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李長久，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，金屬材料強度國家重點實驗室副主任，全國模范教師，“騰飛計劃”特聘教授，教育部跨世紀(jì)人才，國家杰出青年基金獲得者，教育部長江學(xué)者創(chuàng)新團隊。2017年10月10日美國金屬學(xué)會（ASM International）正式公布了2017年新增會士（Fellow），本年度共選出18名會士，也是繼2005年陳國良院士獲得會士之后 ，中國大陸科學(xué)家間隔十二年后第二次入選。

李長久教授主要從事熱噴涂、冷噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究，功能涂層、高性能耐磨陶瓷涂層、納米結(jié)構(gòu)涂層技術(shù)的開發(fā)，熱噴涂纖維增強復(fù)合材料制造技術(shù)研究，固體氧化物燃料電池、染料敏化太陽電池制造技術(shù)研究工作。至2017年已在國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文270余篇，在國內(nèi)期刊發(fā)表論文70余篇，在國際會議論文集發(fā)表論文190多篇；其中：250多篇論文被SCI收錄，SCI引用超過5300多篇次，其中SCI他引超過4100篇次，取得國家發(fā)明專利20多項。研究成果曾分別獲得陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎、教育部提名國家自然科學(xué)二等獎、2008年度國家自然科學(xué)二等獎（熱噴涂涂層形成機制、結(jié)構(gòu)與性能表征的應(yīng)用理論研究）各1項。

李長久教授擔(dān)任了2007年與2016年國際熱噴涂會議組委會主席、2009與2015亞洲熱噴涂會議主席；現(xiàn)任熱噴涂領(lǐng)域的SCI收錄國際刊物Journal Thermal Spray Technology副編輯（Associate Editor） 。通過結(jié)合學(xué)科前沿持續(xù)不斷的深入研究，在涂層顯微結(jié)構(gòu)與性能表征方法、涂層形成機制相關(guān)的熱噴涂粒子與基體碰撞行為方面，迄今取得了以下具有特色的研究成果。

1、提出并確立了示蹤法顯化與定量表征等離子噴涂層層狀結(jié)構(gòu)的方法，引入定量表征參量揭示了等離子噴涂涂層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；闡明了傳統(tǒng)等離子噴涂層的層間結(jié)合最大約為32%的特征，揭示了粒子扁平化過程中界面溫度是結(jié)合產(chǎn)生的控制因素，發(fā)現(xiàn)了大幅度提高界面結(jié)合率、調(diào)控涂層結(jié)構(gòu)的方法；

2、建立了涂層彈性模量、沖蝕速率、斷裂韌性等性能與結(jié)構(gòu)參量的理論關(guān)系，構(gòu)筑了涂層結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的框架，為揭示決定涂層性能的結(jié)構(gòu)參量提供了理論依據(jù)。

3、闡明了等離子噴涂中扁平粒子形態(tài)的變化規(guī)律，提出了產(chǎn)生飛濺的機制模型：“表面可蒸發(fā)吸附物蒸發(fā)誘致飛濺模型”與“表面熔化誘致飛濺模型”，結(jié)合高速粒子碰撞產(chǎn)生的液體波動效應(yīng)，揭示了控制粒子飛濺的本質(zhì)因素。

4、揭示了超音速火焰噴涂硬質(zhì)合金中噴涂粒子液固兩相狀態(tài)對涂層沉積特性的本質(zhì)影響，提出了液固兩相粒子沉積機制模型，闡明了固態(tài)顆粒特性對粒子沉積特性、涂層結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了半熔金屬粒子可顯著提高HVOF噴涂層結(jié)合強度的現(xiàn)象，闡明了粒子狀態(tài)對涂層結(jié)合強度的影響規(guī)律，揭示了液固兩相粒子狀態(tài)為HVOF獲得高結(jié)合強度的必要條件。

5、提出了綜合考慮粒子分布與碰撞角度的冷噴涂粒子沉積模型與臨界速度的測量方法，發(fā)現(xiàn)了合金粒子臨界沉積速度受其表面氧化狀態(tài)顯著影響的規(guī)律；揭示了冷噴涂涂層中合金粒子界面呈現(xiàn)微納米晶亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)特征，提出了基于亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)活性實現(xiàn)原位制備與強化、控制涂層結(jié)構(gòu)與性能的思路。

6、至2017年，已獲得2004年度陜西省科學(xué)技術(shù)獎一等獎一項，2004年度教育部提名國家自然科學(xué)獎二等獎一項，2008年獲國家自然科學(xué)二等獎一項，獲得授權(quán)發(fā)明專利20多項  。

您一直從事熱噴涂涂層沉積機制、涂層結(jié)構(gòu)與性能表征及涂層應(yīng)用相關(guān)的研究工作。您覺得與國外相比，國內(nèi)熱噴涂基礎(chǔ)研究的現(xiàn)狀如何？一般認(rèn)為國內(nèi)基礎(chǔ)研究較為薄弱，您在熱噴涂基礎(chǔ)研究方面做了大量的工作，從熱噴涂技術(shù)來看，基礎(chǔ)研究還有哪些內(nèi)容需要攻克？

李教授：熱噴涂技術(shù)的特點是：涂層材料廣泛、沉積速度快、靈活性高、易于自動化加工、適應(yīng)性強，因此，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，國外一臺先進(jìn)的航空發(fā)動機需要熱噴涂的零部件超過 5000 個，熱障涂層已經(jīng)成為高性能航空發(fā)動機制造的關(guān)鍵技術(shù)之一；另外，據(jù)國外關(guān)于高性能陶瓷涂層應(yīng)用的統(tǒng)計報告，熱噴涂陶瓷涂層在北美的高性能陶瓷制備市場中占了三分之二，這與國內(nèi)有報道稱熱噴涂所產(chǎn)生的產(chǎn)值約為表面技術(shù)所有產(chǎn)值的三分之一基本一致，表明熱噴涂技術(shù)已成為重要表面工程技術(shù)之一。由于熱噴涂相關(guān)的基礎(chǔ)研究在提升熱噴涂技術(shù)應(yīng)用水平、拓展熱噴涂應(yīng)用領(lǐng)域中起著重要的作用，迄今國內(nèi)外都受到廣泛的重視。以論文發(fā)表來看的話，熱噴涂領(lǐng)域的論文總數(shù)每年以約 5% 的速度增加。盡管一般認(rèn)為國內(nèi)基礎(chǔ)研究較為薄弱，而如果同樣僅以論文發(fā)表數(shù)量來評價，中國的熱噴涂基礎(chǔ)研究與其他行業(yè)類似，已經(jīng)成為“熱噴涂研究大國”。因為根據(jù)新加坡南洋理工大學(xué) Khor教授對近 10 年內(nèi)全球熱噴涂發(fā)表論文情況統(tǒng)  計（JTST, 2015, V.24, 1346-54），在 2004~2015 的 10 年間中國學(xué)者發(fā)表的熱噴涂論文超過 1995~2004 年的 5 倍，達(dá)到 3485 篇，遠(yuǎn)高于美國的1943、德國的 1169、日本的 1141 篇與法國的 964 篇，我國的相關(guān)研究主要集中在與應(yīng)用相關(guān)的制備工藝、涂層組織與性能之間的關(guān)系方面，由于我們在涂層結(jié)構(gòu)表征與控制、涂層沉積規(guī)律等基礎(chǔ)研究方面也取得了具有重要參考價值的成果，因此，近年來國際上對我國相關(guān)的熱噴涂研究很關(guān)注。

熱噴涂基礎(chǔ)研究主要涉及 3 個方面：粉末顆粒（含液態(tài)原料）與熱源的動量傳遞與能量傳遞規(guī)律，噴涂粒子在碰撞基體時與基體的作用規(guī)律及由此所決定的涂層組織結(jié)構(gòu)形成規(guī)律，涂層組織結(jié)構(gòu)與性能及服役效能之間關(guān)系。合理理解粉末顆粒與熱源作用所涉及的能量傳遞的粒子加熱規(guī)律、動量傳遞的粒子加速規(guī)律、質(zhì)量傳遞的粒子蒸發(fā)及其與氛圍的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律、相關(guān)關(guān)鍵影響因素及其影響規(guī)律，是實現(xiàn)涂層沉積基本單元體即噴涂粒子的狀態(tài)靈活控制的基礎(chǔ)，也是深入揭示碰撞沉積機制、結(jié)合形成機制的基礎(chǔ)。首先，迄今受測量條件的限制，國內(nèi)在粒子加熱與加速規(guī)律的定量研究與積累較少，近年來，隨著研究條件的改善，許多單位配置了粒子速度與溫度以及其他相關(guān)的測量系統(tǒng)，因此，針對不同的噴涂系統(tǒng)，特別是不同類別的最先進(jìn)的商業(yè)化噴涂系統(tǒng)，系統(tǒng)研究粉末的加熱與加速規(guī)律、材料物理化學(xué)演變規(guī)律，將為涂層成分與結(jié)構(gòu)控制提供依據(jù)。其次，針對快速發(fā)展的新興熱噴涂方法，如液料熱噴涂、等離子噴涂物理氣相沉積（PS-PVD）、冷噴涂，通過解決分別涉及的亞微米顆粒參量的測量、粒子氣化程度的表征、冷粒子溫度的測量等基本問題， 將為我們在這些前沿領(lǐng)域系統(tǒng)研究沉積單元狀態(tài)的控制方法與沉積規(guī)律與機制、組織結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵控制因素并取得重要成果提供條件。

不同狀態(tài)沉積單元與基體碰撞作用過程規(guī)律的揭示是理解涂層與基體結(jié)合機制及規(guī)律、控制涂層組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。對于陶瓷涂層，經(jīng)過多年長期的研究積累，我們已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，研究闡明了陶瓷粒子間結(jié)合形成規(guī)律與機制，提出了通過引入沉積溫度進(jìn)行控制的方法，為實現(xiàn)根據(jù)服役需求的涂層結(jié)構(gòu)智能化設(shè)計與可控制備提供了依據(jù)。迄今研究進(jìn)展表明，針對不同方法，除了噴涂參數(shù)及由其決定的沉積單元參量之外，特別需要關(guān)注并研究沉積溫度對涂層結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律。

涂層與基體之間具有充分的結(jié)合強度是確保涂層性能得以發(fā)揮的基本條件，盡管已有大量的研究工作，但還需要結(jié)合新方法及其沉積機制深入開展影響結(jié)合機理的關(guān)鍵因素及其影響規(guī)律的系統(tǒng)研究，以為確保涂層與基體的結(jié)合提供依據(jù)。

國外熱噴涂技術(shù)在航空航天與地面重型燃機應(yīng)用中所占產(chǎn)值在整個熱噴涂領(lǐng)域超過 60%，而我國由于航空發(fā)動機與地面燃機制造技術(shù)處于待開發(fā)狀態(tài)，因此，迄今的研究成果無論水平高低，都無法得到驗證。航空發(fā)動機專項的實施將為我國熱噴涂技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供契機。

為充分發(fā)揮熱噴涂技術(shù)在發(fā)動機制造中的潛力，基于我們的研究積累并結(jié)合國外的發(fā)展動態(tài)，認(rèn)為需要攻克的基礎(chǔ)問題包括：面向航機需求的多孔熱噴涂陶瓷涂層結(jié)構(gòu)與性能控制制備規(guī)律、陶瓷涂層組織結(jié)構(gòu)高溫演變規(guī)律、TGO 控制方法及高溫合金粘結(jié)層制備方法的影響規(guī)律、基于高溫服役效應(yīng)特征的涂層設(shè)計與壽命評價方法、孔隙率大于 50% 的多孔陶瓷高溫封嚴(yán)涂層制備方法及其規(guī)律、寬溫域自潤滑金屬基復(fù)合涂層的設(shè)計與制備規(guī)律。這些問題的解決將為熱噴涂解決航空發(fā)動機制造的關(guān)鍵問題提供理論指導(dǎo)。

熱噴涂已成為耐磨涂層制備的重要方法而廣泛應(yīng)用于各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域，涂層的多孔層狀結(jié)構(gòu)特點使其耐磨服役行為與同類塊體顯著不同，最重要的特點在于載荷的影響。在低應(yīng)力服役條件下，熱噴涂涂層表現(xiàn)出良好的耐磨損性能，但應(yīng)力高于某一水平時，由于發(fā)生裂紋沿沉積粒子界面加速擴展而加速磨損，特別是在沖蝕、空蝕、微動、疲勞、磨料磨損條件下，使得涂層材料的潛力僅能發(fā)揮 10%~30%。因此，建立涂層組織結(jié)構(gòu)、性能、服役條件、服役效能之間系統(tǒng)關(guān)系的基礎(chǔ)研究，通過建立數(shù)據(jù)庫以指導(dǎo)耐磨涂層的設(shè)計與使用，將是充分發(fā)揮材料潛力、提高熱噴涂涂層服役效能、實現(xiàn)節(jié)約資源與能源的重要途徑。

您對超音速火焰噴涂硬質(zhì)合金的研究取得了一系列成果，提出了液固兩相粒子沉積機制模型，闡明了固態(tài)顆粒特性對粒子沉積特性、涂層結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律。您認(rèn)為其他噴涂方法近幾年的研究熱點有哪些？

李教授：首先，從方法層面，傳統(tǒng)等離子噴涂在電弧穩(wěn)定性與粉末軌跡控制方面的進(jìn)展顯著。通過噴槍設(shè)計限制電弧陽極斑點的移動范圍，使得電弧穩(wěn)定性及熱功率穩(wěn)定性得到了大幅度改善，可顯著減少噴涂粒子參數(shù)的波動；其次噴槍多電極的設(shè)計降低了單個電極上的電弧斑點的電負(fù)荷，顯著降低了電極的燒損，也進(jìn)一步增加了等離子射流的長時運行穩(wěn)定性。軸向送粉等離子系統(tǒng)的應(yīng)用也為粒子參數(shù)的可靠控制提供了方法。作為噴涂方法研究的新熱點有：冷噴涂、PS-PVD、懸浮液熱噴涂 / 先驅(qū)體溶液熱噴涂（可統(tǒng)稱為液料熱噴涂）。

冷噴涂的重要特點是將沉積顆粒的加熱狀態(tài)從完全熔化、半熔化態(tài)拓展至固態(tài)，因沉積過程中成分不發(fā)生變化的特點，可以通過粉末成分完全控制涂層的成分。經(jīng)過超過 15 年的基礎(chǔ)研究，提出了綜合考慮粒子分布與碰撞角度的冷噴涂粒子沉積模型與臨界速度的測量方法，發(fā)現(xiàn)了合金粒子臨界沉積速度受其表面氧化狀態(tài)顯著影響的規(guī)律；揭示了冷噴涂涂層中合金粒子界面呈現(xiàn)微納米晶亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)特征，提出了基于亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)活性實現(xiàn)原位制備與強化、控制不同種涂層結(jié)構(gòu)與性能的思路。針對不同類材料的涂層制備規(guī)律與特點已經(jīng)取得了大量的數(shù)據(jù)，最重要的進(jìn)展可以認(rèn)為是：通過工藝控制可以沉積強度超過塊體 60% 的涂層（如Cu 涂層）、通過材料設(shè)計與工藝控制可制備致密度可達(dá)到液體腐蝕介質(zhì)不滲透而完全實現(xiàn)耐腐蝕保護(hù)的涂層制備技術(shù)。為此，冷噴涂技術(shù)基本已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的初期階段。由于冷噴涂中，涂層高效沉積與結(jié)合形成的要求，需要粒度?。ㄐ∮?50μm）與含氧量（表面氧化膜厚度）低的金屬合金粉末，而國內(nèi)可以生產(chǎn)適合于冷噴涂的低含氧量的不同金屬粉末的制造廠商不多。

PS-PVD 是利用約 200Pa 以下的超低壓等離子射流快速將噴涂粉末加熱至氣化態(tài)，再使其高速沉積在基體表面而形成涂層的新方法。通過控制將粒子加熱至熔融、熔融 / 氣態(tài)、完全氣化狀態(tài)，可分別實現(xiàn)液滴碰撞沉積（傳統(tǒng)熱噴涂）、氣 / 液共沉積、氣相沉積，不僅可以獲得傳統(tǒng)層狀結(jié)構(gòu)涂層、致密結(jié)構(gòu)涂層，更重要的是可以獲得與 EB-PVD 類似的具有高熱循環(huán)應(yīng)變緩和能力的柱狀結(jié)構(gòu)陶瓷涂層，有望替代高成本 EB- PVD 制備高性能 TBC 受到廣泛關(guān)注而成為研究熱點。已在涂層組織結(jié)構(gòu)調(diào)控方面取得了顯著的進(jìn)展，但粒子的加熱氣化規(guī)律、沉積規(guī)律等基礎(chǔ)問題尚待闡明。由于即使在 150kW 的功率下，可完全氣化的顆粒尺寸小于 1μm，因此可有效應(yīng)用于 PS-PVD的粉末非常有限，亞微米粉末粒子的送進(jìn)技術(shù)有待突破。

液料熱噴涂根據(jù)液料分為懸浮液與先驅(qū)體溶液兩類，結(jié)合所使用的熱源分別進(jìn)行命名，如懸浮液（或先驅(qū)體溶液）等離子噴涂、先驅(qū)體溶液（或懸浮液）HVOF 噴涂，在 20 世紀(jì) 90 年代由紐約州立大學(xué)石溪分校Herman 教授提出。初期主要以納米結(jié)構(gòu)粉末或涂層制備為目標(biāo)進(jìn)行研究，重要特點在于通過采用液料將噴涂粒子的尺寸，即沉積單元的尺寸從傳統(tǒng)的約 5μm 以上降低至亞微米及納米尺度范圍，大幅度拓展了涂層組織結(jié)構(gòu)調(diào)控范圍。近年來的研究表明，在大氣氣氛下可制備具有柱狀結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層，作為 TBC 應(yīng)用具有較大潛力，且因在大氣氣氛中噴涂制備，具有低成本的特點，因而成為熱點研究方向之一。

根據(jù)涂層的功能，關(guān)于熱障涂層、生物涂層、腐蝕防護(hù)涂層的研究等依然是熱點。其次，與能源、環(huán)境相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)涂層與功能涂層的研究也受到關(guān)注。

腐蝕防護(hù)作為熱噴涂技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，因涂層中不可避免存在的孔隙，發(fā)展合適的不同類別的封孔劑的同時，發(fā)展基于環(huán)境效應(yīng)的智能防腐涂層與超疏水特征的多功能腐蝕防護(hù)材料與技術(shù)也成為受到關(guān)注的方向。

熱噴涂技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用較為成熟，與國外的研究相比還有哪些不足？未來的發(fā)展方向如何？

李教授：熱噴涂技術(shù)確實在國內(nèi)已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。與國外相比，大部分應(yīng)用單位主要在國外已有應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上才開發(fā)利用，開拓創(chuàng)新性的應(yīng)用意識尚不太強，使得引領(lǐng)性的應(yīng)用成果有限，此外缺乏工藝優(yōu)化與工藝嚴(yán)格控制的意識。因此，在倡導(dǎo)通過研發(fā)投入進(jìn)行開拓創(chuàng)新性的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的同時，作為高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的需要以及涂層不可修復(fù)的特點，發(fā)展自動化噴涂技術(shù)的應(yīng)用以確保涂層工藝的一致性、涂層質(zhì)量的一致性也將是一個重要方面。其次，設(shè)備制造技術(shù)尚未得到用戶的完全認(rèn)可，重要噴涂材料依然需要依賴進(jìn)口。

針對未來的發(fā)展方向，除了圍繞上述新型熱噴涂方法開展涂層技術(shù)開發(fā)與相應(yīng)的配套材料開發(fā)外，完全致密的涂層沉積技術(shù)與具有環(huán)境自適應(yīng)強化特性的高性能涂層技術(shù)的開發(fā)將是重要的方向。作為保護(hù)涂層，結(jié)合航空發(fā)動機專項的實施，需研發(fā)相關(guān)的不僅適用于發(fā)動機制造的涂層技術(shù)，而且也適用于其他領(lǐng)域的熱噴涂技術(shù)，如 TBC 涂層技術(shù)、適用于不同溫域的自潤滑涂層與可磨耗封嚴(yán)涂層技術(shù)、超疏水多功能涂層技術(shù)、可完全發(fā)揮涂層材料潛力的粒子間結(jié)合良好的致密涂層技術(shù)等。另外，基于涂層組織結(jié)構(gòu)特點的熱噴涂新概念應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)也將是拓展熱噴涂應(yīng)用的發(fā)展方向，如在電磁爐與長效不沾鍋、長效高摩擦表面的制造等。隨著熱噴涂致密涂層技術(shù)的發(fā)展，基于熱噴涂的增材制造與再制造也將進(jìn)一步成為重要的發(fā)展方向，除制造結(jié)構(gòu)產(chǎn)品外，面向能源器件制造的熱噴涂技術(shù)，如固體氧化物燃料電池、太陽電池、熱電器件制造等又是一重要發(fā)展方向。

信息來源：航空制造技術(shù)