先進金屬材料改性方法研究

摘 要 為了適應當今社會快速發展的需要，金屬材料，尤其是鋼鐵，一方面是由于它本身具有比其他材料更加優越的綜合性能，能夠更適應科技和生活方面提出的各種不同的要求；另一方面，是由于它自身蘊藏著性能、數量、質量等方面的巨大潛力，能夠隨著日益增長的要求不斷發展和更新。特別是對于后者，下面將以當今最為熱門的金屬材料表面改性技術進行探討，主要包括激光表面改性、離子注入法、物理氣相沉積法和熱噴涂等，簡述金屬材料改性技術的研究和發展現狀，對各種技術的原理和應用狀況分別加以描述，最后總結了材料表面改性技術的發展前景。

關鍵詞 先進金屬材料 改性金屬 改性方法

中圖分類號：TG11 文獻標識碼：A

1金屬材料改性發展特點

金屬材料，特別是鋼鐵材料，目前世界發展動向表現為：（1）高性能，低成本；（2）節能，環保；（3）可回收，并且能循環利用；（4）提高比強度，減少構建重量。研究的中心內容是：金屬材料的成分、組織結構、性能三者之間的關系及變化規律。

成分、結構和組織三者既相互區別，又相互滲透，在不同程度上相互制約著，綜合決定金屬材料的性能。化學成分是基礎，在其一定時，某些性能由結構類型所控制。

2 先進金屬材料改性方法研究

2.1 熱噴涂

熱噴涂技術是利用熱源對金屬、非金屬等噴涂材料進行加熱，將熔融的粒子霧化、噴射并沉積到基材表面上，形成特殊表面涂層的方法。熱噴涂分為電弧噴涂、火焰噴涂和等離子噴涂等。近年來，熱噴涂防腐技術在我國得到推廣應用，如葛洲壩二期工程、南京長江大橋、運 河大橋部分鋼結構采用了噴鋅或噴鋁防腐工藝。電弧噴涂僅適用于噴涂金屬線材，該工藝設備簡單、成本低、效率高主要用于腐蝕防護和修復。火焰噴涂是以氧一乙炔的燃燒為熱源的熱噴涂，適于現場施工，大多采用噴涂鋁、鋅用于對鋼構件進行腐蝕防護。近幾年來超音速火焰噴涂法己成為世界熱噴涂的研究熱點。

等離子噴涂是采用非轉移弧電離某種氣體形成高溫等離子射流，把粉末引入其中，使之加熱到高溫，并被射流加速而沖擊到基體表面形成涂層。和其它熱噴涂技術相比，等離子噴涂具有如下特點：①等離子弧溫度高，能量集中。這就使得等離子噴涂能夠噴制其它熱噴涂工藝難以實現的高熔點材料的噴涂；②電離度高、弧柱挺拔、穩定性好。這對于保證噴涂質量有重要的意義；③可控性好。通過氣體的選擇和改變壓縮效應的外因條件，容易獲得所需的氣氛和電弧參數。

2.2 物理氣相沉積法

將金屬、合金或化合物放在真空室中蒸發，使這些氣相原子或分子在一定條件下沉積在工件 表面上的工藝稱為物理氣相沉積（簡稱PVD）。目前PVD技術發展主要有以下幾種類型：

（1）熱陰極法。源于Balzers的技術，主要用于TiN等薄膜的制備。

（2）磁控濺射附加陰極電弧法。目前國內己較多采用該技術，可用于多種薄膜的制備。

（3）磁控濺射法。近年來，磁控濺射技術一直是國內涂層業的重點發展方向，先后出現了非平衡磁控濺射技術、 磁控濺射加輔助離子源技術等，可制備各類薄膜。

（4）陰極電弧法。國內己由小圓型陰極電弧技術發展到大面積陰極電弧技術及柱型靶陰極電弧技術，主要用于TiA1N等薄膜的制備。

2.3 離子注入法

離子表面改性技術主要包括離子鍍、離子注入和離子化學熱處理等。離子鍍技術主要有蒸發源離子鍍、多弧離子鍍和磁控濺射離子鍍等。其中磁控濺射離子鍍是由磁控濺射技術與濺射離子鍍技術有機結合而成。其施鍍工藝不同于普通離子鍍，可得到耐磨性、耐（下轉第88頁）（上接第80頁）蝕性、耐熱性不同的鍍層。利用磁控濺射離子鍍技術強化閥座表面的試驗研究為閥座表面強化開辟了一條新途徑。

離子注入技術是將預先選擇元素的原子離化后，經電場加速，使其獲得高能量，然后將其打入材料中的過程。該技術作為改變材料表面物理、化學、電磁學和力學性能的有效手段，在世界范圍內得到廣泛應用。目前投入運行的離子注入機主要為氮注入機。

離子化學熱處理的基本原理是：將工件置于真空室內，其間充以適當分壓的滲劑氣體（氮氣或碳氫化合物），在外加直流電壓的作用下，電子從工件向真空室壁運動，當含滲劑的混合氣體分子被電子碰撞離化時，產生輝光放電。新形成的正離子將向工件加速，當與工件表面發生碰撞時，與工件表面的化學元素相結合。研究表明，采用強流脈沖電子束轟擊處理可以有效地清除316L不銹鋼表層的MnS夾雜物，從而達到凈化材料表面的目的。通過對1Crl8 Ni9Ti奧氏體不銹鋼進行碳氮離子不同劑量注入和共注入，可引起注入元素在鋼中的化學效應，改善了注入層結構，并形成新的合金層或彌散強化相。使鋼表面硬度增加、摩擦特性得到改善、抗磨損特性提高，并改善鋼的抗氧化和抗腐蝕特性。

4 總結

金屬材料表面改性技術已廣泛的在航空、兵器、汽車等制造行業得到應用，對材料所需性能進行突出的提升，并不斷對材料的使用范圍進行拓展，這對材料相關產業產生了巨大的影響。其中，在對新材料發展中，還能研制出性能上與傳統冶金方法根本不同的表面合金，可以在一般材料不能使用的極端環境條件，因此，金屬材料表面改性技術將會取得越來越廣闊的發展。

參考文獻

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