摘 要 為了適應(yīng)當(dāng)今社會快速發(fā)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(yōu)越的綜合性能，能夠更適應(yīng)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(shù)量、質(zhì)量等方面的巨大潛力，能夠隨著日益增長的要求不斷發(fā)展和更新。特別是對于后者，下面將以當(dāng)今最為熱門的金屬材料表面改性技術(shù)進(jìn)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(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，對各種技術(shù)的原理和應(yīng)用狀況分別加以描述，最后總結(jié)了材料表面改性技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 先進(jìn)金屬材料 改性金屬 改性方法

中圖分類號：TG11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1金屬材料改性發(fā)展特點

金屬材料，特別是鋼鐵材料，目前世界發(fā)展動向表現(xiàn)為：（1）高性能，低成本；（2）節(jié)能，環(huán)保；（3）可回收，并且能循環(huán)利用；（4）提高比強(qiáng)度，減少構(gòu)建重量。研究的中心內(nèi)容是：金屬材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能三者之間的關(guān)系及變化規(guī)律。

成分、結(jié)構(gòu)和組織三者既相互區(qū)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?；瘜W(xué)成分是基礎(chǔ)，在其一定時，某些性能由結(jié)構(gòu)類型所控制。

2 先進(jìn)金屬材料改性方法研究

2.1 熱噴涂

熱噴涂技術(shù)是利用熱源對金屬、非金屬等噴涂材料進(jìn)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(shù)在我國得到推廣應(yīng)用，如葛洲壩二期工程、南京長江大橋、運 河大橋部分鋼結(jié)構(gòu)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(shè)備簡單、成本低、效率高主要用于腐蝕防護(hù)和修復(fù)?；鹧鎳娡渴且匝跻灰胰驳娜紵秊闊嵩吹臒釃娡浚m于現(xiàn)場施工，大多采用噴涂鋁、鋅用于對鋼構(gòu)件進(jìn)行腐蝕防護(hù)。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(zhuǎn)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(shù)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(xiàn)的高熔點材料的噴涂；②電離度高、弧柱挺拔、穩(wěn)定性好。這對于保證噴涂質(zhì)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(yīng)的外因條件，容易獲得所需的氣氛和電弧參數(shù)。

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(fā)，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(shù)發(fā)展主要有以下幾種類型：

（1）熱陰極法。源于Balzers的技術(shù)，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(nèi)己較多采用該技術(shù)，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(shù)一直是國內(nèi)涂層業(yè)的重點發(fā)展方向，先后出現(xiàn)了非平衡磁控濺射技術(shù)、 磁控濺射加輔助離子源技術(shù)等，可制備各類薄膜。

（4）陰極電弧法。國內(nèi)己由小圓型陰極電弧技術(shù)發(fā)展到大面積陰極電弧技術(shù)及柱型靶陰極電弧技術(shù)，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(shù)主要包括離子鍍、離子注入和離子化學(xué)熱處理等。離子鍍技術(shù)主要有蒸發(fā)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(shù)與濺射離子鍍技術(shù)有機(jī)結(jié)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(zhuǎn)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(shù)強(qiáng)化閥座表面的試驗研究為閥座表面強(qiáng)化開辟了一條新途徑。

離子注入技術(shù)是將預(yù)先選擇元素的原子離化后，經(jīng)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(shù)作為改變材料表面物理、化學(xué)、電磁學(xué)和力學(xué)性能的有效手段，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。目前投入運行的離子注入機(jī)主要為氮注入機(jī)。

離子化學(xué)熱處理的基本原理是：將工件置于真空室內(nèi)，其間充以適當(dāng)分壓的滲劑氣體（氮氣或碳?xì)浠衔铮谕饧又绷麟妷旱淖饔孟?，電子從工件向真空室壁運動，當(dāng)含滲劑的混合氣體分子被電子碰撞離化時，產(chǎn)生輝光放電。新形成的正離子將向工件加速，當(dāng)與工件表面發(fā)生碰撞時，與工件表面的化學(xué)元素相結(jié)合。研究表明，采用強(qiáng)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(dá)到凈化材料表面的目的。通過對1Crl8 Ni9Ti奧氏體不銹鋼進(jìn)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(xué)效應(yīng)，改善了注入層結(jié)構(gòu)，并形成新的合金層或彌散強(qiáng)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(jié)

金屬材料表面改性技術(shù)已廣泛的在航空、兵器、汽車等制造行業(yè)得到應(yīng)用，對材料所需性能進(jìn)行突出的提升，并不斷對材料的使用范圍進(jìn)行拓展，這對材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。其中，在對新材料發(fā)展中，還能研制出性能上與傳統(tǒng)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(huán)境條件，因此，金屬材料表面改性技術(shù)將會取得越來越廣闊的發(fā)展。

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