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給材料穿上鎧甲
材料新視野
2014年01月20日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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