金屬材料表面強化技術應用現狀與展望

仲照旭 王斯妮

摘? 要：近年來，隨著工業技術的飛速發展，人們在實際應用中對金屬材料的性能提出了更高的要求。然而，在大多數情況下，隨著金屬材料強度的增加，塑性、韌性和抗疲勞性能趨于下降。在實際應用中，材料失效主要發生在表面或表面以下，直接影響構件的使用壽命。

關鍵詞：金屬材料;表面強化技術;應用展望

1基體與涂層的結合機理

1.1覆層界面的結合力

包層材料與基體材料之間的結合強度可由主價鍵力或次價鍵力組合而成，在某些情況下還可由氫鍵力、界面靜電力和機械力組合而成。當兩種物質的分子或原子離引力場足夠近時，因為主價鍵力或次價鍵力的效果，會發生吸附引力。主價鍵力構成化學吸附招引，物理吸附由次價鍵力構成。主價鍵力的強度一般在0.1-0.3nm之間，而次價鍵力的強度通常小于1nm。

主價鍵的鍵能高于主價鍵。氫鍵的鍵能介于兩者之間。

包層材料與基體之間要取得杰出的結合強度，即有必要構成化學鍵連接，則分子有必要有足夠的能量跳過必定的能壘，接近主價鍵的效果間隔。此外，元素之間有必要有化學活性，原子鍵不該飽滿。

在不同的涂層技能中，涂層分子（原子）與基體之間必定間隔處被相應能量源供給的能量圍住，從而取得相應的吸附招引力。例如，堆焊是將熔覆材料與基體的接觸面加熱到熔融狀況，直到接近原子間的反響間隔，構成具有高結合強度的金屬鍵合。在熔合過程中，雖然基體表面沒有熔化，但熔覆層與基體界面之間有足夠的時間和能量分散，構成以化學鍵為主的冶金結合。在化學溶液堆積過程中，溶液中的金屬離子與金屬基體表面的化學或電化學反響能夠構成金屬鍵，從而取得更高的結合強度;在氣相堆積技能中，真空蒸發首要發生物理吸附，其他PVD方法則涉及化學反響，離子轟擊、偽分散等效應，或因為化學氣相淀積過程中的某些改變，在膜與基底界面的化學吸附也能夠通過化學反響和元素分散在高溫下發生。

1.2覆層界面結合性能的影響因素

覆層與基層的實際結合能力是由試驗測定的（包括彎曲實驗法、劃痕法、動態拉伸法以及超聲波法等），它與理論上的分析計算有很大不同，這是因為實際結合力的大小并不等于分子（原子）作用力的總和，而取決于材料每一處局部性質。覆層界面結合力的影響因素包括：（1）覆材與基材的成分、結構匹配;（2）材料的潤濕性能;（3）界面元素的擴散情況;（4）基體表面的狀態;（5）覆層的應力狀態;（6）涂敷的工藝參數等。

2金屬材料超聲表面強化技術的應用

2.1超聲沖擊處理技術

眾所周知，超聲功率很大，這是目前廣泛應用的超聲沖擊加工技術的重要驅動力。該技術能獨立轉換電能和機械能，并取得明顯的轉換效果。超聲沖擊處理技術主要是通過壓電陶瓷和磁致伸縮換能器，將機械能轉化為變幅能量積累，沖擊焊件表面。在碰撞過程中會產生塑性變形。塑性變形可以大大降低焊接殘余力，提高工件的抗疲勞性能。超聲沖擊處理技術又稱超聲波表面強化技術。我國自20世紀90年代開始研究超聲噴丸技術。主要研究超聲波沖擊對焊接接頭疲勞性能的影響。根據科學家們的探索，經過超聲波沖擊處理后的工件接頭可以更加抗疲勞。同時，本文的研究也可以應用于我國焊接結構。焊接接頭需要采用超聲波沖擊處理技術，使接頭更耐疲勞，減少焊后工件操作的殘余力。減小多余力也可以大大提高接頭的耐腐蝕性。同時，在實際加工過程中，由于應力的作用，很可能會產生大量的疲勞裂紋，而消除這些裂紋也可以依靠超聲波沖擊處理技術。同時，通過超聲波沖擊加工技術，可以使工件更加穩定。我國并不是第一個使用超聲波沖擊加工技術的國家，但俄羅斯、烏克蘭等國很早就開始研究這項技術。近年來，超聲處理技術在我國得到了不斷的改進，可以改善工業合金的力學性能。

2.2電弧離子鍍技術的研究與應用

采用電弧離子鍍時，陰極噴出的粒子與大量液滴混合，嚴重損害了薄膜的性能。他們證明了不同的基體材料對液滴的形貌和數量有影響，從而導致了薄膜-基底結合強度的顯著差異。其中，YG6硬質合金是膜基結合力最強的一種。采用外加線圈磁場，在不同N2/AR條件下制備了Tin涂層。結果表明，當N2/AR流量比為2∶1時，tin涂層組織致密，力學性能最佳。由于其優良的物理、化學和機械性能，錫被廣泛應用于各種刀具和裝飾涂料中。采用軸向磁場增強電弧離子鍍技術制備了具有良好耐蝕性的抗菌ticu/ticun多層膜，有望應用于生物醫學抗菌薄膜領域。采用電弧離子鍍在7Cr7Mo2V2Si模具鋼（LD鋼）表面沉積了TiAlN涂層。涂層光滑致密，斷面無針孔，與基體結合牢固。涂層表面的富鋁硬質顆粒提高了涂層的耐磨性。在硼酸環境下，TiAlN涂層的阻抗比基體高1.66倍，從而提高了涂層的耐蝕性。研究了不同調制結構對Ti-tin-Zr-ZrN多層膜的影響。結果表明，隨著調制周期的增加和調制比的減小，涂層的硬度和殘余應力增加，但與基體的結合強度降低。但隨著多層膜厚度的增加，殘余應力略有增加，附著力和硬度有所提高。目前，電弧離子鍍技術已廣泛應用于機械零件的裝飾涂層、工具涂層和表面強化，大大提高了這些涂層零件的使用性能和使用壽命。

2.3激光熔覆技術的研究與應用

目前，激光熔覆層的材料體系主要有自熔合金粉、陶瓷粉和復合粉。自熔性合金粉包括鎳基自熔合金、鈷基自熔合金和鐵基自熔合金;陶瓷粉體主要有氧化鋁系和氧化鋯系;復合粉體一般是指作為硬相與金屬結合而形成的各種高熔點復合材料通過交叉混合。采用不同鐵基粉末激光熔覆的方法制備了耐磨涂層。結果表明，涂層致密，無裂紋、氣孔等缺陷。WC的加入能顯著提高涂層的耐磨性。采用激光熔覆技術在發動機缸蓋表面熔覆氧化鋯陶瓷粉末，制備出適合實際需要的保護層，大大提高了缸蓋的表面性能，延長了缸蓋的使用壽命。

20世紀80年代，羅爾斯·羅伊斯首次在rb211渦輪發動機殼體和發動機葉片的連接部位采用激光熔覆。后來，aeromet公司采用激光熔覆技術生產的兩架F-22全尺寸接頭達到了要求的疲勞壽命的兩倍，而F/a-8e/F的翼根吊環是要求的4倍。在汽車工業的應用中，激光技術最早被應用，主要用于切割和熱處理。隨著熔覆技術的發展，它逐漸發展成為柔性添加劑制造技術。例如，發動機排氣門密封錐表面涂有鎢鉻鈷合金，這是第一個采用該技術的汽車零件，如意大利菲亞特汽車排氣門座的環形表面和美國汽車排氣門閥座的激光熔覆耐熱合金。近年來，北京機械科學技術研究所國創輕量化科研院與廣西玉柴合作，在發動機氣門座圈表面開展了耐磨耐高溫合金堆焊成形，也取得了階段性成果。其他工業領域，如水泥建筑行業的破碎機主軸、攪拌機主軸、減速齒輪軸;煤炭、鐵礦石行業的液壓設備、發電機和洗煤設備;工程機械行業的齒輪軸、制動盤和曲軸;水利、印刷、食品等行業，如只要存在易損件和腐蝕性零件，可以采用激光熔覆技術進行修復，可以節約生產設備的成本，提高零件的使用壽命。

結論

我國在金屬材料表面強化技術領域的應用研究已經比較成熟，但在某些技術及設備方面與國外先進技術相比還存在差距。通過對大量文獻研究的總結，未來對金屬表面進行強化處理時，不再是使用單一的技術，而是采用多種技術的復合或耦合，這將是未來金屬表面強化的發展趨勢。

參考文獻

[1]? 李光暉，林有希，蔡建國.金屬材料超聲滾壓表面強化的研究進展[J].工具技術，2020，54（01）：3-8.