表面工程技術在海洋工程裝備中的應用解析

劉繼鋒

（太重（天津）濱海重型機械有限公司，天津 300452）

過去，海洋資源難以開發、利用，主要原因是海洋環境非常惡劣，海洋環境作為腐蝕性最強的環境之一，對海洋工程裝備提出極高的要求。海洋工程設備需要承受高壓、高溫、高濕度和高沖擊的環境，并且要保持長期穩定運行[1]。海洋環境腐蝕性是海洋工程裝備制造中需要重點關注的問題，而防腐更加注重裝備材料的表面性能。目前，僅憑材料自身性能幾乎不可能達到海洋工程長期生產的目標，這就需要融入表面工程技術，通過薄膜技術、土層技術、改性技術等讓裝備表面防腐性能更強，從而滿足海洋工程生產要求。

1 表面工程技術及其技術分類

簡單來說，表面工程技術就是對裝備（或零件）進行預處理，采用表面涂覆、表面改性等多種技術進行處理，從而改善固體金屬表面或非金屬表面的形態、組織結構、化學成分和應力性能，從而獲取表面所需性能的一項工程。其主要有以下幾種。

1.1 表面涂鍍技術

該項技術簡單來說就是覆蓋一層保護層，通常都是采用涂料涂或鍍料原子覆蓋的方法。日常使用的技術手段包括堆焊、熱噴涂、氣相沉積、化學鍍和涂裝技術等[2]。

1.2 表面改性技術

該技術主要融入了離子處理、機械處理、熱處理和化學處理等手段，從而改善金屬材料特性。通常情況下，可以采用以下幾種技術手段：熱闊滲、表面合金化、轉化膜、離子注入和噴丸強化等。

1.3 薄膜技術

薄膜覆蓋技術本質上也是一種涂層技術，可以在金屬表面上形成厚度為0.1～1.0 μm薄膜。當前，薄膜厚度非常小，可以達到微米級別，肉眼不可見。通常采用沉淀技術等即可實現。

2 表面工程技術在海洋工程裝備中的應用

2.1 大體積鋼鐵結構構件防護

大體積鋼鐵結構通常與海水直接接觸，很容易受到海水影響，如鋼結構架橋、鉆井平臺等，海水的腐蝕作用非常強，因此容易對大體積鋼結構造成腐蝕。研究發現，鋁、鋅、鋅-鋁涂層電極負于鋼鐵，因此在鋼鐵表層上可以起到陰極保護作用。結合海洋工程實際情況，可以將鋅、鋁、鋅-鋁等防護層和封孔防銹層、老化面漆層相結合，構成復合型防護系統，緩解海水環境的侵蝕作用。當前，我國使用該方法已經超過半個世紀，其在船體、水工閘門、海洋平臺鋼結構、橋塔、碼頭鋼管樁和鋼箱梁等方面應用十分廣泛。

2.2 關鍵部件表面強化

關鍵部件腐蝕問題更加趨于隱性，這是由于關鍵部件腐蝕零部件多、結構緊湊，如曲軸、柴油機氣缸、尾軸、鉆井泵等，這些都是高腐蝕、高溫、高壓的工作部位，必須加強表面處理，提高其耐腐、耐磨性。

2.2.1 熱噴涂技術

在海洋工程裝備關鍵零部件表面強化中，電鍍熱鉻是一種常見技術，但是會對海水造成污染。再者，電鍍硬鉻涂層防護性能無法達到指定要求，與陶瓷材料相比有著很大的差異，容易因為氫脆而造成裂縫，所以通常都不使用這種工藝。熱噴涂技術作為一種高效、友好的表面工程技術，可以實現工件表面的沉積金屬、金屬陶瓷等涂層處理，以復合型涂層的方法提高防護質量。近些年，高性能噴涂技術在海洋工程設備中的應用十分廣泛，例如，HVOF（超音速火焰噴涂）技術在表面工程中的表現就十分優異。同時，該項技術具有沉積速度快、耐磨性強、生產效率高、無污染等特性。當今，國內外對HVOF制備金屬陶瓷涂層展開了大量研究[3]。

2.2.2 薄膜涂層技術

薄膜涂層技術在長期發展中衍生出多種子技術，例如，以TiC、TiN、CrN、DLC為材料的碳化物基、氮化物基、金剛石類薄膜，就具備低摩擦、高硬度、耐腐性強等性能，在海上石油開發領域應用十分廣泛，包括轉動軸、抽油泵等部位。該技術主要采用氣相沉積方法，其分為化學、物理氣相沉積方法。例如，在TiN薄膜技術使用中，通過采用特殊的制備方法、工藝參數、熱處理技術等控制薄膜微觀結構，包括孔隙率、質地、粒度、密度等方面。為了提高表面工程的實施質量，人們通常采用第三元素實現TiN土層合金化，也可以采用綜合膜的方法提高性能。另外，在二元合金TiN中加入鋁元素，可以極大地提高薄膜物理性能，硬度可達3000 HV0.05，抗磨性有著明顯提高。鋁在空氣中會與氧氣反應，形成三氧化二鋁，從而降低涂層氧化率，耐高溫性能達到700℃。還有部分學者采用雙陰極非平衡反應磁控濺射方法獲取TiN涂層和SiNx，通過SiNx來干擾TiN涂層生長，避免TiN中生成柱狀結構，從而獲得多層土層，其表面十分光滑，軸晶結構十分細膩、表面光滑，整體強度在45 GPa以上。

2.2.3 激光表面強化處理技術

該項技術是一種非金屬接觸方法，主要應用激光束進行防腐，從而在工件表面生成一道處理層，對表面材料性能結構進行改善，整體性能更加趨于理想。該技術可以實現金屬表面改性，提高表面的強度、硬度、耐化學性，可以使金屬工件長期在海洋環境中保持良好性能。大體上，此技術可以分為激光淬火、激光合金化等。

激光技術在鋼鐵、鑄鐵等材料上應用效果非常好。在上述四類工藝中，激光淬火更加適合應用到表面強化中，特別是在細節方面，如盲孔、深孔、長筒腔內壁等，可以保證這些小型部件的防護性能。激光沖擊硬化能夠用于工件曲面表面，如抽成、齒輪以及局部表面強化等。激光合金化更多應用在渦輪葉片、電接觸開關、灰鑄鐵閥底座等部件中[4]。

2.2.4 等離子碳氮共滲結合離子氧化復合處理技術

該項技術是一種復合型技術，可以應用到海上鉆井平臺中的齒條、齒輪、定位銷和起重機鋼銷等部位，這些部位是容易嚴重腐蝕的位置，常常因為銹死而無法保證海上工程運行。因此，這部分工件要采用復合型表面工程技術，除了應用高性能材料之外，還需要采用良好的工藝，從而提高耐磨性、耐腐蝕性。人們可以采用等離子碳氮共滲結合離子氧化復合處理技術（PLASOX技術），在不污染環境的基礎上，提高工件的耐磨性、耐腐蝕性，其具備低能耗、周期短、設備成本低等特性，是當今國內外海上工程裝備的重要處理技術。目前，PLASOX技術還不夠成熟，大部分都應用在碳結構鋼制成的機械部件中。還有部分企業將PLASOX技術應用到45鋼表處理中，其硬度和耐腐性都有了顯著的提高，甚至能夠與奧氏體不銹鋼性能相媲美。

2.3 抗空泡腐蝕和沖蝕涂層

在溫度下降的情況下，流動液體壓強會不斷減少，逐漸被汽化，也就是所謂的空化，液體產生空化問題會造成空穴，也就是空泡。在液體壓力作用下，空泡會對潰滅造成影響，導致大量空泡潰滅瞬間生成大量壓強，并伴有發熱、發光、發聲情況。如果產生潰滅問題，會生成高壓反復作用，直接損壞金屬表面，影響金屬特性，這種現象也被稱為空泡腐蝕或空蝕。空蝕現象在船舶螺旋槳上出現較多，在其他部件中也頻繁出現，包括水輪機轉輪、液壓泵、柴油發動機等。空蝕效應會導致海洋工程零部失效，甚至會造成安全事故，威脅人身安全。在實際運行中，如果受到空蝕和海洋泥沙沖蝕，會極大地提高高速螺旋槳的損耗度，導致其使用壽命大打折扣，無法保障海洋高速運行要求。

針對此類問題，可以采用耐空蝕性能較高的材料涂層。當前，人們對鎳基、NiCrSiB合金、摻WC自熔合金、WC-Co等涂層進行了深度研究，其逐漸在各個領域得到應用。有學者通過深度研究發現，NiTi（鈦鎳）形狀記憶合金超彈性效果非常好，是非常理想的耐空蝕材料。但是，鈦鎳材料作為一種新型材料，具有生產成本高、制備難度大等劣勢，特別是在非正常形態構件加工中（如螺旋槳），加工難度更高，導致鈦鎳制作的構件應用范圍受到局限。由于空蝕、沖蝕更多作用于構件表面，因此可以采用鈦鎳涂層的方法提高抗沖蝕、空蝕性能[5]。

20世紀，有色金屬研究院就開展了鈦鎳研究，最初采用低壓等離子噴涂技術，在金屬構件表面噴涂鈦鎳合金涂層，噴涂后，構件表面強度顯著提高。以此技術為基礎，衍生出真空等離子噴涂、低壓等離子噴涂與激光發射源結合、冷噴涂、超音速火焰噴涂等技術，其在鈦鎳合金方面都有所應用。例如，國外學者采用激光等離子體混合噴涂技術在鈦合金表面上制備鈦鎳涂層，并取得了成功。深度調研表明，采用預合金化處理技術，利用鈦鎳合金粉末制備真空等離子噴涂涂層，其中的非形狀記憶相含量減少，表面的抗空蝕性能增強。為了進一步強化涂層與金屬表面的黏合強度、提高涂層效能，相關單位不斷加強對鈦鎳合金涂層的后期處理，包括激光合金化處理、熱處理工藝等。熱處理期間，當溫度達到950℃時，鈦鎳相量最多。相關學者在LT-HVOF表面噴涂中采用激光處理法，處理后鈦鎳涂層變得更加緊密，但鈦元素和鎳元素也產生了合金效應，生成了鈦鎳主相以及樹狀的Ti2Ni相，涂層性能大大提高。經過專業人員的不斷努力，鈦鎳涂層制備工藝在海上裝備領域取得快速發展，已經擺脫過去的試驗形態，得到初步應用。

2.4 關鍵部件再造

再造技術主要是以全壽命周期理論為指導，對廢舊或快要報廢的裝備進行性能提升，遵循高效、節能、優質的原則，采用現代手段和新型理論，對廢舊裝備進行再造，使其性能達到原有裝備性能（甚至超過原有裝備性能）。海洋工程裝備含有非常多的關鍵部件，如鉆井系統的泥漿泵、鉆頭、球閥等，艦船的主機、軸系、傳動系統等，這些關鍵零部件在長期使用中容易產生腐蝕、磨損、剪切[6]。對于再造技術而言，一方面是對損壞、失效的部件進行再造和強化；二是開展完整性關鍵部件的功能修復。因此，表面工程可以運用離子注入、納米顆粒負荷電鍍刷、熱噴涂、激光表面強化等技術，恢復關鍵零部件的性能，降低資源浪費。

3 結語

隨著當今國內外海洋工程的不斷發展，生產領域對海洋工程裝備性能提出了更高的要求。當前，表面工程技術發展十分迅速，將表面工程技術應用到大體積鋼結構和重要工件中，可以有效提高其防腐性、耐磨性等，從而減緩海洋惡劣環境的破壞，為推動海洋工程發展奠定硬件基礎。