Research Progress of Surface Technology to Improve the Wear Resistance of Agricultural and Forestry Machinery and Application
表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展
本文为中南林业科技大学刘秀波教授团队撰写发表在《中国表面工程》2024年第37卷第4期的综述论文，题为“表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展”。
农林装备是农业和林业高质量发展的基础和保障，是不断提高土地的产出率、劳动的生产率以及资源的利用率的重要方法和支撑。随着科学与技术的进步，我国农林机械设备发展迅速，特别是在竹工机械、园林绿化、病虫害防治方面都有极大的突破。但农林机械关键运动部件在运行时，会不可避免地产生碰撞与磨损，导致部件尺寸、形状、表面质量等发生变化，从而影响使用精度。尤其长期在复杂环境中使用，其零部件更易被磨损、氧化、腐蚀，甚至发生损坏。这令机械设备的工作效率、使用寿命、可靠性和安全性受到极大的影响。据研究表明，一般机械设备大部分零件失效报废是由于磨损导致的，极大地影响了机器的工作效率，严重降低了设备的可靠性，甚至提前报废。机械磨损不仅会造成巨大的经济损失，而且还易引发重大事故，因此提高其耐磨性对机械设备具有重要的意义。目前许多研究人员通过采用表面技术，对农林机械关键运动零件进行表面修复和强化，提高其使用性能、延长寿命，增加其安全可靠性。
鉴于此，中南林业科技大学刘秀波团队在《中国表面工程》2024年第37卷第4期发表综述论文《表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展》，对四种表面技术（热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆）的优缺点及其在农林机械上的应用进行了概述，提炼出针对不同工况表面技术的选择依据。
01
引用格式
王志文, 刘秀波, 周安, 张飞志, 张世宏. 表面技术提高农林机械耐磨性能及应用研究进展[J]. 中国表面工程, 2024, 37(4): 102-116.
WANG Zhiwen, LIU Xiubo, ZHOU An, ZHANG Feizhi, ZHANG Shihong. Research Progress of Surface Technology to Improve the Wear Resistance of Agricultural and Forestry Machinery and Application[J]. China Surface Engineering, 2024, 37(4): 102-116.
02
论文创新点
表面改性技术应用潜力巨大，但针对农林机械的研究进展尚缺乏系统综述。阐述农林机械使用工况及其关键运动部件在服役过程中的失效原因，重点概述四种表面技术（热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆）的优缺点及其在农林机械上的应用示例，提炼出针对不同工况表面技术的选择依据。通过对四种表面技术的特点和适用场合的归纳总结，激光熔覆作为一种新型的金属表面功能涂层制造技术，具有较高效率、高强度冶金结合和较高性价比，在提高农林机械关键运动部件耐磨性能上的应用具有较大前景。
03
主要内容
据研究表明，一般机械设备大部分零件失效报废是由于磨损导致的，极大地影响了机器的工作效率，严重降低了设备的可靠性，甚至提前报废。机械磨损不仅会造成巨大的经济损失，而且还易引发重大事故，因此提高其耐磨性对机械设备具有重要的意义。目前许多研究人员通过采用表面技术，对农林机械关键运动零件进行表面修复和强化，提高其使用性能、延长寿命，增加其安全可靠性。目前，有多种表面技术应用在提高农林机械关键运动部件的耐磨性、减摩性等摩擦学性能上。国内外学者提高农林机械关键运动零部件耐磨性的手段，大多数是增强其材料的性能或采用表面技术在其表面上制备摩擦学性能优异的合金涂层。目前常用的表面技术有热喷涂、喷焊、堆焊和激光熔覆等。采用表面技术对农林机械关键运动零部件表面进行强化，对提高其耐磨性、节约农业生产资源和林业机械作业成本等有重要的现实意义。
本文主要综述了农林机械的使用工况及农林机械关键运动部件的磨损类型及磨损机理，重点概述了四种表面技术（热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆）的优缺点及其在农林机械上的应用，提炼出针对不同工况表面技术的选择依据。最后总结了目前采用表面技术提高农林机械摩擦学性能研究工作中取得的进展、存在的难题与挑战，对不同表面技术提高农林机械关键运动零部件摩擦学性能的前景与未来研究方向进行了展望。
04
重要结论
通过对农林机械关键运动部件的工作状况，磨损机制以及四种表面改性技术提高农林机械关键运动部件耐磨性能的综合论述，得到以下结论：
01
我国目前的农林机械装备和农林机械化水平与已实现农业机械化的发达国家相比仍有不小的差距，各种耐磨材料和表面技术在农林机械关键运动零部件上的应用还处于初级阶段。
02
随着农林机械的发展，农林机械关键运动部件的耐磨性不足已成为制约其普遍推广应用的重要因素。采用热喷涂、喷焊、堆焊、激光熔覆等表面技术提高农林机械关键运动部件的耐磨性，提高农林机械的工作效率，减轻工作强度，改善工作环境。推动农林装备走向高端化。
03
我国农村的土地大部分是小块不连续的，且大部分农村不适合高度的农业机械化。而农村劳动力价格相对较低，机器更换等作业并不会造成劳动力的浪费。相比于国外来说采用热喷涂、喷焊、表面堆焊和激光熔覆等表面技术提高农林机械零部件的性能，更适合我国农业现
05
前景与应用
01
热喷涂技术走过了近 100 年的发展历程，在喷涂材料、工艺及设备等方面均取得了长足的进步，面对日益增长的工业需求，该技术一定会继续发展下去。热喷涂技术涂层和基体结合强度低，在农林机械高强度工作下涂层极易发生脱落。因此，研究制备具有高附着强度、气孔少的热喷涂涂层，且适合农林机械的工况需求是该技术未来研究的重点。
02
等离子弧热喷焊技术是一种具有发展前景的表面强化技术，喷焊技术在农林业机械领域中的应用前景也十分广阔。随着工业发展,对机械产品的寿命和新材料的制备都提出了更高的要求。喷焊过程中所应用到的合金粉末价格相对较高，且喷焊技术易造成粗糙不平的涂层表面、咬边及塌陷等现象，所以在喷焊时要有较高的操作技术。这些不足限制了喷焊技术的发展。因此，在今后的农林机械制造和维修中，设计性价比较高的合金粉末是今后喷焊技术的发展方向，再进一步推广和应用喷焊技术，以满足农林业生产的需要。
03
堆焊是提高农林机械耐磨性的重要技术之一，由于农林机械零部件的几何构型及材质复杂化、对热加工过程材料和工艺控制、堆焊技术在农林机械上的研究和应用要更高的需求，需要进行更深入的研究。等离子堆焊行业正在不断发展，需要开发新的和改进的技术，以提供更好的结果和更高的效率。
04
采用激光熔覆技术制备涂层，涂层与基材结合强度高、涂层厚度和硬度可控、耐磨性和耐腐蚀性高等显著优势，但此技术在农林机械修复与强化的应用还存在成本高、试验环境要求苛刻等难题。在未来研发适用于农林机械修复与强化的新型复合材料粉末，在已有的材料体系上，结合农林机械的特点，设计出适合农林机械不同工况的性价比高的 优质熔覆材料粉末体系。
05
课题组简介
论文主创
刘秀波
工学博士，中南林业科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。研究方向包括材料表面工程与摩擦学、激光材料加工等。中国机械工程学会摩擦学分会常务委员和表面工程分会委员、材料表界面科学与技术湖南省重点实验室主任、湖南省机械工程学会常务理事暨摩擦学分会副理事长，中南林业科技大学材料科学与工程一级学科硕士点带头人。20余种国内外材料/机械/应用物理领域知名SCI期刊通讯审稿人，《中国表面工程》（EI）、《表面技术》（EI）、《材料保护》、《表面工程与再制造》期刊编委；国家自然科学基金、教育部科技奖励和学位论文通讯评审专家，科技部创新人才、国际合作项目评审专家，国家科技部、湖南省、贵州省、江西省、四川省、广东省、湖北省、苏州市、长沙市科技专家数据库入库专家。
王志文
第一作者，中南林业科技大学材料科学与工程学院，在读硕士研究生，研究方向为材料表面工程与摩擦学。
团队简介
中南林业科技大学
材料表界面科学与技术湖南省重点实验室
团队目前有教师4人，研究生22人，带头人刘秀波教授、博导，中国机械工程学会摩擦学分会常务委员、表面工程分会委员、材料表界面科学与技术湖南省重点实验室主任、20余种国际知名SCI期刊通讯审稿人；《中国表面工程》（EI）、《表面技术》（EI）、《材料保护》、《表面工程与再制造》期刊编委；国家自然科学基金、教育部科技奖励和学位论文通讯评审专家，科技部创新人才、国际合作项目评审专家。主持国家自然科学基金3项、湖南省重点研发计划等省部级项目12项，发表学术论文160余篇，其中第一或通讯作者SCI论文63篇，获湖南省自然科学二等奖（排1），第一发明人有效中国发明专利10件，国内外学术会议邀请报告和大学讲座100余次。
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责任编辑：吴 桐
责任校对：梁福军
审 核：张 强
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