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1、面向二十一世纪的表面工程和再制造工程徐滨士装甲兵工程学院 装备再制造国防科技重点实验室 北京 100072摘要：表面工程发展至今经历了传统表面工程、复合表面工程、纳米表面工程三个发展阶段。表面工程作为先进制造工程和再制造工程的重要组成部分，可以为先进制造工程与再制造工程的发展提供重要技术支撑。同时表面工程和再制造工程作为发展循环经济的重要组成方式，符合节约资源、能源，建设资源节约型、环境友好型社会的要求。面对21世纪表面工程及再制造工程的发展应坚持以信息化带动工业化，广泛应用高技术和先进实用技术改造提升产品性能和质量、降低材料消耗，实现拉动国民经济发展、节约能源、保护环境的目的，发挥表面工程及
2、再制造工程对循环经济发展的重要支撑作用，通过科技创新不断发展完善表面工程及再制造工程，对促进我国国民经济全面而快速地步入循环经济轨道具有重大而深远的意义。关键词：表面工程 再制造工程 循环经济 科技创新 2006年2月发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要中指出“21世纪新科技革命迅猛发展，正孕育着新的重大突破，将深刻地改变经济和社会的面貌。信息科学和技术发展方兴未艾，依然是经济持续增长的主导力量；生命科学和生物技术迅猛发展，将为改善和提高人类生活质量发挥关键作用；能源科学和技术重新升温，为解决世界性的能源与环境问题开辟新的途径；纳米科学和技术新突破接踵而至，将带来深刻的技术革命。”因此，科技
3、工作者要站在时代的前列，以世界眼光，迎接新科技革命带来的机遇和挑战。纵观全球，许多国家都把强化科技创新作为国家战略，把科技投资作为战略性投资，大幅度增加科技投入，并超前部署和发展前沿技术及战略产业，实施重大科技计划，着力增强国家创新能力和国际竞争力。面对国际新形势，我们必须增强责任感和紧迫感，坚定地把科技创新作为经济社会发展的首要推动力量，把提高自主创新能力作为调整经济结构、转变增长方式、提高国家竞争力的中心环节，把建设创新型国家作为面向未来的重大战略选择1。再制造工程是以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品性能跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手
4、段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。简言之，再制造工程是废旧产品高技术修复的产业化2-4。实践证明，再制造可使废旧产品中蕴含的价值得到最大限度的开发和利用，是废旧机电产品资源化的最佳形式和首选途径，是节约资源的重要手段。对废旧机电产品进行再制造是发展循环经济、建设节约型社会的重要举措。表面工程是再制造工程的关键技术之一，再制造工程是表面工程实际应用的载体，通过表面工程相关技术可以为提高再制造产品的资源利用率发挥重要作用。分析和研究表面工程、再制造工程对循环经济的贡献，对促进我国循环经济建设具有重要意义。1. 表面工程发展现状 表面工程从诞生至今，前后经历了三个发展阶段：第
5、一代为传统的单一表面工程阶段，包括热喷涂、电刷镀、激光熔覆、PVD、CVD技术以及激光束、离子束、电子束表面改性等；第二代为复合表面工程阶段，即将两种或多种传统的表面技术复合应用，起到“1+12”的协同效果。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，多层薄膜技术的复合等；随着纳米技术的发展，纳米材料不断应用于表面工程之中，通过不断的科技创新使表面工程发展到第三阶段，即纳米表面工程阶段。纳米表面工程充分利用纳米材料的优异特性提升改善传统表面工程技术的性能，进一步改变固体材料表面的形态、成分、结构等，从而赋予表面全新功能的系统工程5。纳米技术是20世纪
6、80年代末期诞生并正在崛起的新技术，纳米技术开辟了人类认识世界的新层次，纳米材料与技术的发展得到了世界各国的高度重视。其中具有力、热、声、光、电、磁等特殊性能的低维、小尺寸、功能化的纳米结构表面层可以显著改善材料的组织结构或赋予材料新的性能。纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。因此说，纳米表面工程就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交叉、复合、综合、创新并开发应用。纳米表面工程的内容是深刻而广泛的，纳米表面工程通过各种表面工程技术制备出具有纳米结构特征的涂层或薄膜。依据表面膜层奈圩橹峁梗哂心
7、擅捉峁固卣鞯谋砻婺憧煞治和耆擅捉峁雇坎愫筒糠帜擅捉峁梗?纳米复合）涂层；依据表面膜层的性能和应用，可以分为：结构涂层和功能膜层；依据表面膜层的尺度，可以分为：纳米薄膜和宏观纳米结构涂层（厚度在微米甚至毫米量级）。支撑纳米表面工程的关键技术主要包括纳米热喷涂技术、纳米电刷镀技术、纳米减摩自修复添加剂技术、纳米固体润滑干膜技术、表面粘接剂技术、金属材料表面自身纳米化、纳米涂装等几项先进技术6。目前这几项纳米表面工程技术虽然已进入实用化阶段，但是仍处于纳米科技的初级阶段。纳米表面工程方兴未艾，许多深层次的理论问题也有待探讨，具有广阔的研究和应用空间，只有通过不断的科技创新，才能发展完善表面工程的新技
8、术。2. 再制造工程的内涵及在新世纪发展中的地位在工业发达国家中，废弃产品数量大，造成的危害暴露较早，因而在循环利用和保护环境方面较早地提出了相应对策。法国政府数年前就颁布法律规定，欧盟要求厂家对其产品在每个环节上对环境造成的影响负责，相关垃圾的回收和处理费用也由厂家承担。日本政府则制定政策，要求制造商、零售商和消费者分担产品回收费用：消费者出回收费、零售商负责收集、制造商实际上要对60%的废旧产品进行回收利用。日本的环保商品购买法规定：国家和地方政府应率先购买和使用有利于保护环境的商品，以此向社会提供环保商品信息。北美工程机械市场提高了进场交易的门槛，制造商在出售产品的同时，应在五年后拿出销
9、售额的50负责回收产品，制造商将面临回收产品的再制造问题。管理瑞士联合银行股本基金和生态事务的英格博格舒马赫在称赞日本丰田公司、索尼公司注重产品的环保性努力时，说过一番耐人寻味的话:“日本的公司意识到，对于他们来说处理环保问题是重要的。因为他们的顾客要求他们保护生态，否则就没有订单上门！”7。不环保，就没有订单；不注重“生态性”，就不能确保“赢利性”。为了自身利益着想，商家们都在积极寻找新的出路。“再制造”便是在这种权衡和企盼中，由美国政府率先推动，从工业发展的角度建立了带有循环经济色彩的“3R”体系（再利用、再制造、再循环）；日本从环境保护的角度制定了废旧物资利用的“3R”体系（减量化、再利
10、用、再循环）。我国颁布的“十一五”发展规划将循环经济的基本原则高度概括为：“减量化、再利用和资源化”8。2004年10月，在上海“世界工程师大会”上，全国政协副主席、中国工程院院长徐匡迪院士结合中国国情，创造性的提出了关于建设我国循环经济的“4R”工程（减量化Reduce，再利用Reuse，再循环Recycle，再制造Remanufacture），这就阐述了具有中国特色的循环经济模式9。产品从论证、设计、制造、使用、维修，直至报废的全过程所花费的费用称为全寿命周期费用。传统观念往往注重对占全寿命周期费用20-30的产品前半生(论证、设计、制造阶段)的研究，而却忽视了对占全寿命周期费用70-80
11、的产品后半生(使用、维修、报废阶段)的研究。再制造就是以产品后半生为研究对象，提升、改造废旧产品的性能，使废旧产品重获生命力。图1为再制造在产品全寿命周期中的位置。论证、设计、制造、使用、维修、再制造、再使用、再循环、报废、环保处理、原材料图1 再制造工程在装备全寿命周期的位置从广义的物资循环利用出发，再制造既可以划归为再利用，也可以划归为资源化。在物资的流程中，再利用界定为可直接利用或经简单处理即可利用，其主要特点是以极少的能源、材料和劳力投入即可再次使用。再循环应界定在通过金属回炉冶炼、塑料重融、纸张溶解、贵金属化学萃取等方式获得的原质材料或变质原材料，其特点是要消耗较多的能源和劳力投入，
12、得到的产品只是原材料。再制造是以废旧机电产品为对象，在保持零（部）件材质和形状基本不变的前提下，运用高技术进行修复、运用新的科技成果进行改造的过程。再制造虽然也要消耗部分能源、材料和一定的劳力投入，但是，它充分挖掘了蕴涵在成型零（部）件中的材料、能源和加工附加值，使经过再制造的产品性能达到或超过新品，而成本是新品的50%、节能60%、节材70%，环保显著改善10。若以节能、节材和保护环境的贡献大小为指标来比较，再制造不如再利用，但远远优于再循环。再制造和再循环都是以废旧机电产品为对象，通过加工变废为宝。因此作为循环经济“4R”原则中最活跃、最先进的要素之一，再制造得到了快速发展。再制造工程的研
13、究目前已引起我国政府的高度重视，2005年6月27日颁发的国务院文件国发200521号国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知中把“绿色再制造技术”列为“国家科技计划继续加大对节约资源和循环经济关键技术的攻关力度，组织开发和示范有重大推广意义”的技术之一。2005年7月5日颁发的国务院文件国发200522号国务院关于加快发展循环经济若干意见中指出国家将大力“支持废旧机电产品再制造”，把“绿色再制造技术”列为“国务院有关部门和地方各级人民政府有关部门要加大科技投入，支持循环经济共性和关键技术研究开发”的项目之一。3. 再制造工程中应用的（纳米）表面工程关键技术以纳米表面工程为代表的高新技术
14、，对再制造的发展具有显著的促进作用，尤其是用于再制造加工的纳米表面工程技术更是发挥了不可替代的作用。目前，再制造工程领域中应用较多的纳米表面工程关键技术包括以下几个部分：3.1 纳米热喷涂技术纳米热喷涂技术制备涂层可分为三类：单一纳米材料涂层体系；两种（或多种）纳米材料构成的复合涂层体系；添加纳米颗粒材料的复合体系。目前大部分的研究开发工作集中在第三类，即在传统涂覆层技术基础上，添加复合纳米材料，实现在较低成本情况下，显著提高涂覆层功能。由于纳米颗粒不能直接用于热喷涂，主要是因为其尺寸与质量太小，喷涂时既可能大量飞散损耗，也容易发生烧结。纳米热喷涂与普通热喷涂的喂料都是微米级的，但关键区别在于
15、，纳米热喷涂是由大量纳米颗粒重构后形成微米级喂料。图2为微米喂料的重构及纳米热喷涂的原理示意图。装备再制造技术国家重点实验室利用自行研制的高效能超音速等离子喷涂设备（HEPJ）对美国产Al2O3/TiO2纳米结构喂料进行喷涂制备了具有纳米结构的陶瓷喷涂层。图3(a)、(b)分别为其喷涂层中不同位置、不同放大倍数的透射电镜照片，可见其涂层主要由亚微米晶和纳米晶结构组成。表1为分别利用自行研制的高效能超音速等离子喷涂设备（HEPJ）和美国产的通用等离子喷涂设备制备的纳米结构喷涂层的力学与摩擦学性能测试结果，可见由HEPJ制备的涂层性能明显优于由美国等离子喷涂设备制备的涂层。与传统喷涂粉末涂层相比，
16、结合强度提高2-3倍，耐磨性提高3倍。研究结果表明，采用热喷涂技术制备的纳米结构涂层性能优异，在一些贵重、关键零件的应用中具有良好前景。表1 两种喷涂方法所得纳米结构涂层的性能对比高效能超音速等离子喷涂美国产通用等离子喷涂显微硬度（HV0.05）1166713结合强度（MPa）29.411.4相对耐磨性1.121(a)亚微米晶的透射组织 (b)纳米晶的透射组织图3 纳米热喷涂层的透射组织及选区电子衍射纳米热喷涂技术已被美国海军用于失效零件的修复，其中纳米TiO2涂层具有杀菌、消毒作用，同时涂在舰船上可以防止海洋生物附着、繁殖，在舰船上具有重要的应用价值。目前，我国也在积极进行实践研究，未来几年
