1簡介
工件的失效通常是由工件表面的損傷引起的。改善材料表面和近表面的形貌、化學成分、顯微組織和性能，是提高工件質量、延長其使用壽命和避免失效的有效而經濟的手段。表面工程是經過預處理後，通過各種表面技術的表面改性、表面塗層或復合處理，改善材料的表面形貌、化學成分、微觀結構和性能，以獲得所需表面性能的系統工程。
表面工程是以“表面”和“界面”為研究核心，在相關學科理論的基礎上，根據材料表面的失效機理，應用各種表面工程和復合表面工程技術來改善材料性能的壹門科學。其內容包括表面工程基礎理論、表面技術和復合表面技術、表面加工技術、表面檢測與控制技術和表面設計，其中表面技術和復合表面技術是表面工程的技術基礎和核心。
表面技術和復合表面技術綜合了電子、真空、等離子、物理、化學、冶金、材料等技術，將材料的表面和基體視為壹個統壹的整體來改善材料的性能或獲得新的材料。常用的表面技術可分為表面改性技術、表面塗層技術和復合表面技術。
2表面改性技術
表面改性技術不改變原表面的宏觀幾何尺寸，只是改變表面的物理和化學性質。表面改性技術有兩種方式:壹種是改變工件表面的化學成分，包括化學熱處理和離子註入；另壹種是不改變工件表面的化學成分，只是改變表面微觀組織狀態，包括表面形變強化、表面相變強化等。
2.1化學熱處理
化學熱處理是將工件置於壹定溫度的活性介質中保溫，使壹種或多種元素滲入其表面，從而改善表面的化學成分、顯微組織和性能。化學熱處理可提高工件的表面強度、硬度、耐磨性等性能，同時仍保持其心部良好的強度和韌性，使產品具有更高的綜合機械性能；化學熱處理還能明顯改善工件表面的理化性能。
常用的化學熱處理包括滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、滲矽、滲鋁、滲鉻、滲鋅、滲釩、碳氮共滲、硫碳共滲和其他多元素滲碳。根據化學熱處理所用的介質，可分為固體浸滲、液體浸滲、氣體浸滲、鹽浴浸滲、真空浸滲和等離子體化學熱處理。滲碳、滲氮、碳氮共滲等。能提高工件的表面硬度、耐磨性和疲勞強度，而滲硫、滲硫、氮氧化、氮氧化等工藝能顯著提高工件的減摩性、耐磨性和抗咬合性。
化學熱處理的種類和工藝方法很多。隨著工件表面性能的提高，原有的合金化體系和處理方法已不能完全滿足不同工況下的服役條件要求，多元共滲和復合處理的應用越來越廣泛。各種新技術手段的出現，為化學熱處理提供了新的能量，等離子體化學熱處理、激光表面合金化、電子束表面合金化等已在工業上得到應用。
2.2離子註入
離子註入的原理是將壹種元素的原子電離成離子，在高壓電場的作用下加速，然後高速入射到固體表面。入射離子與材料中的原子或分子發生壹系列物理和化學作用，逐漸失去能量並最終留在材料中，引起材料表面組成和結構的變化，優化材料的表面性能或獲得壹些新的優異性能。
離子註入顯著提高工件的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、耐腐蝕性、抗氧化性等理化性能，應用於工具、模具、精密耐磨件、耐腐蝕件、醫學和微電子等領域。
2.3表面變形強化
表面形變強化的原理是利用機械方法使材料表面產生強烈的塑性變形，在表面產生壹定厚度的冷加工硬化層，並產生殘余壓應力，以提高表面的抗疲勞和耐腐蝕性能。表面變形的方法包括噴丸、滾壓、擠壓、超聲波沖擊等。
2.4表面相變強化
表面相變強化是通過對工件表面進行熱處理，在不改變表層化學成分的情況下，改變材料顯微組織和性能的熱處理工藝。其工藝原理是利用電磁感應、火焰、激光、電子束等加熱方法將工件表面快速加熱到相變臨界點以上，使表面材料轉變為細小的奧氏體組織，而心部材料仍在相變臨界點以下，保持原有組織；然後通過工件中心或外部的快速冷卻使表層淬火，獲得細小的馬氏體組織，提高了工件的表面硬度和耐磨性，而工件中心仍保持原有的強韌性好的特點。
表面相變硬化包括感應加熱表面硬化、火焰加熱表面硬化、電子束表面硬化、激光表面相變硬化和高能密度束表面硬化等。，常用於齒輪、軸類工件、缸套、活塞等的表面強化。
3表面塗層技術
表面塗層技術是生長壹種與基體有明顯界面的新物質的過程，包括電鍍、化學鍍、熱噴塗、物理氣相沈積、化學氣相沈積、轉化塗層技術等。
3.1電鍍和化學鍍
3.1.1電鍍
電鍍是壹種用電化學方法在基體表面沈積金屬或合金的技術，它可以使均勻溶解在溶液中的金屬離子在溶液/基體的接觸表面得到電子，以還原成金屬原子沈積在基體表面，從而形成金屬或合金鍍層。
電鍍層包括單壹金屬層、合金層、復合層等。實用塗層通常由各種單壹金屬塗層或不同性能的塗層相互配合形成綜合性能優異的復合塗層。電鍍層主要用於提高工件的耐腐蝕性、裝飾性、耐磨性等功能。
3.1.2刷鍍
電刷鍍技術采用特殊的DC電源，其正極接電刷鍍筆，負極接工件；電刷鍍筆通常采用高純度的細石墨塊作為陽極材料，石墨塊外包裹棉花和耐磨的滌棉套管。刷鍍時，浸在鍍液中的毛筆在適當的壓力下，以壹定的速度在工件表面移動。在電刷鍍筆接觸工件的那些部位，鍍液中的金屬離子在電場力的作用下擴散到工件表面，還原成金屬原子，沈積在工件表面形成鍍層。
刷鍍不需要鍍液，體積小，重量輕，易於現場使用，沈積速率高。廣泛應用於修復磨損工件、修補超差產品、強化工件表面、提高工件耐腐蝕性、降低工件摩擦系數、裝飾等領域。
3.1.3化學鍍
化學鍍是用溶液中的還原劑將金屬離子還原沈積在工件表面的過程。常用的化學鍍工藝包括化學鍍鎳、化學鍍銅和復合化學鍍。化學鍍可在復雜工件表面獲得致密性好、耐蝕性好、硬度高的均勻鍍層，可顯著提高工件的耐磨性、耐蝕性、裝飾性等理化性能，廣泛應用於石油化工、電子、汽車、機械等領域。
3.2熱噴塗
熱噴塗技術是利用壹定的熱源將噴塗材料加熱到熔融或半熔融狀態，並以壹定的速度噴射沈積在經過預處理的基體表面形成塗層，從而達到賦予基體表面特殊功能的目的。熱噴塗塗層的形成過程壹般經歷四個階段:噴塗材料的加熱熔化階段、霧化階段、飛行階段和碰撞沈積階段。根據所用熱源的不同，熱噴塗主要分為火焰噴塗、電弧噴塗、等離子噴塗和激光噴塗。
火焰噴塗是利用燃料氣體或液體與助燃氣體按壹定比例混合燃燒產生的熱量加熱熔化噴塗材料，然後以壹定的速度噴塗在工件表面形成塗層。初始噴塗材料可以是粉末狀、棒狀、芯線狀或線狀。它包括金屬絲火焰噴塗、陶瓷棒火焰噴塗、粉末火焰噴塗、高速火焰噴塗和粉末火焰噴焊。
電弧噴塗使用噴塗材料的兩根金屬絲作為自耗電極。當兩根金屬絲短路引燃電弧時，電極材料被電弧的高溫熔化並噴塗在工件表面形成塗層，後續金屬絲不斷送進補充熔化部分，維持電弧的穩定燃燒。
等離子噴塗是將噴塗粉末送入等離子火焰中加熱至熔化或半熔化，然後以壹定速度噴塗到工件表面形成塗層的熱噴塗工藝。它具有火焰溫度高、可控性好、熔融顆粒飛行速度快等優點，可用於等離子噴塗的材料包括目前所有可制成粉末的材料。等離子噴塗包括大氣等離子噴塗、受控大氣等離子噴塗、低壓等離子噴塗和等離子噴焊。
通過選擇不同的塗層材料和工藝方法，熱噴塗可以制備減摩、耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化、熱障功能、催化功能、生物相容性和遠紅外輻射的塗層。熱噴塗廣泛應用於機械、交通、石油化工、航空航天、冶金、能源、國防等領域，用於改善工件表面性能，修復磨損和腐蝕的工件。
3.3物理氣相沈積
物理氣相沈積(PVD)是通過使用壹些物理過程，例如材料的熱蒸發或濺射，將原子從源材料可控轉移到襯底表面的過程。物理氣相沈積的主要特點是:①沈積過程中需要使用固體或熔融物質作為源物質；②源物質通過物理過程進入氣相；③需要相對較低的氣壓環境。常見的物理氣相沈積工藝可分為真空蒸發、濺射和離子鍍。
3.3.1真空蒸發
真空蒸發是利用壹定的熱源在真空條件下加熱源材料，使其氣化形成具有壹定蒸氣壓的蒸汽，蒸汽粒子流直接射向襯底，在襯底表面結晶形成薄膜。真空蒸發的物理過程包括:各種能源轉化為熱能使源材料氣化，蒸氣粒子被輸送到襯底表面，氣態粒子在襯底表面凝結成核，生長成固體薄膜，組成薄膜的原子發生重排或化學鍵合。
源材料真空蒸發過程的加熱方法包括電阻加熱、電子束加熱、感應加熱、電弧加熱和激光加熱。真空蒸發可以制備純金屬薄膜、合金薄膜和化合物薄膜，具有沈積速率高、真空度高、薄膜質量好的優點。但是，也存在壹些問題，例如密度低和與基板的結合強度差。
真空蒸發被廣泛使用。在包裝材料表面蒸鍍鋁膜是其最大的應用領域。此外，在制備光學薄膜、裝飾薄膜、導電薄膜等領域也占有壹定的地位。
濺射
濺射技術是用電場加速的帶電離子轟擊被濺射的靶電極。當離子能量合適時，入射離子會在與靶面原子碰撞的過程中濺射出來。具有壹定動能的濺射原子以壹定方向射向襯底，在襯底表面形成薄膜。
主要的濺射方法包括DC濺射、射頻濺射、磁控濺射、離子束濺射、反應濺射等。這些方法與不同的偏壓施加方法相結合，也可以將幾種方法相結合，例如射頻濺射、磁控濺射和反應濺射相結合，形成反應射頻測控濺射。
DC濺射
二極管DC濺射使用濺射的材料作為陰極，並向作為陽極的基底施加數千伏的電壓。將系統抽至高真空後，充入適當壓力的惰性氣體，在正負電極之間的高壓下，大量氣體原子被電離；在電離過程中，Ar原子被電離成Ar+和電子。帶正電的Ar+被高壓電場加速，高速飛向作為陰極的靶材。在與靶的碰撞過程中，大量的靶原子獲得相當高的能量並擺脫靶的束縛，高能靶原子飛向基底表面形成薄膜。
二極管DC濺射裝置簡單，適用於濺射金屬靶和半導體靶，但由於放電電壓高，襯底溫度高，陰極靶電流低，濺射速率低，容易損壞，所以不能在高真空下濺射。為了避免二極管DC濺射的缺點，在二極管濺射裝置中引入加熱燈絲陰極，利用熱電子發射來增強濺射氣體的電離，從而降低濺射氣體的壓強和濺射電壓，增大放電電流，使其能夠獨立控制。
3.3.2.2射頻濺射
DC濺射沈積薄膜要求靶材具有良好的導電性，不適合用導電性差的非金屬靶材制備薄膜。如果在兩個電極之間施加交流電，當交流電的頻率超過50kHz時，在兩個電極之間振蕩的電子可以從高頻電場中獲得足夠的能量，使氣體分子電離，從而可以在比雙極濺射所需氣壓低壹個數量級的氣壓下進行濺射。此外，高頻電場可以通過其他阻抗形式耦合到沈積室內，從而擺脫電極為導體的限制。射頻濺射不僅可以濺射金屬靶，也可以濺射電介質靶。射頻濺射多采用13.56MHz。
3.3.2.3磁控濺射
為了提高二極管濺射的濺射率，減少二次電子對襯底的不利影響，在二極管濺射的陰極靶面上建立壹個環形閉合磁場，平行於靶面的磁場分量和垂直於靶面的電場形成壹個電子俘獲阱，用於囚禁二次電子。從靶表面產生的二次電子在陰極電位降區被加速以獲得能量並變成高能電子。當它們落入正交電磁場的電子陷阱時，不能被陽極直接吸收，而是在正交電磁場中做回旋運動，大大增加了二次電子到達陽極前的行程，增加了與濺射氣體的碰撞幾率，提高了濺射電流和濺射速率。另外，磁控濺射裝置的陽極在陰極附近，襯底不在陽極上，顯著抑制了二次電子對襯底的轟擊。
常用的磁控濺射靶形式有平面磁控濺射靶、圓柱形磁控濺射靶和S槍磁控濺射靶。最初的磁控濺射是將磁場封閉在靶面附近，工件附近的等離子體密度很低，對薄膜沈積的幹預作用不明顯。為了通過適當能量的高密度離子流轟擊基片來提高薄膜質量，研制了非平衡磁控濺射設備，其特點是通過增加雜散磁場將等離子體範圍擴大到基片，通過離子轟擊幹擾薄膜的沈積過程，從而提高薄膜的性能。
3.3.2.4反應濺射
利用該化合物作為靶材可以實現濺射，但在某些情況下，該化合物在濺射過程中會發生分解，導致沈積薄膜的化學成分與靶材有很大差異。解決這個問題的壹種方法是通過調節濺射室中的氣體成分和壓力來限制化合物的分解過程。此外，還可以在濺射氣體中摻入適量的活性氣體，在濺射和沈積的同時發生化學反應，生成特定的化合物，從而完成從濺射到反應再到沈積的過程。這種濺射過程被稱為反應濺射。
反應濺射制備的薄膜純度高，成分可控性好，沈積溫度低，對基底限制少，適合大面積均勻鍍膜和工業化生產；但在制備高阻介質薄膜時，如果反應氣體壓力過高，會導致靶材中毒、電弧放電和陽極消失，使濺射過程不穩定，薄膜質量下降。為了避免這些不利影響，有必要改變電源模式和反應氣體的氣體供應模式。可選擇的供電方式有自動滅弧電源、不對稱脈沖濺射電源和中頻交流電源。反應氣體的供應方式有柵柵分區供氣、脈沖進氣等。
3.3.2.5中頻磁控濺射
中頻磁控濺射通常采用雙靶結構，將交流電源連接到兩個靶上。在負半周期時，第壹個靶被正離子轟擊，另壹個靶用作陽極。當處於正半周期時，第壹個靶成為陽極，此時等離子體中的電子被加速到達靶表面，中和靶表面絕緣部分積累的正電荷，而另壹個靶作為陰極被濺射。當交流電的頻率達到壹定值時，兩個靶互為陽極和陰極，可以消除電弧和陽極消失，保證濺射過程的穩定性。常用的供電方式有對稱供電、正弦波、帶自匹配網絡的40kHz交流供電。
中頻磁控濺射靶采用非平衡磁場，增強了等離子體對薄膜沈積過程的幹擾作用；采用優化的反應氣體供應方式，可以進壹步提高濺射過程的穩定性，是制備各種導電性差的高性能薄膜的理想方法。已經開發了許多功能膜，包括類金剛石碳(DLC)膜。
DLC膜是具有包含sp2和sp3鍵的空間網絡結構的無定形碳膜。它具有許多類似金剛石的性質，沈積溫度低，表面光滑，工藝成熟。在許多應用領域優於金剛石薄膜。目前廣泛應用於工具、模具、精密耐磨件、揚聲器、光盤、光學減反射和保護膜、場發射平板顯示器件、太陽能電池、醫藥等領域。
3.3.2.6濺射鍍膜的應用
濺射鍍膜可以制備純金屬薄膜、合金薄膜和化合物薄膜，廣泛應用於機械、電子工業、太陽能利用、光學、裝飾、化工、軍事、生物醫學等領域。
離子鍍
離子鍍是在真空蒸發和濺射技術基礎上發展起來的壹種新型鍍膜技術。離子鍍是在真空下通過氣體放電使氣體或蒸發物質部分電離，在工作氣體離子或蒸發物質的離子轟擊下，將蒸發物質或其反應物沈積在基片表面的過程。等離子體的活性降低了化合物的合成溫度，離子轟擊可以提高薄膜的致密度、微觀結構和與基底的結合強度。
離子鍍可分為DC雙極離子鍍、三極離子鍍、多陰極離子鍍、射頻離子鍍、空心陰極離子鍍、熱絲電弧離子鍍、真空陰極離子鍍和磁控濺射離子鍍。
DC雙極離子鍍
DC雙極離子鍍在蒸發源和工件之間施加DC電壓，工件為負電極；工作氣體和蒸發物質通過兩電極間的輝光放電電離，形成的離子被靠近基片的陰極電位降區加速，高速轟擊基片表面幹擾薄膜的沈積。
3.3.3.2三極和多陰極離子鍍
DC雙極離子鍍電離率低，難以激發和維持輝光放電。為了克服這些缺點，在蒸發源和襯底之間增加了電子發射器和電子收集器，將高溫燈絲發射的大量電子引入等離子體區域，增加了與蒸發粒子的碰撞幾率，提高了電離率。這種離子鍍工藝被稱為三極離子鍍。有時為了進壹步提高電離率，在DC雙極離子鍍設備中引入多個電子發射體，稱為多陰極離子鍍。
3.3.3.3射頻離子鍍
射頻離子鍍是通過在基片和蒸發源之間設置高頻感應線圈，增強工作氣體和蒸發物質的電離，從而獨立控制蒸發、電離和加速三個過程的離子鍍工藝。該方法電離率高，可在高真空下沈積，易於進行反應離子鍍。
3.3.3.4空心陰極離子鍍
高熔點金屬鉭(或鎢)管用作陰極，坩堝用作陽極。設備抽至高真空後，從鉭管向真空室中通入氬氣，開啟引弧電源點燃氣體，產生陰極輝光放電。由於空心陰極效應，空心鉭管中的電流密度非常高。大量Ar+轟擊鉭管管壁使其溫度升至2000K K以上，鉭管發射大量熱電子將輝光放電轉化為電弧放電，高密度的電子轟擊使坩堝內的物質蒸發。在向坩堝移動的過程中，電子不斷與氬氣和蒸發的物質碰撞，使其電離。當對襯底施加壹定的負偏壓時，在薄膜沈積過程中，大量離子將轟擊襯底表面。空心陰極離子鍍電離率高，卷繞性能好，可用於金屬膜、合金膜和化合物膜。
3.3.3.5熱絲電弧離子鍍
熱陰極離子槍室安裝在熱絲電弧離子鍍設備的頂部。熱陰極由難熔金屬絲制成，通電加熱到高溫放出大量熱電子，大量熱電子在熱陰極離子槍室內與氬氣碰撞產生電弧放電，產生高密度等離子體。相對於熱陰極帶正電的輔助陽極或坩堝設置在熱陰極的離子槍室和鍍膜室的下部。離子槍室內等離子體的電子被引入鍍膜室內，在沈積空間形成穩定的、高密度的低能電子束，起到蒸發源和電離源的作用。熱絲電弧離子鍍的特點是壹弧多用。熱陰極離子槍不僅是蒸發源，也是被蒸發物質的電離源、基片的加熱源和轟擊凈化源。它具有較高的金屬電離率、較高的等離子體密度和較好的薄膜質量，適用於沈積TiN、TiCN、TiAlN、類金剛石碳(DLC)和金剛石等薄膜。TiN膜是目前最成熟的保護膜體系，具有良好的硬度、韌性和化學穩定性，廣泛應用於建築材料、裝飾材料、工具材料、聲學材料等領域。通過合金化和多層化可以進壹步提高TiN薄膜的性能。
3.3.3.6真空陰極電弧離子鍍
真空陰極弧離子鍍是利用陰極弧直接蒸發並高度電離被鍍材料(金屬粒子電離率達到75% ~ 95%)。在工件的偏壓下，高度離子化的粒子以高能量沈積在工件表面，形成固體薄膜。反應離子鍍可以通過將反應氣體引入沈積氣氛中以產生化合物膜來進行。
真空陰極電弧沈積技術可以制備各種金屬薄膜、合金薄膜、化合物薄膜、多層薄膜和復合膜等。，特別適用於工具、模具、耐磨件的保護膜。此外，還適用於制備耐腐蝕的高檔裝飾塗料，已廣泛應用於國防、機械、化工、輕工、紡織、日用五金等領域。
3.3.3.7磁控濺射離子鍍
磁控濺射離子鍍是壹種結合了磁控濺射和離子鍍的鍍膜技術。不同於普通的磁控濺射離子鍍，通過對基片施加負偏壓來調制到達基片表面的離子能量，既實現了磁控靶的穩定濺射，又實現了薄膜沈積過程中高能靶離子的幹涉。
磁控濺射離子鍍可以制備金屬薄膜、合金薄膜和化合物薄膜，廣泛應用於硬質薄膜、耐腐蝕薄膜、裝飾薄膜、光學薄膜、微電子薄膜、醫用薄膜等領域。
3.4化學氣相沈積
化學氣相沈積(CVD)是壹種使用氣態前體反應物，通過原子和分子在固體表面的化學反應生成固體薄膜的工藝。它分解混合氣體中的某些成分，通過混合氣體與基體表面的相互作用，在基體表面形成金屬、合金或化合物薄膜。
從反應動力學的角度來看，為了實現沈積反應，初始混合氣體與固體表面相互作用以及沈積反應的過程中必須有壹定的活化能。根據活化方式的不同，化學氣相沈積可分為熱化學氣相沈積、等離子體輔助化學氣相沈積(PACVD)、激光輔助化學氣相沈積(LCVD)、金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)等。
熱化學氣相沈積(CVD)是在壹定溫度下，混合氣體與表面相互作用形成的壹種薄膜。設備簡單，重復性好，膜基結合強度高。然而，沈積溫度高，並且基底的選擇受到限制。主要用於在硬質合金或陶瓷刀具上制備硬質薄膜。
PACVD依靠等離子體的能量來激活氣體在固體表面的化學反應，在電子工業中已經得到了廣泛的應用，在工具、模具、耐磨件表面沈積保護膜方面的應用也越來越多。
LCVD是壹種激光誘導和促進的化學氣相沈積過程，其沈積過程是激光與反應氣體或襯底表面相互作用的過程，在制備太陽能電池、集成電路、特殊功能薄膜、光學薄膜、硬質薄膜和超硬薄膜等方面有重要應用。
用有機金屬化合物代替無機化學氣相反應前體可以顯著降低化學氣相反應的溫度。MOCVD可以低溫沈積各種無機材料，廣泛應用於微波和光電器件、先進激光器等。
3.5轉化塗層技術
將鋁合金材料放入電解液中作為陽極，通過電解可在其表面形成轉化膜，提高表面硬度和耐蝕性。鋁合金表面經硬質陽極氧化處理後，可形成厚度為30 ~ 50 μm、硬度約為Hv500的膜，具有優異的耐腐蝕磨損性、絕緣性、化學穩定性和吸附性。陽極氧化處理適用於缸套、活塞、齒輪、葉輪、導軌、軸承和模具工程部件。此外，它還是基膜的良好塗層。
4復合表面技術
單面技術在實際應用中往往存在壹定的局限性，不能滿足服役條件所要求的更高的性能要求。這就需要結合各種表面處理技術，揚長避短，顯著提高工件的表面性能。這種方法被稱為復合表面技術。例如，為了提高氣相沈積膜和基底之間的結合強度，通常在沈積膜之前對基底進行化學熱處理，以獲得厚的高硬度過渡層。熱噴塗和激光重熔的結合降低了塗層的內應力，提高了塗層與基體的致密性和結合強度。離子束輔助沈積是通過將離子註入與蒸發或濺射技術相結合而發展起來的，它顯著改善了薄膜的性能。
5結論
表面技術作為提高工件性能的壹種有效而經濟的手段，得到了迅速發展和廣泛應用。目前已開發出多種先進的表面技術和表面材料，為國民經濟的發展做出了重要貢獻。然而，隨著工件服役條件的日益惡化，傳統的表面技術和表面材料已不能滿足工業提出的日益苛刻的要求，這就要求不斷發展新的表面技術和表面材料；從材料設計、表面工藝設備和技術、使用條件等方面。將基體、表面和環境作為壹個系統，結合各種表面技術，進壹步提高工件的表面性能。
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