金屬材料表面工程的應(yīng)用與發(fā)展

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1、金屬材料表面工程的應(yīng)用與發(fā)展 摘　要：表面工程技術(shù)是21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始一直保持較快的發(fā)展速度，在科研和生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，收到了良好的效益。本文簡(jiǎn)要概述了金屬材料表面工程技術(shù)中的表面改性處理、表面涂鍍/層技術(shù)和堆焊表面改性技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和發(fā)展現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞：金屬材料；表面工程；發(fā)展與應(yīng)用 引言 　　表面工程學(xué)是一門(mén)涉及材料科學(xué)、冶金技術(shù)、機(jī)械工程等眾多領(lǐng)域的綜合學(xué)科，包括表面科學(xué)理論、表面工程技術(shù)、表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)、表面分析與檢測(cè)技術(shù)、表面質(zhì)量與工藝過(guò)程控制工程、表面工程管理與經(jīng)濟(jì)分析等幾個(gè)方面[1]。其中表面工

2、程技術(shù)是和生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系最為密切的，同時(shí)也代表著生產(chǎn)技術(shù)水平的高 低。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步對(duì)生產(chǎn)設(shè)備與儀器提出了更高的要求，復(fù)雜多變的工 況考驗(yàn)著材料性能的優(yōu)劣，必須在保證經(jīng)濟(jì)性前提下，綜合運(yùn)用各種高新技術(shù)提高和改善金屬材料性能。 　　 表面工程技術(shù)是利用科技手段對(duì)材料表面進(jìn)行處理，通過(guò)改變材料表面和 亞表面的成分、微觀組織結(jié)構(gòu)以此來(lái)改善和提高其性能，滿足使用要求。金屬零件在使用過(guò)程中的破壞往往是從表面開(kāi)始的，或因接觸介質(zhì)的化學(xué)腐蝕，或高溫環(huán)境的氧化和熔化，或摩擦工況及磨料介質(zhì)中的磨損，或復(fù)雜受力下的彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓或剪切。因此，強(qiáng)化表面成為抵抗此類(lèi)破壞的第一道防線。近年來(lái)，表面改性處理、表面涂

3、鍍/層技術(shù)和堆焊表面改性技術(shù)因其不同的優(yōu)點(diǎn)在表面工程技術(shù)領(lǐng)域迅速發(fā)展。 1 表面改性技術(shù) 　　表面改性技術(shù)包括以噴丸強(qiáng)化、輥壓強(qiáng)化為代表的表面強(qiáng)化技術(shù)，以各種氧化、鈍化成膜的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)，化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）與等離子束、激光束等高能束的表面處理技術(shù)。表面改性技術(shù)是借助外在介質(zhì)改善材料的表面性能，不對(duì)原材料添加任何化學(xué)元素，改性后的材料表面不存在化學(xué)元素的增減，只是成分的比例和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此，該技術(shù)相對(duì)于涂鍍（層）技術(shù)和堆焊表面改性技術(shù)要工藝簡(jiǎn)單，只需控制好過(guò)程參數(shù)即可。不同的工況環(huán)境對(duì)材料的要求也不同，應(yīng)根據(jù)具體的實(shí)際需求選擇處理工藝。 1.1化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù) 　　 該技術(shù)經(jīng)過(guò)近

4、些年的發(fā)展已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不僅在金屬材料表面成膜，而且可在陶瓷等非金屬表面成膜，膜的厚度也在向著更優(yōu)更薄的方向發(fā)展。如各種碳化鈦超導(dǎo)陶瓷薄膜系多晶或外延單晶薄膜、抗高溫大功率的半導(dǎo)體用金剛石薄膜以及各種光電子薄膜和集成光學(xué)薄膜。鋁及其合金的表面改性技術(shù)大多采用的是表面成膜技術(shù)，在表面形成耐磨、耐蝕、多孔、結(jié)合性強(qiáng)的高性能薄膜。目前鋁合金表面的改性技術(shù)主要有：電化學(xué)氧化法、化學(xué)轉(zhuǎn)化法、微弧氧化技術(shù)、等離子注入表面改性、冷噴涂技術(shù)、稀土轉(zhuǎn)化膜和激光處理等[2]。 1.2高能束表面改性技術(shù) 　　高能束表面改性技術(shù)是運(yùn)用高能束熱源，添加或不加化學(xué)元素，對(duì)材料表面及亞表面進(jìn)行重熔或熔覆處理，形成滿足使用要求的

5、高性能表層。所謂的高能束（High Energy Density Beam------HEDB）即高能量密度的束流，包括激光束、電子束、等離子束[3]，與傳統(tǒng)熱源相比較，高能束具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：1、能量更加集中，因此熱效率高；2、方向性更強(qiáng)；3、易于實(shí)現(xiàn)精確控制；4、屬于綠色能源，不易造成浪費(fèi)。高能束的諸多優(yōu)點(diǎn)使得它在傳統(tǒng)技術(shù)工業(yè)、聚合物、生物醫(yī)用材料、制備納米材料等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4]。激光重熔、等離子重熔、激光表面熔覆、激光表面合金化等高能束表面改性技術(shù)在各行業(yè)得到飛速發(fā)展。 　　高能束作為新型能源在表面改性技術(shù)中的應(yīng)用，給表面工程學(xué)科帶來(lái)了大發(fā)展，必將是倡導(dǎo)節(jié)約能源降低能耗的21世

6、紀(jì)快速發(fā)展的能源之一。表面改性處理改善金屬材料的使用性能與組織、硬度和耐磨性的改變有關(guān)，而各項(xiàng)改變的量和質(zhì)決定于材質(zhì)和高能束熱源。不同材料在具體的過(guò)程中還受到諸如掃描速度、掃描間距、電流、電壓等工藝條件選擇的影響。通常，輸入材料表面的高能束熱量越大，材料的散熱能力越強(qiáng)，則獲得的性能改善層深度越大，材料表面組織與原始組織差別越大。具體行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還需根據(jù)實(shí)際情況選擇高能束熱源類(lèi)型和實(shí)際生產(chǎn)中合適的工藝參數(shù)。 2表面涂鍍/層技術(shù) 　　古典技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合在材料表面形成一層或多層同質(zhì)或異質(zhì)層的技術(shù)稱(chēng)為表面涂鍍/層技術(shù)。該技術(shù)包括在材料表面電鍍耐磨、耐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能的單層或復(fù)合表層、非晶

7、態(tài)鍍層的電鍍技術(shù)；有機(jī)涂層技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)等。 2.1熱噴涂技術(shù) 　　熱噴涂技術(shù)是一種重要的表面工程技術(shù)，通過(guò)在材料表面噴涂保護(hù)層、強(qiáng)化層和裝飾層來(lái)實(shí)現(xiàn)抗磨、耐熱、耐蝕、絕緣和導(dǎo)光等特性功能[5]。熱噴涂技術(shù)作為一種表面強(qiáng)化和防護(hù)工藝如今已日漸成熟，從單一的表面強(qiáng)化層發(fā)展到及產(chǎn)品失效分析、表面預(yù)處理、噴涂材料、噴涂設(shè)備選擇、噴涂工藝確定、涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和噴涂層后期加工為一體的系統(tǒng)工程。該技術(shù)由條件要求極高的宇航工業(yè)開(kāi)始，如今已深入發(fā)展到民用工業(yè)的各個(gè)行業(yè)[6]。 　　熱噴涂技術(shù)包括火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂等。電弧噴涂效率高、涂層結(jié)合力強(qiáng)、生產(chǎn)效率高且能適合各種復(fù)雜環(huán)境，因

8、此在市場(chǎng)上的份額較大。噴涂材料離子的溫度和速度對(duì)涂層的性能影響較大，由此而生的超音速等離子熱噴涂技術(shù)近年來(lái)在國(guó)際上發(fā)展迅速?；鹧鎳娡扛鶕?jù)涂層材料的種類(lèi)不同分為線材火焰噴涂和絲材火焰噴涂技術(shù)。該技術(shù)是利用火焰將材料先熔化然后形成涂層，之后再用火焰加熱涂層，可以使基層與涂層材料間達(dá)到冶金結(jié)合，對(duì)于高溫下承受熱沖擊的高溫磨具處理尤為重要[7]。 2.2物理氣相沉積技術(shù) 　　物理氣相沉積技術(shù)是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法在材料表面成膜。表面膜可以是金屬膜、合金膜、陶瓷膜亦或是金剛石膜等。此類(lèi)沉積成膜技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械、航空等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中操作靈活，可以根據(jù)需要調(diào)整成分和比例，從而改善材料的不同性能。 3堆焊表面改性技術(shù) 　　堆焊表面改性技術(shù)是利用焊接技術(shù)在基體表面堆焊一層或多層同質(zhì)或異質(zhì)的覆層材料，使其與基層間達(dá)到冶金結(jié)合，以此來(lái)改善或提高材料的表面抗磨、耐高溫、耐蝕或承壓等性能。幾乎所有的焊接方法都可用于堆焊技術(shù)，所以該技術(shù)在表面工程技術(shù)中使用更為廣泛，航空、機(jī)械、冶金等行業(yè)中都可見(jiàn)其應(yīng)用，且更加多的應(yīng)用于破舊零器件的修復(fù)。 　　根據(jù)焊接方法的不同，堆焊技術(shù) [1][2]下一頁(yè)