天狼晓月 发表于 2016-4-5 13:58:25

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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