表面改性技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

崔佳鵬

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152054)

0 引言

表面改性技術(shù)是指在保障基材材料化學(xué)組分基本保持不變或僅有較小改變的前提下，通過采用單一或復(fù)合技術(shù)手段以直接或間接的方式來提高零部件表面理化性能的一種技術(shù)。依據(jù)表面改性技術(shù)形成時(shí)間的先后，通常可以將其分類為傳統(tǒng)表面改性技術(shù)和新型表面改性技術(shù)。

1 傳統(tǒng)表面改性技術(shù)

1.1 熱噴涂

熱噴涂技術(shù)是采用高溫?zé)嵩聪葘⒋龂娡坎牧先诨螅瑖娚溆诖龂娡苛悴考砻娴囊环N表面涂層技術(shù)。熱噴涂技術(shù)主要經(jīng)歷過三次重要變革：第一次，熱噴涂工藝；第二次，熱噴涂技術(shù)；第三次，熱噴涂系體全過程[1]。目前，熱噴涂技術(shù)是傳統(tǒng)表面改性技術(shù)中較為成熟的技術(shù)方法之一，其具體工藝方法包括：電弧噴涂、火焰噴涂、超音速火焰噴涂和等離子噴涂等，等離子噴涂技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 等離子噴涂技術(shù)原理圖

1.2 氣相沉積

氣相沉積技術(shù)是通過在氣相中發(fā)生各類理化反應(yīng)，進(jìn)而在零部件表面形成具有各類不同功能或不同裝飾紋樣的涂層，該涂層既可以是金屬也可以是非金屬。按其作用機(jī)理的不同，還可分類為化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)[2]。

1.3 化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將零部件置于特殊的環(huán)境介質(zhì)當(dāng)中，并通過引入激活條件使得零部件與介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成具有特定性能的表面改性層從而達(dá)到強(qiáng)化零部件表層的目的[3]。采用化學(xué)熱處理工藝強(qiáng)化的零部件，其表面通常會(huì)形成與內(nèi)部化學(xué)組分和組織性能不同的強(qiáng)化層。目前，具有代表性的化學(xué)熱處理技術(shù)是滲氮、滲碳。滲氮、滲碳是利用氮原子、碳原子在高溫狀態(tài)下具有較強(qiáng)活性的特點(diǎn)，使其原子滲入零部件表面的熱化學(xué)處理方法。

零部件在經(jīng)滲碳、滲氮處理后，其從外至內(nèi)的碳元素與氮元素含量及微觀分布均會(huì)發(fā)生顯著性的變化，從而形成與原材料組織與性能存在差異的新材料。此外，滲劑用量、激活溫度、保溫時(shí)常等指標(biāo)是滲氮、滲碳工藝的主要影響因素。

綜上所述，傳統(tǒng)表面改性技術(shù)雖然在過去的實(shí)踐生產(chǎn)中取得了較好的成效，但隨著先進(jìn)制造業(yè)的不斷發(fā)展和環(huán)評(píng)壓力的不斷增加，傳統(tǒng)表面改性技術(shù)的固有短板也在不斷顯現(xiàn)，諸如熱化學(xué)處理技術(shù)中的效率，熱噴涂技術(shù)中的結(jié)合強(qiáng)度，以及氣相沉積技術(shù)中的性狀受限等問題都十分難以克服。因此，新型表面改性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，即激光表面改性技術(shù)。

2 激光表面改性技術(shù)

2.1 激光表面改性技術(shù)原理及分類

激光表面改性技術(shù)是指利用激光發(fā)生器產(chǎn)生高能激光，再利用高能激光的輻射性，使基材材料表面發(fā)生相關(guān)理化變化，并通過對(duì)技術(shù)參數(shù)的調(diào)控來定向?qū)崿F(xiàn)表面改性的一種先進(jìn)工程技術(shù)[4]。該技術(shù)具有高效、可控、自動(dòng)化處理零部件局部及整體的能力，且能夠大幅度提高基材材料的使用性能，例如：耐磨性、耐蝕性和抗熱疲勞等性能。此外，依據(jù)是否使用合金粉末及激光處理形式類別，激光表面改性技術(shù)還可分為激光熔覆、激光熔凝、激光合金化，以及激光表面淬火等。

2.2 激光表面改性研究現(xiàn)狀

2.2.1 激光熔覆

激光熔覆技術(shù)具有合金粉末通用性強(qiáng)、結(jié)合強(qiáng)度高、變形量小和稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)，因此該技術(shù)自問世以來便得到了較好的應(yīng)用與發(fā)展。目前，依據(jù)熔覆合金粉末組分的不同，可以將激光熔覆技術(shù)大致分為Ni基熔覆、Co基熔覆和Fe基熔覆三大研究方向。Ni基熔覆層具有較好的耐磨損性、高溫抗氧化性，主要應(yīng)用在易磨損部件或長期在高溫環(huán)境中運(yùn)作的工件表面。Co基合金熔覆層具有良好的耐高溫性能和較好的耐磨性能，可用于600～700 ℃高溫下運(yùn)作的工件表面。Fe基合金粉末價(jià)格相對(duì)較低，主要應(yīng)用于局部易磨損和易變形的工件表面[5]，激光熔覆技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 激光熔覆技術(shù)原理圖

2.2.2 激光熔凝

激光熔凝技術(shù)作為目前激光表面改性技術(shù)的研究熱點(diǎn)，熔凝組織的轉(zhuǎn)變、熔凝層硬度及耐磨損性能是該項(xiàng)技術(shù)的主要研究內(nèi)容。激光熔凝技術(shù)所使用的激光能量更高，在其冷卻過程中，熔融層與基材底層間的溫度梯度更大，因此所得到的強(qiáng)化層深度更深。徐子文[6]等針對(duì)20鋼進(jìn)行了激光熔凝模擬試驗(yàn)，運(yùn)用仿真軟件研究了其快速熔凝后的組織特性，得到了熔凝處理可以形成強(qiáng)錯(cuò)位化細(xì)粒度晶粒的強(qiáng)化機(jī)理。

2.2.3 激光合金化

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率、高能效的激光發(fā)生設(shè)備也相繼問世，這使得激光合金化技術(shù)成為了可能。目前，主流的高功率激光多以CO2氣體作為介質(zhì)，美國某兵工裝備研發(fā)機(jī)構(gòu)就曾采用Co基合金對(duì)軍用大口徑管狀基材進(jìn)行激光合金化處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，與原基材材料相比采用激光合金化技術(shù)所形成的合金表面層，具有較好疲勞抗性，尤其在高溫、高壓工作環(huán)境下，性能提升效果更為顯著[7]。

2.2.4 激光表面淬火

激光表面淬火可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒尺度，提高表層材料硬度等效果，目前針對(duì)激光表面淬火的硬化機(jī)理和溫度場(chǎng)分布情況是研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。劉文今、宋武林等[8，9]以45鋼和鑄鐵為基材，開展了激光表面淬火硬化過程機(jī)理研究。劉文今得出45鋼表面淬火后試驗(yàn)樣件硬度提高的原因，主要來自于激光表面淬火帶來的晶粒進(jìn)一步細(xì)化和晶粒缺陷增加；對(duì)鑄鐵而言，其內(nèi)部的石墨具有吸能功效，可以對(duì)激光表面淬火引入的外部熱能進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，并在后續(xù)冷卻過程中進(jìn)行釋放，從而影響組織性能。宋武林等人對(duì)灰口鑄鐵進(jìn)行了激光淬火處理，并進(jìn)一步探究了鑄鐵中石墨碳飽和與固溶強(qiáng)化機(jī)理。

綜上所述，激光表面改性技術(shù)具有生產(chǎn)適用范圍大、過程自動(dòng)化程度高、加工后零件形變量小和污染排放較低等特點(diǎn)，且隨著國內(nèi)制造行業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型與發(fā)展，針對(duì)激光表面改性的技術(shù)革新和探索也在不斷增加。

3 激光熔覆技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

3.1 礦山機(jī)械

煤礦工作環(huán)境復(fù)雜且苛刻，環(huán)境中粉塵顆粒物、腐蝕性氣體和水蒸氣含量與常規(guī)作業(yè)環(huán)境均有較大差異，這些物質(zhì)的存在都會(huì)在一定程度上對(duì)機(jī)械設(shè)備造成腐蝕和磨損，縮短設(shè)備使用壽命。運(yùn)用激光熔覆技術(shù)可以對(duì)零部件易損部位進(jìn)行表面強(qiáng)化或修復(fù)，提高零部件的耐磨損性和耐腐蝕性等。曹青等[10]在刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸槽上采用激光熔覆技術(shù)制備出了35%Ni50+65%WC的高強(qiáng)度無裂紋熔覆層，并將其運(yùn)用于實(shí)踐生產(chǎn)，經(jīng)測(cè)試采用激光熔覆進(jìn)行表面強(qiáng)化后的運(yùn)輸槽，每10萬t生煤運(yùn)送量下，平均磨損量約為0.1 mm，表面強(qiáng)化效果顯著，使用性能提升明顯。

3.2 工業(yè)模具

模具是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的一種工具，模具種類繁多，主要包括鑄造模具、鍛壓模具和沖壓模具等。模具對(duì)使用精度要求較為嚴(yán)格，而長期使用下的模具難免會(huì)出現(xiàn)疲勞磨損、熱裂紋和腐蝕等問題，將直接影響其使用性能，甚至造成無法使用和失效報(bào)廢。而模具的更換成本通常較高，因此對(duì)模具進(jìn)行表面修復(fù)，延長其使用壽命，具有較大現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。劉建永等[11]對(duì)汽車車身覆蓋件模具進(jìn)行局部激光熔覆表面強(qiáng)化，首先以Fe40合金粉末制備緩沖打底層，然后用不同強(qiáng)度的GXN-65A合金粉末和 XY-27F-X40合金粉末，分別對(duì)應(yīng)不同硬度需求的部位進(jìn)行表面強(qiáng)化，最終形成優(yōu)質(zhì)無裂紋熔覆層，并很好地滿足了不同部位對(duì)強(qiáng)度的差異要求。

3.3 其他行業(yè)

隨著“中國制造2025”重大戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，必將帶動(dòng)先進(jìn)制造行業(yè)的快速發(fā)展，激光熔覆技術(shù)作為先進(jìn)制造和綠色制造領(lǐng)域中的新興技術(shù)，不僅可以應(yīng)用于工程機(jī)械、冶金和船舶等傳統(tǒng)制造行業(yè)，同時(shí)還可以應(yīng)用于航空航天、增材制造和3D打印等高端制造領(lǐng)域，并且具有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵熱端工作部件，長期在高溫、高壓和腐蝕等工況下，較易出現(xiàn)裂紋和磨損等損傷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致部件失效。使用激光熔覆技術(shù)可以為高溫合金葉片等易損部件的修復(fù)和再利用提供新的可行途徑。此外，激光熔覆技術(shù)不僅可以縮短制造周期，節(jié)約減少生產(chǎn)成本，提高零部件使用壽命，還可以實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的智能生產(chǎn)，從而推動(dòng)信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合。

4 結(jié)論

表面改性技術(shù)是延長零件使用壽命和改善零件使用性能的重要技術(shù)手段，傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)雖然具有技術(shù)成熟度高、強(qiáng)化質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，但其自身固有的能耗高、污染大、適應(yīng)性差和操作復(fù)雜等缺點(diǎn)也十分明顯。相比傳統(tǒng)表面改性技術(shù)，激光表面改性技術(shù)具有能量密度高、熱輸出集中且綠色環(huán)保等特點(diǎn)，并可以根據(jù)不同的加工方式，進(jìn)行生產(chǎn)工藝的調(diào)整。

5 展望

現(xiàn)階段的表面改性技術(shù)，無論是傳統(tǒng)表面改性技術(shù)還是激光熔覆表面改性技術(shù)其核心思想，多是從材料強(qiáng)化機(jī)理角度進(jìn)行表面改性，雖然能夠提高材料的耐磨性、耐蝕性和抗熱疲勞等性能，但并不能夠從降低零部件工作阻力的角度去延長使用壽命。因此，今后可以重點(diǎn)考慮將激光熔覆表面改性技術(shù)與生物仿生學(xué)技術(shù)進(jìn)行充分融合，通過激光熔覆技術(shù)手段，在待加工零部件表面進(jìn)行耐磨涂層制備的同時(shí)使熔覆涂層具備仿生學(xué)結(jié)構(gòu)，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)耐磨和減阻。相信未來隨著該技術(shù)的進(jìn)一步研究，定會(huì)帶動(dòng)表面改性技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善。