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到強化零部件表層的目的[3]。采用化學(xué)熱處理工藝強化的零部件，其表面通常會形成與內(nèi)部化學(xué)組分和組織性能不同的強化層。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)下具有較強活性的特點，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)雖然在過去的實踐生產(chǎn)中取得了較好的成效，但隨著先進制造業(yè)的不斷發(fā)展和環(huán)評壓力的不斷增加，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工程技術(shù)[4]。該技術(shù)具有高效、可控、自動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、結(jié)合強度高、變形量小和稀釋率低等優(yōu)點，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 ℃高溫下運作的工件表面。Fe基合金粉末價格相對較低，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，熔凝組織的轉(zhuǎn)變、熔凝層硬度及耐磨損性能是該項技術(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，因此所得到的強化層深度更深。徐子文[6]等針對20鋼進行了激光熔凝模擬試驗，運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錯位化細(xì)粒度晶粒的強化機理。

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)機構(gòu)就曾采用Co基合金對軍用大口徑管狀基材進行激光合金化處理，試驗結(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現(xiàn)細(xì)化晶粒尺度，提高表層材料硬度等效果，目前針對激光表面淬火的硬化機理和溫度場分布情況是研究的熱點內(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理研究。劉文今得出45鋼表面淬火后試驗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一步細(xì)化和晶粒缺陷增加；對鑄鐵而言，其內(nèi)部的石墨具有吸能功效，可以對激光表面淬火引入的外部熱能進行臨時存儲，并在后續(xù)冷卻過程中進行釋放，從而影響組織性能。宋武林等人對灰口鑄鐵進行了激光淬火處理，并進一步探究了鑄鐵中石墨碳飽和與固溶強化機理。

綜上所述，激光表面改性技術(shù)具有生產(chǎn)適用范圍大、過程自動化程度高、加工后零件形變量小和污染排放較低等特點，且隨著國內(nèi)制造行業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型與發(fā)展，針對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)的存在都會在一定程度上對機械設(shè)備造成腐蝕和磨損，縮短設(shè)備使用壽命。運用激光熔覆技術(shù)可以對零部件易損部位進行表面強化或修復(fù)，提高零部件的耐磨損性和耐腐蝕性等。曹青等[10]在刮板運輸機運輸槽上采用激光熔覆技術(shù)制備出了35%Ni50+65%WC的高強度無裂紋熔覆層，并將其運用于實踐生產(chǎn)，經(jīng)測試采用激光熔覆進行表面強化后的運輸槽，每10萬t生煤運送量下，平均磨損量約為0.1 mm，表面強化效果顯著，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。模具對使用精度要求較為嚴(yán)格，而長期使用下的模具難免會出現(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廢。而模具的更換成本通常較高，因此對模具進行表面修復(fù)，延長其使用壽命，具有較大現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。劉建永等[11]對汽車車身覆蓋件模具進行局部激光熔覆表面強化，首先以Fe40合金粉末制備緩沖打底層，然后用不同強度的GXN-65A合金粉末和 XY-27F-X40合金粉末，分別對應(yīng)不同硬度需求的部位進行表面強化，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強度的差異要求。

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，必將帶動先進制造行業(yè)的快速發(fā)展，激光熔覆技術(shù)作為先進制造和綠色制造領(lǐng)域中的新興技術(shù)，不僅可以應(yīng)用于工程機械、冶金和船舶等傳統(tǒng)制造行業(yè)，同時還可以應(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)動機葉片等關(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，還可以實現(xiàn)高度自動化的智能生產(chǎn)，從而推動信息技術(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、強化質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢，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，并可以根據(jù)不同的加工方式，進行生產(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，多是從材料強化機理角度進行表面改性，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行耐磨涂層制備的同時使熔覆涂層具備仿生學(xué)結(jié)構(gòu)，從而同時實現(xiàn)耐磨和減阻。相信未來隨著該技術(shù)的進一步研究，定會帶動表面改性技術(shù)的進一步發(fā)展與完善。