1.表面工程
古代的武將在作戰(zhàn)時,常穿著一身鎧甲,這樣戰(zhàn)斗時就能刀箭不入,所向披靡?,F(xiàn)代工程中有時材料的工作條件極為苛刻,或者缺乏某種特殊性能,單靠材料本身已不能滿足要求,于是人們便想到了給材料表面穿上一層或數(shù)層“鎧甲”,以抵擋形形色色的惡劣工作條件或改變某種性能。這種“穿鎧甲”的手段,稱為 “表面強化”或“表面改性”。其方法多種多樣,統(tǒng)稱為“表面技術(shù)”或“表面工程”。表面技術(shù)在基體上形成的各種保護層,稱為“表面層”或“表面改性層”。表面改性層可使其既保持原有基體材料的優(yōu)良特征,又改善其某些不足,使基體材料和表面層的多種優(yōu)點集于一體,取長補短,相得益彰。例如陶瓷具有堅硬、耐磨、耐蝕、耐高溫等優(yōu)點,但它具有脆性、不抗熱震(即快速加熱時易破裂),加工性能差等缺點;而鋼鐵或合金等金屬材料則正好具有高強度、剛度、韌性,良好的加工性等這些長處,而缺乏陶瓷的上述優(yōu)點。若鋼鐵表面加上一層陶瓷,兩者的優(yōu)點就結(jié)合起來了。其實表面改性也算是一項古老的技術(shù)了,古代人們?yōu)榱吮Wo金屬或木制器具,常在表面刷上一層油漆,使其不受環(huán)境侵蝕和保持表面光亮美觀,這就是一種表面技術(shù)。早先制造油漆的主要原料 桐油,就是我國的特產(chǎn),西方國家當時沒有。據(jù)說抗日戰(zhàn)爭時期,有一次蔣介石向美國借了一大筆錢,其條件就是用我國特產(chǎn)桐油償還,說明這方面我國以前是優(yōu)于西方的。鎦金也是我國古代發(fā)明的一項表面技術(shù),已有二千多年的歷史了,它是將黃金溶解在水銀中,制成汞齊,然后涂到金屬表面,加熱使水銀蒸發(fā)后就在金屬表面形成了一層鍍金層。這種方法也可以產(chǎn)生其它金屬鍍層,如銀、鋅、錫等。當然,傳統(tǒng)的表面技術(shù)已完全不能滿足現(xiàn)代工程的需要,于是科學家們發(fā)明多種多樣的表面強化技術(shù),以滿足各種特殊工況要求。
表面層按應用分:有耐磨層、增摩層(增加摩擦,用于剎車)、減摩層(減少摩擦,減少運動阻力)、耐蝕層、耐熱層、隔熱層、導電層、絕緣層、裝飾層等等;以及這些應用中的兩種或兩種以上功能的綜合。
按表面層產(chǎn)生的工藝分:大致有鍍層;滲層和涂層三大類;而每一類又可細分為多種。
鍍層:古老的汞齊法產(chǎn)生鍍層的工藝雖然現(xiàn)代仍未淘汰,但因水銀的毒性,限制了它的應用?,F(xiàn)代用得最多的是電鍍,也就是在電解槽中,使鍍質(zhì)材料通過直流電的作用,不斷向接于負極的工件運動,并沉積在工件表面,形成鍍層。其可鍍材料和應用范圍都十分廣泛,工藝不斷出新,如從僅能鍍金屬到也能鍍非金屬,從僅能鍍單一材料,到能進行兩種或兩種以上材料“復合鍍”。 金屬研究所是開展復合鍍較早的單位,已成功應用于多種工程實際,如油田的密封閥門等。上世紀七十年代中期我所又開展非電鍍鎳研究,即用化學的方法產(chǎn)生鎳鍍層,它是利用鎳鹽溶液在強還原劑作用下,使鎳還原成金屬鎳并沉積在表面被催化的工件上,稱為“化學鍍”。開始主要是鍍鎳,現(xiàn)在已能鍍多種材料。化學鍍從八十年代以來已普遍推廣,其應用范圍不斷擴大,成為一種工業(yè)化最快的新工藝,很多情況下取代了電鍍。
上世紀七十年代后期金屬研究所又開展了“離子鍍”研究,并取得技術(shù)突破。采用物理氣相沉積方法,即PVD(Physical Vapor Deposition)。它是在一真空室中,將工件和將蒸發(fā)的材料(陰極)之間接上高電壓。工件為陽極,在高電壓下,陰極材料表面產(chǎn)生弧光放電,使該材料蒸發(fā)并部分離化,這時輸入氣體(如氮),使之與蒸發(fā)物發(fā)生反應后在電場作用下,沉積于陽極基體上,形成一種化合物鍍層。這項工藝在金屬所早已取得多項應用,如離子鍍氮化鈦,因其有和黃金相同的顏色且耐磨耐蝕,而廣泛用于裝飾和表面保護。在手表殼體上鍍一層氮化鈦,成本只幾角錢,就成了“金表”。這種鍍層極硬,所以很耐磨,被稱為“超金氮化鈦”。可鍍于機械加工刀具的刃口和磨具工作面,以增加其壽命。已成功應用于銑刀、車刀、鉆頭等刀具上。離子鍍在國內(nèi)發(fā)展迅速,現(xiàn)在離子鍍的工藝和鍍層種類都有多種,其質(zhì)量不斷堤高,應用也愈來愈廣泛。
電鍍層的厚度范圍較寬,從微米級至1毫米以上,但大多數(shù)情況下,在亞毫米級;而離子鍍的厚度只能在微米級,稱為“離子鍍膜”。
滲層:滲層工藝是將基體材料放入專門的滲劑中,在一定溫度下滲入基體至一定深度,并與基體發(fā)生反應,形成一既不同于原基體也不同于滲劑的具有特殊性能的強化層,此時基體和滲層已成為一體,所以結(jié)合得特別牢固?;w材料和滲入材料兩者都可以是金屬或非金屬。而滲劑可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài),由被滲材料和工件而定。滲層的厚度可以在0.1至幾毫米之間,與滲入方法和工況要求有關(guān),氣體滲一般滲層較薄,固體滲則較厚。金屬研究所在滲層工藝研究方面,也是國內(nèi)開展得較早的單位之一。如石墨滲硅,在表面生成一層耐磨、耐蝕又耐高溫的碳化硅(SiC)滲層,有時在滲層表面再增加涂層,使其性能進一步提高。它們曾用于我國火箭材料等,為國防工程作過多種貢獻。
涂層:涂層主要指熱噴涂和常溫涂刷或噴射產(chǎn)生的表面層,油漆和涂料即屬于后者;但很多情況下還需要烘烤或焙燒;如搪瓷即是先在金屬坯胎上噴琺瑯漿,然后經(jīng)過燒制形成的涂層?,F(xiàn)代表面工程涂層主要指的是熱噴涂,見下節(jié)。
2.熱噴涂簡介
現(xiàn)代熱噴涂技術(shù)目前主要有;電弧噴涂、火焰噴涂、等離子噴涂和爆炸噴涂四種。這四種技術(shù)有的只能噴金屬,有的既能噴金屬也能噴非金屬;有的只能噴絲材,有的只能噴粉末,有的既能噴絲材也能噴粉末。下面一一介紹:
電弧噴涂:它是由兩根金屬絲連續(xù)通過一種電弧噴槍,金屬絲分別連接兩個電極,呈一定夾角同步前進,然后在將近接觸處產(chǎn)生電弧,使金屬絲熔化,同時由壓縮空氣噴射成霧狀打于基體上,形成涂層,層厚度可達幾毫米。如噴鋁、噴鋅、噴不銹鋼等用于防腐蝕,有的鋼制橋梁就采用電弧噴鋅的方法來防大氣腐蝕,以延長橋梁的壽命。電弧噴涂廣泛用于修復被磨損或損壞的機械設(shè)備,如噴涂高強度鋼或合金修復拖拉機、汽車的曲軸等被磨損和部件。以前這種技術(shù)只能噴涂單一金屬,現(xiàn)在已能用兩根不同成分的金屬絲,使之在噴涂過程中,按設(shè)計的成分形成合金。由于兩種合金成分接觸的時間短暫,并不能完全合金化,稱為“偽合金”,偽合金亦可具有優(yōu)異性能。電弧噴涂是一較老的、成熟的技術(shù),現(xiàn)仍然在軍、民用工程中廣泛應用。對這種技術(shù)的工藝和被噴的材料仍在不斷研究和改進中。金屬研究所就曾用這項技術(shù)噴涂本所研制的新型銅合金,用于裝飾和防腐。
火焰噴涂:金屬研究所于上世紀五十年代中期開展火焰噴涂研究,其目的是解決一些軍工企業(yè)提出的表面耐高溫問題,如噴氣機渦輪葉片的使用壽命,火箭頭錐防燒蝕等。最早試驗的是噴氧化鋁(Al203)絲材,在需要保護的基體表面形成一厚度為0.5-1MM的氧化鋁層,用于耐熱和隔熱,取得成功,并完成幾項工程應用。這種技術(shù)是在專門設(shè)計的火焰噴槍中,由氧氣-燃氣(大多用乙炔氣,也用過氫等燃氣)燃燒產(chǎn)生熱能,將材料熔化并由壓縮氣體噴射于工件表面上?;鹧鎳娡考瓤蓢姺勰┮部蓢娡拷z材,既可噴金屬,也可噴非金屬,用途較為廣泛,現(xiàn)在已工業(yè)化了。但由于受到焰流溫度限制,對于一些熔點較高的粉末無能為力。因為噴涂過程中,粉末經(jīng)過焰流的時間只有千分之幾秒,若要在如此短時間內(nèi)將粉末熔化,焰流的溫度必須要比粉末的溫度高很多倍,才能保證粉末在瞬間熔化。另外它必須使用氧氣,對一些金屬噴材易導致氧化。
等離子噴涂;由于火焰噴涂存在一些不足,金屬研究所于上世紀五十年代末開展了等離子噴涂研究。當時西方也只有美國等少數(shù)國家開始研究,所以這項工作我們所基本上是和國外同時開展的。當時對這項技術(shù)完全陌生,可供參考的資料又極少,工作確實很困難。比方推算它能產(chǎn)生上萬度的高溫,假設(shè)真能產(chǎn)生這么高的溫度,那用什么與它接觸呢?怎么能控制呢?感到很困惑。但即使困難也要干,因為有急需的任務(wù)等著呢,于是就按原理加想象設(shè)計噴槍??墒切列量嗫?,加工好一枝噴槍,一點火,只聽到一聲響就報消了,大家雖然惋惜但并不恢心。查找原因,分析研究,經(jīng)過多次摸索,不斷改進,最后通過強冷卻水冷卻紫銅陽極和水冷鎢釷陰極,造成等離子的熱、磁收縮效應,將等離子焰壓縮在周圍被冷卻的中心區(qū),形成了穩(wěn)定而清潔的弧焰。又經(jīng)過多次試驗,終于做到了自如地噴涂多種粉末,用其完成多項重要任務(wù)。等離子體的優(yōu)點首先是溫度高(約為氧-乙炔焰中最高溫度的2-3倍),幾乎任何材料都可噴涂,如鎢、鉬、氧化鋯(ZrO2)、氧化鎂(MgO)等原來火焰噴涂不能噴的材料,現(xiàn)在也都能噴了。其次是所用的氬、氮(有時這兩種氣體中加少量的氫,以調(diào)節(jié)焰流的溫度和體積)都是惰性氣體,能避免噴涂過程中材料氧化。這完全是由我們所從無到有獨立自主研究完成的,以后國內(nèi)很多兄弟單位都派人來學習(當時沒有技術(shù)保密意識,也禁止技術(shù)保密),使這項技術(shù)在全國得到迅速發(fā)展。我所先后用等離子噴涂技術(shù)完成過火箭頭錐、多種形號的火箭拉瓦爾噴管(這里順便提一個小插曲,當時我所有一領(lǐng)導,看到所里搞了這么多型號的火箭噴管,在一次會議上開玩笑地說,我們搞一個噴管公司吧,在文革中批斗這位領(lǐng)導時,這句話竟莫明其妙地成了一大罪狀),衛(wèi)星回收天線,渦輪葉片以及很多民用工程的材料保護任務(wù)??梢哉J為等離子技術(shù)為國家作出了重要貢獻。
相關(guān)鏈接:拉瓦爾噴管(Laval Nozzle)于1883年由瑞士工程師發(fā)明,它是火箭推進器、汽輪機和噴氣發(fā)動機的重要構(gòu)件。拉瓦爾噴管由兩個大口向外的錐形管構(gòu)成,一為收縮管,另一為擴張管,中間有過渡段,稱為喉道。燃氣由接于火箭上的收縮管(亞音速)通過喉道(臨界點)后至擴張管迅速擴張產(chǎn)生超音速噴射而出,形成推力。由于燃燒時的高溫,對兩錐形管尤其是喉道產(chǎn)生激烈的高溫沖刷,使其工作環(huán)境極其苛刻。如果喉道在火箭飛行時出現(xiàn)一點損壞(如直徑擴大或出現(xiàn)溝槽),將直接影響火箭的穩(wěn)定性,決定成敗,所以噴管是火箭材料的一個關(guān)鍵,其次才是頭錐。
爆炸噴涂;爆炸噴涂是繼前三種技術(shù)之后發(fā)明的一新的噴涂技術(shù)。它也是一種用火焰作熱源的噴涂工藝。將氧氣和燃氣(多為乙炔)按比例輸入爆炸噴槍內(nèi)的一小室中混合,然后電點火,氣體立即爆炸,爆炸速度為每秒四次,所以聽起來幾乎是連續(xù)的。爆炸產(chǎn)生很高溫度和速度,將槍管中的粉末熔化并噴射到需保護的基體上。據(jù)稱其射于基體表面的速度比子彈射出時速度還快,因而涂層致密,和基體結(jié)合極其牢固。這項技術(shù)國內(nèi)只有航空系統(tǒng)的一個研究所開展,已在噴氣發(fā)動機葉片上得到應用。因其技術(shù)較難掌握;且爆炸噴涂產(chǎn)生巨大聲音,對人體有傷害,必須隔離操作,其應用受到限制。
作者:董祥林
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