13921290802

金属材料的应用涉及到生活、生产的多个领域———工业、农业、航空等。金属材料朂常见的加工工艺有铸造、压力加工和焊接，成型的材料经过适当的检测方法检测其组织及性能缺陷，再对其进行后处理，满足使用及性能要求。任何产品制造的******步是选材，材料朂常见的失效形式为磨损、腐蚀、断裂。失效通常源于表面，为了提高金属材料的强度、硬度、刚性、耐磨性、耐腐蚀等性能，一般需要对金属表面进行改性及强化。

1 金属表面合金化

合金化是用来强化金属表面及改善其综合性能的有效措施。金属不同组元之间存在溶解及反应两种关系，组元间的不同作用导致其形成固溶体、化合物和机械混合物。两种及以上组元之间通过扩散、渗透、物理吸附及化学变化使其表面原子及晶体结构发生某种程度的调整或改变。

1． 1 塑化

塑化是通过加入如Fe，B，Al 等合金元素并控制其加入量在1%以内完成微合金化的过程。如往铝化镍单晶中添加适当成分的塑化元素可使其于室温下的伸长率明显增加; 加入晶界韧化元素如B，促使合金元素向晶界偏聚，失效形式由晶内断裂转变为穿晶断裂，从而改善

室温塑形; 加入La 等活性元素，阻碍裂纹扩展使材料强度提高，减小表面张力，细化晶粒，强化金属的同时提高其韧性。

1． 2 固溶化

合金组元间通过只溶解不反应形成具有金属特性的固溶体，若两组元结构相同、在元素周期表位置接近、性能相似则易形成置换固溶体，若溶质相对溶剂体积较小则易形成间隙固溶体，前者为无限固溶体，组元间无限互溶，晶格畸变的同时增强合金性能; 后者为有限固溶体，但通过其表面及内部线缺陷，固溶元素易于对缺陷形成钉扎，导致其产生固溶强化作用，强度硬度得到明显提高。

1． 3 表面原子扩散

扩散是指金属表面原子、离子、分子及原子基团通过热作用发生动态运动的过程。金属表面扩散形式包括平行表面的运动及垂直表面的运动，原子受热在其平衡位置振动，温度越高原子越易被激发，振幅越大，当原子能量超过其跃迁能垒就会脱离原来位置。如果运动不

平衡，越来越多的表面原子成为活化原子，原子间化学键断裂并产生表面运动趋势; 或者由于内部结构原因，在有尺寸突变的位置如孔、台阶产生空位、间隙原子、位错、层错等内部缺陷，原子能量较高，体系不稳定，通常此类情况温度不高时原子即可以获得足够大的活化能并促使原子发生扩散。利用扩散机理，促使表层组织重组，强化金属本身。

1． 4 制备复相合金

通过往金属材料添加第二相制备复相合金是改善金属材料综合性能常见的方法之一。通过向韧性基体添加脆性第二相降低其韧性提高其硬度和强度，向脆性基体添加韧性第二相软化基体达到强化目的。目前金属材料抗高温氧化性能及耐腐蚀性能相对较弱，一般通过加入如陶瓷基复合成分制备复相合金降低其高温和低温活性。

2 表面光整加工技术

零件的表面加工工艺有很多种，根据其使用要求和应用场合选择合适的加工方法，但是每种加工方法在满足零件一定的形状和尺寸精度的同时也将得到一定的表面质量。目前在保证零件表面质量的同时，每种加工方法的侧重点不同，有些倾向于其表观质量如形状，降低粗糙度，减少表观缺陷; 有些注重于改善其应用范围，如通过改变其物理化学性能及力学性能，提高其稳定性和综合强度，都能获得满意的效果。当注重于降低表面粗糙度时，常采用光整磨削、研磨、抛光等光整加工方法; 当注重于改善零件表面性能时，常采用无屑加工，如豪克能超声滚压作为表面的朂终工序，采用这些工艺可使工件满足表观要求的同时提高其硬度、强度、耐磨性能及寿命，例如超声滚压技术可以提高硬度20%以上，耐磨性提升30%以上。

由于光整加工技术加工余量小，工件的加工精度可以得到保证。同时光整加工利用粒度较小的磨料对表面进行微量磨削，只要保证磨具与加工表面能具有较大的随机性接触，就能降低表面误差，提高表面质量。稳定可靠的加工质量、高生产率、投资少见效快是光整加工工艺必须具备的三个基本条件。因此近年来表面光整加工工艺得到了广泛的认可和应用。

3 表面涂层制备工艺

涂层制备工艺是将液态的或者涂料原子沉积于基体表面形成一层具有新的组织并可以起到保护基体作用的包裹层。涂层制备工艺相对成熟并且多样化。

3． 1 热喷涂

热喷涂方法是利用热量将制备好的材料熔融，并用气流将微小颗粒喷射于工件表面形成保护膜以保护基体的一种加工工艺，此工艺属于原子沉积方法。热喷涂过程中高压气流和高热量使基体发生明显塑性变形的同时发生化学反应，利于材料表面塑形韧性的提高，但当喷涂材料在基体表面陆续凝固沉积后，容易导致热应力集中并且塑形减小，因而容易产生缺陷。

3． 2 电子束物理气相沉积

电子束物理气相沉积技术是将电子束与物理气相沉积 相结合，在真空条件下，用电子束作为热源，使气态物质沉积于零件表面。在改善金属基体强度及抗高温氧化性能方面，电子束物理气相沉积技术具有较大优势。由于电子束物理气相沉积技术制备的涂层与基体通过化学键结合，键能大，同时形成的内部组织利于较小涂层应力集中，因此表面缺陷少，使用寿命长。一般生产量大同时有特殊功能需求时选择用电子束物理气相沉积方法涂覆基体表面。

3． 3 机械合金化

机械合金化是通过高能球磨机完成粉末涂覆过程，在磨球与磨球的相互撞击中，通过热量、颗粒间的摩擦及微量塑性变形使金属或非金属粉末冷焊至基体表层使之合金化或非晶化。