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航天用材料表面處理技術的根本任務是通過表面處理使材料形成新的表面，以增強材料的使用性能或賦予材料新的功能。通常的表面處理方法主要有:陽極氧化、微弧氧化、電鍍、熱噴涂、氣相沉積以及高能束處理等。

陽極氧化(Anodic Oxidation)是指以被處理金屬材料為陽極，在電解質溶液和外施陽極電流的共同作用下，利用電解作用在金屬材料表面生成一層金屬氧化膜保護層的表面處理技術。材料的表面狀態(tài)因金屬氧化膜的形成而改變，金屬氧化膜的存在使得材料表面著色性增強、耐腐蝕性提高、耐磨性增強、硬度增加，并對材料表面起到保護作用。

鋁及其合金材料通常采用陽極氧化處理生成氧化鋁保護膜進行表面防護。氧化鋁保護膜使得鋁或鋁合金的表面狀態(tài)和性能被改變，起著增強表面著色和耐腐蝕性能、提高耐磨性能和硬度、保護零部件表面等作用。其他有色金屬或合金(如鎂合金、鈦合金等)為了增強其表面性能，均可進行陽極氧化處理。

表面陽極氧化處理的另外一個應用就是降低電偶腐蝕。電偶腐蝕是鈦合金在與其他金屬配對使用時所遇到的難題。研究表明:陽極氧化處理的鈦合金和鋁合金，其電偶腐蝕敏感性明顯降低;將鈦合金陽極氧化，而將鋼進行電鍍鎘-鈦處理可將電偶腐蝕敏感性降低到極低的程度。

微弧氧化(Micro-Arc Oxidation)，又稱等離子氧化，它是在鋁、鎂、鈦、鈮、鋯等有色金屬及其合金的表面利用微弧區(qū)瞬間高溫燒結作用，原位生長出陶瓷質氧化膜保護層的表面處理技術。

微弧氧化克服了陽極氧化的一些不足，其生成的陶瓷氧化膜具有與基體結合力強、硬度及強度高、絕緣性好、耐磨、耐腐蝕、耐高溫等特點，而且工藝簡單、易操作、處理效率高，是近幾年材料表面處理的研究熱點之一，并在航天航空領域得到越來越多的應用與發(fā)展。

鋁合金經過微弧氧化處理之后，其表面原位生長的陶瓷膜厚度可達到200~300μm(是傳統(tǒng)陽極氧化膜的數(shù)十倍)，顯微硬度可達到1500~2500HV(遠高于傳統(tǒng)陽極氧化膜的)，該陶瓷氧化膜由γ-Al2O3和α-Al2O3共同構成。與硬質合金相比，所得的陶瓷氧化膜具有較高的耐磨性和較小的摩擦因數(shù);而且，對鋁合金進行微弧氧化處理后，可明顯提高其耐蝕性，其腐蝕速率比不銹鋼的要小得多。

微弧氧化處理技術當前的研究熱點主要集中于膜層性能、復合處理等方面。在電解液中添加不同的陶瓷微?；蛱砑觿?，可使所得到的富含硬質顆粒的陶瓷氧化膜的性能進一步提高。

微弧氧化處理過程中稀土的作用也是研究的一個熱點。加入稀土元素，可使陶瓷質氧化膜的致密性、韌性、燒結性能等得到提高和改善。

微弧氧化與其他許多材料表面改性或涂覆技術相比具有很多優(yōu)越性，勢必將成為今后材料表面處理重要的發(fā)展趨勢。

電鍍(Electroplating)是指借助外界電流的作用，在溶液中進行電化學反應使得導電體的表面沉積一層金屬或合金。電鍍能夠處理結構復雜的器件表面，因此廣泛應用于航天航空相關材料的表面防護。通過電鍍可以在航天用金屬材料的表面形成鎢合金層，其可承受2000℃以上的高溫。其他特殊功能的鍍層也可以通過電鍍技術實現(xiàn)。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，電鍍技術也得到了新的發(fā)展。

氰化電鍍鎘工藝制備的鍍層性能優(yōu)異，航空航天等領域的零部件常采用氰化電鍍鎘來制備鍍層進行防護。氰化物是環(huán)境污染物之一，電鍍技術發(fā)展到現(xiàn)在，無氰鍍鋅、無氰鍍銅、無氰鍍金及無氰鍍銀等工藝已經很成熟，無氰鍍鎘工藝研究成為電鍍行業(yè)內的又一研究熱點。

脈沖電鍍是近幾十年發(fā)展起來的一種新型表面處理技術，其可使電鍍層的結合力提高、孔隙率降低。在鍍鉻方面，近年來脈沖電鍍鉻技術已成為國際上研究的熱點。脈沖電鍍鉻可使鍍層裂紋尺寸減小、數(shù)量減少，鍍層的結晶更加致密;雙向脈沖電鍍鉻則可得到特殊的多層納米晶鉻鍍層結構，使裂紋尺寸及數(shù)量進一步降低、耐腐蝕性能明顯增加，鍍層應力減小。就鍍銅而言，致密銅鍍層是阻止碳、氮等元素滲入的有效保障，在航空發(fā)動機中通常采用局部鍍銅工藝在器件表面得到銅鍍層以防止碳或氮元素的滲入。

電鍍硬鉻工藝已廣泛應用于航天產品結構件中，能顯著提高器件表面硬度、耐腐蝕性。在電鍍硬鉻過程中，會反應產生氫化鉻(CrH或CrH2)，氫化鉻的存在會使得鉻鍍層內部產生裂紋而導致耐腐蝕性能降低。這個缺點在飛機起落架緩沖器上會導致起落架出現(xiàn)滲、漏氣(油)的現(xiàn)象，為了解決該問題，通常利用硬質粒子摩擦作用，在電鍍過程中形成組織致密鉻層，使得鉻鍍層氣密性提高。

除了電鍍技術本身的進展外，有關電鍍產生的廢水、重金屬污染等環(huán)保問題，相關研究也有了很大的進步。相信在所有相關技術人員的不懈努力下，電鍍相關技術在航空航天領域具有更加廣闊的應用空間。

熱噴涂(Thermal Spraying)是表面工程領域中的一項重要技術，其過程是首先將噴涂材料加熱，使其達到熔化或半熔化狀態(tài)，然后通過特定設備以一定速率噴射沉積到預處理的表面上從而生成一定厚度的涂層。利用熱噴涂的方法可以得到具有特定功能的表面涂層，如：熱障、耐磨密封、抗高溫氧化、導電絕緣、抗遠紅外輻射等。熱噴涂技術具有所用材料種類多，如金屬、金屬合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及復合材料等，工作效率高和成本低等優(yōu)點，隨著航天工業(yè)的空前發(fā)展，熱噴涂技術在航天產品的各類零部件中得到了廣泛的應用。我國的載人航天器中就有一部分部件采用熱噴涂技術形成的熱障涂層，像在飛船逃逸系統(tǒng)中，其中的柵格翼就采用等離子噴涂的Al2O3熱障涂層；長征3號火箭氫氧發(fā)動機渦輪泵動密封結構采用等離子噴涂Cr2O3涂層達到其使用要求。

碳纖維增強型C/C復合材料廣泛應用于航空航天產品中的零部件，如火箭發(fā)動機、機翼邊沿、螺旋槳葉片導邊、葉輪葉片等部位。但是C/C復合材料在超過450℃的高速含氧氣流下，會產生嚴重的氧化燒蝕剝離。

雷達吸波涂層制備也是熱噴涂技術近年來的研究重點和熱點。技術人員對于各類吸波材料，如鐵氧體、碳系材料、碳化硅、金屬微粉、導電陶瓷等，通過熱噴涂技術制備相關雷達吸波涂層均有了較詳盡的研究，不僅在涂層吸波性能調控方面取得了一定的突破，而且對熱噴涂技術工藝的進步與改進也有一定的推動作用。

氣相沉積(Vapor Deposition)是最近20多年來發(fā)展起來的一種新的表面處理技術，可以劃分為化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)和物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)兩類?；瘜W氣相沉積方法又包括常規(guī)化學氣相沉積、等離子體強化化學氣相沉積、等離子體輔助化學氣相沉積、激光化學氣相沉積、金屬有機化合物化學氣相沉積等方法;物理氣相沉積方法則包括真空蒸鍍、濺射、離子鍍和離子注入等方法。

氣相沉積技術因具有涂層材料種類多、沉積速度快、在材料表面附著性好、所得涂層致密性好、不污染環(huán)境等優(yōu)點而備受關注，采用該技術可改善材料及零部件表面的耐磨性、耐腐蝕性以及抗氧化性等。近年來，對物理氣相沉積在航空航天零部件中的應用研究有了較大的進展。

化學氣相沉積技術在航天設備(特別是微電子芯片和微波元器件等)中也經常被應用，其所采用的原材料通常為氮化硅、二氧化硅、碳纖維以及碳納米纖維等。

近年來隨著科學技術的發(fā)展，也形成了一些材料表面處理新技術，例如電子束、等離子束、激光束等高能束表面處理技術就是其中的一類。高能束表面處理技術具有表面加熱及冷卻速度快、元素直接注入材料表面等特點，其改變了材料表面的物理結構或化學組分，從而可明顯提高材料的性能。當前，因等離子表面處理技術所具有的獨特優(yōu)勢而使其受到材料表面科學領域的廣泛關注，成為了該領域的研究熱點。

圖1 等離子電解滲碳曲線及滲碳層剖面形貌

圖1a)是按照文獻顯示的電極電壓/電流特征曲線，結合筆者試驗繪制的等離子電解處理時電流-電壓曲線及各個階段的現(xiàn)象圖。利用等離子電解滲碳技術對Q235鋼進行表面處理后，得到的滲層組織主要由馬氏體和奧氏體組成，材料表面硬度和強度都有大幅度提高。表面處理后Q235鋼表面硬度可達到779HV(基體僅170HV左右)，因此可使得航天產品組件的表面具有高的硬度和良好的耐磨性，而心部則具有優(yōu)良的塑性、韌性，滲碳器件剖面顯微組織形貌見圖1b)。此外，等離子電解處理后材料表面粗糙度明顯變大(由0.05μm變?yōu)?.3μm左右)，這是因為等離子電解處理后滲層致密結構外部表層會呈現(xiàn)一層較薄的疏松多孔結構。這種結構可吸收、存貯潤滑油，應用在航天器件的一些動結構中能使其獲得較好的耐磨性。

隨著科學技術的發(fā)展，航天航空部件的材料表面處理技術也在不斷進步和完善。采用兩種及兩種以上的表面處理技術對材料表面進行防護處理，已經逐漸被采用。

隨著科學技術的飛速發(fā)展，航空航天設備用材料表面處理技術正朝向高效化、低能耗、高性能化方向發(fā)展。具體而言，航空航天用材料表面處理技術將朝以下幾個方向發(fā)展。

(1)表面處理所用涂層材料的研究與開發(fā)，包括新材料的開發(fā)和原有材料的性能改進。

(2)適用于航空航天工業(yè)的新的表面處理技術的研究與開發(fā)?？茖W技術不斷進步，新的表面處理技術也層出不窮，努力開發(fā)適用于航空航天工業(yè)的表面處理新技術是促進航空工業(yè)發(fā)展的必要手段。

(3)改善和提高現(xiàn)有航空航天用材料的表面處理技術。在研究成膜技術、涂層技術、熱表處理等表面處理工藝技術的同時，利用各種在線監(jiān)測技術確定表面處理時材料表面的動力學特征、溫度場、速度場等因素，深入分析處理層的形成過程，從而提高處理的表面層的性能。

(4)表面處理效果的評定。對于航天用材料表面處理的各種現(xiàn)行工藝方法，目前還沒有出現(xiàn)較為科學、量化的效果評定方法及相關研究。對航天器材料膜層力學性能(包括顯微硬度、屈服強度、殘余應力、韌性等)建立科學量化的工藝優(yōu)化評定指標體系，將對材料表面處理工藝技術的發(fā)展起到有效的指導作用。

于鳳梅，高級工程師，駐上海航天局804所軍事代表室