对表面工程方向研究生培养的思考

2019-03-14张世宏

安徽工业大学学报（社会科学版） 2019年6期

蔡飞，张世宏, 2

(1. 安徽工业大学现代表界面工程研究中心，安徽马鞍山 243002； 2. 安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山 243002)

近年来，航空航天、汽车、精密机械等领域对高精度、高效率和高可靠性的要求不断提升，尤其在高承载磨损、宽温域交变应力和腐蚀等严苛服役条件下，零部件失效加剧。据统计，大部分失效源于工件表面，因此对工件表面进行强化，可提高其服役性能。表面工程技术可赋予零部件表面不同于基体内部的性能，如高硬度、高耐磨、抗腐蚀、抗氧化等性能，进而提高其服役寿命。表面工程是我校先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室和安徽省现代表界面工程国际联合研究中心的一个重要研究方向。该方向的研究生需具有扎实的表面科学与表面工程理论知识,以及能够运用表面工程技术处理实际问题的能力。但面对零部件复杂的服役条件，如何选择合适的表面工程方法、涂层材料以及工艺，对表面工程方向的研究生提出了更高的要求。如何培养一个优秀的表面工程方向的研究生是一个值得深入探讨的课题。

一、表面工程方向研究生的培养应该从思想上重视

与本科生培养不同，研究生教育阶段着重培养学生的科研系统性、创新性、独立性。且由于研究生不同的接受能力、性格等，因此无法用统一的“大锅饭”模式来培养。而研究生的培养首先要端正其思想。表面工程方向研究生的培养应该从思想上重视，主要包括导师和学生都要从思想上重视。

一要加强导师组培养制度。研究生阶段是本科阶段的延续，是进入社会之前的过渡阶段。因此，培养研究生分析问题、解决问题以及举一反三的能力至关重要。在此过程中，导师起着极其重要的作用。对于培养表面工程方向研究生，可实行并加强导师组培养制度。一个研究生可有一个主导师，同时可配备1至2名副导师。主导师制定研究生的课题方向，副导师可具体负责指导研究生的实验过程，这样可以更加有效地加强研究生的培养。

二要增加研究生对专业的认可度。表面工程是一门专业性比较强的专业，其应用的领域较专一。因此，刚进实验室的研究生比较迷茫，不知道表面工程方向是做什么的，能不能做好表面工程方向的课题以及将来毕业以后何去何从。其实不然，表面工程作为一个既古老又新兴的技术，已经在航天航空、汽车、机械、电子等各个行业和领域都得到广泛应用。大到航空发动机热障涂层，卫星关键部件的减摩涂层、小到汽车装饰部件的电镀装饰涂层，以及最近较热门的新能源燃料电池双极板表面耐蚀导电薄膜等，均是采用表面工程技术所制备，表面涂层技术已渗入我们生活的方方面面。其次，我们带着研究生到表面工程相关的企业如马钢、华菱汽车、奇瑞汽车等进行交流，让研究生进一步了解表面工程技术在轧辊、切削刀具等上面的重要作用。通过与研究生深入交流，使他们更深入地了解表面工程的应用，增强了其对表面工程方向的认可度。

二、表面工程方向研究生的培养要重视学习方法

一是注重研究生课程的改革和设计。在给研究生上“材料的表面与界面”这门课程时，研究生反映，课程理论性过强。据此，我们将这门课分为8个专题，从理论到应用并结合课题组已有的应用实例，涵盖激光、热喷涂、气相沉积、喷丸、电镀、等离子渗氮等典型目前现有的表面技术。每个专题包括基本原理和典型的应用。以气相沉积章节为例，本章节分为气相沉积原理和分类、制备的涂层优缺点以及典型的应用。在应用部分，穿插了本课题组近几年应用的一些典型案例。通过这些案例，同学们在理解物理气相沉积相关的基础知识的同时，能够更加直观的了解气相沉积技术在表面领域的应用。如进一步了解了刀具涂层和模具涂层的不同点，以及防腐蚀涂层和耐磨减摩涂层的不同点。

二是表面工程方向研究生的查阅文献能力有待加强。开组会讨论时，经常听到研究生抱怨，查不到或者只能查到很少相关的表面处理方法。这里主要有两部分原因，一是刚从本科生阶段进入到研究生阶段，缺乏系统和科学的文献查阅方法；二是科研“啃老”，寄托希望于导师给文献。针对这两种典型的情况，前者，对于刚进入实验室的研究生，告知其表面工程领域的专业期刊，英文期刊如Surface&CoatingsTechnology、AppliedSurfaceScience和SurfaceEngineering等，中文期刊如《中国表面工程》和《表面技术》等，这样他们可以针对性地查阅与自己课题相关的文献。在此基础上，可以扩展至Wear，TribologyInternational，《摩擦学学报》等与表面工程应用相关的杂志，可进一步了解表面工程技术最新的研究和应用进展。文献资料是科研的源泉，表面工程方向的研究生必须学会文献搜寻，查找该领域的研究热点和该领域的顶级科学家与团队动态以及国内相关研究单位等等。从这些期刊中找到与自己研究方向相关的文章，找到合适的切入点和研究方法，可以起到事半功倍的显著成效。在研究生查阅文献的过程中，导师起着至关重要的作用，除了指导研究生如何查阅文献之外，还必须指导研究生如何阅读文献，怎么阅读文献最有效率。通常，对于刚入学的研究生，阅读文献时可以先综述性文章后研究性文章，先中文后英文。这样循循渐进，避免了研究生不知道怎么看、看不懂的窘境。同时，在刚开始阅读文献时，一定要做好笔记并及时消化。

三是加强对研究生在实验过程中的指导。近几年，国内各高校对实验条件投入较大，科研硬件均有显著的改善。对于我们地方工科院校，实验条件也相应地有了很大提升。但结合近几年在对表面工程方向的研究生培养的过程中发现两个比较明显的问题。首先，面对良好的实验室，学生变成一个实用主义者，只要仪器有人管，能用就行，不再关心仪器的原理，不会最基本的维修，更加不会关心实验室的发展规划。如本课题组拥有多台气相沉积表面薄膜制样设备。通过观察，大多数研究生只会机械式地操作，而不去了解真空系统、冷却系统、控制系统和镀膜系统之间的相互关系。一旦做出来的薄膜质量不好，只会反复地调整镀膜的参数如氮气压强和温度，却忽略了真空度和控制系统对薄膜质量的影响。遇到简单的故障，本来可通过简单的检查即可直接排除，却直接找老师和工程师解决。类似情况在本实验室等离子氮化和热喷涂等其它表面方向的研究生身上也存在，其根本原因是缺乏对设备原理的深入了解。其次，由于各种设备的便利性，研究生缺乏深入的思考，只想着做出结果，而没有去更深层次地思考，这个是浮躁的体现。从这个方面讲，表面工程方向的研究生需要提升在实验室设备使用方面的能力。本课题针对每一届刚进入实验室的研究生制定了一个熟悉薄膜或者涂层制备和表征设备的计划。计划利用六个月熟悉薄膜或涂层装备及原理，另外六个月熟悉薄膜或者涂层的表征手段如XRD、SEM、摩擦磨损以及腐蚀等装置的方法和原理。通过一年的系统强化培训，研究生可以很熟练地操作各种涂层或者薄膜制备设备和表征设备。我们实验室通过对两届研究生的实施，发现这种措施可以帮助研究生在研二和研三阶段研究课题的顺利进行。另一方面，这种有利的措施可以促进学生深入思考在实验过程中遇到的问题，而不是一遇到问题就去询问导师，进而增强研究生思考的独立性。

三、表面工程方向研究生的培养应该注重联系实际

表面工程方向最重要的一个特点是应用和实践性很强。经常听到课题组已经毕业的研究生反馈的疑惑，某些看起来很合适的表面处理技术在有些工况下却并不适用。这主要是因为，一种表面处理技术可以运用于多种工况或者零部件的表面；而同一种零部件也可运用不同表面处理技术或者多种表面处理技术的联合进行处理，这就对表面工程方向的研究生对所需表面处理的对象作出正确的判定，从而对学生的理论基础和实际应用水平提出了更高的要求。如交给研究生一个研究课题：铝合金轮胎模具的表面防护处理。学生经过查阅文献和调研，发现电镀Cr涂层和物理气相沉积CrN薄膜均可运用于轮胎模具表面防护。这就给研究生造成了困惑：到底选哪一种表面处理的方法？当时鼓励研究生设计了两个方案，对铝合金轮胎表面分别进行了电镀Cr层和物理气相沉积CrN薄膜处理。经过结合强度、静态腐蚀和盐雾腐蚀等检测发现，物理气相沉积技术所制备的CrN薄膜比电镀的Cr层性能更为优异，从而最终选择物理气相沉积制备CrN薄膜作为轮胎模具表面处理的最终方案。又如在对马钢表面公司的结晶器铜板表面防护课题进行研究发现，目前马钢表面公司采用电镀NiCoW合金涂层进行保护。研究生经过查阅文献，发现结晶器铜板的工况为主要为热腐蚀和热磨损。他们首先提出利用热喷涂技术制备NiCr-Cr3C2涂层，且经过实验室和现场挂片实验检测，其性能均优于现有电镀NiCoW涂层。但等到产品上线验证时，却发现经热喷涂NiCr-Cr3C2涂层涂覆的结晶器铜板服役寿命不如电镀NiCoW涂层。经过对失效产品分析发现，结晶器铜板的失效模式除了热腐蚀和热磨损之外，还有热疲劳失效。因此，研究生从增加热喷涂涂层与基体结合强度的思路出发，先利用电镀技术在结晶器铜板表面制备Ni层，进而在电镀Ni层表面采用热喷涂技术制备NiCr-Cr3C2层。这种双层涂层设计有效的增加了热喷涂涂层与基体之间的结合强度，进而解决了结晶器铜板在热冲击条件下，NiCr-Cr3C2涂层易疲劳失效的问题。

表面工程方向的研究生应该更加贴合实际，勤于思考，分析清楚适用对象的实际服役工况。如安排研究生针对安徽华菱有限公司重载柴油机缸体和缸盖切削加工用刀具进行涂层开发，开发的物理气相沉积(PVD)AlCrSiN涂层在直柄立铣刀上面应用效果很好，甚至超过进口钴领同类产品15%，但在钻头上应用效果却很差，甚至性能不如简单的TiN二元涂层。这给当时负责此课题的研究生造成很大的困惑。经过现场详细观察钻头的加工方式，以及检测失效后下线的涂层钻头的磨损失效方式，并与现场工程师沟通，发现钻头与铣刀的加工形式完全不一样。钻头切削部分会承担主要的切削过程，麻花钻头在钻削过程中，首先与被加工工件接触的是刀尖处的横刃。因此钻头对涂层的要求是光洁度更加高而不是高稳定性。随后，此研究生修改了方案，降低了涂层中Al含量，制备的涂层的表面粗糙度降低，制备的低Al含量的CrAlSiN涂层钻头上面的应用超过了现有的进口钴领同类产品。因此，对于表面工程方向的研究生，在表面工程技术、涂层材料以及工艺方案的选择上面，更应该考虑全面。