金属材料表面强化技术应用现状与展望

仲照旭 王斯妮

摘  要：近年来，随着工业技术的飞速发展，人们在实际应用中对金属材料的性能提出了更高的要求。然而，在大多数情况下，随着金属材料强度的增加，塑性、韧性和抗疲劳性能趋于下降。在实际应用中，材料失效主要发生在表面或表面以下，直接影响构件的使用寿命。

关键词：金属材料;表面强化技术;应用展望

1基体与涂层的结合机理

1.1覆层界面的结合力

包层材料与基体材料之间的结合强度可由主价键力或次价键力组合而成，在某些情况下还可由氢键力、界面静电力和机械力组合而成。当两种物质的分子或原子离引力场足够近时，因为主价键力或次价键力的效果，会发生吸附引力。主价键力构成化学吸附招引，物理吸附由次价键力构成。主价键力的强度一般在0.1-0.3nm之间，而次价键力的强度通常小于1nm。

主价键的键能高于主价键。氢键的键能介于两者之间。

包层材料与基体之间要取得杰出的结合强度，即有必要构成化学键连接，则分子有必要有足够的能量跳过必定的能垒，接近主价键的效果间隔。此外，元素之间有必要有化学活性，原子键不该饱满。

在不同的涂层技能中，涂层分子（原子）与基体之间必定间隔处被相应能量源供给的能量围住，从而取得相应的吸附招引力。例如，堆焊是将熔覆材料与基体的接触面加热到熔融状况，直到接近原子间的反响间隔，构成具有高结合强度的金属键合。在熔合过程中，虽然基体表面没有熔化，但熔覆层与基体界面之间有足够的时间和能量分散，构成以化学键为主的冶金结合。在化学溶液堆积过程中，溶液中的金属离子与金属基体表面的化学或电化学反响能够构成金属键，从而取得更高的结合强度;在气相堆积技能中，真空蒸发首要发生物理吸附，其他PVD方法则涉及化学反响，离子轰击、伪分散等效应，或因为化学气相淀积过程中的某些改变，在膜与基底界面的化学吸附也能够通过化学反响和元素分散在高温下发生。

1.2覆层界面结合性能的影响因素

覆层与基层的实际结合能力是由试验测定的（包括弯曲实验法、划痕法、动态拉伸法以及超声波法等），它与理论上的分析计算有很大不同，这是因为实际结合力的大小并不等于分子（原子）作用力的总和，而取决于材料每一处局部性质。覆层界面结合力的影响因素包括：（1）覆材与基材的成分、结构匹配;（2）材料的润湿性能;（3）界面元素的扩散情况;（4）基体表面的状态;（5）覆层的应力状态;（6）涂敷的工艺参数等。

2金属材料超声表面强化技术的应用

2.1超声冲击处理技术

众所周知，超声功率很大，这是目前广泛应用的超声冲击加工技术的重要驱动力。该技术能独立转换电能和机械能，并取得明显的转换效果。超声冲击处理技术主要是通过压电陶瓷和磁致伸缩换能器，将机械能转化为变幅能量积累，冲击焊件表面。在碰撞过程中会产生塑性变形。塑性变形可以大大降低焊接残余力，提高工件的抗疲劳性能。超声冲击处理技术又称超声波表面强化技术。我国自20世纪90年代开始研究超声喷丸技术。主要研究超声波冲击对焊接接头疲劳性能的影响。根据科学家们的探索，经过超声波冲击处理后的工件接头可以更加抗疲劳。同时，本文的研究也可以应用于我国焊接结构。焊接接头需要采用超声波冲击处理技术，使接头更耐疲劳，减少焊后工件操作的残余力。减小多余力也可以大大提高接头的耐腐蚀性。同时，在实际加工过程中，由于应力的作用，很可能会产生大量的疲劳裂纹，而消除这些裂纹也可以依靠超声波冲击处理技术。同时，通过超声波冲击加工技术，可以使工件更加稳定。我国并不是第一个使用超声波冲击加工技术的国家，但俄罗斯、乌克兰等国很早就开始研究这项技术。近年来，超声处理技术在我国得到了不断的改进，可以改善工业合金的力学性能。

2.2电弧离子镀技术的研究与应用

采用电弧离子镀时，阴极喷出的粒子与大量液滴混合，严重损害了薄膜的性能。他们证明了不同的基体材料对液滴的形貌和数量有影响，从而导致了薄膜-基底结合强度的显著差异。其中，YG6硬质合金是膜基结合力最强的一种。采用外加线圈磁场，在不同N2/AR条件下制备了Tin涂层。结果表明，当N2/AR流量比为2∶1时，tin涂层组织致密，力学性能最佳。由于其优良的物理、化学和机械性能，锡被广泛应用于各种刀具和装饰涂料中。采用轴向磁场增强电弧离子镀技术制备了具有良好耐蚀性的抗菌ticu/ticun多层膜，有望应用于生物医学抗菌薄膜领域。采用电弧离子镀在7Cr7Mo2V2Si模具钢（LD钢）表面沉积了TiAlN涂层。涂层光滑致密，断面无针孔，与基体结合牢固。涂层表面的富铝硬质颗粒提高了涂层的耐磨性。在硼酸环境下，TiAlN涂层的阻抗比基体高1.66倍，从而提高了涂层的耐蚀性。研究了不同调制结构对Ti-tin-Zr-ZrN多层膜的影响。结果表明，随着调制周期的增加和调制比的减小，涂层的硬度和残余应力增加，但与基体的结合强度降低。但随着多层膜厚度的增加，残余应力略有增加，附着力和硬度有所提高。目前，电弧离子镀技术已广泛应用于机械零件的装饰涂层、工具涂层和表面强化，大大提高了这些涂层零件的使用性能和使用寿命。

2.3激光熔覆技术的研究与应用

目前，激光熔覆层的材料体系主要有自熔合金粉、陶瓷粉和复合粉。自熔性合金粉包括镍基自熔合金、钴基自熔合金和铁基自熔合金;陶瓷粉体主要有氧化铝系和氧化锆系;复合粉体一般是指作为硬相与金属结合而形成的各种高熔点复合材料通过交叉混合。采用不同铁基粉末激光熔覆的方法制备了耐磨涂层。结果表明，涂层致密，无裂纹、气孔等缺陷。WC的加入能显著提高涂层的耐磨性。采用激光熔覆技术在发动机缸盖表面熔覆氧化锆陶瓷粉末，制备出适合实际需要的保护层，大大提高了缸盖的表面性能，延长了缸盖的使用寿命。

20世纪80年代，罗尔斯·罗伊斯首次在rb211涡轮发动机壳体和发动机叶片的连接部位采用激光熔覆。后来，aeromet公司采用激光熔覆技术生产的两架F-22全尺寸接头达到了要求的疲劳寿命的两倍，而F/a-8e/F的翼根吊环是要求的4倍。在汽车工业的应用中，激光技术最早被应用，主要用于切割和热处理。随着熔覆技术的发展，它逐渐发展成为柔性添加剂制造技术。例如，发动机排气门密封锥表面涂有钨铬钴合金，这是第一个采用该技术的汽车零件，如意大利菲亚特汽车排气门座的环形表面和美国汽车排气门阀座的激光熔覆耐热合金。近年来，北京机械科学技术研究所国创轻量化科研院与广西玉柴合作，在发动机气门座圈表面開展了耐磨耐高温合金堆焊成形，也取得了阶段性成果。其他工业领域，如水泥建筑行业的破碎机主轴、搅拌机主轴、减速齿轮轴;煤炭、铁矿石行业的液压设备、发电机和洗煤设备;工程机械行业的齿轮轴、制动盘和曲轴;水利、印刷、食品等行业，如只要存在易损件和腐蚀性零件，可以采用激光熔覆技术进行修复，可以节约生产设备的成本，提高零件的使用寿命。

结论

我国在金属材料表面强化技术领域的应用研究已经比较成熟，但在某些技术及设备方面与国外先进技术相比还存在差距。通过对大量文献研究的总结，未来对金属表面进行强化处理时，不再是使用单一的技术，而是采用多种技术的复合或耦合，这将是未来金属表面强化的发展趋势。

参考文献

[1]  李光晖，林有希，蔡建国.金属材料超声滚压表面强化的研究进展[J].工具技术，2020，54（01）：3-8.