金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘

要：近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中對(duì)金屬材料的性能提出了更高的要求。然而，在大多數(shù)情況下，隨著金屬材料強(qiáng)度的增加，塑性、韌性和抗疲勞性能趨于下降。在實(shí)際應(yīng)用中，材料失效主要發(fā)生在表面或表面以下，直接影響構(gòu)件的使用壽命。

關(guān)鍵詞：金屬材料;表面強(qiáng)化技術(shù);應(yīng)用展望

1基體與涂層的結(jié)合機(jī)理

1.1覆層界面的結(jié)合力

包層材料與基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度可由主價(jià)鍵力或次價(jià)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(jī)械力組合而成。當(dāng)兩種物質(zhì)的分子或原子離引力場(chǎng)足夠近時(shí)，因?yàn)橹鲀r(jià)鍵力或次價(jià)鍵力的效果，會(huì)發(fā)生吸附引力。主價(jià)鍵力構(gòu)成化學(xué)吸附招引，物理吸附由次價(jià)鍵力構(gòu)成。主價(jià)鍵力的強(qiáng)度一般在0.1-0.3nm之間，而次價(jià)鍵力的強(qiáng)度通常小于1nm。

主價(jià)鍵的鍵能高于主價(jià)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(jié)合強(qiáng)度，即有必要構(gòu)成化學(xué)鍵連接，則分子有必要有足夠的能量跳過(guò)必定的能壘，接近主價(jià)鍵的效果間隔。此外，元素之間有必要有化學(xué)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(yīng)能量源供給的能量圍住，從而取得相應(yīng)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(gòu)成具有高結(jié)合強(qiáng)度的金屬鍵合。在熔合過(guò)程中，雖然基體表面沒(méi)有熔化，但熔覆層與基體界面之間有足夠的時(shí)間和能量分散，構(gòu)成以化學(xué)鍵為主的冶金結(jié)合。在化學(xué)溶液堆積過(guò)程中，溶液中的金屬離子與金屬基體表面的化學(xué)或電化學(xué)反響能夠構(gòu)成金屬鍵，從而取得更高的結(jié)合強(qiáng)度;在氣相堆積技能中，真空蒸發(fā)首要發(fā)生物理吸附，其他PVD方法則涉及化學(xué)反響，離子轟擊、偽分散等效應(yīng)，或因?yàn)榛瘜W(xué)氣相淀積過(guò)程中的某些改變，在膜與基底界面的化學(xué)吸附也能夠通過(guò)化學(xué)反響和元素分散在高溫下發(fā)生。

1.2覆層界面結(jié)合性能的影響因素

覆層與基層的實(shí)際結(jié)合能力是由試驗(yàn)測(cè)定的（包括彎曲實(shí)驗(yàn)法、劃痕法、動(dòng)態(tài)拉伸法以及超聲波法等），它與理論上的分析計(jì)算有很大不同，這是因?yàn)閷?shí)際結(jié)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(zhì)。覆層界面結(jié)合力的影響因素包括：（1）覆材與基材的成分、結(jié)構(gòu)匹配;（2）材料的潤(rùn)濕性能;（3）界面元素的擴(kuò)散情況;（4）基體表面的狀態(tài);（5）覆層的應(yīng)力狀態(tài);（6）涂敷的工藝參數(shù)等。

2金屬材料超聲表面強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

2.1超聲沖擊處理技術(shù)

眾所周知，超聲功率很大，這是目前廣泛應(yīng)用的超聲沖擊加工技術(shù)的重要驅(qū)動(dòng)力。該技術(shù)能獨(dú)立轉(zhuǎn)換電能和機(jī)械能，并取得明顯的轉(zhuǎn)換效果。超聲沖擊處理技術(shù)主要是通過(guò)壓電陶瓷和磁致伸縮換能器，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為變幅能量積累，沖擊焊件表面。在碰撞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)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(shù)又稱超聲波表面強(qiáng)化技術(shù)。我國(guó)自20世紀(jì)90年代開始研究超聲噴丸技術(shù)。主要研究超聲波沖擊對(duì)焊接接頭疲勞性能的影響。根據(jù)科學(xué)家們的探索，經(jīng)過(guò)超聲波沖擊處理后的工件接頭可以更加抗疲勞。同時(shí)，本文的研究也可以應(yīng)用于我國(guó)焊接結(jié)構(gòu)。焊接接頭需要采用超聲波沖擊處理技術(shù)，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(shí)，在實(shí)際加工過(guò)程中，由于應(yīng)力的作用，很可能會(huì)產(chǎn)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(shù)。同時(shí)，通過(guò)超聲波沖擊加工技術(shù)，可以使工件更加穩(wěn)定。我國(guó)并不是第一個(gè)使用超聲波沖擊加工技術(shù)的國(guó)家，但俄羅斯、烏克蘭等國(guó)很早就開始研究這項(xiàng)技術(shù)。近年來(lái)，超聲處理技術(shù)在我國(guó)得到了不斷的改進(jìn)，可以改善工業(yè)合金的力學(xué)性能。

2.2電弧離子鍍技術(shù)的研究與應(yīng)用

采用電弧離子鍍時(shí)，陰極噴出的粒子與大量液滴混合，嚴(yán)重?fù)p害了薄膜的性能。他們證明了不同的基體材料對(duì)液滴的形貌和數(shù)量有影響，從而導(dǎo)致了薄膜-基底結(jié)合強(qiáng)度的顯著差異。其中，YG6硬質(zhì)合金是膜基結(jié)合力最強(qiáng)的一種。采用外加線圈磁場(chǎng)，在不同N2/AR條件下制備了Tin涂層。結(jié)果表明，當(dāng)N2/AR流量比為2∶1時(shí)，tin涂層組織致密，力學(xué)性能最佳。由于其優(yōu)良的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，錫被廣泛應(yīng)用于各種刀具和裝飾涂料中。采用軸向磁場(chǎng)增強(qiáng)電弧離子鍍技術(shù)制備了具有良好耐蝕性的抗菌ticu/ticun多層膜，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)抗菌薄膜領(lǐng)域。采用電弧離子鍍?cè)?Cr7Mo2V2Si模具鋼（LD鋼）表面沉積了TiAlN涂層。涂層光滑致密，斷面無(wú)針孔，與基體結(jié)合牢固。涂層表面的富鋁硬質(zhì)顆粒提高了涂層的耐磨性。在硼酸環(huán)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(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)Ti-tin-Zr-ZrN多層膜的影響。結(jié)果表明，隨著調(diào)制周期的增加和調(diào)制比的減小，涂層的硬度和殘余應(yīng)力增加，但與基體的結(jié)合強(qiáng)度降低。但隨著多層膜厚度的增加，殘余應(yīng)力略有增加，附著力和硬度有所提高。目前，電弧離子鍍技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件的裝飾涂層、工具涂層和表面強(qiáng)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(shù)的研究與應(yīng)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(fù)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(fù)合粉體一般是指作為硬相與金屬結(jié)合而形成的各種高熔點(diǎn)復(fù)合材料通過(guò)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(jié)果表明，涂層致密，無(wú)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(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面熔覆氧化鋯陶瓷粉末，制備出適合實(shí)際需要的保護(hù)層，大大提高了缸蓋的表面性能，延長(zhǎng)了缸蓋的使用壽命。

20世紀(jì)80年代，羅爾斯·羅伊斯首次在rb211渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的連接部位采用激光熔覆。后來(lái)，aeromet公司采用激光熔覆技術(shù)生產(chǎn)的兩架F-22全尺寸接頭達(dá)到了要求的疲勞壽命的兩倍，而F/a-8e/F的翼根吊環(huán)是要求的4倍。在汽車工業(yè)的應(yīng)用中，激光技術(shù)最早被應(yīng)用，主要用于切割和熱處理。隨著熔覆技術(shù)的發(fā)展，它逐漸發(fā)展成為柔性添加劑制造技術(shù)。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門密封錐表面涂有鎢鉻鈷合金，這是第一個(gè)采用該技術(shù)的汽車零件，如意大利菲亞特汽車排氣門座的環(huán)形表面和美國(guó)汽車排氣門閥座的激光熔覆耐熱合金。近年來(lái)，北京機(jī)械科學(xué)技術(shù)研究所國(guó)創(chuàng)輕量化科研院與廣西玉柴合作，在發(fā)動(dòng)機(jī)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(yè)領(lǐng)域，如水泥建筑行業(yè)的破碎機(jī)主軸、攪拌機(jī)主軸、減速齒輪軸;煤炭、鐵礦石行業(yè)的液壓設(shè)備、發(fā)電機(jī)和洗煤設(shè)備;工程機(jī)械行業(yè)的齒輪軸、制動(dòng)盤和曲軸;水利、印刷、食品等行業(yè)，如只要存在易損件和腐蝕性零件，可以采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，可以節(jié)約生產(chǎn)設(shè)備的成本，提高零