先进表面工程为设备打造坚实“铠甲”
王铀 张成连 陈正基 葛文庆
中国冶金报/2010 年/7 月
表面工程作为 21 世纪工业发展的关键技术之一，是新材料和先进制造技术的重要组成部分，为其发展提供了技术支撑。
作为表面工程的技术基础，表面技术的发展历史悠久，但是，表面工程概念的提出不过是近20 年来的事情。所谓表面工程技术，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体表面形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要的材料表面性能的系统工程。表面工程的基本特征是综合、交叉、复合、优化。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它以表面为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面工程技术及其复合为特色，逐步形成了与其他学科密切相关的表面工程基础理论。表面工程的最大优点是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。这层表面材料与部件的整体制作材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能。
表面工程具有广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视，其产生的经济效益更是令人瞩目。在国家“九五”、“十五”规划中，表面工程领域都是优先资助领域。由于表面工程的显著作用和重要地位，许多先进的表面工程技术及其基础理论研究被列入了国家重大技术创新项目、国家重点科技攻关项目等。
表面工程显著提高设备性能机械装备零部件的三大主要失效形式为磨损、腐蚀和疲劳断裂。然而，一切部件的损坏都源于表面，磨损在表面发生，腐蚀从表面开始，疲劳损伤由表面向基体延伸，需要表面工程来解决表面破坏问题。同时，现代工业的发展对产品提出了更高要求，需要其在高温、高压、高速、重载以及腐蚀介质等恶劣工况下可靠工作，表面工程为满足这些要求大显身手。
激光束、离子束、电子束等高能量密度热源的实用化，以及纳米材料和纳米技术的发展等，大大拓宽了表面工程的应用领域，丰富了表面工程的功能，可以更有效地提高材料表面的性能和质量。表面工程适合我国国情，可大量节约能源、资源，使科技尽快转化为生产力，符合我国可持续发展战略。采用表面工程技术，可以利用较低的成本大幅度提高产品性能和附加值，从而获得更高的利润。我国从第六个“五年计划”以来，通过在设备维修领域和先进制造领域推广应用表面工程已累计取得了几百亿元的经济效益。
近年来，表面工程技术将更深地融入到高新技术的开发和传统工业的改造，并成为微电子和信息技术发展的重要支柱。另外，表面工程技术的应用，带来了材料的节约和优化使用，减少了设备的腐蚀和磨损。据估算，我国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效一项所造成的损失超过400 亿元，而通过表面技术改善润滑、减少摩擦磨损，可能带来的经济效益约占国民经济总产值的 2%甚至 4%以上。
国内领先的表面工程技术
纳米结构热喷涂涂层。该纳米陶瓷涂层具有十分优异的韧性、耐磨抗蚀性能、抗热震性能和良好的可加工性能。大量实验室和工业现场实验数据表明：纳米结构氧化铝、氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的同类商用涂层韧性高出 1 倍、耐磨性高出 4～8 倍、结合强度和抗热冲（热震）性能高出 1～2 倍、疲劳强度高出约 10 倍。该纳米结构热喷涂陶瓷涂层用途广泛，可以应用的零部件包括金属轧辊、液压活塞、水泵、抽油杆、泥浆泵、内燃机和汽轮机零部件、阀杆、阀门、球阀、活塞环、汽缸体、销子、传动轴、支承轴、曲轴、支撑板、挺杆、工具模具、轴瓦、重载后轴柄、凸轮、凸杆、密封件等各类需要耐磨防腐的零部件。
热喷涂金属间化合物涂层。金属间化合物研究近 20 年来始终是国际材料界研究的热点之一。与此同时，金属间化合物被作为表面防护涂层方面的研究也一直备受关注。研究表明，在用于热喷涂的 NiAl 金属间化合物粉末喂料中添加纳米改性剂进行强韧化，可以得到一定厚度的连续完好、均匀致密且性能优异的 NiAl 金属间化合物涂层。添加纳米改性剂所获得的 NiAl 涂层具有极高的硬度和极低的冲蚀磨损率，其冲蚀磨损抗力较 NiAl 涂层提高了 4 倍以上。而且可以使 NiAl金属间化合物涂层的热震性能提高近 20 倍。同时，改性的 NiAl 涂层可以完全阻挡碳渗入高温合金基体，起到防渗碳作用。
热喷涂纳米改性合金涂层。钢铁企业的高炉风口、渣口使用等离子喷涂金属陶瓷涂层，包括MCrAlY 涂层，以提高抗熔融金属浸蚀、磨损性能，延长使用寿命。还有许多其他高温部件表面也可使用等离子喷涂抗高温氧化的热障陶瓷涂层或单独的 MCrAlY 涂层作为热障涂层，如轧板、管、棒等各种钢材、导卫板（轮）等原为铸铁或一般铸钢材质，不耐高温腐蚀，若采用 45 号为基材，表面喷涂或喷焊 MCrAlY 一类高温合金粉，可使寿命大大延长。
激光重熔表面改性。激光重熔或合金化的陶瓷涂层可以有效解决材料的磨损、腐蚀、疲劳问题。采用激光对材料表面层进行重新熔覆处理的技术，是将涂层材料于基体表面完全熔化的快速凝固过程，它是利用高能密度激光束将预置或喷涂的材料粉末熔覆在基体表面上，得到具有与基体材料完全不同成分和性能的材料熔覆层，同时基体金属有一薄层熔化，与之构成冶金结合的一种表面处理技术。其优点为提高了等离子喷涂层的致密度，涂层与基材实现冶金结合，重熔层表面相对较光滑，不必再进行涂层的封孔处理。
多年来，有关冶金工作者对十几种合金涂层进行研究发现，经激光重熔后，消除了喷涂层中的孔洞、夹杂等缺陷，与基体形成了良好的冶金结合，涂层质量显著提高。有关人士针对氧化铝涂层的层状结构和多孔性特点，通过对喷涂层表面进行激光重熔，改变了涂层的组织结构，减少或消除了涂层中的疏松和气孔等缺陷，改善了陶瓷晶粒间的结合强度，显著提高了涂层的抗腐蚀性能。针对激光处理后涂层易产生裂纹的问题，研究表明，加入稀土可使热喷涂-激光重熔合金层的枝晶形态得到改善，组织明显均匀细化，硬度增加，耐磨抗蚀性能提高，不再有裂纹产生。
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
