表面工程技術(shù)在海洋工程裝備中的應(yīng)用

徐麗萍，毛 杰，張吉阜，鄧暢光，劉 敏，周克崧

(廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510650 )

1 前 言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，爭奪世界海洋權(quán)益及深海資源是本世紀(jì)世界海洋強(qiáng)國與臨海國家的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略行動。隨著陸地資源的日漸枯竭，開發(fā)海洋資源特別是深海資源已成為我國的重要戰(zhàn)略舉措之一。開發(fā)海洋資源離不開先進(jìn)的海洋工程裝備。然而，我國的海洋工程裝備制造業(yè)仍比較落后，在海洋工程裝備建造領(lǐng)域還處于制造低端產(chǎn)品的第三陣營。材料特別是某些關(guān)鍵部件的性能達(dá)不到要求是重要原因之一。因此，開發(fā)先進(jìn)海洋工程材料已迫在眉睫。

海洋環(huán)境非?？量蹋凇禝SO-12944典型腐蝕環(huán)境分類表》中，海洋環(huán)境是腐蝕等級最高的腐蝕環(huán)境。此外，海洋資源的深入開發(fā)還要求有關(guān)的設(shè)施、設(shè)備及某些關(guān)鍵部件能夠在極端惡劣的工況(高溫、高壓、高濕、高速、嚴(yán)重的磨損、沖擊等)下長期安全穩(wěn)定的運(yùn)行。因此，為保證海洋平臺、系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性和安全性，海洋工程裝備對材料的性能特別是其表面性能提出了更高的要求。然而，單靠提高基體材料自身的性能來滿足其在這種苛刻環(huán)境下的服役需求在某些情況下幾乎是不可能的。所以，表面工程技術(shù)是滿足某些性能要求的重要手段。表面工程是將材料表面與基體一起作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)和涂層技術(shù)使材料表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程。表面工程技術(shù)能夠在不破壞材料自身性能的前提下，對材料表面性能進(jìn)行強(qiáng)化或再生，使材料或部件表面具備耐磨、耐蝕、抗氧化、耐熱、絕緣、密封和隔熱等性能中的一種或幾種。此外，采用先進(jìn)表面工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件再制造，是滿足海洋資源開發(fā)過程中高效經(jīng)濟(jì)要求的有效手段。因此，應(yīng)用表面工程技術(shù)來提高材料表面性能，是滿足海洋工程裝備使役要求的行之有效的方法；是保證海洋工程裝備關(guān)鍵件可靠性、安全性的不可或缺的技術(shù)手段；也是提高我國海洋工程裝備整體水平的重要途徑。

本文對海洋工程裝備中涉及到的表面工程技術(shù)進(jìn)行了匯總。著重介紹了表面工程技術(shù)在大型鋼鐵結(jié)構(gòu)件的防護(hù)、關(guān)鍵部件的表面強(qiáng)化、抗空泡腐蝕和沖蝕涂層、電偶腐蝕防護(hù)、關(guān)重件的再制造、鈦及其合金的防護(hù)及替代鍍鎘技術(shù)中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。

2 大型鋼鐵結(jié)構(gòu)件的防護(hù)

長期暴露在海洋環(huán)境中的大型鋼鐵構(gòu)件，如鋼結(jié)構(gòu)橋、海上鉆井平臺、艦船的鋼結(jié)構(gòu)等會受到不同程度的腐蝕和侵蝕。由于鋅、鋁、鋅-鋁涂層的電極電位均負(fù)于鋼鐵，故對鋼鐵結(jié)構(gòu)能起到陰極保護(hù)作用。熱噴涂此類涂層作為鋼鐵構(gòu)件的防護(hù)始于20世紀(jì)20年代[1]。目前，在歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家仍廣泛用其作為鋼鐵結(jié)構(gòu)件長效防腐的方法[2-4]。我國應(yīng)用這種技術(shù)約有半個(gè)多世紀(jì)，例如1964年噴涂鋅防護(hù)淮河蔣壩三河閘63孔閘門[5]。迄今為止，已在水工閘門、船體、海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)、碼頭鋼管樁、橋塔、鋼箱梁等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際工程情況，通常將鋅、鋁或鋅-鋁防護(hù)層與封孔防銹層和防老化面漆層結(jié)合，形成多層防護(hù)體系，目前已獲得較好的防護(hù)效果[6-7]。與國外相比，我國利用鋅、鋁涂層的防腐蝕技術(shù)起步較晚，應(yīng)用比例也遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，還有待于進(jìn)一步推廣應(yīng)用。此外，相關(guān)的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與評價(jià)方法也有待進(jìn)一步完善。

3 關(guān)鍵部件的表面強(qiáng)化

海洋工程裝備關(guān)鍵部件，如柴油機(jī)氣缸套、曲軸、艉軸(尾軸)、船舶液壓系統(tǒng)、鉆井泵等，服役于腐蝕、高磨損、高溫、高壓等環(huán)境條件下，為了滿足這類部件的服役需求，必須要對其進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，增強(qiáng)其耐磨、耐蝕性能。

3.1 先進(jìn)熱噴涂技術(shù)

電鍍硬鉻是海洋工程裝備關(guān)鍵部件傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)之一。但是，應(yīng)用這種技術(shù)的過程中會釋放大量Cr6+，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染；另一方面電鍍硬鉻涂層也有其性能上的不足，如其硬度遠(yuǎn)不及某些金屬陶瓷材料，存在氫脆和裂紋，工作溫度較低難以滿足現(xiàn)代機(jī)械高溫、高速、高腐蝕環(huán)境的工作要求。因此，有必要開發(fā)新的技術(shù)工藝來替代它。

熱噴涂技術(shù)是一種環(huán)境友好、高效、應(yīng)用前景廣闊的現(xiàn)代表面強(qiáng)化技術(shù)，利用熱噴涂技術(shù)在部件基體上沉積金屬、陶瓷、金屬陶瓷等涂層，可以獲得理想的復(fù)合涂層制品。近年來，熱噴涂技術(shù)朝著高能高速噴涂方向發(fā)展，基于超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)在制備高性能涂層方面表現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢。通過超音速火焰噴涂制備的碳化物金屬陶瓷涂層，如NiCr-Cr3C2(如圖1所示)和WC-Co具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能，同時(shí)超音速火焰噴涂技術(shù)具有沉積速度快、生產(chǎn)效率高等工藝特點(diǎn)，成為最有可能替代電鍍硬鉻的工藝。國內(nèi)外學(xué)者對超音速火焰噴涂制備金屬陶瓷涂層做了大量研究。

圖1 NiCr-Cr3C2熱噴涂層的截面形貌Fig.1 Morphology of the cross section of a NiCr-Cr3C2 coating

文獻(xiàn)[8, 9]研究了粉末尺寸對耐磨性能和屈服強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，含有小尺寸碳化物顆粒的細(xì)粉制備的WC涂層的耐磨性能好、屈服強(qiáng)度高。Michaela K[10]以Al2O3和SiO2沙礫作為磨損介質(zhì)，研究了熱噴涂WC-Co和NiCr-Cr3C2涂層在高低不同載荷條件下的摩擦磨損性能。研究發(fā)現(xiàn)WC涂層在不同載荷條件下的磨損率相差12.3倍；而NiCr-Cr3C2涂層則只相差6.3倍。文獻(xiàn)[11]以飛機(jī)起落架為應(yīng)用對象進(jìn)行了研究，使用HVOF技術(shù)在300 M超強(qiáng)鋼基體上制備了WC-17Co和WC-10Co4Cr涂層，并對涂層的電化學(xué)和抗中性鹽霧腐蝕性能進(jìn)行了研究。NaCl溶液中的電化學(xué)測試表明，WC-10Co4Cr涂層處理后的基體，其自腐蝕電位得到大幅度升高。400 h的鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種涂層都提高了300 M鋼基體的抗鹽霧腐蝕性能。WC-10Co4Cr涂層由于引入的Cr元素形成Cr2O3陶瓷鈍化相，從而提高了粘結(jié)相的自腐蝕電位，延緩了腐蝕介質(zhì)向基體的擴(kuò)散，因此表現(xiàn)出更好的抗鹽霧腐蝕性能。美國Connecticut大學(xué)的 B. H. Kear和 P.R. Strutt 等人[12]首先應(yīng)用熱噴涂技術(shù)進(jìn)行了納米結(jié)構(gòu)金屬陶瓷涂層的制備研究，他們采用高速火焰噴涂制得了納米結(jié)構(gòu)WC/10Co涂層，而且該涂層還具有較高的硬度(HV18～19 GPa)和很好的結(jié)合強(qiáng)度。隨后，納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層的制備引起了人們的興趣，并進(jìn)行了相關(guān)研究[13-16]?？偟膩碚f，通過合理控制參數(shù)能夠獲得納米結(jié)構(gòu)的 WC/Co 涂層，而絕大多數(shù)的納米結(jié)構(gòu) WC/Co 涂層的性能(硬度、韌性、耐磨性)都優(yōu)于同成分的傳統(tǒng)微米結(jié)構(gòu)涂層。

3.2 先進(jìn)薄膜涂層技術(shù)

以TiC、TiN、CrN、DLC為代表的碳化物基、氮化物基或金剛石類陶瓷薄膜具有高硬度、低摩擦磨損及優(yōu)良的抗腐蝕等性能，大量用于石油、天然氣工業(yè)中的關(guān)鍵部件，如心軸、抽油泵泵筒、傳動軸等。薄膜涂層的制備主要是氣相沉積的方法，包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。

薄膜涂層技術(shù)涉及薄膜材料、沉積制備技術(shù)及薄膜的設(shè)計(jì)及選擇等多個(gè)方面。以TiN薄膜為例，可通過選擇適當(dāng)?shù)闹苽浞椒?、工藝參?shù)及熱處理工藝等來控制薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，如粒度、質(zhì)地、孔隙率、密度等來獲得性能優(yōu)良的薄膜[17-19]。為了滿足不斷提高的實(shí)際應(yīng)用需求，人們嘗試通過添加第三元素實(shí)現(xiàn)TiN涂層的合金化，或者通過制備多層膜來提高薄膜層的綜合性能，并取得了較好的效果。文獻(xiàn)[20]通過在二元合金TiN中添加Al，大大提高了薄膜的硬度，可達(dá)到3000 HV0.05，顯著減少了磨損。氧化試驗(yàn)證明(Ti，Al)N較TiN有較好的耐剝落性，從而顯示出較好的耐磨性能。此外，由于Al在空氣中可形成保護(hù)性的Al2O3層，能夠減少涂層的進(jìn)一步氧化，從而可將使用溫度提高到700 ℃左右。與TiN比較，(Ti，Al)N可得到較細(xì)的晶粒組織，減弱柱狀生長，從而可改善其耐電化學(xué)腐蝕性能。文獻(xiàn)[21]通過加入第三元素C，形成同樣是面心立方結(jié)構(gòu)的Ti(C，N)，可提高涂層的硬度，獲得優(yōu)異的耐磨性能。M.M.Lacerda等[22]通過引入不同材料的納米薄層與TiN薄膜交替沉積，迫使TiN重新形核，以獲得一個(gè)細(xì)小、具有等軸晶微觀組織的TiN涂層，周期性地干擾TiN涂層的生長。Y.H.Chen[23]等通過雙陰極非平衡反應(yīng)磁控濺射方法獲得TiN/SiNx多層涂層，利用無定形的SiNx周期性地干擾TiN涂層的生長，消除了TiN的柱狀結(jié)構(gòu)，得到的TiN/Six多層涂層，界面光滑，顯示出細(xì)的等軸晶結(jié)構(gòu)，最高硬度超過45 GPa。

3.3 激光表面強(qiáng)化處理

激光表面處理是采用大功率密度的激光束，以非接觸的方式對金屬進(jìn)行表面處理，在材料表面形成一定厚度的處理層，從而改變材料表面的結(jié)構(gòu)，獲得理想的性能。激光表面處理可以顯著提高材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性等一系列性能，從而延長產(chǎn)品的使用壽命和降低成本。激光表面強(qiáng)化技術(shù)主要可分為激光淬火、激光沖擊硬化、激光合金化與激光熔敷四類[24]。

激光表面強(qiáng)化技術(shù)較為適用鋼鐵材料和鑄鐵材料。其中，激光淬火可用于海洋工程裝備軸承圈、閥座、曲軸活塞環(huán)、齒輪等部件的表面強(qiáng)化，特別是對工件中的特殊部位，諸如槽內(nèi)壁、槽底小孔、深孔、盲孔、長筒腔內(nèi)壁等，有明顯優(yōu)勢；激光沖擊硬化可用來強(qiáng)化精加工工件的曲面，如齒輪、軸承的表面，以及用于局部強(qiáng)化焊接件；激光合金化與激光熔敷可用于電接觸開關(guān)、發(fā)動機(jī)渦輪葉片、灰鑄鐵閥座等部件。

3.4 等離子碳氮共滲+離子氧化復(fù)合處理技術(shù)

鉆井平臺的樁腿升降裝置的齒輪和齒條、定位銷，起重機(jī)的臂銷、缸銷、普通銷、銷軸等部件發(fā)生腐蝕、磨損后極易導(dǎo)致部件銹死，使用壽命縮短，造成嚴(yán)重的危害。這類部件通常采用結(jié)構(gòu)鋼制作，為了使其具備耐磨、耐蝕性能，除了選用和研制高性能材料之外，采用表面工程技術(shù)實(shí)施于材料表面以改變其耐磨、耐蝕性是通常采用的方法。

以往對結(jié)構(gòu)鋼采取如表面淬火、氮碳共滲結(jié)合發(fā)黑、磷化、電鍍等防銹處理，或鹽浴氮化后拋光再進(jìn)行氧化的表面處理工藝(簡稱QPQ鹽浴復(fù)合處理)來提高其耐磨、耐蝕性能。但是這些方法都存在環(huán)境污染問題，難以得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代國外興起的結(jié)構(gòu)鋼表面離子氮碳共滲+氧化復(fù)合處理技術(shù)(國外稱其為PLASOX技術(shù)或IONITOX技術(shù))，即能提高結(jié)構(gòu)鋼的耐磨耐蝕性能，又較好地解決了環(huán)境污染的問題，同時(shí)還具有處理周期短、能源消耗低、設(shè)備成本比較低的特點(diǎn)[25-26]，成為極具潛力的提高結(jié)構(gòu)鋼表面綜合性能的處理技術(shù)。國外已將這項(xiàng)新技術(shù)成功地應(yīng)用于用中碳結(jié)構(gòu)鋼制成的機(jī)械零部件的表面耐磨耐蝕處理。國內(nèi)對這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用還比較少。文獻(xiàn)[27]對45鋼進(jìn)行了離子氮碳共滲與氧化復(fù)合處理。結(jié)果表明，處理后的45鋼表面硬度和耐蝕性能都有顯著提高，其耐蝕性能可以和奧氏體不銹鋼的相媲美。

4 抗空泡腐蝕和沖蝕涂層

流動液體在一定溫度下降低壓強(qiáng)使其汽化的過程稱為空化，空化在液體中形成球形空穴稱為空泡?？张菔芰黧w壓力變化影響發(fā)生潰滅，大量空泡潰滅會產(chǎn)生很大的瞬時(shí)壓強(qiáng)，往往還伴有發(fā)熱、發(fā)光和發(fā)聲等現(xiàn)象。當(dāng)潰滅發(fā)生在固體表面附近時(shí)，不斷潰滅的空泡會產(chǎn)生高壓反復(fù)作用，破壞固體表面，這種現(xiàn)象稱為空泡腐蝕也叫空蝕[28]。19世紀(jì)末，空蝕現(xiàn)象首次在船舶螺旋槳上被發(fā)現(xiàn)，其后又在很多部件上出現(xiàn)，如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、艦/船舵、閥、液壓泵、柴油發(fā)動機(jī)等?？瘴g的存在會導(dǎo)致部件過早失效，甚至產(chǎn)生重大事故。特別是對于高速螺旋槳(高速艦艇的重要?jiǎng)恿Σ考?，海水的空蝕和海洋泥沙的沖蝕會導(dǎo)致其使用壽命嚴(yán)重縮短，無法滿足高速艦艇的使用要求。因此，急需尋找海洋環(huán)境下抗空蝕和沖蝕的有效方法。

采用抗空蝕性能好的材料制備涂層是抗空蝕的一種有效方式。在過去幾十年的探索和研究中，CrMnB、鎳基鎢鈷合金、NiCrSiB合金、摻WC自熔合金、WC-Co等涂層都被進(jìn)行過研究，并且有些涂層已有工業(yè)應(yīng)用。隨著對材料性能的深入了解，人們發(fā)現(xiàn)鈦鎳(NiTi)形狀記憶合金以其自身的超彈性效應(yīng)展示出了優(yōu)異的抗空蝕和腐蝕性能，成為最具潛力的抗空蝕材料[29]。但是，NiTi合金的制備成本高，加工難度大，特別是加工異形面的螺旋槳，從而大大限制了其應(yīng)用。由于空蝕和沖蝕主要發(fā)生在材料表面，因此采用涂層技術(shù)在基體表面獲得NiTi合金涂層是一種潛在的經(jīng)濟(jì)而有效的方法。

廣州有色金屬研究院于20世紀(jì)80年代就開始了NiTi合金涂層的研究工作，是國內(nèi)最早進(jìn)行相關(guān)研究的單位。早期的研究采用低壓等離子噴涂(LPPS)技術(shù)在青銅基體上制備NiTi合金涂層，該涂層使青銅基體的耐空蝕性能提高兩倍多[30]。近些年，采用真空等離子噴涂(VPS)、低壓等離子噴涂與激光發(fā)射源結(jié)合、冷噴涂、超音速火焰噴涂等方法制備NiTi合金涂層的研究也見諸報(bào)道[29, 31-33]。如，Hiraga H[32]等利用激光等離子體混合噴涂(Laser plasma hybrid spraying, LPHS)在鈦合金表面制備NiTi涂層，發(fā)現(xiàn)富Ni涂層的抗空蝕性能優(yōu)于等原子比的NiTi涂層，分析認(rèn)為NiTi奧氏體相的超彈性與富Ni相的高工作硬化能力導(dǎo)致其具有高抗空蝕性能。Stella J[29]等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)合金化處理利用NiTi合金粉末制備的真空等離子噴涂涂層中非形狀記憶相的含量降低，表現(xiàn)出更好的抗空蝕性能。NiTi合金及其熱噴涂涂層與45號鋼的抗空蝕數(shù)據(jù)見表1。為了進(jìn)一步提高涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度、涂層的致密度、耐蝕性，人們也對NiTi合金涂層的后處理工藝，如熱處理工藝、激光合金化處理進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[34]的研究發(fā)現(xiàn)富Ti的Ni-Ti合金時(shí)效時(shí)不可能硬化沉積出Ti2Ni相，富Ni的NiTi合金時(shí)效析出順序?yàn)椋篘i4Ti3→Ni3Ti2→Ni3Ti。文獻(xiàn)[35]以Ti/Ni粉為熱噴涂粉末，采用冷噴涂工藝制備了Ti-Ni涂層，噴涂態(tài)涂層為單質(zhì)Ni、Ti。涂層經(jīng)550 ℃熱處理后出現(xiàn)了Ti2Ni、Ni3Ti相，650 ℃時(shí)才開始析出NiTi相；當(dāng)熱處理溫度達(dá)950 ℃時(shí)，NiTi相的數(shù)量最多。文獻(xiàn)[36]采用激光處理方法對LT-HVOF噴涂的Ti-Ni涂層進(jìn)行后處理，激光處理后的涂層致密度明顯提高，單質(zhì)Ti和Ni發(fā)生合金化，形成NiTi主相和樹枝狀Ti2Ni相。文獻(xiàn)[37]報(bào)道了通過激光重熔方法增加NiTi和Ti2Ni中間相來提高NiTi合金的耐磨性能。

表1 NiTi合金及其涂層與45號鋼的抗空蝕數(shù)據(jù)

經(jīng)過科研人員的不懈努力，NiTi合金涂層的制備工藝和涂層性能均取得了長足的發(fā)展，但是迄今該涂層還未完全從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?/p>

5 電偶腐蝕防護(hù)涂層

電偶腐蝕是指異種金屬在同一電解質(zhì)中相互接觸時(shí),由于腐蝕電位不相等，存在電偶電流，使電位較低的金屬溶解速度增加，電位較高的金屬溶解速度減小的現(xiàn)象。海水是一種強(qiáng)電解質(zhì)，很容易和不同材料構(gòu)成回路而導(dǎo)致電偶腐蝕的發(fā)生，進(jìn)而誘導(dǎo)甚至加速應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、氫脆等情況的發(fā)生。在海洋工程中，由于電偶腐蝕引起的事故屢有發(fā)生，不但造成重大經(jīng)濟(jì)損失，還會產(chǎn)生人員傷亡的重大事故。因此，加強(qiáng)電偶腐蝕控制，是保障海洋工程裝備整體可靠性、安全性的必要措施。

海洋工程中的電偶腐蝕防護(hù)涂層是從電絕緣隔離的角度提出的防護(hù)措施。即對所有異種金屬/合金的接觸面均用絕緣材料做墊圈或涂層加以防護(hù)。對于普通部件來說，可以采用絕緣材料涂覆在偶對接觸面。但對于承載載荷和/或有相對運(yùn)動的關(guān)鍵部件，如天然氣管道彎頭和連接部位、海底電纜接頭，海上風(fēng)力發(fā)電的電子元器件、電路接口、潛艇進(jìn)氣口部件等則要求兼具絕緣、耐磨和防腐性能的涂層。采用熱噴涂技術(shù)噴涂絕緣陶瓷涂層能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的。

典型的絕緣陶瓷材料包括Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、CaO、MgO、Si3N4等。其中Al2O3陶瓷介電常數(shù)大，體積電阻率大，介質(zhì)損耗小，耐熱沖擊強(qiáng)度大，具有電子器件應(yīng)用絕緣材料的所有良好性能。此外，Al2O3涂層還具有良好的抗磨、耐磨和耐腐蝕等性能。因此，采用Al2O3有望獲得性能優(yōu)異的電偶腐蝕防護(hù)涂層。

對Al2O3陶瓷涂層的研究，大致經(jīng)歷了Al2O3涂層、Al2O3-TiO2涂層和納米Al2O3涂層等階段。單一的Al2O3陶瓷涂層韌性差、容易出現(xiàn)開裂和脫落。由于TiO2陶瓷涂層具有非常低的孔隙率、耐磨性能好，韌性好，使得Al2O3-TiO2涂層比單一Al2O3涂層的質(zhì)量有所改善。隨著熱噴涂技術(shù)制備納米涂層材料的研究和發(fā)展，研究人員又成功制備出了納米Al2O3、TiO2及Al2O3-TiO2涂層[38]。其中，納米結(jié)構(gòu)Al2O3-TiO2涂層具有優(yōu)良的抗磨損性能，并顯示良好的韌性和吸納應(yīng)力的能力, 其粘結(jié)強(qiáng)度是傳統(tǒng)涂層的2倍，抗磨損性是它的3～4倍，抗沖擊性能也得到很大提高[39-44]。

納米Al2O3-TiO2陶瓷涂層最先在美國得到應(yīng)用。剛進(jìn)入21世紀(jì)，由Inframat公司生產(chǎn)的涂層就獲得了美國海軍的應(yīng)用證書。到2002年，該涂層已被廣泛應(yīng)用于美軍軍艦、潛艇、掃雷艇和航空母艦設(shè)備上的近百種零部件(包括潛艇上的進(jìn)氣和排氣閥件，潛艇艙門支桿，航空母艦用電機(jī)和油泵的軸，掃雷艇上的主推進(jìn)桿，氣體透平機(jī)的螺旋泵轉(zhuǎn)子和燃料泵部件等)[45]。

目前，該涂層在我國的應(yīng)用多集中在包裝、印刷、核能、冶金和礦山領(lǐng)域。

6 關(guān)鍵部件的再制造

再制造是以裝備全壽命周期理論為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)廢舊裝備性能提升為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，對廢舊裝備采用一系列技術(shù)措施后使之性能達(dá)到或高于原裝備新品性能的工程活動。

海洋工程中大量關(guān)鍵部件，如鉆井系統(tǒng)中泥漿泵(缸套和活塞)、鉆桿、鉆頭、鉆鋌、扶正器、球閥等部件，艦船裝備的動力系統(tǒng)包括主機(jī)(一般采用柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴電動力或核動力形式)、傳動系統(tǒng)、軸系、推進(jìn)裝置等，在工作過程中受到振動、轉(zhuǎn)動、滑動、沖擊、各種磨損、腐蝕、剪切等作用，載荷復(fù)雜頻率高，導(dǎo)致這些部件故障率較高，有些甚至未達(dá)到使用壽命就提前報(bào)廢，從而影響工程作業(yè)的正常進(jìn)行，甚至影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。此外，海上作業(yè)環(huán)境和條件特殊，石油鉆井開采設(shè)備一旦損壞，更換周期長，備用零部件稀缺，設(shè)備停滯影響進(jìn)度和效率，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對這類關(guān)鍵部件進(jìn)行再制造，特別是現(xiàn)場再制造，是保障海洋工程裝備正常運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)而有效的手段。

海洋工程關(guān)鍵件再制造的目的是恢復(fù)尺寸、恢復(fù)功能(耐磨、耐熱、耐蝕、抗沖擊、減摩等功能)，使再制造的部件恢復(fù)或提高性能，延長使用壽命?；诖?，海洋工程關(guān)重件再制造主要涉及兩方面：一是對于局部磨損失效部位進(jìn)行強(qiáng)化再制造，二是對關(guān)鍵部件進(jìn)行完整性的功能修復(fù)。實(shí)現(xiàn)這些再制造離不開表面工程技術(shù)。近年來，熱噴涂、納米顆粒復(fù)合電刷鍍、離子注入、激光表面強(qiáng)化、等離子熔覆技術(shù)及納米膠表面粘結(jié)技術(shù)等新工藝已應(yīng)用于再制造領(lǐng)域，并取得了良好的效果。如，采用熱噴涂技術(shù)修復(fù)大型船用柴油機(jī)汽缸套、排氣閥、曲軸等部件[46-47]、石油化工領(lǐng)域的球閥、柱塞等[48]；利用納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)對汽車發(fā)動機(jī)的曲軸、凸輪軸、連桿，進(jìn)口飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行再制造[49-50]；采用激光技術(shù)對軸類、齒類及發(fā)動機(jī)鑄鐵缸蓋的再制造[51-54]。圖2所示為采用激光技術(shù)對石油減阻器進(jìn)行再制造。

圖2 激光技術(shù)對減阻器進(jìn)行再制造Fig.2 Remanufacture of a drag reduction device by laser technology

目前，我國的再制造產(chǎn)業(yè)以汽車發(fā)動機(jī)再制造居多，國防科技行業(yè)的重要部件也有涉及，如某主戰(zhàn)坦克轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的“行星框架”[46]。但是與海洋工程裝備相關(guān)的再制造還相對較少，因此未來再制造領(lǐng)域應(yīng)加大對海洋工程裝備關(guān)重件的再制造技術(shù)開發(fā)，特別是開發(fā)對于海上作業(yè)相關(guān)部件的現(xiàn)場再制造技術(shù)，有著更加重要的意義。

7 鈦及其合金的表面改性

鈦和鈦合金以其密度小，比強(qiáng)度高及優(yōu)越的耐海水腐蝕性能，正在越來越廣泛的應(yīng)用于海洋工程相關(guān)領(lǐng)域中，如艦船、深潛器、海水淡化裝置，油氣開采裝置的滅火系統(tǒng)、鉆套、錨定系統(tǒng)管道、海水管道系統(tǒng)、立管及冷卻系統(tǒng)等。其中，海水淡化裝置中的鈦閥門、閥座等部件，由于閥門經(jīng)常開關(guān)，不但受高濃度海水腐蝕，在開啟時(shí)也受到磨損。特別是高壓防硫采氣井口的閥體與閥座——石油氣的輸送中的心臟關(guān)鍵密封部件，鈦管變徑轉(zhuǎn)接頭，在使用過程中將受到石油氣的沖刷和腐蝕。然而，鈦合金在還原性介質(zhì)(諸如HCl，H2SO4)中不耐腐蝕，并且鈦合金本身不耐磨損，如果不采用表面強(qiáng)化，在油氣開采環(huán)境中使用壽命較短。一旦海上石油輸送發(fā)生漏油，后果非常嚴(yán)重。因此，為保障系統(tǒng)的安全性，需要對鈦合金關(guān)重件進(jìn)行表面處理，提高其耐腐蝕、耐擦傷性能，從而提高其使用壽命。

等離子氮化處理是提高鈦合金耐還原性介質(zhì)腐蝕和耐磨損性能的有效技術(shù)。經(jīng)等離子氮化處理后，不但鈦材的表面硬度、耐磨性能及在還原性介質(zhì)中的耐腐蝕性能得到大幅度提高，同時(shí)還可保持基體鈦合金難能可貴的綜合性能[55-57]。因此，這種技術(shù)已在美國海上石油氣輸送管的平板閥組件、石油輸送管變徑應(yīng)力接頭等得到廣泛應(yīng)用。

離子氮化鈦部件在我國也得到應(yīng)用，如脫硫的堿液循環(huán)管路上用的鈦制閥芯、閥座、油氣開采中的大面積閥板、閥座等。其中，最典型的高壓防硫采氣井口裝置。通過自主探索離子氮化工藝研制的我國獨(dú)特的離子氮化鈦合金閥板、閥座，保障了天然氣井的安全生產(chǎn)。與同規(guī)格美國的FMC-O.C.T閥板相比，具有更高的表面硬度和尺寸精度。

8 真空鍍鋁替代鍍鎘技術(shù)

海洋工程中鋼鐵材料的應(yīng)用比例最大，制備鋼鐵材料的防護(hù)涂層一直倍受人們的重視。傳統(tǒng)鍍鎘技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)件的主要防護(hù)手段。但是，鍍鎘技術(shù)會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，并且鍍鎘件容易出現(xiàn)鎘脆、氫脆問題，嚴(yán)重降低基體材料的疲勞壽命。因此，發(fā)展防護(hù)性能優(yōu)良、環(huán)保型的防護(hù)涂層技術(shù)來替代鍍鎘技術(shù)已成為國內(nèi)外的共識。

鋁涂層具有優(yōu)良的防護(hù)性能，并且熱噴涂鋁涂層已用于大型鋼結(jié)構(gòu)件的防護(hù)中。但是，對于尺寸要求較高的部件，熱噴涂鋁的方法并不適用。歐美國家開發(fā)了等離子輔助蒸發(fā)鍍鋁和磁控濺射鍍鋁技術(shù)，能夠獲得致密、均勻的鋁膜層，已應(yīng)用在飛機(jī)起落架、螺釘、直升機(jī)撐桿等部件，還制定了相關(guān)的航空件鍍鋁標(biāo)準(zhǔn)。

我國也已將真空鍍鋁陰極保護(hù)用在航空的鈦螺釘件上，并制定了相關(guān)的航標(biāo)。但是，在民用及艦船上應(yīng)用還鮮有報(bào)道。因此，將真空鍍鋁技術(shù)應(yīng)用于海洋工程中關(guān)重件的防護(hù)還有待進(jìn)行研究和探索。

9 結(jié) 語

應(yīng)用表面工程技術(shù)賦予材料表面特殊的性能已成為發(fā)展先進(jìn)海洋工程裝備必不可少的手段。目前，我國在先進(jìn)海洋工程裝備開發(fā)領(lǐng)域比較落后，深海油氣資源開發(fā)的高端裝備還依賴進(jìn)口。結(jié)合海洋工程裝備的特點(diǎn)，應(yīng)用于海洋工程裝備的表面工程技術(shù)應(yīng)在以下幾個(gè)方面發(fā)展和提高：

(1)加強(qiáng)現(xiàn)有表面工程技術(shù)在海洋工程裝備方面的適應(yīng)性研究。由于海洋環(huán)境極端惡劣，大量海洋工程裝備部件需要采取表面工程技術(shù)使之滿足不同的服役要求。當(dāng)前，面對如此大量的部件還沒有形成有針對性的系統(tǒng)科學(xué)的技術(shù)工藝和解決方案。

(2)隨著海洋工程應(yīng)用對使用性能要求的不斷提高，單一的表面技術(shù)往往滿足不了工程應(yīng)用對性能的苛刻要求，今后應(yīng)加強(qiáng)復(fù)合技術(shù)的研究和應(yīng)用，如熱噴涂與激光熔敷等技術(shù)的復(fù)合。

(3)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，建立系統(tǒng)、完善的表面工程技術(shù)工藝標(biāo)準(zhǔn)、涂層的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，推廣成熟技術(shù)的中試和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

(4)進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累，為未來建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)。

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