表面工程技術(shù)在海洋工程裝備中的應(yīng)用解析

劉繼鋒

（太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司，天津 300452）

過(guò)去，海洋資源難以開(kāi)發(fā)、利用，主要原因是海洋環(huán)境非常惡劣，海洋環(huán)境作為腐蝕性最強(qiáng)的環(huán)境之一，對(duì)海洋工程裝備提出極高的要求。海洋工程設(shè)備需要承受高壓、高溫、高濕度和高沖擊的環(huán)境，并且要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[1]。海洋環(huán)境腐蝕性是海洋工程裝備制造中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，而防腐更加注重裝備材料的表面性能。目前，僅憑材料自身性能幾乎不可能達(dá)到海洋工程長(zhǎng)期生產(chǎn)的目標(biāo)，這就需要融入表面工程技術(shù)，通過(guò)薄膜技術(shù)、土層技術(shù)、改性技術(shù)等讓裝備表面防腐性能更強(qiáng)，從而滿足海洋工程生產(chǎn)要求。

1 表面工程技術(shù)及其技術(shù)分類

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，表面工程技術(shù)就是對(duì)裝備（或零件）進(jìn)行預(yù)處理，采用表面涂覆、表面改性等多種技術(shù)進(jìn)行處理，從而改善固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和應(yīng)力性能，從而獲取表面所需性能的一項(xiàng)工程。其主要有以下幾種。

1.1 表面涂鍍技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是覆蓋一層保護(hù)層，通常都是采用涂料涂或鍍料原子覆蓋的方法。日常使用的技術(shù)手段包括堆焊、熱噴涂、氣相沉積、化學(xué)鍍和涂裝技術(shù)等[2]。

1.2 表面改性技術(shù)

該技術(shù)主要融入了離子處理、機(jī)械處理、熱處理和化學(xué)處理等手段，從而改善金屬材料特性。通常情況下，可以采用以下幾種技術(shù)手段：熱闊滲、表面合金化、轉(zhuǎn)化膜、離子注入和噴丸強(qiáng)化等。

1.3 薄膜技術(shù)

薄膜覆蓋技術(shù)本質(zhì)上也是一種涂層技術(shù)，可以在金屬表面上形成厚度為0.1～1.0 μm薄膜。當(dāng)前，薄膜厚度非常小，可以達(dá)到微米級(jí)別，肉眼不可見(jiàn)。通常采用沉淀技術(shù)等即可實(shí)現(xiàn)。

2 表面工程技術(shù)在海洋工程裝備中的應(yīng)用

2.1 大體積鋼鐵結(jié)構(gòu)構(gòu)件防護(hù)

大體積鋼鐵結(jié)構(gòu)通常與海水直接接觸，很容易受到海水影響，如鋼結(jié)構(gòu)架橋、鉆井平臺(tái)等，海水的腐蝕作用非常強(qiáng)，因此容易對(duì)大體積鋼結(jié)構(gòu)造成腐蝕。研究發(fā)現(xiàn)，鋁、鋅、鋅-鋁涂層電極負(fù)于鋼鐵，因此在鋼鐵表層上可以起到陰極保護(hù)作用。結(jié)合海洋工程實(shí)際情況，可以將鋅、鋁、鋅-鋁等防護(hù)層和封孔防銹層、老化面漆層相結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合型防護(hù)系統(tǒng)，緩解海水環(huán)境的侵蝕作用。當(dāng)前，我國(guó)使用該方法已經(jīng)超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，其在船體、水工閘門、海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)、橋塔、碼頭鋼管樁和鋼箱梁等方面應(yīng)用十分廣泛。

2.2 關(guān)鍵部件表面強(qiáng)化

關(guān)鍵部件腐蝕問(wèn)題更加趨于隱性，這是由于關(guān)鍵部件腐蝕零部件多、結(jié)構(gòu)緊湊，如曲軸、柴油機(jī)氣缸、尾軸、鉆井泵等，這些都是高腐蝕、高溫、高壓的工作部位，必須加強(qiáng)表面處理，提高其耐腐、耐磨性。

2.2.1 熱噴涂技術(shù)

在海洋工程裝備關(guān)鍵零部件表面強(qiáng)化中，電鍍熱鉻是一種常見(jiàn)技術(shù)，但是會(huì)對(duì)海水造成污染。再者，電鍍硬鉻涂層防護(hù)性能無(wú)法達(dá)到指定要求，與陶瓷材料相比有著很大的差異，容易因?yàn)闅浯喽斐闪芽p，所以通常都不使用這種工藝。熱噴涂技術(shù)作為一種高效、友好的表面工程技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)工件表面的沉積金屬、金屬陶瓷等涂層處理，以復(fù)合型涂層的方法提高防護(hù)質(zhì)量。近些年，高性能噴涂技術(shù)在海洋工程設(shè)備中的應(yīng)用十分廣泛，例如，HVOF（超音速火焰噴涂）技術(shù)在表面工程中的表現(xiàn)就十分優(yōu)異。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)具有沉積速度快、耐磨性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、無(wú)污染等特性。當(dāng)今，國(guó)內(nèi)外對(duì)HVOF制備金屬陶瓷涂層展開(kāi)了大量研究[3]。

2.2.2 薄膜涂層技術(shù)

薄膜涂層技術(shù)在長(zhǎng)期發(fā)展中衍生出多種子技術(shù)，例如，以TiC、TiN、CrN、DLC為材料的碳化物基、氮化物基、金剛石類薄膜，就具備低摩擦、高硬度、耐腐性強(qiáng)等性能，在海上石油開(kāi)發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸、抽油泵等部位。該技術(shù)主要采用氣相沉積方法，其分為化學(xué)、物理氣相沉積方法。例如，在TiN薄膜技術(shù)使用中，通過(guò)采用特殊的制備方法、工藝參數(shù)、熱處理技術(shù)等控制薄膜微觀結(jié)構(gòu)，包括孔隙率、質(zhì)地、粒度、密度等方面。為了提高表面工程的實(shí)施質(zhì)量，人們通常采用第三元素實(shí)現(xiàn)TiN土層合金化，也可以采用綜合膜的方法提高性能。另外，在二元合金TiN中加入鋁元素，可以極大地提高薄膜物理性能，硬度可達(dá)3000 HV0.05，抗磨性有著明顯提高。鋁在空氣中會(huì)與氧氣反應(yīng)，形成三氧化二鋁，從而降低涂層氧化率，耐高溫性能達(dá)到700℃。還有部分學(xué)者采用雙陰極非平衡反應(yīng)磁控濺射方法獲取TiN涂層和SiNx，通過(guò)SiNx來(lái)干擾TiN涂層生長(zhǎng)，避免TiN中生成柱狀結(jié)構(gòu)，從而獲得多層土層，其表面十分光滑，軸晶結(jié)構(gòu)十分細(xì)膩、表面光滑，整體強(qiáng)度在45 GPa以上。

2.2.3 激光表面強(qiáng)化處理技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是一種非金屬接觸方法，主要應(yīng)用激光束進(jìn)行防腐，從而在工件表面生成一道處理層，對(duì)表面材料性能結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，整體性能更加趨于理想。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)金屬表面改性，提高表面的強(qiáng)度、硬度、耐化學(xué)性，可以使金屬工件長(zhǎng)期在海洋環(huán)境中保持良好性能。大體上，此技術(shù)可以分為激光淬火、激光合金化等。

激光技術(shù)在鋼鐵、鑄鐵等材料上應(yīng)用效果非常好。在上述四類工藝中，激光淬火更加適合應(yīng)用到表面強(qiáng)化中，特別是在細(xì)節(jié)方面，如盲孔、深孔、長(zhǎng)筒腔內(nèi)壁等，可以保證這些小型部件的防護(hù)性能。激光沖擊硬化能夠用于工件曲面表面，如抽成、齒輪以及局部表面強(qiáng)化等。激光合金化更多應(yīng)用在渦輪葉片、電接觸開(kāi)關(guān)、灰鑄鐵閥底座等部件中[4]。

2.2.4 等離子碳氮共滲結(jié)合離子氧化復(fù)合處理技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是一種復(fù)合型技術(shù)，可以應(yīng)用到海上鉆井平臺(tái)中的齒條、齒輪、定位銷和起重機(jī)鋼銷等部位，這些部位是容易嚴(yán)重腐蝕的位置，常常因?yàn)殇P死而無(wú)法保證海上工程運(yùn)行。因此，這部分工件要采用復(fù)合型表面工程技術(shù)，除了應(yīng)用高性能材料之外，還需要采用良好的工藝，從而提高耐磨性、耐腐蝕性。人們可以采用等離子碳氮共滲結(jié)合離子氧化復(fù)合處理技術(shù)（PLASOX技術(shù)），在不污染環(huán)境的基礎(chǔ)上，提高工件的耐磨性、耐腐蝕性，其具備低能耗、周期短、設(shè)備成本低等特性，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外海上工程裝備的重要處理技術(shù)。目前，PLASOX技術(shù)還不夠成熟，大部分都應(yīng)用在碳結(jié)構(gòu)鋼制成的機(jī)械部件中。還有部分企業(yè)將PLASOX技術(shù)應(yīng)用到45鋼表處理中，其硬度和耐腐性都有了顯著的提高，甚至能夠與奧氏體不銹鋼性能相媲美。

2.3 抗空泡腐蝕和沖蝕涂層

在溫度下降的情況下，流動(dòng)液體壓強(qiáng)會(huì)不斷減少，逐漸被汽化，也就是所謂的空化，液體產(chǎn)生空化問(wèn)題會(huì)造成空穴，也就是空泡。在液體壓力作用下，空泡會(huì)對(duì)潰滅造成影響，導(dǎo)致大量空泡潰滅瞬間生成大量壓強(qiáng)，并伴有發(fā)熱、發(fā)光、發(fā)聲情況。如果產(chǎn)生潰滅問(wèn)題，會(huì)生成高壓反復(fù)作用，直接損壞金屬表面，影響金屬特性，這種現(xiàn)象也被稱為空泡腐蝕或空蝕?？瘴g現(xiàn)象在船舶螺旋槳上出現(xiàn)較多，在其他部件中也頻繁出現(xiàn)，包括水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、液壓泵、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等。空蝕效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致海洋工程零部失效，甚至?xí)斐砂踩鹿剩{人身安全。在實(shí)際運(yùn)行中，如果受到空蝕和海洋泥沙沖蝕，會(huì)極大地提高高速螺旋槳的損耗度，導(dǎo)致其使用壽命大打折扣，無(wú)法保障海洋高速運(yùn)行要求。

針對(duì)此類問(wèn)題，可以采用耐空蝕性能較高的材料涂層。當(dāng)前，人們對(duì)鎳基、NiCrSiB合金、摻WC自熔合金、WC-Co等涂層進(jìn)行了深度研究，其逐漸在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。有學(xué)者通過(guò)深度研究發(fā)現(xiàn)，NiTi（鈦鎳）形狀記憶合金超彈性效果非常好，是非常理想的耐空蝕材料。但是，鈦鎳材料作為一種新型材料，具有生產(chǎn)成本高、制備難度大等劣勢(shì)，特別是在非正常形態(tài)構(gòu)件加工中（如螺旋槳），加工難度更高，導(dǎo)致鈦鎳制作的構(gòu)件應(yīng)用范圍受到局限。由于空蝕、沖蝕更多作用于構(gòu)件表面，因此可以采用鈦鎳涂層的方法提高抗沖蝕、空蝕性能[5]。

20世紀(jì)，有色金屬研究院就開(kāi)展了鈦鎳研究，最初采用低壓等離子噴涂技術(shù)，在金屬構(gòu)件表面噴涂鈦鎳合金涂層，噴涂后，構(gòu)件表面強(qiáng)度顯著提高。以此技術(shù)為基礎(chǔ)，衍生出真空等離子噴涂、低壓等離子噴涂與激光發(fā)射源結(jié)合、冷噴涂、超音速火焰噴涂等技術(shù)，其在鈦鎳合金方面都有所應(yīng)用。例如，國(guó)外學(xué)者采用激光等離子體混合噴涂技術(shù)在鈦合金表面上制備鈦鎳涂層，并取得了成功。深度調(diào)研表明，采用預(yù)合金化處理技術(shù)，利用鈦鎳合金粉末制備真空等離子噴涂涂層，其中的非形狀記憶相含量減少，表面的抗空蝕性能增強(qiáng)。為了進(jìn)一步強(qiáng)化涂層與金屬表面的黏合強(qiáng)度、提高涂層效能，相關(guān)單位不斷加強(qiáng)對(duì)鈦鎳合金涂層的后期處理，包括激光合金化處理、熱處理工藝等。熱處理期間，當(dāng)溫度達(dá)到950℃時(shí)，鈦鎳相量最多。相關(guān)學(xué)者在LT-HVOF表面噴涂中采用激光處理法，處理后鈦鎳涂層變得更加緊密，但鈦元素和鎳元素也產(chǎn)生了合金效應(yīng)，生成了鈦鎳主相以及樹(shù)狀的Ti2Ni相，涂層性能大大提高。經(jīng)過(guò)專業(yè)人員的不斷努力，鈦鎳涂層制備工藝在海上裝備領(lǐng)域取得快速發(fā)展，已經(jīng)擺脫過(guò)去的試驗(yàn)形態(tài)，得到初步應(yīng)用。

2.4 關(guān)鍵部件再造

再造技術(shù)主要是以全壽命周期理論為指導(dǎo)，對(duì)廢舊或快要報(bào)廢的裝備進(jìn)行性能提升，遵循高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)的原則，采用現(xiàn)代手段和新型理論，對(duì)廢舊裝備進(jìn)行再造，使其性能達(dá)到原有裝備性能（甚至超過(guò)原有裝備性能）。海洋工程裝備含有非常多的關(guān)鍵部件，如鉆井系統(tǒng)的泥漿泵、鉆頭、球閥等，艦船的主機(jī)、軸系、傳動(dòng)系統(tǒng)等，這些關(guān)鍵零部件在長(zhǎng)期使用中容易產(chǎn)生腐蝕、磨損、剪切[6]。對(duì)于再造技術(shù)而言，一方面是對(duì)損壞、失效的部件進(jìn)行再造和強(qiáng)化；二是開(kāi)展完整性關(guān)鍵部件的功能修復(fù)。因此，表面工程可以運(yùn)用離子注入、納米顆粒負(fù)荷電鍍刷、熱噴涂、激光表面強(qiáng)化等技術(shù)，恢復(fù)關(guān)鍵零部件的性能，降低資源浪費(fèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著當(dāng)今國(guó)內(nèi)外海洋工程的不斷發(fā)展，生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Ｑ蠊こ萄b備性能提出了更高的要求。當(dāng)前，表面工程技術(shù)發(fā)展十分迅速，將表面工程技術(shù)應(yīng)用到大體積鋼結(jié)構(gòu)和重要工件中，可以有效提高其防腐性、耐磨性等，從而減緩海洋惡劣環(huán)境的破壞，為推動(dòng)海洋工程發(fā)展奠定硬件基礎(chǔ)。