表面工程技术在海洋工程装备中的应用解析

刘继锋

（太重（天津）滨海重型机械有限公司，天津 300452）

过去，海洋资源难以开发、利用，主要原因是海洋环境非常恶劣，海洋环境作为腐蚀性最强的环境之一，对海洋工程装备提出极高的要求。海洋工程设备需要承受高压、高温、高湿度和高冲击的环境，并且要保持长期稳定运行[1]。海洋环境腐蚀性是海洋工程装备制造中需要重点关注的问题，而防腐更加注重装备材料的表面性能。目前，仅凭材料自身性能几乎不可能达到海洋工程长期生产的目标，这就需要融入表面工程技术，通过薄膜技术、土层技术、改性技术等让装备表面防腐性能更强，从而满足海洋工程生产要求。

1 表面工程技术及其技术分类

简单来说，表面工程技术就是对装备（或零件）进行预处理，采用表面涂覆、表面改性等多种技术进行处理，从而改善固体金属表面或非金属表面的形态、组织结构、化学成分和应力性能，从而获取表面所需性能的一项工程。其主要有以下几种。

1.1 表面涂镀技术

该项技术简单来说就是覆盖一层保护层，通常都是采用涂料涂或镀料原子覆盖的方法。日常使用的技术手段包括堆焊、热喷涂、气相沉积、化学镀和涂装技术等[2]。

1.2 表面改性技术

该技术主要融入了离子处理、机械处理、热处理和化学处理等手段，从而改善金属材料特性。通常情况下，可以采用以下几种技术手段：热阔渗、表面合金化、转化膜、离子注入和喷丸强化等。

1.3 薄膜技术

薄膜覆盖技术本质上也是一种涂层技术，可以在金属表面上形成厚度为0.1～1.0 μm薄膜。当前，薄膜厚度非常小，可以达到微米级别，肉眼不可见。通常采用沉淀技术等即可实现。

2 表面工程技术在海洋工程装备中的应用

2.1 大体积钢铁结构构件防护

大体积钢铁结构通常与海水直接接触，很容易受到海水影响，如钢结构架桥、钻井平台等，海水的腐蚀作用非常强，因此容易对大体积钢结构造成腐蚀。研究发现，铝、锌、锌-铝涂层电极负于钢铁，因此在钢铁表层上可以起到阴极保护作用。结合海洋工程实际情况，可以将锌、铝、锌-铝等防护层和封孔防锈层、老化面漆层相结合，构成复合型防护系统，缓解海水环境的侵蚀作用。当前，我国使用该方法已经超过半个世纪，其在船体、水工闸门、海洋平台钢结构、桥塔、码头钢管桩和钢箱梁等方面应用十分广泛。

2.2 关键部件表面强化

关键部件腐蚀问题更加趋于隐性，这是由于关键部件腐蚀零部件多、结构紧凑，如曲轴、柴油机气缸、尾轴、钻井泵等，这些都是高腐蚀、高温、高压的工作部位，必须加强表面处理，提高其耐腐、耐磨性。

2.2.1 热喷涂技术

在海洋工程装备关键零部件表面强化中，电镀热铬是一种常见技术，但是会对海水造成污染。再者，电镀硬铬涂层防护性能无法达到指定要求，与陶瓷材料相比有着很大的差异，容易因为氢脆而造成裂缝，所以通常都不使用这种工艺。热喷涂技术作为一种高效、友好的表面工程技术，可以实现工件表面的沉积金属、金属陶瓷等涂层处理，以复合型涂层的方法提高防护质量。近些年，高性能喷涂技术在海洋工程设备中的应用十分广泛，例如，HVOF（超音速火焰喷涂）技术在表面工程中的表现就十分优异。同时，该项技术具有沉积速度快、耐磨性强、生产效率高、无污染等特性。当今，国内外对HVOF制备金属陶瓷涂层展开了大量研究[3]。

2.2.2 薄膜涂层技术

薄膜涂层技术在长期发展中衍生出多种子技术，例如，以TiC、TiN、CrN、DLC为材料的碳化物基、氮化物基、金刚石类薄膜，就具备低摩擦、高硬度、耐腐性强等性能，在海上石油开发领域应用十分广泛，包括转动轴、抽油泵等部位。该技术主要采用气相沉积方法，其分为化学、物理气相沉积方法。例如，在TiN薄膜技术使用中，通过采用特殊的制备方法、工艺参数、热处理技术等控制薄膜微观结构，包括孔隙率、质地、粒度、密度等方面。为了提高表面工程的实施质量，人们通常采用第三元素实现TiN土层合金化，也可以采用综合膜的方法提高性能。另外，在二元合金TiN中加入铝元素，可以极大地提高薄膜物理性能，硬度可达3000 HV0.05，抗磨性有着明显提高。铝在空气中会与氧气反应，形成三氧化二铝，从而降低涂层氧化率，耐高温性能达到700℃。还有部分学者采用双阴极非平衡反应磁控溅射方法获取TiN涂层和SiNx，通过SiNx来干扰TiN涂层生长，避免TiN中生成柱状结构，从而获得多层土层，其表面十分光滑，轴晶结构十分细腻、表面光滑，整体强度在45 GPa以上。

2.2.3 激光表面强化处理技术

该项技术是一种非金属接触方法，主要应用激光束进行防腐，从而在工件表面生成一道处理层，对表面材料性能结构进行改善，整体性能更加趋于理想。该技术可以实现金属表面改性，提高表面的强度、硬度、耐化学性，可以使金属工件长期在海洋环境中保持良好性能。大体上，此技术可以分为激光淬火、激光合金化等。

激光技术在钢铁、铸铁等材料上应用效果非常好。在上述四类工艺中，激光淬火更加适合应用到表面强化中，特别是在细节方面，如盲孔、深孔、长筒腔内壁等，可以保证这些小型部件的防护性能。激光冲击硬化能够用于工件曲面表面，如抽成、齿轮以及局部表面强化等。激光合金化更多应用在涡轮叶片、电接触开关、灰铸铁阀底座等部件中[4]。

2.2.4 等离子碳氮共渗结合离子氧化复合处理技术

该项技术是一种复合型技术，可以应用到海上钻井平台中的齿条、齿轮、定位销和起重机钢销等部位，这些部位是容易严重腐蚀的位置，常常因为锈死而无法保证海上工程运行。因此，这部分工件要采用复合型表面工程技术，除了应用高性能材料之外，还需要采用良好的工艺，从而提高耐磨性、耐腐蚀性。人们可以采用等离子碳氮共渗结合离子氧化复合处理技术（PLASOX技术），在不污染环境的基础上，提高工件的耐磨性、耐腐蚀性，其具备低能耗、周期短、设备成本低等特性，是当今国内外海上工程装备的重要处理技术。目前，PLASOX技术还不够成熟，大部分都应用在碳结构钢制成的机械部件中。还有部分企业将PLASOX技术应用到45钢表处理中，其硬度和耐腐性都有了显著的提高，甚至能够与奥氏体不锈钢性能相媲美。

2.3 抗空泡腐蚀和冲蚀涂层

在温度下降的情况下，流动液体压强会不断减少，逐渐被汽化，也就是所谓的空化，液体产生空化问题会造成空穴，也就是空泡。在液体压力作用下，空泡会对溃灭造成影响，导致大量空泡溃灭瞬间生成大量压强，并伴有发热、发光、发声情况。如果产生溃灭问题，会生成高压反复作用，直接损坏金属表面，影响金属特性，这种现象也被称为空泡腐蚀或空蚀。空蚀现象在船舶螺旋桨上出现较多，在其他部件中也频繁出现，包括水轮机转轮、液压泵、柴油发动机等。空蚀效应会导致海洋工程零部失效，甚至会造成安全事故，威胁人身安全。在实际运行中，如果受到空蚀和海洋泥沙冲蚀，会极大地提高高速螺旋桨的损耗度，导致其使用寿命大打折扣，无法保障海洋高速运行要求。

针对此类问题，可以采用耐空蚀性能较高的材料涂层。当前，人们对镍基、NiCrSiB合金、掺WC自熔合金、WC-Co等涂层进行了深度研究，其逐渐在各个领域得到应用。有学者通过深度研究发现，NiTi（钛镍）形状记忆合金超弹性效果非常好，是非常理想的耐空蚀材料。但是，钛镍材料作为一种新型材料，具有生产成本高、制备难度大等劣势，特别是在非正常形态构件加工中（如螺旋桨），加工难度更高，导致钛镍制作的构件应用范围受到局限。由于空蚀、冲蚀更多作用于构件表面，因此可以采用钛镍涂层的方法提高抗冲蚀、空蚀性能[5]。

20世纪，有色金属研究院就开展了钛镍研究，最初采用低压等离子喷涂技术，在金属构件表面喷涂钛镍合金涂层，喷涂后，构件表面强度显著提高。以此技术为基础，衍生出真空等离子喷涂、低压等离子喷涂与激光发射源结合、冷喷涂、超音速火焰喷涂等技术，其在钛镍合金方面都有所应用。例如，国外学者采用激光等离子体混合喷涂技术在钛合金表面上制备钛镍涂层，并取得了成功。深度调研表明，采用预合金化处理技术，利用钛镍合金粉末制备真空等离子喷涂涂层，其中的非形状记忆相含量减少，表面的抗空蚀性能增强。为了进一步强化涂层与金属表面的黏合强度、提高涂层效能，相关单位不断加强对钛镍合金涂层的后期处理，包括激光合金化处理、热处理工艺等。热处理期间，当温度达到950℃时，钛镍相量最多。相关学者在LT-HVOF表面喷涂中采用激光处理法，处理后钛镍涂层变得更加紧密，但钛元素和镍元素也产生了合金效应，生成了钛镍主相以及树状的Ti2Ni相，涂层性能大大提高。经过专业人员的不断努力，钛镍涂层制备工艺在海上装备领域取得快速发展，已经摆脱过去的试验形态，得到初步应用。

2.4 关键部件再造

再造技术主要是以全寿命周期理论为指导，对废旧或快要报废的装备进行性能提升，遵循高效、节能、优质的原则，采用现代手段和新型理论，对废旧装备进行再造，使其性能达到原有装备性能（甚至超过原有装备性能）。海洋工程装备含有非常多的关键部件，如钻井系统的泥浆泵、钻头、球阀等，舰船的主机、轴系、传动系统等，这些关键零部件在长期使用中容易产生腐蚀、磨损、剪切[6]。对于再造技术而言，一方面是对损坏、失效的部件进行再造和强化；二是开展完整性关键部件的功能修复。因此，表面工程可以运用离子注入、纳米颗粒负荷电镀刷、热喷涂、激光表面强化等技术，恢复关键零部件的性能，降低资源浪费。

3 结语

随着当今国内外海洋工程的不断发展，生产领域对海洋工程装备性能提出了更高的要求。当前，表面工程技术发展十分迅速，将表面工程技术应用到大体积钢结构和重要工件中，可以有效提高其防腐性、耐磨性等，从而减缓海洋恶劣环境的破坏，为推动海洋工程发展奠定硬件基础。