表面工程技術在海洋工程裝備中的應用研究

楊雪彥

摘 要：我國“十二五規劃綱要”，將“積極發展海洋油氣開采、特種工程船等海洋工程裝備及關鍵配套系統”列為培育發展的戰略性新興產業。因此，積極創建和培育國家新型海洋工程裝備工業化基地，全面提升海洋工程裝備制造和科技自主創新能力和競爭力，實現海洋工程裝備產業新的歷史性跨越。

關鍵詞：海洋工程，表面工程技術，應用研究

1前言

隨著世界經濟的不斷發展和人們生活水平的不斷提高，全球對能源的需求也越來越大，加上總儲量的逐漸減少以及地緣政治、投機等多方面原因，雖然能源價格時高時低，但全球能源日趨緊張的趨勢不會改變。因此，海洋油氣資源開發尤為引人注目，海洋工程裝備市場具有廣闊的發展前景和巨大的發展潛力。

由于海洋工程裝備良好的市場前景，以及其所具有的高技術含量、高附加值、高產值，再加上目前正值國際先進制造業向我國等發展中國家轉移的歷史時期，所以無論是從長遠還是從眼前看，我國海洋工程裝備制造將面臨著前所未有的發展機遇，海洋工程裝備制造已經成為國內外修造船企業，甚至其他非修造船企業爭相重點發展的方向之一。

2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。

2.1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。

2.2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。

2.3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0.1～1.0μm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。

3表面工程技術在海洋工程裝備中的應用

3.1大體積鋼鐵結構構件防護

長期暴露在海洋環境中的大型鋼鐵構件，如鋼結構橋、海上鉆井平臺、艦船的鋼結構等會受到不同程度的腐蝕和侵蝕。由于鋅、鋁、鋅-鋁涂層的電極電位均負于鋼鐵，故對鋼鐵結構能起到陰極保護作用。熱噴涂此類涂層作為鋼鐵構件的防護始于20世紀20年代。目前，在歐洲、美國、日本等發達國家仍廣泛用其作為鋼鐵結構件長效防腐的方法。我國應用這種技術約有半個多世紀，例如1964年噴涂鋅防護淮河蔣壩三河閘63孔閘門。迄今為止，已在水工閘門、船體、海洋平臺鋼結構、碼頭鋼管樁、橋塔、鋼箱梁等結構中應用。根據實際工程情況，通常將鋅、鋁或鋅-鋁防護層與封孔防銹層和防老化面漆層結合，形成多層防護體系，目前已獲得較好的防護效果。與國外相比，我國利用鋅、鋁涂層的防腐蝕技術起步較晚，應用比例也遠低于發達國家，還有待于進一步推廣應用。此外，相關的防護標準與評價方法也有待進一步完善。

3.2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。

3.2.1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薄膜涂層技術

薄膜涂層技術涉及薄膜材料、沉積制備技術及薄膜的設計及選擇等多個方面。以TiN薄膜為例，可通過選擇適當的制備方法、工藝參數及熱處理工藝等來控制薄膜的微觀結構，如粒度、質地、孔隙率、密度等來獲得性能優良的薄膜。為了滿足不斷提高的實際應用需求，人們嘗試通過添加第三元素實現TiN涂層的合金化，或者通過制備多層膜來提高薄膜層的綜合性能，并取得了較好的效果。通過在二元合金TiN中添加Al，大大提高了薄膜的硬度，可達到3000HV0.05，顯著減少了磨損。氧化試驗證明（Ti，Al）N較TiN有較好的耐剝落性，從而顯示出較好的耐磨性能。

3.3關鍵部件再造

海洋工程關鍵件再制造的目的是恢復尺寸、恢復功能（耐磨、耐熱、耐蝕、抗沖擊、減摩等功能），使再制造的部件恢復或提高性能，延長使用壽命。基于此，海洋工程關重件再制造主要涉及兩方面：一是對于局部磨損失效部位進行強化再制造，二是對關鍵部件進行完整性的功能修復。實現這些再制造離不開表面工程技術。近年來，熱噴涂、納米顆粒復合電刷鍍、離子注入、激光表面強化、等離子熔覆技術及納米膠表面粘結技術等新工藝已應用于再制造領域，并取得了良好的效果。

4表面工程的發展方向

海洋工程的發展促進了表面科學和工程的發展，同時，表面科學與工程的發展也必須適應海洋工程的發展。現代表面工程要在未來海洋工程中發揮更加巨大作用，必須從以下方面做深入研究。

（1）深化表面科學理論和表面測試技術的研究。從原子角度研究摩擦磨損及潤滑機理，研究表面效應，表面改性及表面涂敷在摩擦學在海洋工程中的應用。研究腐蝕過程和腐蝕機理，腐蝕膜形成及失效機理。

（2）發展復合表面技術。單一的表面技術已經不能適應海洋工程快速發展的要求，綜合應用復合表面技術，能夠解決海洋工程對特殊技術指標、可靠性、和經濟性的要求。

（3）研究開發新型涂層材料。涂層材料是制備優良涂層的物質基礎，不斷開發優良的耐磨耐腐蝕以及不同環境需求的優質涂層材料是保證表面工程強大生命力的基礎，開發在表面工程技術加工過程中自形成新材料的功能涂層能夠更加顯示出表面工程的優越性。

（4）研究表面工程技術的自動化、智能化生產。目前為止，表面處理在微電子行業和汽車行業自動化程度較高，隨著計算機技術的發展，實現表面技術在其他行業的自動化、智能化是施工，是表面工程技術未來的發展基本趨勢。

（5）實現表面工程的清潔生產。表面工程基本來說是屬于節能環保型工程，但某些技術仍然存在污染問題，比如涂裝、電鍍熱處理等。研究從設計、制造到運行全過程的無污染的、節約型的、再生的表面技術工程，也是表面工程一個基本發展趨勢。

4結語

海洋是全球油氣資源開發的一個全新領域，同時也是油氣資源的重要儲藏區域，在當下這個多元化的全球環境下，海洋工程技術的內容，可以說是影響一個國家能源命脈的關鍵，大力發展海洋工程裝備技術，已然成為了各國競賽的重點內容。對于海洋工程的關鍵技術和支承技術，相關工作人員應該給予高度的重視，引入新型的研發手段，提供更為先進的建設技術來。

參考文獻：

[1]徐濱士.中國再制造產業及再制造技術新進展[J].熱噴涂技術，2010，2（03）：1-6.

[2]陳欣卓.海洋工程裝備關鍵技術研究[J].數碼世界，2018（02）：321.