金属材料 （ 如铝、钛、镁等有色金属及其合金 ） 因具有不吸湿、尺寸稳定性好、导热及导电性能优异、耐老化、比强度高、易成型等一系列优异的性能 , 成为了航空航天领域应用最广泛的材料 , 大量应用于各类航天器的壳体、蒙皮、精细结构件及航天器平台、骨架结构、工装等。

航天器及相关装备投入运行及服役过程中 , 其所处环境恶劣 , 环境过程变化剧烈。据统计 , 航天器发射飞行过程中 , 其外表面往往处于 1000℃以上的高温 , 而在轨运行中从照射区 （120℃ ）到阴影区 （-160℃ ） 的温度交变过程非常快 （90min 绕地球一圈为例 ）， 除不断承受宇宙射线的辐照外 , 其返回地面时还需经历大于 2000℃的高温灼烧。有资料显示“挑战者号”发射入轨时的速率超过 27000km·h -1 , 头锥前沿温度达到 1370℃ ; 美国 NASP 空天飞机 X-30高速飞行时其表面任何区域温度都不低于 650℃ , 头锥至尾部温度由 1793℃至871℃迅速降低 , 发动机整流罩温度始终保持在 982℃以上。目前这些温度均已超过了大部分现有航天材料的耐温极限。还有一些装备 （ 如导弹等飞行器 ）常会从腐蚀环境恶劣的海上航母或水下潜艇中发射 , 这类严酷的服役环境也会对航天器的安全使用寿命造成影响。以上这些不利因素都对航天产品所用的各类金属材料提出了严苛要求。将这类材料进行一定的表面处理 , 提高材料的安全性和适应性、降低腐蚀速率、延长使用寿命 , 或赋予材料其他特殊功能是相关金属材料研究领域的一个重要方向。

笔者主要对航天材料表面处理技术的研究进展和发展趋势进行了综述。

1 航天材料表面处理技术的研究进展航天用材料表面处理技术的根本任务是通过表面处理使材料形成新的表面 , 以增强材料的使用性能或赋予材料新的功能。通常的表面处理方法主要有：

阳极氧化、微弧氧化、电镀、热喷涂、气相沉积以及高能束处理。

1.1 阳极氧化阳极氧化 （AnodicOxidation） 是指以被处理金属材料为阳极 , 在电解质溶液和外施阳极电流的共同作用下 , 利用电解作用在金属材料表面生成一层金属氧化膜保护层的表面处理技术。材料的表面状态因金属氧化膜的形成而改变 , 金属氧化膜的存在使得材料表面着色性增强、耐腐蚀性提高、耐磨性增强、硬度增加 , 并对材料表面起到保护作用。铝及其合金材料通常采用阳极氧化处理生成氧化铝保护膜进行表面防护。氧化铝保护膜使得铝或铝合金的表面状态和性能被改变 , 起着增强表面着色和耐腐蚀性能、提高耐磨性能和硬度、保护零部件表面等作用。

在铝合金阳极氧化处理应用方面 ,赵启龙等人采用阳极氧化处理结合镀金处理的方法 , 研究了航天器铝合金部件分离面的物理嵌合机理。研究结果表明：

在光亮阳极氧化的铝合金与光亮镀金的铝合金配对时 , 由于光亮阳极氧化增加了铝合金的表面硬度 , 降低了表面粗糙度 , 从而可以有效防止航天器铝合金部件分离面的物理嵌合 , 保证了分离部件的有效分离过程。

其他有色金属或合金 （ 如镁合金、钛合金等 ） 为了增强其表面性能 , 均可进行阳极氧化处理。章珏等人在对GWK（Mg-7Gd-4Y-0.5Zr） 镁合金进行阳极氧化处理的过程中 , 对电解液的配方及阳极氧化工艺进行阳极氧化处理的过程中 , 对电解液的配方及阳极氧化工艺进行了优化研究 , 得到了厚度为16μm 左右的氧化膜 , 其主要由镁、氧、硅3种元素组成，并且氧化膜表面平整，致密性好 , 与基体结合力强 , 耐腐蚀性优异。

表面阳极氧化处理的另外一个应用就是降低电偶腐蚀。电偶腐蚀是钛合金在与其他金属配对使用时所遇到的难题。研究表明 : 阳极氧化处理的钛合金和铝合金 , 其电偶腐蚀敏感性明显降低 ; 将钛合金阳极氧化 , 而将钢进行电镀镉 - 钛处理可将电偶腐蚀敏感性降低到极低的程度。

1.2 微弧氧化微弧氧化 （Micro-ArcOxidation）， 又称等离子氧化 , 它是在铝、镁、钛、铌、锆等有色金属及其合金的表面利用微弧区瞬间高温烧结作用 , 原位生长出陶瓷质氧化膜保护层的表面处理技术。微弧氧化克服了阳极氧化的一些不足 , 其生成的陶瓷氧化膜具有与基体结合力强、硬度及强度高、绝缘性好、耐磨、耐腐蚀、耐高温等特点 , 而且工艺简单、易操作、处理效率高 , 是近几年材料表面处理的研究热点之一 , 并在航天航空领域得到越来越多的应用与发展。

铝合金经过微弧氧化处理之后，其表面原位生长的陶瓷膜厚度可达到200~300μm（ 是传统阳极氧化膜的数十倍 ）， 显 微 硬 可 达 到 1500~2500HV（ 远高于传统阳极氧化膜的 ）， 该陶瓷氧化膜由 γ-Al 2 O 3 和 α-Al 2 O 3 共同构成。

与硬质合金相比 , 所得的陶瓷氧化膜具有较高的耐磨性和较小的摩擦因数 ; 而且 , 对铝合金进行微弧氧化处理后 , 可明显提高其耐蚀性 , 其腐蚀速率比不锈钢的要小得多。

微弧氧化处理技术当前的研究热点主要集中于膜层性能、复合处理等方面。

在电解液中添加不同的陶瓷微粒或添加剂 , 可使所得到的富含硬质颗粒的陶瓷氧化膜的性能进一步提高。LEE 等人在对镁合金进行表面微弧氧化处理时 , 将ZrO 2 纳米粒子加入到电解液中 , 得到的复合陶瓷膜耐腐蚀性能优异。SARBISHEI等人对钛合金进行表面微弧氧化处理时 , 在电解液中加入氧化铝颗粒得到悬浮液 , 经过微弧氧化后 , 所得到的钛合金表面复合陶瓷膜的孔隙率大幅降低 ,因此使得耐腐蚀性能提高。李玉海等人对 TC4 钛合金进行表面微弧氧化处理过程中 , 在电解液中加入了两种陶瓷颗粒（SiC 和 SiO 2 ）， 经过微弧氧化处理后 , 在其表面得到复合陶瓷膜。研究结果表明：

在电解液中添加陶瓷颗粒能使膜层表面变得致密平整且膜层的厚度增加 ; 陶瓷颗粒能够进入到氧化层中 , 但并不发生相变反应 ; 陶瓷颗粒的加入使得复合陶瓷膜的耐磨性能显著提高。

微弧氧化处理过程中稀土的作用也是研究的一个热点。加入稀土元素 , 可使陶瓷质氧化膜的致密性、韧性、烧结性能等得到提高和改善。马跃宇等人深入研究了稀土对镁合金微弧氧化的作用 , 结果表明 , 稀土对镁合金微弧氧化具有明显的促进作用。这是因为：其一，稀土氧化物的存在钝化了金属阳极 , 使得起弧电压和电流密度等参数降低 ; 其二 , 稀土元素的引入 , 使得 Mg 2+ 从镁合金内部向膜层表面的转移速度得到提高 , 增加了微弧氧化层外层的镁元素含量 , 明显提高了膜层厚度和氧化层的均匀性 , 降低了微弧氧化陶瓷层的孔隙率 , 提高了致密性 , 增加了处理表面的平整度 , 而且基体金属与微弧氧化层之间紧密结合 , 从而提高了材料表面的耐腐蚀性能和耐磨性能。

微弧氧化与其他许多材料表面改性或涂覆技术相比具有很多优越性 ,势必将成为今后材料表面处理重要的发展趋势。

1.3 电镀电镀 （Electroplating） 是指借助外界电流的作用 , 在溶液中进行电化学反应使得导电体的表面沉积一层金属或合金。电镀能够处理结构复杂的器件表面 , 因此广泛应用于航天航空相关材料的表面防护。通过电镀可以在航天用金属材料的表面形成钨合金层 ,其可承受 2000℃以上的高温。其他特殊功能的镀层也可以通过电镀技术实现。随着航空工业的发展 , 电镀技术也得到了新的发展。

为了适应航空航天的快速发展 , 扩展钛合金在航空航天工业中的应用范围 , 刘洪涛等人研究了 Ti6A14V 钛合金镀镍在航空航天材料应用中的可行性。研究结果表明 , 在 Ti6A14V 钛合金表面施镀镍层不但镀镍层与基体之间具有良好的结合力 （ 结合强度达到了232MPa）， 而且能极大提高钛合金的表面性能 （ 表面硬度达 527HV0.1）。这不仅使钛合金表面抗咬合、抗划伤、抗磨损等性能提高 , 而且因为钛合金具有比强度高、耐蚀性好等特点 , 因此电镀镍处理将使钛合金在航空航天工业中发挥更重要的作用。

氰化电镀镉工艺制备的镀层性能优异 , 航空航天等领域的零部件常采用氰化电镀镉来制备镀层进行防护。氰化物是环境污染物之一 , 电镀技术发展到现在 , 无氰镀锌、无氰镀铜、无氰镀金及无氰镀银等工艺已经很成熟 , 无氰镀镉工艺研究成为电镀行业内的又一研究热点。陈建锐等人针对含乙二胺四乙酸（EDTA） 的无氰镀镉工艺存在的缺点 ,开发出了适用于航空航天设备零部件的无氰酸性镀镉工艺。应用结果表明 , 该工艺所得到的无氰镀镉层 , 按照航空航天工业部标准的要求 , 其各项性能均能达到要求 , 而且在镀层的耐腐蚀性方面也有了较大的进步 , 使得航空航天零部件的使用寿命明显延长。

脉冲电镀是近几十年发展起来的一种新型表面处理技术 , 其可使电镀层的结合力提高、孔隙率降低。在镀铬方面 ,近年来脉冲电镀铬技术已成为国际上研究的热点。脉冲电镀铬可使镀层裂纹尺寸减小、数量减少 , 镀层的结晶更加致密 ; 双向脉冲电镀铬则可得到特殊的多层纳米晶铬镀层结构 , 使裂纹尺寸及数量进一步降低、耐腐蚀性能明显增加 ,镀层应力减小。就镀铜而言 , 致密铜镀层是阻止碳、氮等元素渗入的有效保障，在航空发动机中通常采用局部镀铜工艺在器件表面得到铜镀层以防止碳或氮元素的渗入。李晗晔等人为了解决航空发动机部件在直流镀铜过程中存在镀层过厚、结合力差等问题 , 通过研究确定了具有良好零件防渗作用的脉冲镀铜工艺。所得的脉冲镀铜层厚度由 50~70μm下降到了 20μm, 镀铜的成本降低了 ,而镀覆的效率则提高了。就性能方面 ,与直流镀铜层相比 , 脉冲镀铜层在表面形貌、孔隙率以及结合力等方面都有明显改善。

电镀硬铬工艺已广泛应用于航天产品结构件中 , 能显著提高器件表面硬度、耐腐蚀性。在电镀硬铬过程中 ,会反应产生氢化铬 （CrH 或 CrH 2 ）， 氢化铬的存在会使得铬镀层内部产生裂纹而导致耐腐蚀性能降低。这个缺点在飞机起落架缓冲器上会导致起落架出现渗、漏气 （ 油 ） 的现象 , 为了解决该问题 , 通常利用硬质粒子摩擦作用 ,在电镀过程中形成组织致密铬层 , 使得铬镀层气密性提高。邓云等人提出了柔性摩擦辅助电镀铬技术 , 即引入柔性摩擦介质 , 在电镀铬过程中降低阴极析氢的影响 , 提高铬镀层的致密性 , 使硬铬镀层的气密性问题得到解决。熊俊等人对某航空器用活塞杆内筒尺寸修复的镀铬工艺进行了研究 ,通过充分的分析 , 设计了专门的修复工装 , 确定了匹配的镀铬工艺参数。

结果表明 : 该工装和镀铬工艺参数匹配良好 , 不仅修复后的活塞杆内筒尺寸满足技术要求 , 而且镀层表面均匀、光滑 , 可重新用于航空器。

除了电镀技术本身的进展外 , 有关电镀产生的废水、重金属污染等环保问题 , 相关研究也有了很大的进步。相信在所有相关技术人员的不懈努力下 , 电镀相关技术在航空航天领域具有更加广阔的应用空间。

1.4 热喷涂热喷涂 （ThermalSpraying） 是表面工程领域中的一项重要技术 , 其过程是首先将喷涂材料加热 , 使其达到熔化或半熔化状态 , 然后通过特定设备以一定速率喷射沉积到预处理的表面上从而生成一定厚度的涂层。利用热喷涂的方法可以得到具有特定功能的表面涂层 , 如 :

热障、耐磨密封、抗高温氧化、导电绝缘、抗远红外辐射等。热喷涂技术具有所用材料种类多 , 如金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及复合材料等 , 工作效率高和成本低等优点 , 随着航天工业的空前发展 , 热喷涂技术在航天产品的各类零部件中得到了广泛的应用。我国的载人航天器中就有一部分部件采用热喷涂技术形成的热障涂层 , 像在飞船逃逸系统中 , 其中的栅格翼就采用等离子喷涂的 Al 2 O 3 热障涂层 ; 长征 3 号火箭氢氧发动机涡轮泵动密封结构采用等离子喷涂 Cr 2 O 3 涂层达到其使用要求。

碳纤维增强型 C/C 复合材料广泛应用于航空航天产品中的零部件 , 如火箭发动机、机翼边沿、螺旋桨叶片导边、叶轮叶片等部位。但是 C/C 复合材料在超过 450℃的高速含氧气流下 , 会产生严重的氧化烧蚀剥离。LI 等人为使 C/C 复合材料在高温下不被氧化而破坏 ,将 C/C 复合材料置于氩气氛中 , 使用两步包埋法在其表面喷涂得到了 Mo-Si-Al-C 复合涂层 , 并进行了一系列表征 :X 射线衍射结果表明 , 复合涂层是 由 SiC,Mo（Si,Al） 2 ,MoSi 2 ,Al4Mo 3 Si 2等共同组成 ; 恒温绝热试验结果表明 , 所得的 Mo-Si-Al-C 复合涂层在1773K 条件下绝热氧化 510h, 其质量损失率仅为 0.409%; 循环氧化结果表明 , 从常温加热至 1773K 往复循环25 次后 , 复合涂层的质量损失率仅为1.217%, 这表明复合涂层具有良好的抗高温氧化作用……雷达吸波涂层制备也是热喷涂技术近年来的研究重点和热点。技术人员对于各类吸波材料 , 如铁氧体、碳系材料、碳化硅、金属微粉、导电陶瓷等 , 通过热喷涂技术制备相关雷达吸波涂层均有了较详尽的研究 , 不仅在涂层吸波性能调控方面取得了一定的突破 , 而且对热喷涂技术工艺的进步与改进也有一定的推动作用。WEI 等人对 ZnO/Al 2 O 3 涂层在热喷涂过程中的退火工艺 （ 退火温度和退火气氛 ） 对介电性能的影响进行了研究 , 发现当在空气中进行退火时 , 所得涂层复介电常数的实部和虚部都明显下降 ; 而当在真空中进行退火时 , 所得涂层的复介电常数表现出增加的趋势。对于工艺调控而言 , 韦萍等人研究了 ZnO/Al 2 O 3 涂层制备时喂料工艺对涂层介电性能的影响 , 结果表明在等离子喷涂制备 ZnO/Al 2 O 3涂层的过程中 , 控制喂料也可有效调节所得涂层的复介电常数。

1.5 气相沉积气 相 沉 积 （VaporDeposition） 是最近 20 多年来发展起来的一表面处理技术 , 可以划分为化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition,CVD） 和 物 理气相沉积 （PhysicalVaporDeposition,PVD）两类。化学气相沉积方法又包括常规化学气相沉积、等离子体强化化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、激光化学气相沉积、金属有机化合物化学气相沉积等方法 ; 物理气相沉积方法则包括真空蒸镀、溅射、离子镀和离子注入等方法。

气相沉积技术因具有涂层材料种类多、沉积速度快、在材料表面附着性好、所得涂层致密性好、不污染环境等优点而备受关注 , 采用该技术可改善材料及零部件表面的耐磨性、耐腐蚀性以及抗氧化性等。

近年来 , 对物理气相沉积在航空航天零部件中的应用研究有了较大的进展。孙德恩等人对物理气相沉积在航空发动机的压气机叶片表面抗固体粒子冲蚀涂层的应用研究进展进行了比较详尽的综述 , 认为在大功角的情况下 , 提高叶片沉积涂层的韧性是提高抗冲蚀能力的关键 , 而采用物理沉积的方法在压气机叶片表面沉积得到多元纳米复合涂层和多层膜结构是提高涂层韧性进而提高涂层抗固体粒子冲蚀能力的有效手段。

彭徽等人对近几年等离子体辅助电子束物理气相沉积技术在制备航空发动机热防护涂层上的应用研究进展进行了综述 , 在此基础上 , 采用相应的电子束物理气相沉积技术成功制备得到了氧化钇稳定的氧化锆 （YSZ） 热障涂层 , 并采用等离子体辅助沉积技术对 YSZ 涂层进行了结构改性 , 使得 YSZ 涂层增强了抵抗外来物冲蚀及硅镁铝酸盐 （CMAS） 侵蚀的能力。王喜忠等人以电子束物理气相沉积 （EBPVD） 为手段 , 制备得到一种由La 2 Ce 2 O 7 /8YSZ（YSZ 中氧化钇的物质的量分数为 8%） 构成的热障涂层 , 该热障涂层的寿命比 8YSZ 热障涂层的延长了 30%, 而且比 La 2 Ce 2 O 7 热障涂层的寿命增加了 5 倍。La 2 Ce 2 O 7 陶瓷涂层在海水和航空煤油的热腐蚀环境下于 950℃曝露 100h 后 , 涂层未发生分解和相变 ,显示了良好的抗燃气热腐蚀性能。

化学气相沉积技术在航天设备 （ 特别是微电子芯片和微波元器件等 ） 中也经常被应用 , 其所采用的原材料通常为氮化硅、二氧化硅、碳纤维以及碳纳米纤维等。王少龙采用低压化学气相沉积技术 （LPCVD） 在 C/C 复合材料和碳纤维表面分别制备了 SiC 和 ZrC 涂层 , 探讨了影响涂层微观结构的主要因素 ; 同时还利用氧乙炔焰 , 研究了该涂层的抗烧蚀性能和烧蚀机理 ; 在 C/C 复合材料表面分别制备得到了 SiC/ZrC 复合涂层以及 SiC/ZrC/SiC 复合涂层 , 利用各种涂层的不同特点 , 增强了 C/C 复合材料的抗烧蚀性能 , 扩展了 C/C 复合材料在航空航天领域的应用范围。

1.6 其他表面处理技术近年来随着科学技术的发展 , 也形成了一些材料表面处理新技术 , 例如电子束、等离子束、激光束等高能束表面处理技术就是其中的一类。高能束表面处理技术具有表面加热及冷却速度快、元素直接注入材料表面等特点 , 其改变了材料表面的物理结构或化学组分 , 从而可明显提高材料的性能。当前 , 因等离子表面处理技术所具有的独特优势而使其受到材料表面科学领域的广泛关注 , 成为了该领域的研究热点。图 1a）是按照文献显示的电极电压 / 电流特征曲线 , 结合笔者试验绘制的等离子电解处理时电流 - 电压曲线及各个阶段的现象图。利用等离子电解渗碳技术对 Q235 钢进行表面处理后 , 得到的渗层组织主要由马氏体和奥氏体组成 , 材料表面硬度和强度都有大幅度提高。表面处理后 Q235钢表面硬度可达到 779HV（ 基体仅 170HV 左右 ）， 因此可使得航天产品组件的表面具有高的硬度和良好的耐磨性 , 而心部则具有优良的塑性、韧性 , 渗碳器件剖面显微组织形貌见图 1b）。此外 , 等离子电解处理后材料表面粗糙度明显变大 （ 由 0.05μm变为 0.3μm 左右 ）， 这是因为等离子电解处理后渗层致密结构外部表层会呈现一层较薄的疏松多孔结构。这种结构可吸收、存贮润滑油 , 应用在航天器件的一些动结构中能使其获得较好的耐磨性。

随着科学技术的发展，航天航空部件的材料表面处理技术也在不断进步和完善。

采用两种及两种以上的表面处理技术对材料表面进行防护处理 , 已经逐渐被采用。

例如 , 王栋开发了一种 SiO 2 溶胶封孔剂 , 对等离子喷涂 NiCr-Cr 3 C 2 涂层采用溶胶 -凝胶技术进行封孔处理 , 提高了该涂层的致密性 , 并增加了涂层与基体的结合强。

2 航天材料表面处理技术的发展趋势随着科学技术的飞速发展 , 航空航天设备用材料表面处理技术正朝向高效化、低能耗、高性能化方向发展、具体而言 , 航空航天用材料表面处理技术将朝以下几个方向发展。

（1） 表面处理所用涂层材料的研究与开发 , 包括新材料的开发和原有材料的性能改进。

（2） 适用于航空航天工业的新的表面处理技术的研究与开发。科学技术不断进步 , 新的表面处理技术也层出不穷 , 努力开发适用于航空航天工业的表面处理新技术是促进航空工业发展的必要手段。

（3） 改善和提高现有航空航天用材料的表面处理技术。在研究成膜技术、涂层技术、热表处理等表面处理工艺技术的同时 , 利用各种在线监测技术确定表面处理时材料表面的动力学特征、温度场、速度场等因素 , 深入分析处理层的形成过程 ,从而提高处理的表面层的性能。

（4） 表面处理效果的评定。对于航天用材料表面处理的各种现行工艺方法 , 目前还没有出现较为科学、量化的效果评定方法及相关研究。对航天器材料膜层力学性能 （ 包括显微硬度、屈服强度、残余应力、韧性等 ） 建立科学量化的工艺优化评定指标体系 , 将对材料表面处理工艺技术的发展起到有效的指导作用。