高志明 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授

    鈦及鈦合金有眾多優(yōu)點(diǎn)，如比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱、無(wú)磁、低溫力學(xué)性能良好等，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、化工、汽車和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。尤其是在自然環(huán)境，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，使得它在自然環(huán)境下使用受到青睞，特別是海洋環(huán)境。

    但是鈦、鈦合金存在一些不足，在特殊環(huán)境如高溫下，鈦易于與空氣中的O，N 等元素發(fā)生反應(yīng)，生成的化合物在高溫對(duì)基體鈦不具有保護(hù)作用。同時(shí)由于鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小、表面硬度低，鈦合金的摩擦因數(shù)較大，耐磨性比鋼低約40%，接觸表面易產(chǎn)生黏結(jié)，容易發(fā)生粘著磨損。同時(shí)，鈦合金在氧化性介質(zhì)中耐蝕性較強(qiáng)，而在還原性介質(zhì)（硫酸、鹽酸等）中的耐蝕性較差。鈦會(huì)和與之相接觸的材料發(fā)生接觸或電偶腐蝕，在特殊條件下，會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。對(duì)鈦表面進(jìn)行處理是解決這些問(wèn)題的有效途徑，如何提高鈦合金的耐蝕性，目前鈦合金的表面處理技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r如何，帶著一系列的問(wèn)題，我們有幸邀請(qǐng)到天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，天津大學(xué)材料復(fù)合與功能化教育部工程研究中心副主任、天津市管道防腐蝕技術(shù)工程中心技術(shù)委員會(huì)主任高志明為我們做相關(guān)方面的精彩解讀。

    記者：鈦、鈦合金目前得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，但鈦及鈦合金也存在一些固有的缺陷 , 為了進(jìn)一步提高和改善其使用特性 , 需要對(duì)其進(jìn)行表面處理。問(wèn)目前關(guān)于鈦合金表面處理技術(shù)主要包括哪些？效果如何？

    高教授：提高耐蝕性方面，主要鈦合金表面處理技術(shù)包括熱氧化、貴金屬鍍層等技術(shù)。熱氧化是利用鈦在高溫大氣中放置其氧化膜會(huì)隨溫度的升高，時(shí)間延長(zhǎng)而增厚的特性而發(fā)展的，鈦及其合金的氧化一種途徑可以通過(guò)高溫暴露在空氣中來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用 Pd、Ru 等貴金屬或者它們的氧化物對(duì)鈦進(jìn)行表面涂敷。

    鈦上涂敷貴金屬或其氧化物對(duì)改善其耐蝕性有效。鈦合金生物醫(yī)用方面表面處理應(yīng)用主要包括單一羥基磷灰石涂層、復(fù)合涂層、梯度涂層、納米涂層等技術(shù)。復(fù)合涂層是指單一羥基磷灰石涂層中加入添加劑 Ag、Ti、TiO 2 、碳纖維等。梯度涂層梯度化的應(yīng)用已經(jīng)從航空航天等領(lǐng)域擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。至于納米涂層，體外實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，納米級(jí)別的羥基磷灰石涂層、Al 2 O 3 和 TiO 2 材料有良好的骨結(jié)合效應(yīng)，能促進(jìn)骨細(xì)胞的生長(zhǎng)、黏附、增殖以及基質(zhì)的合成。在鈦合金表面生成一層納米TiO 2 、TiO 2 碳納米管，之后沉積轉(zhuǎn)變羥基磷灰石，取得了很好的效果。

    鈦合金耐磨性的提高方面包括滲鍍、陽(yáng)極氧化、微弧氧化、激光熔覆和合金化、離子注入、電鍍和化學(xué)鍍等技術(shù)。滲鍍?cè)诟邷叵聦⒔饘俸头墙饘偻ㄟ^(guò)擴(kuò)散作用，深入鈦基體內(nèi)部而形成表層合金鍍層的方法。目前常用對(duì)鈦合金進(jìn)行氮化、滲碳和碳氮共滲處理、滲硼、滲鉬、滲氧的技術(shù)，改變鈦合金的硬度、耐磨性、耐腐蝕性，在鈦合金表面形成改性層。鈦合金滲氮后的氮化層硬度較未滲氮高 2 ～ 4 倍，可顯著提高合金的耐磨性，同時(shí)改善合金在還原性介質(zhì)中的耐蝕性；鈦合金滲氧可將合金的耐蝕性提高 7 ～ 9 倍。鈦及其合金的氧化另一種實(shí)現(xiàn)途徑來(lái)是陽(yáng)極氧化，將鈦和鈦合金作為陽(yáng)極置于硫酸和磷酸或其混酸的溶液中控制一定電壓和電流，可使零件表面產(chǎn)生具有一定厚度和硬度的氧化層。微弧氧化氧化技術(shù)與陽(yáng)極氧化的機(jī)理不同，膜的性能也不同，是在金屬表面生長(zhǎng)要氧化物陶瓷膜的技術(shù)，控制電壓較高。鈦合金表面的微弧氧化膜，極大的改善材料的耐蝕性耐高溫氧化，耐磨損絕緣等性能。鈦合金表面激光熔覆是利用高能量密度的激光的快速熔凝的技術(shù)，目前研究集中在材料的選擇、與熔覆層質(zhì)量的研究。目前鈦合金表面激光熔覆采用主要包括自熔性合金材料、復(fù)合材料和陶瓷材料的融入材料，通常以粉末的形式將其作用激光熔覆材料，這些材料具有優(yōu)異的耐磨和耐蝕性能。陶瓷材料是人們關(guān)注的重點(diǎn)。陶瓷涂層往往采用過(guò)渡層和梯度涂層的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。鈦合金表面激光合金化通常加入 C、Si 及 B 等元素得到合金化層。離子注入可以不同程度的提高鈦合金表面的強(qiáng)度硬度，耐磨性抗腐蝕能力，抗氧化能力和生物活性，主要有離子注入 C、N、Ba、Y、Hf、Pt、Au 等提高耐磨性，注入 Cr、Nb、W、Cl、P、Mo、Si 等提高抗氧化性能。

    記者：科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，請(qǐng)您結(jié)合您的科研經(jīng)驗(yàn)談?wù)勎覈?guó)鈦合金的表面處理技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及研究進(jìn)展？

    高教授：對(duì)鈦表面進(jìn)行處理，賦予其優(yōu)異的功能特性后，才能使鈦承受更惡劣的服役環(huán)境和條件，使得鈦固有的優(yōu)異性能得到充分發(fā)揮。

    目前表面處理技術(shù)的應(yīng)用包括：需要提高硬度，達(dá)到如鈦在做為軸、齒輪、軸承等類傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部件使用時(shí)要求的性能。進(jìn)行耐磨處理，鈦?zhàn)鰹榫o固件、星載拋物面天線、車載天線、炮體底座時(shí)，為了減少磨損要達(dá)到的性能。進(jìn)行耐蝕表面處理，當(dāng)鈦?zhàn)鰹楹０毒€設(shè)施構(gòu)件、船舶構(gòu)件、橋梁構(gòu)件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件使用時(shí)，要達(dá)到耐蝕的要求。抗氧化處理，當(dāng)鈦?zhàn)鰹榛鹋谏砉堋⒒鸺龤んw和噴管、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片使用時(shí)，要達(dá)到抗氧化的要求。表面活性化的要求，當(dāng)鈦?zhàn)鰹槲雎汝?yáng)極、析氧陽(yáng)極、燃料電池電極使用時(shí)要考慮其電活性的表面處理。當(dāng)鈦?zhàn)鰹楣强破餍怠⒀苤Ъ苁褂脮r(shí)，要考慮其生物活性的表面處理。裝飾性表面處理也比較常見(jiàn)，主要用在鈦手表、鈦首飾、體育用品等方面。

    近 20 年，隨著鈦材應(yīng)用的“突飛猛進(jìn)”式的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鈦材在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，開(kāi)展了大量的研究工作。目前鈦合金表面處理技術(shù)主要包括傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)在鈦材表面的應(yīng)用；結(jié)合鈦材的特點(diǎn)的新型表面處理技術(shù)。

    應(yīng)用在鈦材表面的傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)有熱滲鍍、氣相沉積、三束改性、轉(zhuǎn)化膜、形變強(qiáng)化、熱噴涂、化學(xué)鍍、電鍍等。結(jié)合鈦及鈦合金的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)表面技術(shù)用于鈦及鈦合金的表面是現(xiàn)階段的主流，但由于鈦及合金的特殊性，傳統(tǒng)的表面技術(shù)存在著許多不適應(yīng)的方面，開(kāi)發(fā)適合于鈦及鈦合金表面處理的新型的技術(shù)和涂層材料及制備法是今后的研究方向。如鈦析氯陽(yáng)極、析氧陽(yáng)極、燃料電池電極涂層材料及制備方法、鈦生物涂層及制備技術(shù)、鈦結(jié)構(gòu)及裝飾材料的表面涂層及處理方法等。液相等離子體表面處理技術(shù)，輝光等離子表面冶金技術(shù)是新技術(shù)的實(shí)例。隨著工程應(yīng)用需求的增加，有許多新的改性方法與工藝不斷涌現(xiàn)。如激光滲氧、脈沖激光沉積等。近年來(lái)人們利用不同的等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的離子注入技術(shù)。

    液相等離子體表面處理技術(shù)中發(fā)展最系統(tǒng)的為微弧氧化技術(shù)。陰極碳氮化技術(shù)是在研制的電解溶液中，通過(guò) 150min 長(zhǎng)時(shí)間的脈沖放電，在陰極的鈦試樣上形成15μm Ti（CxN1-x）碳氮化層。輝光等離子表面冶金技術(shù)是在雙層輝光滲金屬技術(shù)的基礎(chǔ)上，在鈦表面可制備具有耐蝕性能的 Tj—Pd，Ti—Mo 及 Ti—Mo—Ni 的合金化層，抗氧化性能的 Ti—A1，Ti—Nb，Ti—Cr，Ti—Si 的合金層，高溫阻燃性能的 Tj—V—c 一‘阻燃合金層及耐磨性能的碳化層、氮化層及Mo—N 層，且克服了傳統(tǒng)工藝中“氫脆”問(wèn)題。激光滲氧，主要是通過(guò)控制激光功率、激光掃描速度和光斑直徑，一方面保證材料表面不熔化，同時(shí)控制滲氧時(shí)間，使鈦表面形成氧化物膜層、氧固溶體層和熱影響區(qū)三個(gè)區(qū)域，使鈦表面硬度和耐磨性得到顯著改善。國(guó)內(nèi)太原理工大學(xué)、西北有色金屬研究院、丙北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、桂林電子科技大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位開(kāi)展了鈦表面冶金技術(shù)的研究工作。

    記者：在您這么多年的科研歷程中，能否給我們分享一下您印象深刻的典型案例？

    高教授：某電廠因鈦設(shè)備與碳鋼管道連接，造成 8mm 厚的碳鋼管道在投入使用一個(gè)半月后即腐蝕穿孔，影響了電廠的安全生產(chǎn)。這是鈦合金和鋼連接引起的電偶腐蝕的典型案例。團(tuán)隊(duì)也研究了鈦合金和鋼的電偶腐蝕問(wèn)題，對(duì)于面積比及介質(zhì)情況進(jìn)行了研究，進(jìn)行相關(guān)表面處理，盡量減少連接件的電位差。

    爆炸機(jī)械復(fù)合管 L245+316L 不銹鋼碳鋼復(fù)合管在西部某油田使用過(guò)程中，內(nèi)襯出現(xiàn)坍塌情況。目前原因正在分析，有些油田正在論證使用機(jī)械復(fù)合鈦鋼復(fù)合管用于油田，實(shí)際上將來(lái)很有可能出現(xiàn)類似情況。

    目前，課題組正在進(jìn)行真空扎制復(fù)合鈦 - 鋼、不銹鋼 - 碳鋼復(fù)合研究，目的是避免某油田類似的情況發(fā)生。

    記者：請(qǐng)您結(jié)合多年的科研工作談?wù)劊瑸楸ＷC鈦合金的性能和更廣泛的應(yīng)用，其關(guān)鍵應(yīng)該怎樣做？

    高教授：表面功能化和低成本化是保證鈦合金的性能和更廣泛的應(yīng)用的關(guān)鍵。充分利用鈦及鈦合金現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的高比強(qiáng)度、高耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。努力改進(jìn)鈦及鈦合金制備、加工、性能強(qiáng)化等方面的技術(shù)。其中成本是限制鈦合金應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

    鈦因其優(yōu)良的耐腐蝕性而被大量用作各種化學(xué)反應(yīng)容器、熱交換器材料，但缺點(diǎn)是成本較高。特別是作為結(jié)構(gòu)部件使用時(shí)這個(gè)問(wèn)題尤為突出，有效的解決方法之一就是使用鈦 - 金屬?gòu)?fù)合板。鈦與普通鋼的復(fù)合材稱之為鈦鋼復(fù)合材，既有鈦的耐蝕性，又有普通鋼板作為結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度，重要的是成本也大幅度下降了。同時(shí)在鈦表面輔以表面處理會(huì)大大擴(kuò)展鈦的更廣泛使用。

    課題組目前主要開(kāi)展鈦金屬?gòu)?fù)合及其表面薄膜處理工作，工作剛剛起步，也碰到了一些困難，但是這是鈦合金擴(kuò)大應(yīng)用范圍的方向。

    一般復(fù)合鋼板的制造方法有：填充金屬鋼錠軋制法、爆炸復(fù)合法、軋制壓接法、堆焊法等。考慮到鈦的特性，工業(yè)上常采用爆炸復(fù)合法或軋制壓接法，而實(shí)際的生產(chǎn)方法則包括：爆炸復(fù)合法；厚板軋制法；連續(xù)熱軋法。

    記者：請(qǐng)您展望一下鈦合金的表面處理技術(shù)方面未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)？

    高教授：低成本化促使發(fā)展鈦合金復(fù)合板成為未來(lái)的發(fā)展方向，基于對(duì)卓越性能的無(wú)限追求是表面處理技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力。開(kāi)發(fā)新的表面處理技術(shù)永遠(yuǎn)是科技工作者和相關(guān)企業(yè)無(wú)休止的追求。

    鈦及鈦合金表面處理技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)為：第一，降低各種表面處理技術(shù)的成本。第二，綜合應(yīng)用多種表面處理方法，提高鈦及鈦合金的綜合性能，進(jìn)一步擴(kuò)展鈦及鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域。目前我們也瞄準(zhǔn)發(fā)展鈦合金表面技術(shù)，發(fā)展薄膜技術(shù)，薄膜技術(shù)是鈦合金和復(fù)合板表面處理的一種發(fā)展趨勢(shì)，雖然薄膜技術(shù)已有悠久的發(fā)展歷史， 但是薄膜技術(shù)在鈦表面上的應(yīng)用才剛剛起步，未來(lái)我們會(huì)將精力主要集中在有如下發(fā)展方向：控制界面的方法的研究，研究膜與基體界面狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)力學(xué)性能的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜性能的有效控制，開(kāi)展復(fù)合機(jī)理研究是保證薄膜性能于優(yōu)化的根本命題，是研究的重要方面。鈦合金表面耐蝕、耐磨、抗沖刷薄膜的研究。不僅要對(duì)薄膜及相關(guān)復(fù)合薄膜的性能展開(kāi)研究，同時(shí)，更要研究薄膜沉積對(duì)基體力學(xué)性能，特別是疲勞性能的影響開(kāi)展研究。研究鈦表面沉積薄膜后合適的處理方法是薄膜技術(shù)的關(guān)鍵，鈦表面沉積薄膜與其他表面處理技術(shù)協(xié)同研究以發(fā)揮薄膜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)發(fā)新型膜層電極，尤其是開(kāi)發(fā)能夠顯著提高電極性能的納米多層復(fù)合薄膜。

    其他的鈦合金表面處理技術(shù)會(huì)隨著鈦合金的低成本化逐漸發(fā)展，并進(jìn)一步促進(jìn)鈦合金的應(yīng)用范圍。可以涉及航天航空、深海工程、石油、化工、生物醫(yī)用等方方面面。這需要科技工作者和相關(guān)企業(yè)不斷配合，未來(lái)發(fā)展的速度會(huì)非常快。

    后記：

    隨著國(guó)家工業(yè)和國(guó)防現(xiàn)代化的發(fā)展，鈦和鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域日新月異。然而任何材料都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步優(yōu)化和提高鈦合金的耐蝕、耐磨性能，鈦合金的表面處理技術(shù)的應(yīng)用舉足輕重、不可或缺。

    ●  人物簡(jiǎn)介

    高志明，1970 年生。天津大學(xué)材料學(xué)院教授（博導(dǎo)），天津大學(xué)材料復(fù)合與功能化教育部工程研究中心副主任。天津市管道防腐蝕技術(shù)工程中心技術(shù)委員會(huì)主任。近年年參加國(guó)家“973”兩項(xiàng)。參加國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和國(guó)家支撐計(jì)劃項(xiàng)目?jī)身?xiàng)，參加國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目?jī)身?xiàng)。主持在研國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目面上項(xiàng)目?jī)身?xiàng)，主持天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目?jī)身?xiàng)，主持華北電力科學(xué)研究院、天津（東方）防腐公司、中原油田等科技合作項(xiàng)目 30 余項(xiàng)。承擔(dān)以上項(xiàng)目的同時(shí)承擔(dān)軍工項(xiàng)目?jī)身?xiàng)。發(fā)表 SCI 論文 40 余篇，授權(quán)專利 20 余項(xiàng)。