从我所等离子喷涂研究历程看科研形成生产力

董祥林

摘要 ：

　　1960年代，中科院沈阳金属研究所离子喷涂研究小组从基本实验开始，从懵懂到熟练，从单一功能到多种用途，经过反复试验，利用等离子焰高温和惰性环境，广泛应用于焊接，喷焊、堆焊等许多方面，成为一项用途很广的新技术，对我国工业、国防起了难以估量的作用。同时也有力地证明了科技是生产力，只有科学研究才能推动工业进步。要解决任何难题，需要持之以恒，锲而不舍，不怕失败，终能获得成功。

　　1960年初我到金属研究所工作，被分配到等离子喷涂研究小组。当时所里这项工作刚刚起步。所谓等离子是指物质的固态、液态、气态三态之后的第四态，即等离子态。该种状态的物质称为等离子体。等离子体中有相当一部分原子被离子化，成为正离子和负离子，但在一个范围中正离子和负离子数量是相等的，故称为等离子体，它在整体上呈电中性。我们研究的等离子体是由压缩直流电弧产生的，称为电弧等离子体。它在离子化时要吸收大量的能量(电能)，在中和或称“解离”时就放出大量的热能，整个等离子体就这样处于不断离化和中和状态，同时放出大量的热而产生高温和高速焰流。经测定这种办法最高能产生 15000℃左右的高温。等离子喷涂研究的关键之一是设计一种等离子喷枪使其产生等离子焰，让粉末从中通过时熔化而喷射出并附着于基体上，以形成涂层。

　　开始只是凭借想象的原理设计了喷枪，费了好大的劲加工出来。可一点火，只听啪的一声，好不容易设计加工的喷枪就烧毁了。无奈只好重新设计、加工，如此重复多次。每次由我跑到工厂请师傅加工，但一次又一次，自己心里也不好意思。多次失败不免令人沮丧，私下里我产生怀疑，心中暗想这能行吗，弧焰尚且不能稳定，怎能喷涂呢?虽然遇到困难，但小组并未气馁，仍坚持试验。好在经过几十次日夜奋战，终于有了进展，总结失败的经验后，试验一次比一次好一些。就这样经多次改进，如将送粉从原来和主气流一同送入，改为单独从前部送进、改变阴极材料、改变冷却方式、改变阴极和阳极形状和尺寸、改变电参数、改变输入气体的流量和成分等等，每次改进都得到了一定的提高。这样不断地前进，到了1961年，终于从量变发生到了质变，不仅喷枪再也不烧坏了，等离子焰十分稳定而清洁，喷涂粉末也顺利起来，涂层的质量越来越好。

　　我们利用这项技术，喷涂了多种金属和非金属涂层，完成了大量国家任务。比如对火箭喷管的内壁保护，火箭在发射时，因高温高速焰流冲刷，易使喷管内壁尤其是喉部被冲坏，即便损坏很少也容易造成火箭不稳定，轻则偏离方向，重则坠毁。我们喷的主要是氧化物，如氧化铝、氧化锆等，这类陶瓷材料的特点:一是耐高温，熔点都在2000多摄氏度;二是硬度高，从而耐冲刷;三是导热率低，从而隔热效果好，能保护基体免受高温的影响，非常适合用于火箭燃烧时产生高温高速冲刷的苛刻条件。又如这项技术也喷涂过火箭头锥，以防止其再入大气时锥部受损;还喷过我所用难熔金属铌-752制成的卫星天线，以防止其在再人大气时，因摩擦产生的高温而损坏(因天线安装在最外面，最容易受到损坏);也喷过一些难熔金属材料，如钨粉、钼粉等。

　　在我们开始研究以后，先后有很多单位到我们这里学习，既有中科院内的，也有院外的研究机构。凡来学习的我们都毫无保留地欢迎他们来共同研究。

　　在进行喷涂时又发现等离子弧焰有多种用途。因其能量集中，产生的温度高，且不含氧气，首先可很好地用于切割。机械加工中，在切割较厚的普通钢板时，一般用氧-乙炔火焰切割法。但若切割不锈钢、铜或铝等板材或棒材时，由于它们的导热系数高、散热快，氧-乙炔火焰的温度不够高(3000多摄氏度)，切割时热量立即从板材上传开，切割的局部难以形成能切动(熔化)的高温。又因其太厚、太大，机械切割也不行，给生产造成极大困难。有了等离子弧，因其能量密度高，切割处能和周围产生巨大的温度梯度，产生能切动的高温，切割起来很方便。很厚的不锈钢板材，经其切割得又快又好，切缝很窄，边缘整齐，减少了浪费，解决了机械加工中的一大难题。

　　同时利用等离子焰高温和惰性环境，可用于焊接，喷焊、堆焊等许多方面，成为一项用途很广的新技术。因此国内很多单位都开展了等离子工艺的研究和应用。

　　记得是1963年，我们又接受了利用等离子体进行烧蚀试验的任务。因为在火箭工作时，有的部位(如头、喷管等)要遇到高温高速火焰的冲刷，在设计、选材时要有相关材料承受能力数据，用其他焰流如燃气火焰等，难以达到接近实际的高温和高速。现在出现了电弧等离子体焰流，很适合做这种实验(即风洞实验)。我们专门设计了一台烧蚀试验设备，为了提高等离子体的速度，在出口处安装了两台大型真空泵，强大的抽吸力，能使本来就是高速的等离子体加速到3至4个马赫。这样就完全满足了有关单位提出的要求。当时试验过很多材料，为国防建设做出了贡献。

　　现在包括喷涂在内的等离子技术应用，在国内科研、工厂等军工和民用单位已有百家以上，成为一种不可或缺的加工或试验手段。

　　从最初参加这项研究工作起，我们从懵懂到熟练，从小到大发展，从单一功能到多种用途，形成一种特殊的工艺，对我国工业、国防起了难以估量的作用。有力地证明了科技是生产力，只有科学研究才能推动工业进步。这件事对我启发很大，说明要解决任何难题只要持之以恒，锲而不舍，不怕失败，终能获得成功。

　　注:董祥林，81岁，中科院沈阳金属研究所高工。

　　本文源自：《定格在记忆中的光辉70年：献给中国科学院70周年华诞》，科学出版社，2019年