縫密封膠，有效地防止了車身底板和焊縫出現(xiàn)過早腐蝕，并保證了車身的密封性。
粘結(jié)固體潤滑涂層材料，在解決航空航天等軍工高科技領域特殊工況條件下的機械磨損、潤滑、粘著冷焊等摩擦學問題中發(fā)揮了重要作用，并在民用真空機械、低溫設備上有廣闊的用途[4]。
等離子噴涂 B4C涂層，具有很高的硬度和優(yōu)異的抗輻射性能，是理想的核反應堆壁面材料[5]。
Fe3Al是一種抗高溫沖蝕的好材料，而且成本較低，被譽為“窮人用的不銹鋼”。但是過去只能用鑄造的方法來獲取。最近采用高速電弧噴涂的方法制備出了Fe3Al基涂層，突破了Fe3Al無法應用于零件表面的難題。以Fe3Al為基礎再與多種硬質(zhì)粉末相復合，可以制備出抗高溫氧化、硫化及抗沖蝕磨損的涂層，在軍用裝備和電站鍋爐管道上有廣闊的應用前景[6]。
在不斷研發(fā)新的噴涂材料的同時，對傳統(tǒng)材料的重新認識和潛力挖掘工作也在進行。例如在電弧噴涂耐海水腐蝕涂層時常常被推薦選用鋅鋁合金（85/15）和鋁鎂合金（AlMg5）。據(jù)認為這兩種具有更好的耐腐蝕性能，但價格比純鋅和純鋁高得多。許多專家呼吁，從性能價格比的角度應該回歸到傳統(tǒng)的電弧噴涂防腐材料純鋅和純鋁，而且僅僅從性能來說也缺乏足夠的證據(jù)證明85/15和AlMg5比純鋅和純鋁好[7]。
6 發(fā)展高能束堆焊技術
堆焊作為一種經(jīng)濟有效的表面改性方法是現(xiàn)代材料加工與制造業(yè)不可缺少的工藝手段。為了最大限度地發(fā)揮堆焊技術的優(yōu)越性，優(yōu)質(zhì)、高效、低稀釋率歷來是國內(nèi)外堆焊技術的重要研究方向。
傳統(tǒng)的電弧粉末堆焊技術由于受電弧吹力的影響難以同時達到高效和低稀釋率的目標。為了提高堆焊效率必然導致熱輸入的增加，基材的熔深增大，堆焊層性能下降。近年來，基于等離子弧等高能密度熱源的粉末堆焊技術研究在國外十分活躍。等離子弧堆焊可以獲得較低的稀釋率（5－10％），但是其堆焊效率也是各種堆焊方法中較低的。
以激光堆焊為代表的高能束堆焊技術的特點是可以實現(xiàn)熱輸入的準確控制，涂層厚度大、熱畸變小、成分和稀釋率可控性好，可以獲得組織致密、性能優(yōu)越的堆焊層，因而成為國內(nèi)外學者的研究熱點，近十幾年來得到了迅速發(fā)展。例如電子束堆焊，其能源利用率很高，可達30％以上?；牡募訜岵皇芙饘僬魵獾挠绊懀鄯蠼饘倮鋮s速度快，熔敷層的耐磨性往往成十倍地提高。但激光設備、電子束設備一次性投資昂貴，運行費用高。因此，國內(nèi)外對低成本、高效率的高能束堆焊技術的研究開發(fā)十分重視。
聚焦光束表面堆焊是近年來發(fā)展起來的新型表面堆焊技術。聚焦光束加熱的特點是金屬材料對它的吸收率高，能源利用率達到20％以上；聚焦光束單道處理寬度大，設備造價僅為同功率激光的三分之一，工藝成本低。過去，實現(xiàn)聚焦光束堆焊的技術路線大多采用一級反光鏡聚焦，功率密度約為103Ｗ／cm2，堆焊在可控氣氛工作艙中進行，堆焊效率低。由于采用了簡單的聚焦模式，限制了聚焦光束的能量密度，增加了聚焦光束堆焊的工藝復雜性，阻礙了聚焦光束堆焊技術的發(fā)展和應用。清華大學最近開發(fā)了采用二次聚焦方式的光束加熱設備，功率密度達到104Ｗ／cm2以上。在低碳鋼表面上進行的手涂預置鎳基合金和鐵基合金粉末的聚焦光束堆焊研究表明，選用合適的合金材料和工藝，可以獲得良好的單道單層、單道多層及多道單層大面積堆焊層。堆焊層的宏觀硬度高于采用同種材料獲得的熱噴涂層的宏觀硬度。但是，手涂預置粉末方式易出現(xiàn)基材熔化不足、不能多道連續(xù)堆焊等缺點。因此，聚焦光束自動送粉堆焊技術的研究是高能束粉末堆焊技術的重要發(fā)展方向之一。
7 深化表面工程基礎理論和測試方法研究
摩擦學是表面工程的重要基礎理論之一近10年來，針對具體的工程問題，摩擦學工作者作出了出色的成果，在摩擦副失效點判定、磨損失效的主要模式、磨損失效原因分析及對策等方面積累了豐富的經(jīng)驗，并在重大工程問題上作出了重要貢獻。當前研究摩擦學問題的手段越來越齊全、先進，可以模擬各種條件進行試驗研究，這些試驗手段和已積累的研究方法、評估標準，有力地支持了表面工程的發(fā)展。
國外大量實踐證明，工程摩擦學問題的投入與節(jié)約的效果相比約是1∶50的關系，誰重視工程中摩擦學問題的投入，誰就能獲得高額回報。
在腐蝕學研究方面，針對大氣腐蝕、海洋環(huán)境腐蝕、化工儲罐腐蝕、高溫環(huán)境腐蝕、地下長輸管線腐蝕、熱交換設備腐蝕、建筑物中的鋼筋水泥腐蝕等，應用各種現(xiàn)代材料進行了腐蝕機理和防護效果研究，提出了從結(jié)構到材料到維護一整套防腐治理措施。這些研究成果，對表面工程技術設計有很大的參考價值。
無論用什么表面技術在零件表面上制備涂覆層，必須掌握涂覆層與基體的結(jié)合強度、涂覆層的內(nèi)應力等力學性能。這是表面工程技術設計的核心參數(shù)之一，也是研究和改進表面技術的重要依據(jù)。
對于涂覆層厚度大于0.15 mm的膜層（如熱噴涂涂層），尚可用傳統(tǒng)的機械方法進行測試，但是對于涂覆層厚度小于0.15 mm的膜層（如氣相沉積幾個微米的膜層）傳統(tǒng)的機械方法已無能為力。而氣相沉積技術又發(fā)展的很快，應用面越來越廣，這就使研究新的測試方法更加緊迫。
近10年，一些學者用劃痕法、 X射線衍射法、納米壓入法、基片彎曲法等思路和手段對薄膜的力學行為進行了深入研究，取得了長足的進步，但要達到形成相對嚴密自成體系的評價方法和技術指標尚有較大差距。
8 擴展表面工程的應用領域
表面工程已經(jīng)在機械產(chǎn)品、信息產(chǎn)品、家電產(chǎn)品和建筑裝飾中獲得富有成效的應用。但是其深度廣度仍很不夠，不了解和不應用表面工程的單位和產(chǎn)品仍很普遍。表面工程的優(yōu)越性和潛在效益仍未很好發(fā)揮，需要做大量的宣傳推廣工作。我國面臨加入世貿(mào)組織，通過推廣應用表面工程提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，改進產(chǎn)品包裝，增強市場競爭力，也應是主要的舉措之一。
表面工程在生物工程中的延伸已引起了人們的注意，前景十分廣闊。如髖關節(jié)的表面修補，最常用的復合材料是在超高密度高分子聚乙烯上再鍍鈷鉻合金，使用壽命可達15～25年，近些年又發(fā)展了羥基磷灰石（簡稱HAP）材料，它是一種重要的生物活性材料，與骨骼、牙齒的無機成分極為相似，具有良好的生物相容性，埋入人體后易與新生骨結(jié)合。但是HAP材料脆性大，有的學者就用表面工程技術使HAP粒子與金屬Ni共沉積在不銹鋼基體上，實現(xiàn)了牢固結(jié)合。
隨著專業(yè)化生產(chǎn)方式的變革和人們環(huán)保意識的增強，現(xiàn)在呼吁表面處理向原材料制造業(yè)轉(zhuǎn)移，這也是一個重要動向。
倍受家用電器廠家歡迎的是預涂型彩色鋼板，它是在金屬材料表面涂上一層有機材料的新品種，具有有機材料的耐腐蝕、色彩鮮艷等特點，同時又具有金屬材料的強度高、可成型等特點，只須對其作適當?shù)募羟?、彎曲、沖壓和連接即可制成多種產(chǎn)品外殼，不僅簡化了加工工序，也減少了家用電器廠家加工設備的投資，成為制作家用電器外殼的極佳材料。
汽車制造業(yè)的表面加工任務很重，呼吁表面工程由現(xiàn)在汽車制造廠家處理，變?yōu)樵谠牧现圃鞎r就同時進行的出廠前主動處理。這種變革不是表面處理任務的簡單轉(zhuǎn)移，更重要的是一種節(jié)能、節(jié)材、有利環(huán)保的舉措。它可以簡化除油、除銹工序，還可以利用軋鋼后的余熱，降低能耗。在西歐一些國家的鋼廠中，就對半成品進行表面處理，如熱處理、熱浸鍍、磷化、鈍化等。
9 積極為國家重大工程建設服務
在新型軍用飛機的研制過程中，先進的膠粘技術、特種熱處理技術、表面改性技術、薄膜技術以及涂層技術都發(fā)揮了重要作用。吸波材料的研制成功為裝備隱形提供了重要的物質(zhì)基礎。
離子注入、離子刻蝕和電子曝光技術的結(jié)合，形成了集成電路微細加工技術，成為制作超大規(guī)模集成電路的重要技術基礎。
長江三峽工程，與其說是土木工程，不如說是鋼鐵工程，在大壩全長2309.47m中鋼鐵結(jié)構閘門就占全長的72%。在三峽工程中，所有機械設備、金屬結(jié)構、水工閘門以及隧洞、橋梁、公路、碼頭、儲運設備都離不開表面工程。在國家科技攻關項目，如“六五”、“七五”、“八五”和“九五”攻關項目的安排上以及三峽工程重新論證和設計審查中，表面工程的應用始終是一項研究和討論的重要課題之一。從表面技術和涂覆材料的選擇、噴涂工藝的制定到表面電化學保護等，都在三峽重大裝備研制項目中占有重要地位。筆者曾于1999年8月到三峽工地進行了調(diào)研，向三峽施工指揮部和中國工程院提出了推廣高速電弧噴涂技術并將有污染的噴鋅技術換為既無污染又能降低成本的噴鋁及鋁稀土合金技術的建議，受到了有關方面的重視[9]。
西陵長江大橋和汕頭海灣大橋都是懸索式結(jié)構，這種懸索橋的特點是在橋的兩端分別建起兩個約100米高的橋墩，在橋墩頂上放置兩塊平面鋼板稱為鞍座底板，鞍座底板上放置兩排懸索鞍座，再把兩條主纜分別架在兩排懸索鞍座上，然后在兩條主纜上吊掛橋梁板。在建橋的過程中，為了力的平衡，需要多次在高空縱向推移懸索鞍座，由于整橋上萬噸重量全部加在懸索鞍座上，使懸索鞍座對底座形成了很大的正壓力，這就給高空縱向推移帶來了很大的困難，為了減少縱向推移力，唯一的辦法就是降低懸索鞍座與鞍座底板摩擦副的摩擦因數(shù)。國外的辦法是在摩擦副間加上幾千枚滾針，把滑動摩擦改為滾動摩擦，這樣可以有效減小縱向推移力。但是，這種辦法給制造工藝增加了難度，首先要對每件幾十噸重的懸索鞍座和鞍座底板進行熱處理，保證摩擦副表面的機械性能。其次，要對摩擦副表面和滾針進行精確加工。我國目前的加工能力和和水平很難保證摩擦副表面及數(shù)千枚滾針的尺寸精度和幾何形狀精度。向國外訂購整件或委托加工，價格都十分昂貴。在這種情況下，全軍裝備維修表面工程研究中心成功地采用了表面工程技術在懸索鞍座和鞍座底板上制備出復合減摩表面涂層，以減少摩擦副的摩擦因數(shù)，從而顯著減少縱向推力的方案。這種方案是表面工程在橋梁建設上的一次創(chuàng)新應用，在國內(nèi)外建橋史上均為首次。它不僅有效減少了摩擦副的摩擦因數(shù)，而且降低了對大型懸索鞍座及鞍座底板的制造工藝技術要求，還節(jié)約了大批經(jīng)費，保證了大橋順利建成通車。
10 納米表面工程技術正在形成
近年來納米材料技術正在以令人吃驚的速度迅猛發(fā)展。迄今的研究以納米粉末的制作為主，但是越來越倍受關注的是納米材料的結(jié)構化問題。眾所周知，特殊的表面性能是納米材料的重要獨特性能之一。表面工程無論在工藝方法和應用領域方面都與納米材料技術有著不可分割的密切聯(lián)系。
在傳統(tǒng)的電刷鍍?nèi)芤褐?，加入納米粉體材料?？梢灾苽涑鲂阅軆?yōu)異的納米復合鍍層[10]。在傳統(tǒng)的機油添加劑中，加入納米粉體材料，可以提高減摩性能并具有良好的自修復性能。
計算機產(chǎn)業(yè)需要速度更高的芯片，而刻蝕技術受分辨率的限制很難對再芯片做出革命性的貢獻。速度更高的芯片除了向面積更大發(fā)展之外，極有可能向三維挺進，出現(xiàn)像多層印刷線路板那樣的多層芯片。CVD、PVD等方法是獲得納米結(jié)構材料的典型方法，在芯片多層化方面是目前最有可能獲得成功的技術方案。
熱噴涂技術是制作納米結(jié)構材料的另一種極有競爭力的方法。與其它技術相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡單，涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大，沉積速率高，以及容易形成復合涂層等等。應用液料熱噴涂法通過液料與熱源的交互作用不僅可以獲得納米結(jié)構涂層，還能夠制作納米粉。實驗室中，已經(jīng)成功地制成具有納米結(jié)構的羥基磷灰石（HAP）涂層，而HAP是提高人工關節(jié)表面生物兼容性的關鍵物質(zhì)[11]。
通過控制非晶物質(zhì)的再結(jié)晶，可以制成納米塊材。在熱噴涂過程中，高速飛行的粒子撞擊冷基體，冷卻速度極高，能夠制備出非晶態(tài)涂層?？刂齐S后的再結(jié)晶溫度和時間，可以得到納米結(jié)構涂層。用這種方法已經(jīng)得到了WC–Co和NiCrBSi自熔劑合金的納米涂層[12]。
因此可以說表面工程是促進納米技術，特別是納米材料結(jié)構化發(fā)展的主力軍之一。
由于表面工程對納米材料的成功應用，以及用表面工程技術制備納米結(jié)構涂層的發(fā)展，正在形成納米表面工程技術新領域。
11 促進再制造工程的發(fā)展
20世紀全球經(jīng)濟高速發(fā)展，與此同時，對自然資源的任意開發(fā)和對環(huán)境的無償利用造成全球的生態(tài)破壞、資源浪費和短缺、環(huán)境污染等重大問題。其中機電產(chǎn)品制造業(yè)是最大的資源使用者，也是最大的環(huán)境污染源之一。為解決這一時代課題，再制造工程應運而生。
再制造工程技術屬綠色先進制造技術，是對先進制造技術的補充和發(fā)展。報廢產(chǎn)品的再制造是其產(chǎn)品全壽命周期管理的延伸和創(chuàng)新，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術途徑，再制造產(chǎn)業(yè)是可帶來新的經(jīng)濟增長點的新興產(chǎn)業(yè)[13]。
表面工程是再制造的關鍵之一，起著基礎性的作用?？梢哉f沒有表面工程，實現(xiàn)不了再制造。
機械設備經(jīng)長期使用出現(xiàn)功耗增大、振動加劇、嚴重泄漏、維修費用過高，一般應該列為報廢。這些現(xiàn)象的發(fā)生都是零件磨損、腐蝕、變形、老化，甚至出現(xiàn)裂紋這些失效的結(jié)果所造成的。磨損在零件表面發(fā)生，腐蝕從零件表面開始，疲勞裂紋由表面向內(nèi)延伸，老化是零件表面與介質(zhì)反應的結(jié)果，即使變形，也表現(xiàn)為表面相對位置的錯移。所以“癥結(jié)”都是表面問題。對這些問題，表面工程可以大顯身手。
箱體零件是設備的基礎件，常見的損傷是軸承座孔磨損以及變形。變形造成軸承座孔中心線的相對位移和結(jié)合面的撓曲。無論是鋁、鋼、鑄鐵的箱體，對這類損傷當設備再制造時，表面工程中的電刷鍍技術是主要手段。
軸類零件上的軸承配合面(無論是靜配合面或動配合面)，如發(fā)生磨損超標，視磨損量，可選用電刷鍍、熱噴涂、堆焊、粘涂等多種方法來修復，通過選擇材料的工藝可達到需要的耐磨性。軸上的花鍵，可視情選用電刷、微弧等離子堆焊、微脈沖焊等辦法恢復性能。
滲碳齒輪齒面的修復曾是修復中的難題，筆者10年前就進行了研究，主要采用堆焊和真空熔結(jié)方法修復，成功研制出了專用堆焊焊條、熔解粉末和配套的電解成型加工技術。
飛機發(fā)動機渦輪葉片和導向器片是航空發(fā)動機的核心部件，工作在高溫燃氣氣氛中，承受復雜多變的熱應力和機械應力，工作條件十分惡劣，而且結(jié)構和形狀十分復雜，但是無論是防護涂層脫落，還裂紋、燒損、腐蝕、振動磨損，國外都有專門的廠家從事再制造，其復合表面技術占有重要地位。
筆者還對軍艦船體鋼結(jié)構大面積防腐蝕用高速電弧噴涂技術，選用專門研制的鋁稀土絲材進行治理，使耐腐蝕壽命由原來的5年延長至15年以上[6]。
重載車輛行星框架的毛坯是鍛造件，鍛前坯料重71.3 kg，經(jīng)過開坯、模鍛等十幾道工序的加工，零件形成的重量只有19.5 kg。新品件的使用壽命一般不超過6 000 km。損壞的部位只是φ175 mm內(nèi)圓密封環(huán)配合面。如果磨損超差后更換新品，則需要71.3kg的38CrSi鋼，需經(jīng)費1200元。采用等離子噴涂修復，只需3道工序僅用了0.25 kg的鐵基合金粉末，而相對耐磨性是新品的2.25倍，使用壽命大于1 2000 km以上，修理費用只是新品的十分之一，節(jié)材率為99.65 %。這個例子說明了裝備再制造在提高產(chǎn)品性能、節(jié)省鋼材、電力及環(huán)境保護方面具有重要的意義
首都鋼鐵公司曾由比利時購買一套報廢的2m連鑄設備，其中有300多個大件，如軸承座、軋輥等。裝甲兵工程學院的工程技術人員與首鋼維修人員一起，用電刷鍍等多種表面工程技術，施工了30天，使該連鑄機“起死回生”，各項技術指標均達到新設備的水平，這是運用表面工程技術對整套報廢設備進行再制造的典型事例。
再制造工程的研究應用已經(jīng)受到了我國政府有關部門的重視，并將其列入“十五”先進制造技術發(fā)展前瞻和國家自然科學基金機械學科的優(yōu)先發(fā)展領域。國家自然科學基金會機械學科已將再制造設計和成形技術基礎列為“十五”重點資助領域。國家級再制造工程技術重點實驗室即將建立，再制造工程在我國的研究應用尚處于起步階段，但是，有國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的指導，有表面工程等一系列先進技術的支撐，再制造工程必將在我國迅速掘起。
12 向自動化、智能化的方向邁進
在表面處理時，自動化程度最高的是汽車行業(yè)和微電子行業(yè)。以神龍汽車公司的車身涂裝線為例，涂裝工藝采用三涂層體系（3C3B），即電泳低漆涂層、中間涂層、面漆涂層，涂層總厚度為110～130 µ m，涂裝廠房為三層，一層為輔助設備層，二層為工藝層，三層為空調(diào)機組層，廠房是全封閉式，通過空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)工藝層內(nèi)的溫度和濕度，并始終保持室內(nèi)對環(huán)境的微正壓，保持室內(nèi)清潔度，各工序間自動控制，流水作業(yè)，確保涂裝高質(zhì)量。
隨著機器人和自動控制技術的發(fā)展，在其他表面技術的施工中（如熱噴涂）實現(xiàn)自動化和智能化已為期不遠。
13 降低對環(huán)保的負面效應
從宏觀上講，表面工程對節(jié)能、節(jié)材、環(huán)境保護有重大效能，但是對具體的表面技術，如涂裝、電鍍、熱處理等均有“三廢”的排放問題，仍會造成一定程度的污染?，F(xiàn)在，有氰電鍍已經(jīng)基本上被無氰電鍍所代替，一些有利于環(huán)保的鍍液相繼被研制出來。當前，在表面工程領域，提出了封閉循環(huán)，達到零排放，實現(xiàn)“三廢”綜合利用的目標。陰極電泳后的清洗，國際先進的做法是采用超濾系統(tǒng)（UF）與反滲透系統(tǒng)（RO）聯(lián)合的全封閉清洗，為零排放奠定了基礎。但國內(nèi)使用這些設備的廠家尚少。磷化處理中的廢渣，可以壓濾成渣塊，但還不能逆向處理為有用之物，只能填埋。至于一些中小企業(yè)，距上述奮斗目標相距很遠?？偟膩砜矗砻婀こ坦ぷ髡咴诮档蛯Νh(huán)保負面效應方面，仍是任重而艱巨。
總結(jié)：簡要回顧了表面工程的發(fā)展歷程，重點從13個方面總結(jié)了表面工程最近的研究成果和應用情況，闡述了21世紀初表面工程的發(fā)展動向，預測納米表面工程及再制造工程將會迅速發(fā)展。
表面工程具有學科的綜合性，手段的多樣性，廣泛的功能性、潛在的創(chuàng)新性、環(huán)境的保護性，很強的實用性和巨大的增效性，因而受到各行各業(yè)的重視。其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益更是令人矚目。目前，我國技術門類齊全，部分表面技術的設備、材料和工藝已達到了國際先進水平。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國自第6個五年計劃以來，通過表面工程在設備維修領域和制造領域推廣應用，已取得了幾百億元的經(jīng)濟效益。
回顧表面工程自興起以來的成長歷程，大約可以從13個方面來概括其軌跡。而表面工程在21世紀的發(fā)展，以及它將對 21世紀科學技術總體水平和經(jīng)濟發(fā)展所起的促進作用，也應該從這條軌跡向前延伸。
1 表面工程新技術不斷涌現(xiàn)
傳統(tǒng)的表面技術，隨著科學技術的進步而不斷創(chuàng)新。在電弧噴涂方面，發(fā)展了高速電弧噴涂，使噴涂質(zhì)量大大提高。在等離子噴涂方面，已研究出射頻感應藕合式等離子噴涂、反應等離子噴涂、用三陰極槍等離子噴槍噴涂及微等離子噴涂。在電刷鍍方面研究出摩擦電噴鍍及復合電刷鍍技術。在涂裝技術方面開發(fā)出了粉末涂料技術。在粘結(jié)技術方面，開發(fā)了高性能環(huán)保型粘結(jié)技術、納米膠粘結(jié)技術、微膠囊技術。在高能束應用方面發(fā)展了激光或電子束表面熔覆、表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技術。在離子注入方面，繼強流氮離子注入技術之后，又研究出強流金屬離子注入技術和金屬等離子體浸沒注入技術。在解決產(chǎn)品表面工程問題時，新興的表面技術與傳統(tǒng)的表面技術相互補充，為表面工程工作者提供了寬廣的選擇余地。
2 研究復合表面技術
在單一表面技術發(fā)展的同時，綜合運用兩種或多種表面技術的復合表面技術（也稱第二代表面技術）有了迅速的發(fā)展。復合表面技術通過多種工藝或技術的協(xié)同效應使工件材料表面體系在技術指標、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關鍵技術和高新技術發(fā)展中特殊的技術問題。強調(diào)多種表面工程技術的復合，是表面工程的重要特色之一[1]。
復合表面工程技術的研究和應用已取得了重大進展，如熱噴涂和激光重熔的復合、熱噴涂與刷鍍的復合、化學熱處理與電鍍的復合等。
即使同一種表面技術，在其發(fā)展歷程中也同樣存在著博采眾長與其它技術相互交叉的趨勢。以離子注入為例：
在用于半導體材料攙雜的離子注入機基礎上發(fā)展起來的束線離子注入技術可大大改善零件表面的耐磨性、耐疲勞性和光、電、磁性能。為了克服改性層比較薄的缺點，學者們將蒸鍍、濺射鍍膜技術與束線離子注入技術相結(jié)合發(fā)展了離子輔助鍍膜（IAC）或離子束輔助沉積（IBAD）技術，既克服了一般鍍膜技術中膜基結(jié)合不良的缺點，又將改性層厚度從原來的0.2µm提高到了幾微米甚至幾十微米。由于束線離子注入存在著固有的視線限制，無法處理形狀復雜或者較為大型的零件，近10年來國內(nèi)外興起的等離子體浸沒離子注入（PIII）技術，將工件浸沒在等離子體中，能全方位處理形狀復雜的零件，也能方便地處理大和重的工件。該技術在材料表面改性方面取得了巨大的成功。而沿著束線離子注入技術路線發(fā)展起來的MeVVA等離子體源，可以向金屬表面注入金屬離子，并在航空航天零部件的抗高溫腐蝕方面取得了令人滿意的效果。最近，一些研究者又綜合了PIII和MeVVA二者的優(yōu)點，實現(xiàn)了金屬等離子體浸沒離子注入與沉積（MePIIID）。這項技術既可進行純金屬等離子沉積，又可進行金屬等離子體注入，還可任意改變二者的比例，為離子注入技術在表面改性方面的應用開拓了更為廣闊的空間[2]。
圖為鋁管通過表面處理工藝后的彩色效果
3 完善表面工程技術設計體系
表面工程技術設計是針對工程對象的工況條件和設備中零部件等壽命的要求，綜合分析可能的失效形式與表面工程的進展水平，正確選擇表面技術或多種表面技術的復合，合理確定涂層材料及工藝，預測使用壽命，評估技術經(jīng)濟性，必要時進行模擬實驗，并編寫表面工程技術設計書和工藝卡片。
目前，表面工程技術設計仍基本停留在經(jīng)驗設計階段。有些行業(yè)和企業(yè)針對自己的工程問題開發(fā)出了表面工程技術設計軟件，但局限性很大。隨著計算機技術、仿真技術和虛擬技術的發(fā)展，建立有我國特色的表面工程技術設計體系既有條件又迫在眉睫。
欲建立較為完善的表面工程技術設計體系，當務之急是建立大型的表面工程數(shù)據(jù)庫，廣泛搜集包括材料成分與服役性能的關系，涂層性能與服役性能的關系，工況條件及其變化對表面層性能的要求，工藝方法以及相關工藝參數(shù)，工藝設備等一切有關表面工程的數(shù)據(jù)，評估現(xiàn)有理論和經(jīng)驗公式的成熟性，然后通過數(shù)學建模并應用計算機技術逐步建立和完善表面工程技術設計體系。要達到這個目標，僅靠某個單位或個人的力量顯然是無法完成的。必須集合全行業(yè)的力量，通過充分的信息交換，實現(xiàn)資源共享、成果共享。
4 開發(fā)多種功能涂層
表面工程大量的任務是使零件、構件的表面延緩腐蝕、減少磨損、延長疲勞壽命。隨著工業(yè)的發(fā)展，在治理這3種失效之外提出了許多特殊的表面功能要求。例如艦船上甲板需要有防滑涂層，現(xiàn)代裝備需要有隱身涂層，軍隊官兵需要防激光致盲的鍍膜眼鏡，太陽能取暖和發(fā)電設備中需要高效的吸熱涂層和光電轉(zhuǎn)換涂層，錄音機中需要有磁記錄鍍膜、不沾鍋中需要有氟樹脂涂層、建筑業(yè)中的玻璃幕墻需要有陽光控制膜等等。此外，隔熱涂層、導電涂層、減振涂層、降噪涂層、催化涂層、金屬染色技術等也有廣泛的用途。在制備功能涂層方面，表面工程也可大顯身手，做出自己的貢獻。
5 研究開發(fā)新型涂層材料
表面涂層材料是表面技術解決工程問題的重要物質(zhì)基礎。當前發(fā)展的涂層新材料，有些是單獨配制或熔煉而成的，有些則是在表面技術的加工過程中形成的，后一類涂層材料的誕生，進一步顯示了表面工程的特殊功能。
轎車涂裝技術中新發(fā)展的第五代陰極電泳涂料（ED5），其泳透力比前幾代進一步提高，有機溶劑、顏料含量降低，且不含有害金屬鉛，代表了陰極電泳涂料的發(fā)展趨勢[3]。
以聚氯乙烯樹脂為主要基料與增塑劑配成的無溶劑涂料，構成了現(xiàn)代汽車涂裝中所用的抗石擊涂料和焊縫密封膠，有效地防止了車身底板和焊縫出現(xiàn)過早腐蝕，并保證了車身的密封性。
粘結(jié)固體潤滑涂層材料，在解決航空航天等軍工高科技領域特殊工況條件下的機械磨損、潤滑、粘著冷焊等摩擦學問題中發(fā)揮了重要作用，并在民用真空機械、低溫設備上有廣闊的用途[4]。
等離子噴涂 B4C涂層，具有很高的硬度和優(yōu)異的抗輻射性能，是理想的核反應堆壁面材料[5]。
Fe3Al是一種抗高溫沖蝕的好材料，而且成本較低，被譽為“窮人用的不銹鋼”。但是過去只能用鑄造的方法來獲取。最近采用高速電弧噴涂的方法制備出了Fe3Al基涂層，突破了Fe3Al無法應用于零件表面的難題。以Fe3Al為基礎再與多種硬質(zhì)粉末相復合，可以制備出抗高溫氧化、硫化及抗沖蝕磨損的涂層，在軍用裝備和電站鍋爐管道上有廣闊的應用前景[6]。
在不斷研發(fā)新的噴涂材料的同時，對傳統(tǒng)材料的重新認識和潛力挖掘工作也在進行。例如在電弧噴涂耐海水腐蝕涂層時常常被推薦選用鋅鋁合金（85/15）和鋁鎂合金（AlMg5）。據(jù)認為這兩種具有更好的耐腐蝕性能，但價格比純鋅和純鋁高得多。許多專家呼吁，從性能價格比的角度應該回歸到傳統(tǒng)的電弧噴涂防腐材料純鋅和純鋁，而且僅僅從性能來說也缺乏足夠的證據(jù)證明85/15和AlMg5比純鋅和純鋁好[7]。
6 發(fā)展高能束堆焊技術
堆焊作為一種經(jīng)濟有效的表面改性方法是現(xiàn)代材料加工與制造業(yè)不可缺少的工藝手段。為了最大限度地發(fā)揮堆焊技術的優(yōu)越性，優(yōu)質(zhì)、高效、低稀釋率歷來是國內(nèi)外堆焊技術的重要研究方向。
傳統(tǒng)的電弧粉末堆焊技術由于受電弧吹力的影響難以同時達到高效和低稀釋率的目標。為了提高堆焊效率必然導致熱輸入的增加，基材的熔深增大，堆焊層性能下降。近年來，基于等離子弧等高能密度熱源的粉末堆焊技術研究在國外十分活躍。等離子弧堆焊可以獲得較低的稀釋率（5－10％），但是其堆焊效率也是各種堆焊方法中較低的。
以激光堆焊為代表的高能束堆焊技術的特點是可以實現(xiàn)熱輸入的準確控制，涂層厚度大、熱畸變小、成分和稀釋率可控性好，可以獲得組織致密、性能優(yōu)越的堆焊層，因而成為國內(nèi)外學者的研究熱點，近十幾年來得到了迅速發(fā)展。例如電子束堆焊，其能源利用率很高，可達30％以上?；牡募訜岵皇芙饘僬魵獾挠绊懀鄯蠼饘倮鋮s速度快，熔敷層的耐磨性往往成十倍地提高。但激光設備、電子束設備一次性投資昂貴，運行費用高。因此，國內(nèi)外對低成本、高效率的高能束堆焊技術的研究開發(fā)十分重視。
聚焦光束表面堆焊是近年來發(fā)展起來的新型表面堆焊技術。聚焦光束加熱的特點是金屬材料對它的吸收率高，能源利用率達到20％以上；聚焦光束單道處理寬度大，設備造價僅為同功率激光的三分之一，工藝成本低。過去，實現(xiàn)聚焦光束堆焊的技術路線大多采用一級反光鏡聚焦，功率密度約為103Ｗ／cm2，堆焊在可控氣氛工作艙中進行，堆焊效率低。由于采用了簡單的聚焦模式，限制了聚焦光束的能量密度，增加了聚焦光束堆焊的工藝復雜性，阻礙了聚焦光束堆焊技術的發(fā)展和應用。清華大學最近開發(fā)了采用二次聚焦方式的光束加熱設備，功率密度達到104Ｗ／cm2以上。在低碳鋼表面上進行的手涂預置鎳基合金和鐵基合金粉末的聚焦光束堆焊研究表明，選用合適的合金材料和工藝，可以獲得良好的單道單層、單道多層及多道單層大面積堆焊層。堆焊層的宏觀硬度高于采用同種材料獲得的熱噴涂層的宏觀硬度。但是，手涂預置粉末方式易出現(xiàn)基材熔化不足、不能多道連續(xù)堆焊等缺點。因此，聚焦光束自動送粉堆焊技術的研究是高能束粉末堆焊技術的重要發(fā)展方向之一。
7 深化表面工程基礎理論和測試方法研究
摩擦學是表面工程的重要基礎理論之一近10年來，針對具體的工程問題，摩擦學工作者作出了出色的成果，在摩擦副失效點判定、磨損失效的主要模式、磨損失效原因分析及對策等方面積累了豐富的經(jīng)驗，并在重大工程問題上作出了重要貢獻。當前研究摩擦學問題的手段越來越齊全、先進，可以模擬各種條件進行試驗研究，這些試驗手段和已積累的研究方法、評估標準，有力地支持了表面工程的發(fā)展。
國外大量實踐證明，工程摩擦學問題的投入與節(jié)約的效果相比約是1∶50的關系，誰重視工程中摩擦學問題的投入，誰就能獲得高額回報。
在腐蝕學研究方面，針對大氣腐蝕、海洋環(huán)境腐蝕、化工儲罐腐蝕、高溫環(huán)境腐蝕、地下長輸管線腐蝕、熱交換設備腐蝕、建筑物中的鋼筋水泥腐蝕等，應用各種現(xiàn)代材料進行了腐蝕機理和防護效果研究，提出了從結(jié)構到材料到維護一整套防腐治理措施。這些研究成果，對表面工程技術設計有很大的參考價值。
無論用什么表面技術在零件表面上制備涂覆層，必須掌握涂覆層與基體的結(jié)合強度、涂覆層的內(nèi)應力等力學性能。這是表面工程技術設計的核心參數(shù)之一，也是研究和改進表面技術的重要依據(jù)。
對于涂覆層厚度大于0.15 mm的膜層（如熱噴涂涂層），尚可用傳統(tǒng)的機械方法進行測試，但是對于涂覆層厚度小于0.15 mm的膜層（如氣相沉積幾個微米的膜層）傳統(tǒng)的機械方法已無能為力。而氣相沉積技術又發(fā)展的很快，應用面越來越廣，這就使研究新的測試方法更加緊迫。
近10年，一些學者用劃痕法、 X射線衍射法、納米壓入法、基片彎曲法等思路和手段對薄膜的力學行為進行了深入研究，取得了長足的進步，但要達到形成相對嚴密自成體系的評價方法和技術指標尚有較大差距。
8 擴展表面工程的應用領域
表面工程已經(jīng)在機械產(chǎn)品、信息產(chǎn)品、家電產(chǎn)品和建筑裝飾中獲得富有成效的應用。但是其深度廣度仍很不夠，不了解和不應用表面工程的單位和產(chǎn)品仍很普遍。表面工程的優(yōu)越性和潛在效益仍未很好發(fā)揮，需要做大量的宣傳推廣工作。我國面臨加入世貿(mào)組織，通過推廣應用表面工程提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，改進產(chǎn)品包裝，增強市場競爭力，也應是主要的舉措之一。
表面工程在生物工程中的延伸已引起了人們的注意，前景十分廣闊。如髖關節(jié)的表面修補，最常用的復合材料是在超高密度高分子聚乙烯上再鍍鈷鉻合金，使用壽命可達15～25年，近些年又發(fā)展了羥基磷灰石（簡稱HAP）材料，它是一種重要的生物活性材料，與骨骼、牙齒的無機成分極為相似，具有良好的生物相容性，埋入人體后易與新生骨結(jié)合。但是HAP材料脆性大，有的學者就用表面工程技術使HAP粒子與金屬Ni共沉積在不銹鋼基體上，實現(xiàn)了牢固結(jié)合。
隨著專業(yè)化生產(chǎn)方式的變革和人們環(huán)保意識的增強，現(xiàn)在呼吁表面處理向原材料制造業(yè)轉(zhuǎn)移，這也是一個重要動向。
倍受家用電器廠家歡迎的是預涂型彩色鋼板，它是在金屬材料表面涂上一層有機材料的新品種，具有有機材料的耐腐蝕、色彩鮮艷等特點，同時又具有金屬材料的強度高、可成型等特點，只須對其作適當?shù)募羟?、彎曲、沖壓和連接即可制成多種產(chǎn)品外殼，不僅簡化了加工工序，也減少了家用電器廠家加工設備的投資，成為制作家用電器外殼的極佳材料。
汽車制造業(yè)的表面加工任務很重，呼吁表面工程由現(xiàn)在汽車制造廠家處理，變?yōu)樵谠牧现圃鞎r就同時進行的出廠前主動處理。這種變革不是表面處理任務的簡單轉(zhuǎn)移，更重要的是一種節(jié)能、節(jié)材、有利環(huán)保的舉措。它可以簡化除油、除銹工序，還可以利用軋鋼后的余熱，降低能耗。在西歐一些國家的鋼廠中，就對半成品進行表面處理，如熱處理、熱浸鍍、磷化、鈍化等。
9 積極為國家重大工程建設服務
在新型軍用飛機的研制過程中，先進的膠粘技術、特種熱處理技術、表面改性技術、薄膜技術以及涂層技術都發(fā)揮了重要作用。吸波材料的研制成功為裝備隱形提供了重要的物質(zhì)基礎。
離子注入、離子刻蝕和電子曝光技術的結(jié)合，形成了集成電路微細加工技術，成為制作超大規(guī)模集成電路的重要技術基礎。
長江三峽工程，與其說是土木工程，不如說是鋼鐵工程，在大壩全長2309.47m中鋼鐵結(jié)構閘門就占全長的72%。在三峽工程中，所有機械設備、金屬結(jié)構、水工閘門以及隧洞、橋梁、公路、碼頭、儲運設備都離不開表面工程。在國家科技攻關項目，如“六五”、“七五”、“八五”和“九五”攻關項目的安排上以及三峽工程重新論證和設計審查中，表面工程的應用始終是一項研究和討論的重要課題之一。從表面技術和涂覆材料的選擇、噴涂工藝的制定到表面電化學保護等，都在三峽重大裝備研制項目中占有重要地位。筆者曾于1999年8月到三峽工地進行了調(diào)研，向三峽施工指揮部和中國工程院提出了推廣高速電弧噴涂技術并將有污染的噴鋅技術換為既無污染又能降低成本的噴鋁及鋁稀土合金技術的建議，受到了有關方面的重視[9]。
西陵長江大橋和汕頭海灣大橋都是懸索式結(jié)構，這種懸索橋的特點是在橋的兩端分別建起兩個約100米高的橋墩，在橋墩頂上放置兩塊平面鋼板稱為鞍座底板，鞍座底板上放置兩排懸索鞍座，再把兩條主纜分別架在兩排懸索鞍座上，然后在兩條主纜上吊掛橋梁板。在建橋的過程中，為了力的平衡，需要多次在高空縱向推移懸索鞍座，由于整橋上萬噸重量全部加在懸索鞍座上，使懸索鞍座對底座形成了很大的正壓力，這就給高空縱向推移帶來了很大的困難，為了減少縱向推移力，唯一的辦法就是降低懸索鞍座與鞍座底板摩擦副的摩擦因數(shù)。國外的辦法是在摩擦副間加上幾千枚滾針，把滑動摩擦改為滾動摩擦，這樣可以有效減小縱向推移力。但是，這種辦法給制造工藝增加了難度，首先要對每件幾十噸重的懸索鞍座和鞍座底板進行熱處理，保證摩擦副表面的機械性能。其次，要對摩擦副表面和滾針進行精確加工。我國目前的加工能力和和水平很難保證摩擦副表面及數(shù)千枚滾針的尺寸精度和幾何形狀精度。向國外訂購整件或委托加工，價格都十分昂貴。在這種情況下，全軍裝備維修表面工程研究中心成功地采用了表面工程技術在懸索鞍座和鞍座底板上制備出復合減摩表面涂層，以減少摩擦副的摩擦因數(shù)，從而顯著減少縱向推力的方案。這種方案是表面工程在橋梁建設上的一次創(chuàng)新應用，在國內(nèi)外建橋史上均為首次。它不僅有效減少了摩擦副的摩擦因數(shù)，而且降低了對大型懸索鞍座及鞍座底板的制造工藝技術要求，還節(jié)約了大批經(jīng)費，保證了大橋順利建成通車。
10 納米表面工程技術正在形成
近年來納米材料技術正在以令人吃驚的速度迅猛發(fā)展。迄今的研究以納米粉末的制作為主，但是越來越倍受關注的是納米材料的結(jié)構化問題。眾所周知，特殊的表面性能是納米材料的重要獨特性能之一。表面工程無論在工藝方法和應用領域方面都與納米材料技術有著不可分割的密切聯(lián)系。
在傳統(tǒng)的電刷鍍?nèi)芤褐?，加入納米粉體材料?？梢灾苽涑鲂阅軆?yōu)異的納米復合鍍層[10]。在傳統(tǒng)的機油添加劑中，加入納米粉體材料，可以提高減摩性能并具有良好的自修復性能。
計算機產(chǎn)業(yè)需要速度更高的芯片，而刻蝕技術受分辨率的限制很難對再芯片做出革命性的貢獻。速度更高的芯片除了向面積更大發(fā)展之外，極有可能向三維挺進，出現(xiàn)像多層印刷線路板那樣的多層芯片。CVD、PVD等方法是獲得納米結(jié)構材料的典型方法，在芯片多層化方面是目前最有可能獲得成功的技術方案。
熱噴涂技術是制作納米結(jié)構材料的另一種極有競爭力的方法。與其它技術相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡單，涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大，沉積速率高，以及容易形成復合涂層等等。應用液料熱噴涂法通過液料與熱源的交互作用不僅可以獲得納米結(jié)構涂層，還能夠制作納米粉。實驗室中，已經(jīng)成功地制成具有納米結(jié)構的羥基磷灰石（HAP）涂層，而HAP是提高人工關節(jié)表面生物兼容性的關鍵物質(zhì)[11]。
通過控制非晶物質(zhì)的再結(jié)晶，可以制成納米塊材。在熱噴涂過程中，高速飛行的粒子撞擊冷基體，冷卻速度極高，能夠制備出非晶態(tài)涂層?？刂齐S后的再結(jié)晶溫度和時間，可以得到納米結(jié)構涂層。用這種方法已經(jīng)得到了WC–Co和NiCrBSi自熔劑合金的納米涂層[12]。
因此可以說表面工程是促進納米技術，特別是納米材料結(jié)構化發(fā)展的主力軍之一。
由于表面工程對納米材料的成功應用，以及用表面工程技術制備納米結(jié)構涂層的發(fā)展，正在形成納米表面工程技術新領域。
11 促進再制造工程的發(fā)展
20世紀全球經(jīng)濟高速發(fā)展，與此同時，對自然資源的任意開發(fā)和對環(huán)境的無償利用造成全球的生態(tài)破壞、資源浪費和短缺、環(huán)境污染等重大問題。其中機電產(chǎn)品制造業(yè)是最大的資源使用者，也是最大的環(huán)境污染源之一。為解決這一時代課題，再制造工程應運而生。
再制造工程技術屬綠色先進制造技術，是對先進制造技術的補充和發(fā)展。報廢產(chǎn)品的再制造是其產(chǎn)品全壽命周期管理的延伸和創(chuàng)新，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術途徑，再制造產(chǎn)業(yè)是可帶來新的經(jīng)濟增長點的新興產(chǎn)業(yè)[13]。
表面工程是再制造的關鍵之一，起著基礎性的作用?？梢哉f沒有表面工程，實現(xiàn)不了再制造。
機械設備經(jīng)長期使用出現(xiàn)功耗增大、振動加劇、嚴重泄漏、維修費用過高，一般應該列為報廢。這些現(xiàn)象的發(fā)生都是零件磨損、腐蝕、變形、老化，甚至出現(xiàn)裂紋這些失效的結(jié)果所造成的。磨損在零件表面發(fā)生，腐蝕從零件表面開始，疲勞裂紋由表面向內(nèi)延伸，老化是零件表面與介質(zhì)反應的結(jié)果，即使變形，也表現(xiàn)為表面相對位置的錯移。所以“癥結(jié)”都是表面問題。對這些問題，表面工程可以大顯身手。
箱體零件是設備的基礎件，常見的損傷是軸承座孔磨損以及變形。變形造成軸承座孔中心線的相對位移和結(jié)合面的撓曲。無論是鋁、鋼、鑄鐵的箱體，對這類損傷當設備再制造時，表面工程中的電刷鍍技術是主要手段。
軸類零件上的軸承配合面(無論是靜配合面或動配合面)，如發(fā)生磨損超標，視磨損量，可選用電刷鍍、熱噴涂、堆焊、粘涂等多種方法來修復，通過選擇材料的工藝可達到需要的耐磨性。軸上的花鍵，可視情選用電刷、微弧等離子堆焊、微脈沖焊等辦法恢復性能。
滲碳齒輪齒面的修復曾是修復中的難題，筆者10年前就進行了研究，主要采用堆焊和真空熔結(jié)方法修復，成功研制出了專用堆焊焊條、熔解粉末和配套的電解成型加工技術。
飛機發(fā)動機渦輪葉片和導向器片是航空發(fā)動機的核心部件，工作在高溫燃氣氣氛中，承受復雜多變的熱應力和機械應力，工作條件十分惡劣，而且結(jié)構和形狀十分復雜，但是無論是防護涂層脫落，還裂紋、燒損、腐蝕、振動磨損，國外都有專門的廠家從事再制造，其復合表面技術占有重要地位。
筆者還對軍艦船體鋼結(jié)構大面積防腐蝕用高速電弧噴涂技術，選用專門研制的鋁稀土絲材進行治理，使耐腐蝕壽命由原來的5年延長至15年以上[6]。
重載車輛行星框架的毛坯是鍛造件，鍛前坯料重71.3 kg，經(jīng)過開坯、模鍛等十幾道工序的加工，零件形成的重量只有19.5 kg。新品件的使用壽命一般不超過6 000 km。損壞的部位只是φ175 mm內(nèi)圓密封環(huán)配合面。如果磨損超差后更換新品，則需要71.3kg的38CrSi鋼，需經(jīng)費1200元。采用等離子噴涂修復，只需3道工序僅用了0.25 kg的鐵基合金粉末，而相對耐磨性是新品的2.25倍，使用壽命大于1 2000 km以上，修理費用只是新品的十分之一，節(jié)材率為99.65 %。這個例子說明了裝備再制造在提高產(chǎn)品性能、節(jié)省鋼材、電力及環(huán)境保護方面具有重要的意義
首都鋼鐵公司曾由比利時購買一套報廢的2m連鑄設備，其中有300多個大件，如軸承座、軋輥等。裝甲兵工程學院的工程技術人員與首鋼維修人員一起，用電刷鍍等多種表面工程技術，施工了30天，使該連鑄機“起死回生”，各項技術指標均達到新設備的水平，這是運用表面工程技術對整套報廢設備進行再制造的典型事例。
再制造工程的研究應用已經(jīng)受到了我國政府有關部門的重視，并將其列入“十五”先進制造技術發(fā)展前瞻和國家自然科學基金機械學科的優(yōu)先發(fā)展領域。國家自然科學基金會機械學科已將再制造設計和成形技術基礎列為“十五”重點資助領域。國家級再制造工程技術重點實驗室即將建立，再制造工程在我國的研究應用尚處于起步階段，但是，有國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的指導，有表面工程等一系列先進技術的支撐，再制造工程必將在我國迅速掘起。
12 向自動化、智能化的方向邁進
在表面處理時，自動化程度最高的是汽車行業(yè)和微電子行業(yè)。以神龍汽車公司的車身涂裝線為例，涂裝工藝采用三涂層體系（3C3B），即電泳低漆涂層、中間涂層、面漆涂層，涂層總厚度為110～130 µ m，涂裝廠房為三層，一層為輔助設備層，二層為工藝層，三層為空調(diào)機組層，廠房是全封閉式，通過空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)工藝層內(nèi)的溫度和濕度，并始終保持室內(nèi)對環(huán)境的微正壓，保持室內(nèi)清潔度，各工序間自動控制，流水作業(yè)，確保涂裝高質(zhì)量。
隨著機器人和自動控制技術的發(fā)展，在其他表面技術的施工中（如熱噴涂）實現(xiàn)自動化和智能化已為期不遠。
13 降低對環(huán)保的負面效應
從宏觀上講，表面工程對節(jié)能、節(jié)材、環(huán)境保護有重大效能，但是對具體的表面技術，如涂裝、電鍍、熱處理等均有“三廢”的排放問題，仍會造成一定程度的污染?，F(xiàn)在，有氰電鍍已經(jīng)基本上被無氰電鍍所代替，一些有利于環(huán)保的鍍液相繼被研制出來。當前，在表面工程領域，提出了封閉循環(huán)，達到零排放，實現(xiàn)“三廢”綜合利用的目標。陰極電泳后的清洗，國際先進的做法是采用超濾系統(tǒng)（UF）與反滲透系統(tǒng)（RO）聯(lián)合的全封閉清洗，為零排放奠定了基礎。但國內(nèi)使用這些設備的廠家尚少。磷化處理中的廢渣，可以壓濾成渣塊，但還不能逆向處理為有用之物，只能填埋。至于一些中小企業(yè)，距上述奮斗目標相距很遠?？偟膩砜矗砻婀こ坦ぷ髡咴诮档蛯Νh(huán)保負面效應方面，仍是任重而艱巨。
總結(jié)：簡要回顧了表面工程的發(fā)展歷程，重點從13個方面總結(jié)了表面工程最近的研究成果和應用情況，闡述了21世紀初表面工程的發(fā)展動向，預測納米表面工程及再制造工程將會迅速發(fā)展。
