第七届全国表面工程学术会议特邀报告(10月11日上午)

再制造的表面工程及其发展

徐滨士

  装甲兵工程学院 装备再制造技术国防科技重点实验室，北京，100072

报告摘要：再制造是废旧产品高技术修复、改造的产业化，是维修工程和表面工程的高级阶段，是实现可持续发展的重要技术手段。再制造的主要对象是已服役废旧零件及其损伤表面。国外再制造采用换件修理法和尺寸修理法，我国则利用了先进的表面工程技术。表面工程的基本特征是多种学科与技术的综合、交叉、复合、优化，它的发展经历了四个阶段。再制造的表面工程与传统制造的表面工程的服务对象和要求有较大的差别，也有更复杂的问题需要解决。文中详细阐述了用于再制造的几项关键支撑技术的创新发展，如微纳米表面工程技术、材料制备与成形一体化的表面工程技术、自动化表面工程技术等。

徐滨士院士

徐滨士（1931－）:装备维修表面工程专家。黑龙江省哈尔滨市人。中国人民解放军装甲兵工程学院教授、少将。全军装备维修表面工程研究中心主任。我国设备维修和表面工程学科的倡导者和开拓者之一。徐滨士在国内首次大规模地将等离子喷涂技术应用于装甲车辆薄壁磨损零件的修复，并建立了等离子喷涂工艺参数优化数学模型。系统研究开发电刷镀设备、镀液和工艺，以镍合金镀代替槽镀铬镀层，创造性地解决了国家重点工程设备和装甲车辆现场修复的关键技术问题。发明双相处化耐磨合金。采用优质高效、高速电弧喷涂技术，攻克大型舰船等钢结构在海水中的腐蚀和电厂锅炉管道热腐蚀难关。1995年当选为中国工程院士。

1950-1954 毕业于哈尔滨工业大学机械制造与焊接专业获工程师学位，
1961-1988 装甲兵工程学院修理教研室讲师/副教授
1988-目前 装甲兵工程学院教授
1995-目前 中国工程院院士/博士生导师 
1999-目前 哈尔滨工业大学兼职教授
任总装备部科技委顾问、装备维修工程技术专业组顾问、国家产学研设备工程开发推广中心主任、中国设备管理协会副会长、中国工程机械学会副理事长、北京机械工程学会副理事长、
中国机械工程学会荣誉理事、国家自然科学基金评审委员会委员。《中国表面工程》杂志编委会主任，《机械工程学报》编委会副主任，《中国设备管理》、《金属热处理》、《材料保护》杂志编委。任清华大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学、上海交通大学、北京航天航空大学、国防科技大学等十余所高校兼职教授及波兰华沙理工大学荣誉教授。

机械装备工业可持续发展的关键制造技术

单忠德

（机械科学研究总院先进制造技术研究中心，先进成形技术与装备国家重点实验室，北京，100083）

报告摘要：机械装备工业是促进社会发展和保障国家安全的技术基础和经济基础，但由于我国设备能源利用率低和制造过程粗放，严重制约了国民经济的可持续发展。

报告在分析机械装备行业发展现状基础上，从数字化制造、新材料应用、毛坯近净成形、无废弃物制造、自动化控制以及再制造等十个方面详细阐述了机械装备业可持续发展的制造技术与设备，同时指出我国要成为制造强国，必须从资源环境可持续发展方面解决制约机械装备行业发展的技术及设备，为建设资源节约型、环境友好型社会提供技术支撑。

单忠德研究员简介：

山东高密人，工学博士，研究员、研究生导师。机械科学研究总院先进制造技术研究中心主任、先进成形技术与装备国家重点实验室（筹）主任、国家科技部工业领域节能减排总体专家组专家、中国机械制造工艺协会副秘书长、中央企业青联委员。曾任机械科学研究总院中机生产力促进中心党委委员、制造工程所所长，机械科学研究总院科技发展部部长、浙江分院副院长等职。毕业于清华大学机械工程系，英国CARDIFF大学访问学者，后在清华大学工业工程系做博士后研究。

在“International Journal of Advanced Manufacturing Technology”、“Journal of Engineering Manufacture”、“Journal of Mechanical Engineering Science”、“中国机械工程”、“清华大学学报”等核心期刊及国际会议上发表论文40余篇。出版《快速成形与铸造技术》著作1部（“十五”国家重点图书，机械工业出版社高水平著作出版基金资助项目）。申请专利10项，授权发明专利1项。先后负责承担国家“863”计划、国家“九五”、“十五”攻关计划、“十一五”科技支撑计划、国家自然科学基金、国家“科技奥运计划”、国家发改委重大产业技术专项等科技开发任务10余项，承担企业技术开发与升级改造项目10余项。2001年获“九五”机械工业科技攻关“先进个人”，2005年入选“北京市科技新星计划”，获得省部级科技成果奖4项。

钛合金微弧氧化（碳氮化）的生物医用改性研究进展

徐可为

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，西安710049

报告摘要：生物活性涂层的发展方向是涂层兼具多孔与纳米结晶形态、低弹性模量和高的骨磷灰石诱导能力等结构与性能特征。最近10年来，微弧氧化(MAO)已被用于Al、Mg、Ti、 Zr及其合金的表面改性，报告给出了西安交通大学金属材料强度国家重点实验室在钛合金微弧氧化（碳氮化）生物医学改性方面的研究进展。

在含醋酸钙（CA）和β -甘油磷酸二钠（β-GPNa₂, C₃H₅(OH)₂PO₄Na₂）的电解液中，采用微弧氧化（MAO）可以在钛基体上制备出含Ca、P的TiO₂涂层。提高电压，有利于增加涂层中Ca、P含量和涂层厚度。此涂层呈多孔形态，孔径1- 3 mm，晶粒尺度约为10-80 nm，且涂层与钛基体之间没有明显的界面。在电压大于400 V时，涂层中TiO₂从锐钛型转变成金红石型，并且形成CaTiO₃、b-Ca₂P₂O₇ 和a-Ca₃(PO₄)₂等新相。涂层中残余应力s₁₁和s₂₂为压应力，且随电压的增加，分别从40和78 MPa增加至640和538 MPa。随电压的增加，TiO₂涂层的弹性模量从60增加到90 GPa，但结合强度从43.4下降到32.9 MPa，其原因是高电压下生成涂层中具有较高的残余应力和大的孔径。TiO₂基涂层中含有的CaTiO₃、b-Ca₂P₂O₇和a-Ca₃(PO₄)₂是其具有生物活性的关键结构因素。

尽管MAO制备的单相TiO₂涂层没有磷灰石形成能力，但值得注意的是这些涂层具有多孔纳米结构、与基体结合强度高、弹性模量低和塑性好的优点。为此，我们研究了紫外光（UV）辐照对单相TiO₂涂层生物活性的影响。发现UV照射不改变涂层的表面粗糙度、形貌、晶粒尺寸和相组成，但显著改善涂层的亲水性、生物活性，增强SaOS-2成骨细胞的附着、增殖和碱性磷酸酶活性。UV照射在TiO₂涂层表面形成的大量Ti-OH基团是导致其生物学性能改善的原因。经UV照射的TiO₂涂层在黑暗环境中储存两周后，其表面的Ti-OH基团数量仅有少量减少，在短期内仍能诱导磷灰石形成，表明经UV照射的TiO₂涂层具有良好的的生物活性稳定性。此外，含Ca、P的TiO₂涂层经后续水热处理后，涂层表面有大量细小针状羟基磷灰石(HA)形成，其生物活性、亲水性、细胞响应行为显著增强。

在含CA和β-GPNa2的电解液中，钛合金经过高电压微弧氧化处理可直接在钛基体上制备出HA/TiO₂双层涂层。其中HA外层含有少量的a-Ca₃(PO₄)₂ 和CaCO₃，TiO₂内层含CaTiO₃。我们发现，微弧氧化处理约5 min时，阳极试样附近的电解液中开始出现微粒，随时间延长，其数量增多。该微粒带有负电荷，由HA、TCP 和CaCO₃非晶组成。该双层涂层的形成机制是：高电压下激烈的微弧放电加热阳极试样附近的电解液，促进β-GP 水解和(CH₃COO)^-分解，产生大量的PO₄^2- 和CO₃^2-离子，它们与Ca²⁺反应形成微粒；这些带负电的微粒在电场作用下，沉积到预先形成的TiO₂层表面、烧结形成含的a-Ca₃(PO₄)₂ 和CaCO₃的HA外层。

在有机电解液中，通过微弧碳氮化（或等离子体电解碳氮化，PEC/N）在钛合金基体上制备了厚的Ti(C_xN_1-x)涂层。该涂层由单一的纳米结晶Ti(C_0.7N_0.3)组成，呈内部致密、外部多孔（孔径约为1-2 mm）的形态，经过2.5小时的处理涂层厚度可达15mm，远大于现有表面技术在钛基表面沉积或生成TiC、TiN或Ti(C_xN_1-x)涂层的厚度。微弧碳氮化制备的Ti(C_xN_1-x)涂层具有高的硬度、结合强度和承载能力；在生理盐水或机油等液体介质环境下，涂层不仅具有减磨功能而且耐磨性优于传统物理气相沉积制备的TiC膜。

在含醋酸钙（CA）和β -甘油磷酸二钠（β-GPNa₂, C₃H₅(OH)₂PO₄Na₂）的电解液中，采用微弧氧化（MAO）可以在钛基体上制备出含Ca、P的TiO₂涂层。提高电压，有利于增加涂层中Ca、P含量和涂层厚度。此涂层呈多孔形态，孔径1- 3 mm，晶粒尺度约为10-80 nm，且涂层与钛基体之间没有明显的界面。在电压大于400 V时，涂层中TiO₂从锐钛型转变成金红石型，并且形成CaTiO₃、b-Ca₂P₂O₇ 和a-Ca₃(PO₄)₂等新相。涂层中残余应力s₁₁和s₂₂为压应力，且随电压的增加，分别从40和78 MPa增加至640和538 MPa。随电压的增加，TiO₂涂层的弹性模量从60增加到90 GPa，但结合强度从43.4下降到32.9 MPa，其原因是高电压下生成涂层中具有较高的残余应力和大的孔径。TiO₂基涂层中含有的CaTiO₃、b-Ca₂P₂O₇和a-Ca₃(PO₄)₂是其具有生物活性的关键结构因素。

尽管MAO制备的单相TiO₂涂层没有磷灰石形成能力，但值得注意的是这些涂层具有多孔纳米结构、与基体结合强度高、弹性模量低和塑性好的优点。为此，我们研究了紫外光（UV）辐照对单相TiO₂涂层生物活性的影响。发现UV照射不改变涂层的表面粗糙度、形貌、晶粒尺寸和相组成，但显著改善涂层的亲水性、生物活性，增强SaOS-2成骨细胞的附着、增殖和碱性磷酸酶活性。UV照射在TiO₂涂层表面形成的大量Ti-OH基团是导致其生物学性能改善的原因。经UV照射的TiO₂涂层在黑暗环境中储存两周后，其表面的Ti-OH基团数量仅有少量减少，在短期内仍能诱导磷灰石形成，表明经UV照射的TiO₂涂层具有良好的的生物活性稳定性。此外，含Ca、P的TiO₂涂层经后续水热处理后，涂层表面有大量细小针状羟基磷灰石(HA)形成，其生物活性、亲水性、细胞响应行为显著增强。

在含CA和β-GPNa2的电解液中，钛合金经过高电压微弧氧化处理可直接在钛基体上制备出HA/TiO₂双层涂层。其中HA外层含有少量的a-Ca₃(PO₄)₂ 和CaCO₃，TiO₂内层含CaTiO₃。我们发现，微弧氧化处理约5 min时，阳极试样附近的电解液中开始出现微粒，随时间延长，其数量增多。该微粒带有负电荷，由HA、TCP 和CaCO₃非晶组成。该双层涂层的形成机制是：高电压下激烈的微弧放电加热阳极试样附近的电解液，促进β-GP 水解和(CH₃COO)^-分解，产生大量的PO₄^2- 和CO₃^2-离子，它们与Ca²⁺反应形成微粒；这些带负电的微粒在电场作用下，沉积到预先形成的TiO₂层表面、烧结形成含的a-Ca₃(PO₄)₂ 和CaCO₃的HA外层。

在有机电解液中，通过微弧碳氮化（或等离子体电解碳氮化，PEC/N）在钛合金基体上制备了厚的Ti(C_xN_1-x)涂层。该涂层由单一的纳米结晶Ti(C_0.7N_0.3)组成，呈内部致密、外部多孔（孔径约为1-2 mm）的形态，经过2.5小时的处理涂层厚度可达15mm，远大于现有表面技术在钛基表面沉积或生成TiC、TiN或Ti(C_xN_1-x)涂层的厚度。微弧碳氮化制备的Ti(C_xN_1-x)涂层具有高的硬度、结合强度和承载能力；在生理盐水或机油等液体介质环境下，涂层不仅具有减磨功能而且耐磨性优于传统物理气相沉积制备的TiC膜。

徐可为教授，西安交通大学教授、博士生导师。

         1988-1989年赴法国巴黎高等工业技术学院进修，1995年作英国伯明翰大学访问学者，1998年作法国特鲁瓦技术大学访问学者，1999年为法国巴黎高等技术学院访问教授。曾任西安交大材料学院院长，校学术委员会委员，学位委员会委员，西安交大科学技术处处长，第八届国家自然科学基金委员会金属学科评议组组长，第四届国家教育部科学技术委员会学部委员，中国材料研究学会青年委员会副主任委员，中科院材料疲劳与断裂国家重点实验室学术委员会委员。现任国际喷丸学术委员会委员，国际残余应力学术委员会委员，中国材料研究学会常务理事，中国复合材料学会理事兼生物复合材料委员会副主任委员，中国真空学会薄膜技术委员会委员，中科院固体润滑国家重点实验室学术委员会委员，中国金属学会材料科学分会理事，全军装备表面工程重点实验室学术委员会委员，中国机械工程学会理事兼表面工程分会理事长，金属材料强度国家重点实验室学术委员会委员。

徐可为教授作为项目负责人主持科研项目33项，其中纵向课题25项，累计经费2188.5万元，横向课题8项，累计经费100万元。其中，包括国家重点基础研究计划（973）子项目1项，国家自然科学基金重点项目2项，国家863计划项目2项、重大国际合作项目2项，国家自然科学基金面上项目5项。此外，国家科技型中小企业技术创新基金项目、国家教育部骨干教师资助计划项目、教育部“教育振兴行动计划”西安交大重大项目、教育部“教育振兴行动计划”西安交大科技培植项目、国家自然科学基金两个基地项目“结构材料表面改性与预应力理论”、国家教育部跨世纪人才培养计划基金项目和西安市科技成果转化工程计划项目各1项。

徐可为教授获2005年国家技术发明二等奖(排名第一)，2002年教育部推荐国家发明二等奖（排名第一），2000年中国高校自然科学二等奖（排名第五），1995年中国航天工业总公司科技进步三等奖(排名第三)，1994年中国教育部科技进步(甲类)三等奖(排名第一)，1992年中国汽车工业总公司科技进步一等奖(荣誉证书)。2000年教育部“骨干教师培养计划”入选者，1996年教育部“跨世纪优秀人才培养计划”入选者，1994年国务院政府特殊津贴。在国内外重要核心期刊发表论文300多篇，被SCI收录236余篇，被ＳＣＩ他人引用356余篇次，国内外他引700余篇次。获授权发明专利12项。已培养博士后4人，博士15人，硕士20人，现有在站博士后4人，在读博士生10人，在读硕士生10人。