给材料穿上铠甲
给材料穿上铠甲1．表面工程 古代的武将在作战时，常穿着一身铠甲，这样战斗时就能刀箭不入，所向披靡。现代工程中有时材料的工作条件极为苛刻，或者缺乏某种特殊性能，单靠材料本身已不能满足要求，于是人们便想到了给材料表面穿上一层或数层“铠甲”，以抵挡形形色色的恶劣工作条件或改变某种性能。这种“穿铠甲”的手段，称为 “表面强化”或“表面改性”。其方法多种多样，统称为“表面技术”或“表面工程”。表面技术在基体上形成的各种保护层，称为“表面层”或“表面改性层”。表面改性层可使其既保持原有基体材料的优良特征，又改善其某些不足，使基体材料和表面层的多种优点集于一体，取长补短，相得益彰。例如陶瓷具有坚硬、耐磨、耐蚀、耐高温等优点，但它具有脆性、不抗热震（即快速加热时易破裂），加工性能差等缺点；而钢铁或合金等金属材料则正好具有高强度、刚度、韧性，良好的加工性等这些长处，而缺乏陶瓷的上述优点。若钢铁表面加上一层陶瓷，两者的优点就结合起来了。其实表面改性也算是一项古老的技术了，古代人们为了保护金属或木制器具，常在表面刷上一层油漆，使其不受环境侵蚀和保持表面光亮美观，这就是一种表面技术。早先制造油漆的主要原料──桐油，就是我国的特产，西方国家当时没有。据说抗日战争时期，有一次蒋介石向美国借了一大笔钱，其条件就是用我国特产桐油偿还，说明这方面我国以前是优于西方的。镏金也是我国古代发明的一项表面技术，已有二千多年的历史了，它是将黄金溶解在水银中，制成汞齐，然后涂到金属表面，加热使水银蒸发后就在金属表面形成了一层镀金层。这种方法也可以产生其它金属镀层，如银、锌、锡等。当然，传统的表面技术已完全不能满足现代工程的需要，于是科学家们发明多种多样的表面强化技术，以满足各种特殊工况要求。 表面层按应用分：有耐磨层、增摩层（增加摩擦，用于刹车）、减摩层（减少摩擦，减少运动阻力）、耐蚀层、耐热层、隔热层、导电层、绝缘层、装饰层等等；以及这些应用中的两种或两种以上功能的综合。 按表面层产生的工艺分：大致有镀层；渗层和涂层三大类；而每一类又可细分为多种。 镀层：古老的汞齐法产生镀层的工艺虽然现代仍未淘汰，但因水银的毒性，限制了它的应用。现代用得最多的是电镀，也就是在电解槽中，使镀质材料通过直流电的作用，不断向接于负极的工件运动，并沉积在工件表面，形成镀层。其可镀材料和应用范围都十分广泛，工艺不断出新，如从仅能镀金属到也能镀非金属，从仅能镀单一材料，到能进行两种或两种以上材料“复合镀”。 金属研究所是开展复合镀较早的单位，已成功应用于多种工程实际，如油田的密封阀门等。上世纪七十年代中期我所又开展非电镀镍研究，即用化学的方法产生镍镀层，它是利用镍盐溶液在强还原剂作用下，使镍还原成金属镍并沉积在表面被催化的工件上，称为“化学镀”。开始主要是镀镍，现在已能镀多种材料。化学镀从八十年代以来已普遍推广，其应用范围不断扩大，成为一种工业化最快的新工艺，很多情况下取代了电镀。 上世纪七十年代后期金属研究所又开展了“离子镀”研究，并取得技术突破。采用物理气相沉积方法，即PVD(Physical Vapor Deposition)。它是在一真空室中，将工件和将蒸发的材料（阴极）之间接上高电压。工件为阳极，在高电压下，阴极材料表面产生弧光放电，使该材料蒸发并部分离化，这时输入气体（如氮），使之与蒸发物发生反应后在电场作用下，沉积于阳极基体上，形成一种化合物镀层。这项工艺在金属所早已取得多项应用，如离子镀氮化钛，因其有和黄金相同的颜色且耐磨耐蚀，而广泛用于装饰和表面保护。在手表壳体上镀一层氮化钛，成本只几角钱，就成了“金表”。这种镀层极硬，所以很耐磨，被称为“超金氮化钛”。可镀于机械加工刀具的刃口和磨具工作面，以增加其寿命。已成功应用于铣刀、车刀、钻头等刀具上。离子镀在国内发展迅速，现在离子镀的工艺和镀层种类都有多种，其质量不断堤高，应用也愈来愈广泛。 电镀层的厚度范围较宽，从微米级至1毫米以上，但大多数情况下，在亚毫米级；而离子镀的厚度只能在微米级，称为“离子镀膜”。 渗层：渗层工艺是将基体材料放入专门的渗剂中，在一定温度下渗入基体至一定深度，并与基体发生反应，形成一既不同于原基体也不同于渗剂的具有特殊性能的强化层，此时基体和渗层已成为一体，所以结合得特别牢固。基体材料和渗入材料两者都可以是金属或非金属。而渗剂可以是固态、液态或气态，由被渗材料和工件而定。渗层的厚度可以在0．1至几毫米之间，与渗入方法和工况要求有关，气体渗一般渗层较薄，固体渗则较厚。金属研究所在渗层工艺研究方面，也是国内开展得较早的单位之一。如石墨渗硅，在表面生成一层耐磨、耐蚀又耐高温的碳化硅(SiC)渗层，有时在渗层表面再增加涂层，使其性能进一步提高。它们曾用于我国火箭材料等，为国防工程作过多种贡献。 涂层：涂层主要指热喷涂和常温涂刷或喷射产生的表面层，油漆和涂料即属于后者；但很多情况下还需要烘烤或焙烧；如搪瓷即是先在金属坯胎上喷珐琅浆，然后经过烧制形成的涂层。现代表面工程涂层主要指的是热喷涂，见下节。 2．热喷涂简介 现代热喷涂技术目前主要有；电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂四种。这四种技术有的只能喷金属，有的既能喷金属也能喷非金属；有的只能喷丝材，有的只能喷粉末，有的既能喷丝材也能喷粉末。下面一一介绍： 电弧喷涂：它是由两根金属丝连续通过一种电弧喷枪，金属丝分别连接两个电极，呈一定夹角同步前进，然后在将近接触处产生电弧，使金属丝熔化，同时由压缩空气喷射成雾状打于基体上，形成涂层，层厚度可达几毫米。如喷铝、喷锌、喷不锈钢等用于防腐蚀，有的钢制桥梁就采用电弧喷锌的方法来防大气腐蚀，以延长桥梁的寿命。电弧喷涂广泛用于修复被磨损或损坏的机械设备，如喷涂高强度钢或合金修复拖拉机、汽车的曲轴等被磨损和部件。以前这种技术只能喷涂单一金属，现在已能用两根不同成分的金属丝，使之在喷涂过程中，按设计的成分形成合金。由于两种合金成分接触的时间短暂，并不能完全合金化，称为“伪合金”，伪合金亦可具有优异性能。电弧喷涂是一较老的、成熟的技术，现仍然在军、民用工程中广泛应用。对这种技术的工艺和被喷的材料仍在不断研究和改进中。金属研究所就曾用这项技术喷涂本所研制的新型铜合金，用于装饰和防腐。 火焰喷涂：金属研究所于上世纪五十年代中期开展火焰喷涂研究，其目的是解决一些军工企业提出的表面耐高温问题，如喷气机涡轮叶片的使用寿命，火箭头锥防烧蚀等。最早试验的是喷氧化铝（Al203）丝材，在需要保护的基体表面形成一厚度为0．5－1MM的氧化铝层，用于耐热和隔热，取得成功，并完成几项工程应用。这种技术是在专门设计的火焰喷枪中，由氧气－燃气（大多用乙炔气，也用过氢等燃气）燃烧产生热能，将材料熔化并由压缩气体喷射于工件表面上。火焰喷涂既可喷粉末也可喷涂丝材，既可喷金属，也可喷非金属，用途较为广泛，现在已工业化了。但由于受到焰流温度限制，对于一些熔点较高的粉末无能为力。因为喷涂过程中，粉末经过焰流的时间只有千分之几秒，若要在如此短时间内将粉末熔化，焰流的温度必须要比粉末的温度高很多倍，才能保证粉末在瞬间熔化。另外它必须使用氧气，对一些金属喷材易导致氧化。 等离子喷涂；由于火焰喷涂存在一些不足，金属研究所于上世纪五十年代末开展了等离子喷涂研究。当时西方也只有美国等少数国家开始研究，所以这项工作我们所基本上是和国外同时开展的。当时对这项技术完全陌生，可供参考的资料又极少，工作确实很困难。比方推算它能产生上万度的高温，假设真能产生这么高的温度，那用什么与它接触呢？怎么能控制呢？感到很困惑。但即使困难也要干，因为有急需的任务等着呢，于是就按原理加想象设计喷枪。可是辛辛苦苦，加工好一枝喷枪，一点火，只听到一声响就报消了，大家虽然惋惜但并不恢心。查找原因，分析研究，经过多次摸索，不断改进，最后通过强冷却水冷却紫铜阳极和水冷钨钍阴极，造成等离子的热、磁收缩效应，将等离子焰压缩在周围被冷却的中心区，形成了稳定而清洁的弧焰。又经过多次试验，终于做到了自如地喷涂多种粉末，用其完成多项重要任务。等离子体的优点首先是温度高（约为氧－乙炔焰中最高温度的2－3倍），几乎任何材料都可喷涂，如钨、钼、氧化锆（ZrO2）、氧化镁（MgO）等原来火焰喷涂不能喷的材料，现在也都能喷了。其次是所用的氩、氮（有时这两种气体中加少量的氢，以调节焰流的温度和体积）都是惰性气体，能避免喷涂过程中材料氧化。这完全是由我们所从无到有独立自主研究完成的，以后国内很多兄弟单位都派人来学习（当时没有技术保密意识，也禁止技术保密），使这项技术在全国得到迅速发展。我所先后用等离子喷涂技术完成过火箭头锥、多种形号的火箭拉瓦尔喷管（这里顺便提一个小插曲，当时我所有一领导，看到所里搞了这么多型号的火箭喷管，在一次会议上开玩笑地说，我们搞一个喷管公司吧，在文革中批斗这位领导时，这句话竟莫明其妙地成了一大罪状），卫星回收天线，涡轮叶片以及很多民用工程的材料保护任务。可以认为等离子技术为国家作出了重要贡献。 相关链接：拉瓦尔喷管（Laval Nozzle）于1883年由瑞士工程师发明，它是火箭推进器、汽轮机和喷气发动机的重要构件。拉瓦尔喷管由两个大口向外的锥形管构成，一为收缩管，另一为扩张管，中间有过渡段，称为喉道。燃气由接于火箭上的收缩管（亚音速）通过喉道（临界点）后至扩张管迅速扩张产生超音速喷射而出，形成推力。由于燃烧时的高温，对两锥形管尤其是喉道产生激烈的高温冲刷，使其工作环境极其苛刻。如果喉道在火箭飞行时出现一点损坏（如直径扩大或出现沟槽），将直接影响火箭的稳定性，决定成败，所以喷管是火箭材料的一个关键，其次才是头锥。 爆炸喷涂；爆炸喷涂是继前三种技术之后发明的一新的喷涂技术。它也是一种用火焰作热源的喷涂工艺。将氧气和燃气（多为乙炔）按比例输入爆炸喷枪内的一小室中混合，然后电点火，气体立即爆炸，爆炸速度为每秒四次，所以听起来几乎是连续的。爆炸产生很高温度和速度，将枪管中的粉末熔化并喷射到需保护的基体上。据称其射于基体表面的速度比子弹射出时速度还快，因而涂层致密，和基体结合极其牢固。这项技术国内只有航空系统的一个研究所开展，已在喷气发动机叶片上得到应用。因其技术较难掌握；且爆炸喷涂产生巨大声音，对人体有伤害，必须隔离操作，其应用受到限制。 作者：董祥林
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