河北 省科學技術進步獎推薦書

1、河北省科學技術進步獎推薦書（ 2014 年度）一、項目基本情況專業(yè)評審組：鋼鐵組項目類別：技術開發(fā)類項目名稱反應電火花沉積金屬陶瓷復合涂層制備技術主要完成人郝建軍,趙建國,李建昌,卜志國,馬躍進,樊云飛,陳志強,劉洪杰,王希望主要完成單位（蓋章）河北農(nóng)業(yè)大學推薦單位或推薦專家（蓋章）保定市科技局項目保密情況非密學科分類名稱1金屬基復合材料代碼43052002焊接工藝與設備代碼46026303金屬表面處理工藝代碼4602645所屬科學技術領域430-材料科學技術（按一級學科選擇）所屬國民經(jīng)濟行業(yè)制造業(yè)本項目涉及主要計劃課題（含基金）列表任務下達單位項目名稱課題編號起止年限經(jīng)費驗收（鑒定）時間科技

2、報告編號河北省自然科學基金反應電火花沉積合成tin金屬基陶瓷涂層方法及機理e20070005663年6.22010-08-07河北省自然科學基金隨焊錘擊控制參數(shù)及應力消除機理研究e20060005283年6.22009-03-27橫向課題大厚度反應電火花沉積tin/fe復合涂層制備技術hpdl200903jc3年102013-05-02授權發(fā)明專利（項數(shù)）1授權其他知識產(chǎn)權（項數(shù)）2項目投入總經(jīng)費（萬元）22.40項目起止時間起始2006-01-01完成2013-05-02 河北省科學技術廳成果與市場處制二、項目簡介（限1200字）1.主要技術內(nèi)容及經(jīng)濟指標針對傳統(tǒng)電火花沉積技術在制備金屬陶瓷

3、涂層時普遍存在的涂層厚度小、孔隙率大、內(nèi)應力高、沉積效率低、表面粗糙等問題，利用反應電火花沉積技術，對大厚度tin、ticn金屬陶瓷復合涂層進行了研究，主要內(nèi)容如下： （1）提出并研究開發(fā)了一種新的反應涂層制備技術反應電火花沉積技術（發(fā)明專利200610012842.4）。該技術以高純氮氣作保護氣體和反應氣體，利用dz-400型電火花沉積設備和自制的“參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊裝置（實用新型專利 200420016413.0）”，在自制的 “電火花沉積充氣密閉式氣體保護及供給裝置（實用新型專利200620024726.x）”中，利用自創(chuàng)的“二步法”沉積工藝，成功制備了大厚度tin、ticn金屬陶瓷復合

4、涂層。（2）項目揭示反應電火花沉積金屬陶瓷復合涂層的形成機制，研究了反應電火花沉積工藝參數(shù)對涂層組織結構、物相、化學組分及涂層摩擦學性能的影響規(guī)律與機制，揭示了涂層的形成機理及耐磨機制，研究了錘擊參數(shù)對涂層應力的影響規(guī)律。（3）利用該項目解決了目前tin、ticn金屬陶瓷復合涂層制備方法存在的如下問題：氣相沉積法制備的涂層厚度小、設備昂貴及工作環(huán)境要求特殊，工作過程中產(chǎn)生鹵化物氣體對設備、環(huán)境污染較大；激光熔覆、激光表面合金化雖然可獲得厚度較大的涂層，但涂層應力大易出現(xiàn)裂紋，且激光器購買和維護費用較高；等離子噴涂涂層孔隙率較高，涂層與基體結合強度低，設備造價高；傳統(tǒng)電火花沉積涂層易氧化、涂層粗

5、糙、厚度小、應力大、沉積效率低及電極制備成本高。（4）通過工藝參數(shù)優(yōu)化，獲得了能指導實踐生產(chǎn)的電火花沉積金屬陶瓷復合涂層工藝規(guī)范：放電電容80f，工作電壓100v，沉積頻率700hz，氮氣流量10l/min，比沉積時間3min/cm2，錘擊頻率4hz，錘擊力500n。（5）反應電火花沉積制備的tin、ticn金屬陶瓷復合涂層最大厚度為80m，顯微硬度為1467hv0.1，摩擦系數(shù)為0.60.75。耐磨性約為fe基體的79倍。 2.推廣應用及效益情況本項目開發(fā)的反應電火花沉積金屬陶瓷涂層制備技術，具有沉積效率高、涂層厚度大、涂層性能高、節(jié)約貴金屬、節(jié)省能源、無公害、低成本、操作簡便等顯著特點，項

6、目成果被濰坊豪強焊接技術有限公司、保定市紅鵬電力檢修有限公司、保定易通光伏科技有限公司采用并成功應用于軸、孔、齒、鍵、輪、輥、殼、閥、刮板、模具、缸體、電池印刷網(wǎng)版等的表面強化及修復再制造，近3年為項目應用企業(yè)新增利潤2051萬元，經(jīng)濟效益顯著。項目已獲授權的3項專利分別轉(zhuǎn)讓于保定蘭格恒流泵有限公司和保定市易通光伏科技有限公司，已為成果應用企業(yè)培訓技術人員120名。項目研發(fā)過程中，已在焊接學報、材料熱處理學報、稀有金屬材料與工程、china welding等期刊上發(fā)表論文25篇（其中sci收錄3篇、ei收錄22篇），已發(fā)論文被航空學報、材料導報、材料熱處理學報、材料開發(fā)與應用、中國表面工程等期

7、刊及西北工業(yè)大學、裝備再制造技術國防科技重點實驗室、重慶大學、南華大學、沈陽理工大學等單位他引45次。三、項目詳細內(nèi)容（限8頁）1、立項背景工業(yè)現(xiàn)代化和機械制造技術的持續(xù)快速發(fā)展，對機器零部件的可靠性及使用壽命提出了越來越高的要求，從而對材料的耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞等性能的要求也隨之提高。通常情況下，機械產(chǎn)品故障往往是由于個別零部件局部表面的磨損、腐蝕和疲勞裂紋等造成的，實踐表明，通過表面強化技術提高零件的表面性能或?qū)I(yè)已失效的零件進行表面修復具有重要的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。涂層表面技術是材料表面強化和修復的一種重要方法。tin、ticn金屬陶瓷材料因其高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等一

8、系列優(yōu)點，是目前制備抗磨和耐蝕零件表面涂層的理想材料。但目前常采用的tin、ticn金屬陶瓷復合涂層制備工藝（如氣相沉積、激光熔覆、激光表面合金化、堆焊、熱噴涂等）多存在制備效率低、涂層厚度小、工藝復雜、工作環(huán)境要求特殊以及設備成本和工藝成本高等不足。上述不足，極大限制了tin、ticn金屬陶瓷復合涂層在要求涂層厚度較大的場合（如表面嚴重失效零件的修復與再制造）的廣泛應用。近年來，兼有表面強化與防護、零件尺寸恢復等的電火花沉積技術在金屬表面強化與修復領域得到廣泛的應用。實踐表明，目前常用的電火花沉積金屬陶瓷復合涂層工藝存在以下幾個方面存在不足：（1）電極多采用以wc、tic、ticn、cr3c

9、2等為基，以ni或co等作粘結劑而制成的硬質(zhì)合金電極，因電極材料與金屬基體間熱脹系數(shù)差異大，涂層殘余應力大，過大的殘余應力致使涂層裂紋甚至剝落，從而使涂層厚度小、連續(xù)性差；（2）因電極生產(chǎn)一般都需制粉、成型、燒結、加工等過程，涂層制備成本高；（3）在惰性氣體（氬氣）電離氣氛中，火花放電形成的等離子體熱傳導性低，電極過渡為射流過渡，電極熔滴小，電極材料向基體的過渡量少，沉積效率低。由此可見，如何利用電火花沉積技術“高效率、低成本”制備“大厚度、高性能”的金屬陶瓷復合涂層，是使電火花沉積技術在零件表面強化或修復與再制造中得以廣泛應用必須解決的關鍵共性問題和瓶頸問題。2、科學技術內(nèi)容針對上述問題，本

10、項目將傳統(tǒng)的電火花沉積技術與反應合成技術相結合，研究開發(fā)了“低成本、高效率”制備尤其適用于零件修復與再制造的“大厚度、高性能” tin、ticn金屬陶瓷復合涂層反應合成制備技術反應電火花沉積技術，研制了“參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊裝置”和“電火花沉積充氣密閉式氣體保護及供給裝置”，旨在從根本上解決了傳統(tǒng)電火花沉積技術普遍存在的涂層易氧化、表面粗糙度大、厚度小、內(nèi)應力大、沉積效率低等問題，為電火花沉積大厚度、高性能金屬陶瓷復合涂層及其在零件表面強化或修復與再制造工程領域的廣泛應用奠定了理論和技術基礎。（1）技術思路隨著電火花沉積技術在零件表面強化、修復及再制造工程中的廣泛應用，研究和開發(fā)“大厚度、高性能

11、”金屬陶瓷復合涂層的反應電火花沉積制備技術，必將是一個的研究方向，而如何克服普通電火花沉積沉積效率低、制備成本高、涂層厚度小、涂層應力大等不足，是使電火花沉積技術得以更加廣泛應用亟待解決的問題。為此，本項目采用反應電火花沉積技術，以工業(yè)氮氣兼作反應氣和保護氣，以工業(yè)鈦絲（或石墨棒）為電極，利用dz400型電火花沉積設備在金屬基體表面低成本制備tin、ticn金屬陶瓷復合涂層；為避免沉積過程中涂層氧化，研制了電火花沉積充氣密閉式氣體保護及供給裝置；為了消除涂層增厚過程中產(chǎn)生的應力，防止涂層開裂或剝落，采用自行設計的參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊裝置對涂層進行邊沉積邊錘擊，以達到消除應力、細化晶粒、增加厚度、

12、提高涂層性能的目的。項目的先進性和創(chuàng)新性體現(xiàn)于：反應電火花沉積技術可使納米級陶瓷顆粒的合成和涂層的形成同步完成，不僅可省去繁瑣的電極制備工藝，降低涂層制備成本，而且還有以下顯著優(yōu)點：納米級陶瓷顆粒硬質(zhì)相在電火花沉積過程中原位反應合成，硬質(zhì)相顆粒細?。{米級）、分布均勻且界面潔凈，可大幅度提高涂層性能；在氮氣電離氣氛中，火花放電形成的等離子體熱傳導性高，電極過渡為大滴過渡，電極熔滴大，沉積效率高；電火花沉積過程中反應組元（電極鈦和保護氣體氮）自身的反應放熱不僅有利于氮元素在火花放電形成的微熔池內(nèi)均勻擴散，而且延長了微熔池的高溫保留時間，在使納米級陶瓷顆粒硬質(zhì)相合成量增加的同時使其分布更加均勻，從

13、而有利于形成組織致密均勻、連續(xù)性好、耐磨性高的涂層。另外，反應放熱增大了納米級陶瓷顆粒硬質(zhì)相/基體金屬體系的潤濕性，增強了基體金屬對納米級陶瓷顆粒硬質(zhì)相的包覆能力，加劇了基體金屬對硬質(zhì)相的鑲嵌和釘扎作用，有利于進一步提高涂層耐磨性。在反應電火花沉積過程中，使用電火花沉積充氣密閉式氣體保護及供給裝置和參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊裝置，可極大提高沉積效率和涂層性能。（2）技術方案利用電子掃描顯微鏡（sem）、透射電子顯微鏡（tem）、俄歇電子能譜儀（aes）、x射線衍射分析儀（xrd）、x 射線能譜分析（eds）、x射線應力分析儀、硬度儀、涂層測厚儀、摩擦磨損試驗機等測試分析儀器，著重圍繞涂層的工藝參數(shù)優(yōu)化

14、、tin、ticn強化相及涂層形成機制、涂層應力狀況、涂層組織結構及性能等開展系統(tǒng)研究。（3）研究內(nèi)容通過對tin形成的熱力學和動力學分析，揭示了反應電火花沉積金屬陶瓷復合涂層的形成機制。反應電火花沉積過程中，儲能電源通過電極以一定的頻率在電極和基體之間產(chǎn)生火花放電。火花放電釋放的能量在10-510-6秒內(nèi)使電極與基體接觸處達到500025000的高溫，高溫作用在使部分基體熔化形成微熔池（即沉積點）的同時將電極端部局部熔化形成熔滴甚至氣化，部分熔滴在火花放電形成的高壓作用下過渡（擴散）到微熔池，部分熔化（或熔融）的電極和基體材料在放電力的作用下產(chǎn)生飛濺；與此同時，部分保護氮氣被電離為高活性的氮

15、離子（n+及n-）和氮原子（n），氮離子、氮原子及未被電離的氮分子吸附在熔池液態(tài)金屬表面；伴隨著電極、基體的熔化（融）和保護氣體的電離，部分高活性的氮離子流通過擴散進入熔池；熔池內(nèi)及濺射區(qū)的熔融ti、電極氣化的ti與進入熔池或吸附在熔池表面的氮（氮離子、氮原子及未被電離的氮分子）發(fā)生化學反應形成氮化鈦，伴隨熔池的不斷形成與凝固，無數(shù)沉積點依次重熔交疊形成涂層，其物理模型如圖1所示。圖1 反應電火花沉積物理模型圖2 涂層斷面形貌利用金相顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察了單沉積點形貌、涂層表面和斷面形貌，建立了沉積點的“坑涌”模型，探討了涂層的形成特征和規(guī)律。由圖2涂層截面sem形貌可見，涂層與基體結合

16、帶并不在同一平面上，這說明在涂層形成過程中基體表面確有熔坑形成。同時還可發(fā)現(xiàn)涂層致密，這可說明反應電火花沉積tin復合涂層實際上是由無數(shù)沉積點之間相互融合重疊而形成，但每個沉積點之間并非簡單的機械結合，而是無數(shù)沉積點反復重熔交疊的結果。由圖3沉積點和涂層表面sem形貌（a）、（b）、（c）可見，沉積點中心為熔坑，周圍呈隆起，四周存在飛濺物。這一形貌特征的形成是由于熔坑的“坑涌”所致（其物理模型如圖4所示）。由圖3（d）涂層表面sem可見，涂層表面由無數(shù)密集的沉積點和放電凹坑構成，涂層呈金黃色桔皮狀形貌。理想配比的tin呈現(xiàn)為金黃色，與純金的顏色相似。涂層表面呈現(xiàn)金黃色顏色表明了涂層中有接近理想

17、配比的tin存在。圖3 沉積點和涂層表面sem形貌圖4 沉積點的“坑涌”模型 圖5單脈沖沉積點aes分析譜利用phi-700型俄歇電子能譜儀（aes）和和xps分峰處理軟件xps-speak，分析了涂層的化學成分組成。在沉積點位置上，沿液態(tài)金屬濺射最強的方向由中心到邊緣選區(qū)作俄歇電子能譜檢測，aes分析譜和沉積點ti、n元素aes分析譜如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可見，涂層中確實存在n元素，也即表明涂層中含有tin。不同選區(qū)的元素原子數(shù)百分比計算結果表明，1、2、3選區(qū)的o原子數(shù)百分比逐漸增多，分析認為，這主要是由于沉積時金屬液體的飛濺使坑涌區(qū)和飛濺區(qū)部分金屬脫離氮氣保護而與空氣接觸被氧化所

18、致。圖6 沉積點ti、n元素aes分析譜圖7為涂層截面aes元素圖譜，不同選區(qū)的元素原子數(shù)百分比計算結果表明，由結合區(qū)到涂層表層均含有tin，且越接近涂層表面，tin含量越高。圖7 涂層截面aes元素圖譜利用d/max-ra型x射線衍射儀和xps分峰處理軟件xps-speak，分析了沉積工藝參數(shù)（放電電容、工作電壓、沉積頻率、氮氣流量）對涂層物相組成及質(zhì)量分數(shù)、tin的平均晶粒尺寸的影響。不同沉積工藝參數(shù)下，涂層的xrd譜分別如圖8圖11所示。分析表明，涂層中tin的質(zhì)量分數(shù)最高可達87.1%，tin晶粒的最小尺寸約為20.8nm。利用硬度儀、磨損試驗機測試了涂層的硬度和摩擦系數(shù)，對比了涂層與

19、基體的耐磨性，分析了沉積工藝參數(shù)對涂層耐磨性的影響規(guī)律。結果表明，涂層硬度較高（最大可達1388hv0.1），約是基體的6倍以上；涂層摩擦系數(shù)介于0.60.75之間；干摩擦狀態(tài)下，涂層耐磨性約是基體的7倍，而水潤滑狀態(tài)下，約是基體的的9倍多。如圖1214所示。圖8 不同放電電容條件下涂層的xrd譜圖9不同工作電壓下涂層的xrd譜圖10 不同沉積頻率條件下涂層的xrd譜圖11不同氮氣流量條件下涂層的xrd譜圖12試樣截面顯微硬度壓痕形貌 圖13 涂層顯微硬度分布曲線 圖14 涂層摩擦系數(shù)曲線優(yōu)化了工藝參數(shù)對涂層厚度、涂層物相、涂層表面粗糙度、涂層性能等的影響。結果表明，為獲得厚度大、表面光潔、耐

20、磨性優(yōu)良的涂層，工藝參數(shù)可選擇為：放電電容80f，工作電壓100v，沉積頻率700hz，氮氣流量10l/min，比沉積時間3min/cm2。另外，在反應電火花沉積實際操作中，可采取“二步沉積法”（先大電壓后小電壓）來獲得厚度合適、表面光潔的涂層。研制了電火花沉積充氣密閉式氣體保護和供給裝置，如圖15所示。利用該裝置不僅可有效避免涂層中氧化物的形成，從而增大涂層的內(nèi)聚強度，而且對增加涂層厚度、提高涂層致密性、減小涂層內(nèi)應力等具有積極有效的作用，為反應電火花沉積大厚度、高性能金屬陶瓷復合涂層提供了技術保證。1-氣源 2-導氣管 3-氣缸 4、12-活塞 5-工件 6-工作臺 7-氣體輸入通道 8-

21、工作臺縱向調(diào)節(jié)螺旋機構9-陰極接線柱 10-安全閥 11-電纜 13-電火花沉積電源 14-沉積槍橫向調(diào)節(jié)螺旋機構 15-沉積層16-沉積槍高度調(diào)節(jié)螺旋機構 17-沉積槍 18-陽極接線柱 19-氣壓表 20-電極 21-工作室 22-活塞調(diào)節(jié)螺旋機構 23-閥門圖15電火花沉積充氣密閉式保護裝置結構示意圖研制了參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊處理裝置，如圖16所示。該裝置以stc12c5a60s2單片機為核心，利用nh412a型非接觸式光纖傳感測溫儀對涂層跟蹤采集溫度，利用步進電機86byg450a作為驅(qū)動裝置。通過改變單片機定時器產(chǎn)生的脈沖信號頻率來改變電磁鐵通斷次數(shù)，實現(xiàn)錘擊頻率的調(diào)節(jié)；通過改變單片機

22、輸出pwm波的占空比來改變通過線圈的實際通電電壓，以實現(xiàn)錘擊力的調(diào)節(jié)。分析了錘擊工藝參數(shù)對涂層應力的影響，優(yōu)化了錘擊工藝參數(shù)（錘擊頻率4hz，錘擊力500n）。圖16 參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊裝置結構示意圖（3）創(chuàng)新成果【證明材料：1.1.11.1.8、2.1.1、2.5.2、2.5.3、3.1.13.1.4、3.3.13.3.3】目前常采用的tin、ticn金屬陶瓷復合涂層制備工藝多存在制備效率低、涂層厚度小、設備工藝復雜、工作環(huán)境要求特殊以及設備成本和工藝成本高等不足。如：氣相沉積制備的膜層?。?5m），且化學氣相沉積法的鹵化物氣體對設備、環(huán)境污染較大。物理氣相沉積法需要真空等離子系統(tǒng)以及蒸發(fā)源

23、，設備價格較高；而激光熔覆、激光表面合金化、堆焊、熱噴涂等方法雖然可獲得厚度較大的涂層，但激光熔覆與激光表面合金化涂層易出現(xiàn)裂紋且激光器購買和維護費用較高。堆焊層熱應力大、易開裂。熱噴涂涂層與基體結合強度低、涂層孔隙率較高。本項目開發(fā)的反應電火花沉積技術在有效克服上述tin、ticn金屬陶瓷復合涂層制備工藝中存在的諸多不足的同時，解決了傳統(tǒng)電火花沉積技術中涂層厚度小、沉積效率低、涂層內(nèi)應力大等問題，實現(xiàn)了“高效率、低成本”制備“大厚度、高性能”tin、ticn金屬陶瓷復合涂層。取得的創(chuàng)新成果如下：將電火花沉積與反應合成相結合，提出并研究開發(fā)了一種新的反應涂層制備技術反應電火花沉積技術，從根本上

24、解決了傳統(tǒng)tin、ticn金屬陶瓷復合涂層制備中普遍存在的工藝復雜、成本高、厚度小等問題，提高了金屬陶瓷復合涂層的制備效率和涂層的使用可靠性，拓展了電火花沉積技術的應用領域。電火花沉積充氣密閉式保護及供給裝置的設計，極大地避免了沉積過程中氧化物的形成，對增加涂層厚度、減小粗糙度、提高涂層內(nèi)聚強度等具有積極有效的作用，該裝置新穎的設計思路可為其它使用氣體保護的場合提供有益借鑒。首次提出并研究了隨焊錘擊工藝在電火花沉積涂層制備中的應用，解決了大厚度金屬陶瓷復合涂層制備過程中涂層應力大、易開裂、易剝落等瓶頸問題。研究了反應電火花沉積工藝參數(shù)對涂層質(zhì)量、涂層顯微結構、涂層性能等的影響機制和規(guī)律，揭示了

25、涂層的形成機理及耐磨機制，研究成果為反應電火花沉積技術制備其它高性能金屬陶瓷復合涂層奠定了一定的理論基礎和技術基礎。項目開發(fā)的tin、ticn金屬陶瓷涂層反應電火花沉積制備技術，具有沉積效率高、涂層厚度大、涂層性能高、節(jié)約貴金屬、節(jié)省能源、無公害、低成本、操作簡便等顯著特點，尤其適用于零件表面強化及失效零件的修復與再制造。項目研究成果對電火花沉積技術在零件表面強化或修復與再制造工程中的有效應用具有重要推動作用。（4）實施效果【證明材料：4.1.1、4.1.2、4.1.3】項目所及的3項專利技術已分別成功轉(zhuǎn)讓于保定蘭格恒流泵有限公司和保定市易通光伏科技有限公司。項目成果濰坊豪強焊接技術有限公司、

26、保定市紅鵬電力檢修有限公司、保定易通光伏科技有限公司采用并成功應用于軸、孔、齒、鍵、輪、泵、輥、殼、閥、柱塞、端蓋、刮板、錘頭、模具等零件的表面強化及修復再制造，近3年為項目應用企業(yè)新增利潤2051萬元，經(jīng)濟效益顯著。3、與當前國內(nèi)外同類技術主要參數(shù)、效益、市場競爭力的比較【證明材料：3.3.1、3.3.2、3.3.3】（1）首次提出并系統(tǒng)研究開發(fā)了一種新的金屬陶瓷復合涂層制備技術反應電火花沉積技術，開辟了電火花沉積大厚度金屬陶瓷復合涂層制備新途徑，豐富了表面工程和再制造工程的研究內(nèi)容。（2）與當前國內(nèi)外制備tin、ticn金屬陶瓷復合涂層同類研究相比，本項目具有涂層厚度大，制備效率高、制備成

27、本低、工藝簡單、節(jié)約貴金屬、節(jié)省能源、無公害等特點。涂層形成機理及耐磨機制的系統(tǒng)分析與研究，為大厚度金屬陶瓷復合涂層的制備及其在再制造工程領域中的成功應用奠定了理論和技術基礎。（3）與傳統(tǒng)電火花沉積技術相比，利用反應電火花沉積技術制備tin、ticn金屬陶瓷復合涂層，可使納米級tin、ticn陶瓷顆粒的合成和涂層的形成同步完成，不僅可省去繁瑣的tin、ticn電極制備工藝，降低涂層制備成本，而且還具有以下顯著優(yōu)點：納米級tin、ticn陶瓷顆粒硬質(zhì)相在電火花沉積過程中原位反應合成，硬質(zhì)相顆粒細小（納米級）、分布均勻且界面潔凈，可大幅度提高涂層性能；在氮氣電離氣氛中，火花放電形成的等離子體熱傳導

28、性高，電極過渡為大滴過渡，電極熔滴大，沉積效率高；電火花沉積過程中反應組元（電極鈦和保護氣體氮）自身的反應放熱不僅有利于氮元素在火花放電形成的微熔池內(nèi)均勻擴散，而且延長了微熔池的高溫保留時間，在使顆粒硬質(zhì)相合成量增加的同時使其分布更加均勻，從而有利于形成組織致密均勻、連續(xù)性好、耐磨性高的涂層。另外，反應放熱增大了納米級陶瓷顆粒硬質(zhì)相/基體金屬體系的潤濕性，增強了基體金屬對納米級陶瓷顆粒硬質(zhì)相的包覆能力，加劇了基體金屬對硬質(zhì)相的鑲嵌和釘扎作用，有利于進一步提高涂層耐磨性。（4）首次將隨焊錘擊工藝應用于反應電火花沉積制備金屬陶瓷復合涂層中，可有效解決電火花沉積層厚度小、應力大、易開裂、易剝落等問題

29、。4、已發(fā)表論文及知識產(chǎn)權授權情況（1）已在稀有金屬材料與工程、焊接學報、材料熱處理學報、china welding、key engineering materials、applied mechanics and materials、 advanced materials research等期刊上發(fā)表相關研究論文25篇（其中，sci收錄3篇、ei收錄22篇）?！咀C明材料：3.4.1】1) 郝建軍等.電火花沉積反應合成tin增強fe基金屬陶瓷涂層.稀有金屬材料與工程，2009，38(s1):497-5002) 郝建軍等.鈦合金表面反應電火花沉積ti(cn)涂層研究.材料熱處理學報,2008, 2

30、9(2):128-1313) 郝建軍等.反應電火花堆焊修復齒輪軸.農(nóng)業(yè)工程學報，2008.24(11): 99-1024) 郝建軍等.電火花沉積反應合成tin增強金屬基復合涂層.焊接學報，2007,28(10):33-365) 郝建軍等.反應電火花沉積tin/ti復合涂層機理與性能.材料熱處理學報，2009,30(3):170-1736) 郝建軍等.鈦合金表面反應電火花沉積tin/ti復合涂層.焊接學報，2009,30(11):69-727) 于鳳坤等. 隨焊錘擊自動控制系統(tǒng)的電路設計.農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(1):117-1208) 趙建國等. a new method of weld

31、ing with trailing peening for controlling welding stress and distortion.china welding,2009,18(2):65-69.9) 郝建軍等.反應電火花沉積合成tic/ti復合涂層研究.稀有金屬材料與工程,2009，38(5)：891-89410) 郝建軍等.反應電火花沉積合成tin金屬基復合涂層.稀有金屬材料與工程，2007, 36(s2):706-70911) 郝建軍等. tc4鈦合金電火花沉積反應合成ti(cn)涂層.材料科學與工藝,2009,17(3):406-40912) 馬躍進等. tc4表面反應電火花

32、強化層物相及磨損行為分析.焊接學報,2008,29(10):21-2413) 崔彩云等.雙電磁機構錘擊系統(tǒng)的高頻調(diào)控及試驗.農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28（10）:59-6414) 張輝等.電火花沉積制備wc涂層高速鋼鉆頭研究.焊接,2008,(8):40-4315) 樊云飛等.拉傷發(fā)動機曲軸的反應電火花涂敷修復.農(nóng)業(yè)機械,2009,(3)：93-9416) 盧美久等.電磁錘隨焊錘擊控制電路的設計與實現(xiàn).焊接技術,2009，（4）:35-3717) 郝建軍等. reactive electric-spark deposition ti(c,n)-based cermets coating on

33、titanium alloy substrate.key engineering materials,vols:368-372(2008):1313 -131518) 郝建軍等. reactive synthesis ti(cn)-based metal ceramic coating by electric-spark deposition.china welding,2009,18(3):46-5019) 郝建軍等. study on ticn/ti based composite coating fabricated by reactive electric spark depositi

34、on.applied mechanics and materials.vols, 190-191 (2012) :567-57020) 郝建軍等. ticn cermet composite coating prepared by reaction nitrogen arc welding cladding process.applied mechanics and materials. vols, 190-191 (2012):581-58421) 李雄壯等. design of welding with trailing peening system for reaction nitrog

35、en arc welding cladding. applied mechanics and materials. vols, 190-191 (2012):444-44622) 張印勇等. process optimization of reaction nitrogen arc welding cladding ticn/fe metal ceramic composite coating. applied mechanics and materials. vols, 217-219 (2012) :1279-128223) 馬璐萍等. study on tial(cn) particle

36、 reinforce composites coating prepared by reaction nitrogen arc welding cladding process. applied mechanics and materials vols, 217-219 (2012) :1283-128624) 李勁松等. study on in-situ ti(cn) particle reinforce composites coating processed by nitrogen shielded arc welding technique. advanced materials re

37、search. vols, 418-420 (2012):112-11525) 盧美久等. design and implementation of welding with electromagnetic trailing peening control circuit.2009 international conference on measuring technology and mechatronics automation:361-364（2）已獲授權專利3項并已全部轉(zhuǎn)讓【證明材料：2.1.1、2.5.2、2.5.3、5.1.2、5.1.3、5.1.4】1) 發(fā)明專利：一種氮化鈦金屬

38、基陶瓷涂層的反應電火花沉積制備方法，專利號200610012842.42) 實用新型：電火花沉積充氣密閉式氣體保護及供給裝置，專利號200620024726.x3) 實用新型：參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊裝置，專利號200420016413.05、第三方評價及應用情況（1）“反應電火花沉積合成tin金屬基陶瓷涂層方法及機理（河北省自然科學基金項目）”立項及成果鑒定查新結果表明：本課題擬研究的反應電火花沉積tin金屬基陶瓷復合涂層，提出的反應電火花沉積制備tin金屬基陶瓷復合涂層的方法、反應電火花充氣密閉式保護裝置，在國內(nèi)外文獻中，未見相同報道?！咀C明材料：3.1.1、3.1.2】（2）“隨焊錘擊在電火花

39、沉積tin/fe復合涂層制備中的應用研究”成果鑒定查新結果表明：本課題設計了雙電磁錘的參數(shù)可調(diào)隨焊錘擊系統(tǒng)，并將其用于消除tin/fe復合涂層制備過程中的應力，在國內(nèi)外文獻中未見相同報道?！咀C明材料：3.1.3】（3）2014年3月，“反應電火花沉積金屬陶瓷復合涂層制備技術”報獎查新結果表明，本課題研究的以下內(nèi)容：將電火花沉積與反應合成相結合，開發(fā)了反應電火花沉積技術，利用該技術制備了大厚度tin、ticn金屬陶瓷復合涂層，并將其成功應用于零件修復與再制造領域；采用自行設計的“電火花沉積充氣密閉式氣體保護和供給裝置”和“參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊裝置”，開發(fā)了反應電火花沉積的“二步法”沉積工藝；系統(tǒng)分

40、析了反應電火花沉積工藝參數(shù)對涂層組織結構、物相、化學組分及性能的影響規(guī)律和機制，研究了工藝參數(shù)、涂層質(zhì)量和涂層形成三者之間的內(nèi)在關系，揭示了涂層的形成機理及耐磨機制。以上內(nèi)容，除本課題組申請的專利及發(fā)表的論文外，在國內(nèi)外文獻中未見相同報道。【證明材料：3.1.4】（4）“反應電火花沉積合成tin金屬基陶瓷涂層方法及機理（河北省自然科學基金項目）”經(jīng)哈爾濱工業(yè)大學國家杰出青年科學基金獲得者馮吉才教授和西北工業(yè)大學楊合教授等材料專家鑒定組鑒定，鑒定結論為：“首次將電火花沉積技術和反應合成技術相結合，制備了厚度大、結合強度高、性能優(yōu)異的金屬/陶瓷復合涂層，克服了傳統(tǒng)制備工藝復雜、設備昂貴、成本高等缺

41、點，具有節(jié)約貴金屬，節(jié)省能源、無公害、成本低，設備簡單、操作簡便等特點，屬于綠色環(huán)保技術；研究成果在國內(nèi)外尚未見詳細報道，研究成果具有普遍的學術意義；創(chuàng)新性明顯，對于反應電火花沉積技術的推廣應用具有重要指導意義，達到了國際先進水平?！薄咀C明材料：3.3.1】（5）“隨焊錘擊控制參數(shù)及應力消除機理（河北省自然科學基金項目）”由天津大學李午申教授、河北工業(yè)大學李養(yǎng)賢教授、河北科技大學毛磊教授等專家鑒定，鑒定結論為：項目研究成果在國內(nèi)外文獻檢索中未見報道，項目創(chuàng)新性明顯，具有廣泛的學術影響，研究成果對隨焊錘擊堆焊應力工藝方法的推廣應用具有重要的指導意義，達到國際先進水平。【證明材料：3.3.2】（6

42、）“隨焊錘擊在電火花沉積tin/fe復合涂層制備中的應用研究”由華北電力大學唐貴基教授、河北大學王永清教授、河北省機械科學研究設計院陳建民研究員等專家鑒定，鑒定結論為：項目將“隨焊錘擊技術”和“反應電火花沉積技術”相結合，解決了電火花沉積大厚度涂層過程中應力過大的問題。通過錘擊可消除應力、細化晶粒，進一步提高了涂層材料耐磨性能和涂層與基體之間的結合強度。研究成果具有重要的理論和實踐意義，達到同類研究的國際先進水平。【證明材料：3.3.3】（7）項目研究成果已在稀有金屬材料與工程、焊接學報、材料熱處理學報、農(nóng)業(yè)工程學報、china welding、key engineering material

43、s、advanced materials research等國內(nèi)外重要學術期刊上發(fā)表研究論文25篇，其中sci收錄3篇，ei收錄22篇，發(fā)表論文被航空學報、材料導報、材料熱處理學報、材料開發(fā)與應用、激光與紅外、鑄造技術、電鍍與精飾、中國表面工程等期刊及西北工業(yè)大學、重慶大學、南華大學、沈陽理工大學、裝備再制造技術國防科技重點實驗室、河南省先進有色金屬材料加工技術重點實驗室等單位他引45次。【證明材料：3.4.1】（8）項目成果被濰坊豪強焊接技術有限公司、保定市紅鵬電力檢修有限公司、保定易通光伏科技有限公司采用并成功應用于曲軸、孔、齒、鍵、輪、泵、輥、殼、閥、柱塞、端蓋、刮板、錘頭、模具、缸體、

44、磨煤機關鍵部件、電池印刷網(wǎng)版等零件的表面強化及修復再制造，經(jīng)濟效益顯著，應用前景廣泛，得到了用戶和同行的一致好評。【證明材料：4.1.1、4.1.2、4.1.3】（9）項目所及的3項專利技術已分別成功轉(zhuǎn)讓于保定蘭格恒流泵有限公司和保定市易通光伏科技有限公司?！咀C明材料：5.1.2、5.1.3、5.1.4】四、主要科技創(chuàng)新序號主要科技創(chuàng)新點證明材料所屬二級學科所屬三級學科1提出并研究開發(fā)了一種低成本、高效率制備大厚度tin、ticn金屬陶瓷復合涂層的新方法反應電火花沉積技術，從根本上解決了傳統(tǒng)金屬陶瓷復合涂層制備中存在的工藝復雜、制備成本高、涂層厚度小等問題，提高了涂層的制備效率和使用可靠性，為

45、反應電火花沉積技術制備高性能金屬陶瓷復合涂層奠定了理論和技術基礎。2.1.1,3.3.1,1.1.1,3.1.4金屬基復合材料,機械制造工藝與設備焊接工藝與設備2設計了電火花沉積充氣密閉式氣體保護及供給裝置，有效為避免傳統(tǒng)電火花沉積涂層中氧化物的形成，對增加涂層厚度、減小涂層粗糙度、提高涂層內(nèi)聚強度低具有積極有效的作用，該裝置新穎的設計思路可為其它使用氣體保護的場合提供有益借鑒。1.1.4,1.1.6,3.1.4,2.5.2機械制造工藝與設備,金屬基復合材料焊接工藝與設備3設計了參數(shù)可調(diào)式隨焊錘擊裝置，并首次將隨焊錘擊工藝應用于電火花沉積涂層制備中，解決了電火花沉積大厚度涂層過程中因涂層內(nèi)應力

46、過大致使涂層內(nèi)聚強度降低、涂層增厚困難及涂層易開裂、易剝落等瓶頸問題。3.3.3,1.1.7,1.1.8,2.5.3機械制造工藝與設備,金屬基復合材料焊接工藝與設備4分析了工藝參數(shù)對涂層組織結構、物相、化學組分及性能的影響規(guī)律和機制，研究了沉積工藝參數(shù)、涂層質(zhì)量和涂層形成三者之間的內(nèi)在關系，揭示了涂層的形成機理及耐磨機制，獲得了反應電火花沉積tin、ticn金屬陶瓷復合涂層的最佳工藝參數(shù)，開發(fā)了反應電火花沉積的“二步法”沉積工藝，研究成果為反應電火花沉積技術制備其它高性能金屬陶瓷復合涂層奠定了一定的理論基礎和技術基礎。1.1.2,1.1.5,1.1.6,3.1.4金屬基復合材料,機械制造工藝與

47、設備焊接工藝與設備5項目開發(fā)的反應電火花沉積金屬陶瓷涂層制備技術，具有沉積效率高、涂層厚度大、涂層性能高、節(jié)約貴金屬、節(jié)省能源、無公害、低成本、操作簡便等顯著特點，尤其適用于零件表面強化及失效零件的修復與再制造。研究成果對電火花沉積技術在零件表面強化或修復與再制造工程中的有效應用具有重要推動作用。1.1.3,3.3.1,3.1.4,3.3.3機械制造工藝與設備,金屬基復合材料,機械制造工藝與設備金屬表面處理工藝,焊接工藝與設備五、項目應用情況、經(jīng)濟效益和社會效益1推廣應用情況（概述）項目已獲授權的3項專利分別轉(zhuǎn)讓于保定蘭格恒流泵有限公司和保定市易通光伏科技有限公司，近年來為上述兩個企業(yè)培訓技術

48、人員120名。項目成果自2009年先后被濰坊豪強焊接技術有限公司、保定市紅鵬電力檢修有限公司、保定市易通光伏科技有限公司應用于齒輪、軸頸、泵體、模具、電池印刷網(wǎng)版、刮板等零件的表面強化與修復再制造中，顯著提高了零件的使用性能和使用壽命。項目研發(fā)過程中，共在焊接學報、材料熱處理學報、稀有金屬材料與工程、農(nóng)業(yè)工程學報、材料科學與工藝、china welding等期刊上發(fā)表研究論文25篇（其中sci收錄3篇、ei收錄22篇），已發(fā)論文被航空學報、材料導報、材料熱處理學報、材料開發(fā)與應用、激光與紅外、中國表面工程等期刊及西北工業(yè)大學、裝備再制造技術國防科技重點實驗室、重慶大學、南華大學、沈陽理工大學、

49、河南省先進有色金屬材料加工技術重點實驗室等單位他引45次（統(tǒng)計截止至2014年2月）。本項目的實施及其輻射作用，拓展了材料加工工程、表面工程與耐磨涂層制備研究領域，實踐應用表明，項目應用前景廣闊。項目應用近三年以來，為企業(yè)新增銷售額4384萬元，經(jīng)濟效益顯著。2直接經(jīng)濟效益近三年直接經(jīng)濟效益 單位：萬元人民幣項目總投資額22.40回收期（年）年 份新增銷售額新增利潤新增稅收累 計000直接經(jīng)濟效益的有關說明和各欄目的計算依據(jù)：（限400字） 完成單位法人單位公章: 完成單位財務公章：證明材料3.間接經(jīng)濟效益和社會效益近三年間接經(jīng)濟效益 單位：萬元人民幣年 份新增銷售額新增利潤新增稅收20111

50、2685820201215447400201315727290累 計438420510 間接經(jīng)濟效益的有關說明和各欄目的計算依據(jù)：（限300字） 利用本項目技術，可方便、快捷、低成本地制備厚度為14mm金屬陶瓷復合涂層。涂層使用性能和壽命得到顯著提高，能夠使許多因磨損超差的零部件得到有效修復，可以在價格低廉的鐵基體上制備耐磨、高壽命防護涂層，從而提高產(chǎn)品的耐用性，大大降低產(chǎn)品使用成本。該技術可解決氣相沉積法涂層厚度小，激光熔覆、激光表面合金化、堆焊、熱噴涂等方法雖可獲得大厚度涂層，但涂層應力大、涂層使用性能差等問題。利用本項目技術制備tin、ticn金屬陶瓷復合涂層，制備成本僅為傳統(tǒng)技術的40

51、%60%，能源消耗僅為傳統(tǒng)技術的60%左右，而涂層的使用壽命可達fe基體金屬的79倍。 完成單位財務公章：社會效益（限300字）利用本項目相關技術，可以制備厚度大、結合強度高、性能優(yōu)異的金屬陶瓷復合涂層，克服了傳統(tǒng)制備工藝復雜、設備昂貴、成本高等缺點，具有節(jié)約貴金屬，節(jié)省能源、無公害、成本低，設備簡單、操作簡便等特點，屬于綠色環(huán)保技術，可有效實現(xiàn)資源的再循環(huán)、再利用和再制造，應用前景廣闊。在本項目實施過程中，培養(yǎng)了研究生5名。本項目的實施及其輻射作用，拓展了材料加工工程、表面工程、再制造工程等研究領域。在本項目的實施過程中，形成了一支高水平的研究團隊，其中郝建軍榮獲“河北省青年科技提名獎”、“

52、保定市材料加工與連接專業(yè)學科帶頭人”榮譽稱號，馬躍進榮獲“保定市機械工程專業(yè)學科帶頭人”等榮譽稱號。證明材料4.1.1、4.1.2、4.1.34主要應用單位情況（限15個）主要應用單位情況應用單位名稱應用技術應用的起止時間應用單位聯(lián)系人/電話證明材料濰坊豪強焊接技術有限公司反應電火花沉積金屬陶瓷復合涂層制備技術2010-01-01至2013-12-31尹長峰-136586862374.1.1保定市紅鵬電力檢修有限公司反應電火花沉積金屬陶瓷復合涂層技術2010-01-12至2013-12-31劉新豐-186312115884.1.2保定市易通光伏科技有限公司反應電火花沉積金屬陶瓷復合涂層制備技術

53、2011-01-01至2013-12-31董景彥-130705132884.1.3六、本項目曾獲科學技術獎情況獲 獎 項 目 名 稱 獲獎時間獎項名稱獎勵等級授獎部門（單位）證明材料隨焊錘擊控制參數(shù)及應力消除機理2010年科技進步獎一等保定市政府3.5.1反應電火花沉積合成tin金屬基陶瓷涂層方法及機理2011年科技進步獎一等保定市政府3.5.2本表所填科技獎勵是指： 1各設區(qū)市政府設立的科學技術獎 2經(jīng)省科技廳登記的社會力量設立的科學技術獎 3經(jīng)科學技術部登記的社會力量設立的科學技術獎 國家科學技術獎勵條例及河北省科學技術獎勵辦法規(guī)定不能設立的部門獎勵，不填入此欄七、主要完成人情況表（限10人）姓 名郝建軍性 別男排 名1出生年月1972-12-01出生地河北康保民 族漢族身份證 派群眾國 籍中國工作單位河北農(nóng)業(yè)大學組織機構代碼40170702-3辦公電成單位河北農(nóng)業(yè)大學組織機構代碼40170702-3所在地保定市歸國人員否歸國時間通訊地址河北省保定市南市區(qū)靈雨寺街289號郵政編碼071001電子信箱hjj移動電業(yè)學校北京科技大學文化程度博士研究生畢業(yè)時間2010-01-01技術職稱教授