资讯中心

数据共享

试验资源

信息资源

防护技术

魏世丞:重视基础 助力我军装备维修与再制造

2018-01-26 14:03:57
作者:王元
来源:《腐蚀防护之友》

古今中外,军事家无不把发展军事装备作为一项重要的军事政策。军事装备是构成军队战斗力的重要物质基础,发展军事装备是提高军队战斗力的重要途径,军事装备的现代化已成为世界各国军队现代化和国防现代化的重要标志。然而,腐蚀是装备的克星,直接影响装备的安全运行与使用寿命,研究军事装备的腐蚀特点及寻找防腐蚀对策,是科技领域的一个长期研究的课题。

    古今中外,军事家无不把发展军事装备作为一项重要的军事政策。军事装备是构成军队战斗力的重要物质基础,发展军事装备是提高军队战斗力的重要途径,军事装备的现代化已成为世界各国军队现代化和国防现代化的重要标志。然而,腐蚀是装备的克星,直接影响装备的安全运行与使用寿命,研究军事装备的腐蚀特点及寻找防腐蚀对策,是科技领域的一个长期研究的课题。为了全面了解我国军事装备的腐蚀现状,对比国内外防控措施,探寻关键的防腐新材料、新技术,记者特邀请到装甲兵工程学院魏世丞研究员做相关方面的精彩解读。


    魏世丞,全军“学科拔尖人才”培养对象、装甲兵工程学院博士后,现为装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室研究员,博士生导师。曾荣获获多项国家级、军队级奖项,在装备维修与再制造、热喷涂等研究领域颇有造诣。

 

魏世丞

魏世丞研究员


    记者:军事装备的发展,于国于民意义重大,然而腐蚀问题一直是困扰装备发展主要问题之一,请您大致谈谈目前我军装备腐蚀状况如何?腐蚀与防护研究工作在我军装备发展中的意义和重要性。


    魏研究员:
现代军事装备日趋复杂,由于腐蚀引起的维修问题越来越突出,导致维修费用在装备全寿命周期系统中所占比例越来越大,尤其是我陆、海、空、火箭军、战略支援部队等装备面对高温、高湿、高盐雾的苛刻环境,因腐蚀、污损、磨损、疲劳导致装备失效,增加了计划外维修任务,严重影响了装备的战技性能。


    当前,“濒海作战”的概念由美海军提出“今天的战场在濒海,在五大洲陆海交界的地方”,同时提出了“由海向陆”、“前沿存在”等战略思想,催生了“海上打击、海上盾牌、海上基地”等理念,使濒海作战由纸面跃上海面,其作为新型联合作战样式,涵盖了信息化战场陆、海、空、天、网、电磁空间等范畴。由于海洋性气候的影响,导致濒海装备中枪械存在的问题主要是锈蚀,需要分解擦拭,造成机械零件磨损严重,导致射击精度下降;雷达、光学仪器、保障车辆等通用装备的腐蚀状况也是十分严重,影响了装备服役性能;舰艇长期在海水中浸泡以及海生物的附着,导致舰体腐蚀严重、机动性能下降,每年需几次涂装进行防腐防污治理,既增加了维修工作量,又降低了在航率。此外,腐蚀的问题除直接损失外,还会引起有毒、有害物质的跑、冒、滴、漏,造成不可估量的间接损失。


    腐蚀问题控制的好与坏直接决定装备及其基础设施的寿命,以往装备的设计、研制、生产、使用、维护、报废几个阶段,彼此之间是相互独立,造成了腐蚀控制问题不能得到系统考虑。腐蚀防护是一项系统工程,同时是一项长期的任务,需要结合技术与管理现状,按照全寿命周期理论,统筹规划装备的设计、研制、生产、使用、维修,以及再制造、再利用、再循环,制定符合国情、军情的腐蚀控制战略,制定装备及基础设施腐蚀控制的目标、方法和措施,才能有效解决装备的腐蚀问题。


    
记者:您曾将传统的“粗放型”手工喷涂技术转变为“智能型”高效环保的维修与再制造技术,为装备零件抢修与再制造提供了技术支撑。该项目于2009 年获得军队科技进步一等奖,并于2011 年获得国家科技进步二等奖。请您谈谈您和您团队获得该成果的研发经历?并给我们简述一下该技术目前的应用状况及产生的效益。


    魏研究员:
传统电弧喷涂技术在20世纪80 年代美国、德国等国家得到了制备,涂层质量大大提高,促进了电弧喷涂技术在工业中的广泛应用。相对于其他涂层技术,电弧喷涂技术具有涂层质量好、工件热变形小、作业效率高、能源利用率高、经济效益好、操作简单和易于现场作业等显著优点。但同样存在粒子飞行速度低、涂层结合强度较低、孔隙率较高、手工作业强度大、粉尘对人体及环境造成恶劣影响等缺点。


    基于此,课题组在中国表面工程和再制造工程的发起者和倡导者徐滨士院士的带领下,历经30 余年的不懈努力,通过集成创新研制出了基于操作机和机器人的两台(套)自动化智能高速电弧喷涂设备,提高了喷涂的可靠性与稳定性,改善了涂层质量;通过数值模拟和试验,自主研制了高速电弧喷涂枪,使喷涂粒子射流速度大幅提升;研发了在线智能控制单元,实现了电弧喷涂工艺参数的在线智能闭环反馈控制。将传统的“粗放型”手工电弧喷涂技术,发展成为“智能型”高速电弧喷涂技术。同时,先后研制了防腐、耐磨、抗高温热腐蚀与冲蚀的三类六种喷涂丝材,结合智能高速电弧喷涂技术应用于国家、军队重点任务。我们将具有“自封闭”效应的ZnAlMgRE 材料应用于舰艇、两栖装备的长效防腐以及海上大型浮标、浮码头、航天发射场等钢结构的防腐示范工程,将防腐寿命从原3 ~ 5 年延长至15 年以上;将FeAl 基金属间化合物复合涂层技术用于两栖装备发动机排烟管、电站锅炉管道等高温零部件的抗热腐蚀与冲蚀治理。通过智能化高速电弧喷涂的推广应用,创造了一定的军事、经济、社会和环境效益,为濒海装备钢结构的防腐、延寿提供了技术支撑。


    记者:您的多项研究成果广泛应用到两栖装备、海军导弹驱逐舰、护卫舰、常规潜艇、大型浮码头、海上大型浮标等的腐蚀防护治理,创造了显著的军事效益和经济效益。请您给我们谈谈这些新技术和新材料?


    魏研究员:
我所工作的装备再制造技术国防科技重点实验室是从维修工程、表面工程发展而来,实验室在徐滨士院士以及特聘的薛群基院士、杜善义院士的带领下,围绕国家、军队的重大需求,针对装备的腐蚀、磨损、疲劳等失效行为,开展装备的维修与再制造工作。再制造作为绿色制造的重要组成,是以废旧装备为毛坯,通过先进的表面工程技术实现装备质量、性能的恢复和跨越式提升,是解决我国目前面临的资源、能源短缺和环境污染问题的有效技术途径之一,得到了国家、制造业和广大民众的广泛认同。随着再制造2010年被列为国家战略性新兴产业,2011 年写入《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》、2015 年进入《中国制造2025》规划,装备维修与再制造的技术研究与产业推广的前景将更为广阔。


    
装备再制造的关键技术是表面工程技术,重点实验室围绕装备腐蚀、磨损、疲劳等典型失效形式,开展了表面工程技术群的研发,其中与腐蚀防护相关的技术除智能化高速电弧喷涂技术外,主要还有:


    (1)纳米颗粒复合电刷镀防腐技术是新兴的复合镀层制备技术。其在电刷镀镀液中加入一种或几种纳米颗粒,使之在电刷镀过程中电场作用下金属离子被还原的同时与金属发生共沉积,从而获得具有优异性能的复合镀层技术。纳米颗粒复合电刷镀技术具有设备简单、操作灵活、沉积速度快、修复周期短、费用低、经济效益大、便于携带、适用于海上及现场不解体修复等优点。目前已应用于舰船、飞机、车辆、机床、石化、工程机械等装备零部件的腐蚀治理。


    (2)电热爆炸喷涂防腐技术是利用金属导体(丝、片、箔)瞬间通放电发生爆炸后,产生冲击波力学效应,结合快速凝固技术形成粉体或涂层。我们先后研究得到了单一金属导体丝、箔、带以及点阵序列导体电热爆炸反应形成等离子体与反应时间的演化关系、反应体系中能量积聚与释放的关系、反应过程中喷涂粒子的飞行方向、沉积速度等反应动力学行为。联合研发了电热爆炸喷涂设备,可使金属导体在10 ~ 30微秒内产生104GPa 的高压, 同时以108 ~ 109K/s 速度急剧升温,实现了电热爆炸喷涂的反应条件,同时针对喷腔的结构进行了改进,使喷涂粒子由以往的发散状改进为定向集中喷涂。目前已应用到装甲装备销、轴、发动机排烟管等零部件的常温、高温的腐蚀防护。


    (3)离心自蔓延防腐技术是将特定比例的粉末和添加剂置于钢管中,使其高速旋转并引发氧化还原反应,瞬间放出大量热,生成的熔融物质在离心力作用下按密度不同分层凝固,形成具有冶金结合的金属陶瓷复合钢管,其具有不溶于酸、碱、水的防腐性能,同时陶瓷材料自身的防垢效果优异,配合无内补口焊接技术,可以实现管道全内壁防腐、耐磨及抗结垢,使用寿命为新品双相不锈钢管的五倍。目前已应用于油田管道及装备管路防腐治理。


    (4)纳米聚合物涂料技术是将具有优异耐蚀性的金属超细化达到微纳尺度,使其表面活性提高,同时将高分子树脂双键打开,形成游离键,两者杂化复合到一起形成金属纳米聚合物。金属纳米聚合物与树脂可形成了化学键合和化学吸附,可切断填料与树脂之间的渗透通道,金属纳米聚合物粒子可以填充孔隙缺陷,阻止水、氧和其它离子的透过。此外,由于金属纳米粒子被有机物所包覆,表现出良好的抗润湿性,形成憎水表面,使涂层兼具屏蔽效应和憎水效应,可有效发挥防腐作用。目前已应用于海南航天发射场塔架及管路的腐蚀治理。


    (5)濒海装备表面吸波防腐技术是利用高速电弧喷涂工艺将装备特定部位的承载、防腐与电磁波信号特征的减缩有机结合,解决了纳米粒子易于团聚的难题,同时改善了磁性材料的流动性能,制备出了适于热喷涂的微米级喷涂材料,充分发挥纳米粒子的量子尺寸效应和隧道效应,通过力学性能、防腐性能和吸波性能综合一体化设计,制备出具有结合强度高、时效性长、可维护且低成本的纳米铁氧体吸波防腐涂层,提升了濒海装备的隐身防腐综合性能。

 

图片3.png


    记者:请您谈谈国内外在喷涂防护技术方面有何差异?如何取长补短?


    魏研究员:
喷涂防护技术作为表面工程的关键技术之一,具有喷涂材料广泛、工艺操作简单、涂层厚度可控、可赋予装备表面特殊性能等特点,尽管在中国起步较晚,但近30 年发展非常快,得到了显著的发展。已在船舶、电力、机车、冶金、工程机械、航空航天、石油化工、矿山机械等领域得到了广泛应用。


    与国外相比我国喷涂防护技术仍存在一定的差距,主要表现在两个方面:


    (1)硬件方面:在喷涂设备的先进性、稳定性差距较为明显,尽管目前国内有一些喷涂设备制造企业,但由于加工精度、零部件耐久性等问题,设备的稳定性得不到很好的保证,限制了喷涂设备的推广及应用。此外,高端喷涂设备仍依赖国外进口,譬如真空等离子喷涂、冷喷涂等设备,基本上仍被国外垄断,且价格昂贵。


    (2)软件方面:与国外相比,国内热喷涂行业在标准、规范、操作规程等方面还需逐步完善,特种功能喷涂材料的研发与制备能力仍然较弱。喷涂从业人员的理论水平和实践能力上也存在一定的不足,与之相配套的培训机构尚需完善。与美国、日本等技术相对发达的国家相比,国外每年喷涂所创造的产值占国家GDP 的0.2% 以上,而我国仅为0.09%。喷涂防护技术作为维修工程、表面工程、装备腐蚀防护,以及装备再制造工程的关键技术之一,必将在国家循环经济的建设中发挥重要的作用,具有广阔的推广应用前景。

 

图片4.png


    从未来发展来看,喷涂防护技术建议应重点关注以下三个方面:


    (1)喷涂技术理论体系的创新与发展:喷涂过程中的流体场、速度场、温度场、应力场等多强场、耦合场的分析一直是喷涂技术研究所关注的重点。纳米喷涂过程中纳米粉体团聚、纳米颗粒灼烧等难题还有待突破。涂层与基体、涂层与涂层之间表面/ 亚表面、表面/界面应力诱导相变、腐蚀性介质氧化还原的过程与机制、异质材料间嵌合界面的原子非对称扩散与原子嵌合动力学行为机理、界面嵌态、局部键态的结合机理、复杂表/ 界面结构形成及演化过程中的约束机制,以及功能性涂层腐蚀、磨损、疲劳等跨尺度失效过程中表面几何形状、化学成分和亚表层晶体缺陷与组织结构的变化规律等基础研究方面还需进一步深入。


    (2)新型喷涂技术与材料的研发与拓展:喷涂设备的未来趋势更多的向智能化、高效化、人性化、环保化的方向发展,向着粒子飞行速度更高、涂层结合强度更高、涂层孔隙率更低、涂层功能性更强、作业强度更低的目标发展。喷涂材料的未来发展趋势则向着丝粉兼具、组分可控、功能多样等方向发展。随着需求的日益提高,已出现气体隧道式等离子喷涂、反应等离子喷涂、冷气动力喷涂等新型喷涂设备,以及Zn 基、Al 基、Fe 基、Ni 基等及其多元合金的喷涂材料,这些新技术、新材料、新工艺的不断推出有助于获得质量性能更为优异的涂层,以满足更为苛刻的服役工况。


    (3)喷涂与其他表面技术的交叉与融合:喷涂技术由于其自身的局限性,往往不能满足复杂工况条件的要求。综合运用两种或多种表面工程技术,通过最佳协同效应获得“1+1>2”的效果,以解决特殊的工程技术难题。复合表面工程技术的研究和应用目前已经取得了一定的进展,例如喷涂与重熔的复合、喷涂与刷镀的复合、喷涂与激光的复合等,以获得所需的最为适合的性能。通过复合工艺的发展将进一步拓宽喷涂技术的应用领域。


  
  记者:请您大致展望一下您主研领域的未来发展方向?


    魏研究员:
前期我们对装备的腐蚀与防护及其功能性涂层的研究更多的考虑的是钢结构在腐蚀、磨损、隐身等功能性的需求,但濒海装备由于所处的自然环境以及作业环境,受到的是温度场、应力场、流体场、电场、磁场等多强场以及苛刻海洋环境的耦合累积作用,未来工作需更多的多强场的影响。


    
因此,我们未来的研究希望能够尽可能的全面掌握海洋不同腐蚀区域对装备的影响规律及作用机制,有针对性地采取面向多强场耦合影响作用的技术措施,特别是针对多强场作用与跨尺度损伤之间的映射规律、多强场作用下功能性涂层的协同作用与影响机理、涂层组织结构特征的演化机制等基础性的研究工作。协同规划装备特定部位的防腐、防污、承载等性能,进行防腐- 防污-抗疲劳涂层综合一体化设计。希望重点开展以下几方面的工作:


    (1)多强场耦合作用下的装备性能失效规律。研究因腐蚀、磨损、海生物、交变载荷、大应力、疲劳等因素导致钢结构及其涂层服役中的伴随性损伤规律,并在各自演化作用基础上,分析耦合交互作用对钢结构及其涂层结构完整性的破坏影响机制。


    (2)研究功能性(防腐- 防污-抗疲劳)涂层协同作用机理以及相互匹配规律。分析涂层制备过程中温度场、应力场对结构形变的影响机理,控制涂层键合/ 嵌合质量与性能。结合微观测试分析技术,研究涂层与基体、涂层与涂层表面/ 界面的性能演化规律,掌握异质材料之间控形、控性的理论与方法。


    (3)基于电、磁、生、化、力等多物理信息融合的海洋钢结构及其涂层服役寿命预测平台的搭建及多信息辨识与分析。解决装备在海洋五个腐蚀区域的寿命演变、性能衰退特征的电、声、化等多信息的微弱辨识及实时监检测的难题,针对装备开展腐蚀寿命预测分析,为服役过程中损伤的动态提取和寿命演变规律研究提供技术支持。


 
   后记:随着现代军事装备迅猛发展,“迅速、便捷、智能化、信息化”便成了风向标,随之而来的是对材料、技术的提出更高要求。腐蚀与防护对于军事装备是个永恒的研究课题,为了祖国的明天,为了国土安全防卫,当警钟长鸣,开拓创新!


    人物简介

 

3.png


    魏世丞,东北大学博士毕业,装甲兵工程学院博士后,现为装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室研究员,博士生导师。兼任中国腐蚀与防护学会常务理事、中国工业防腐蚀标准化委员会委员,海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室、航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室学委会委员。先后承担国家自然科学基金优秀青年基金、国家自然科学基金面上项目、国家863 项目、国家科技支撑计划项目等国家和军队科研项目。先后发表论文108 篇,SCI 收录38 篇、EI 检索63 篇。出版专著9 部。获授权国家(防)发明专利12 项、受理国家(防)发明专利5 项。获国家科技进步二等奖1 项、军队及部委级科技进步一等奖6 项。2012 年获中国科协“求是杰出青年实用工程奖”、国务院政府特殊津贴。

标签: 魏世丞, 腐蚀, 装甲兵工程学院, 军事装备

腐蚀与防护网官方微信

官方微信

新闻 天天有料
分享到: