表面工程復(fù)習(xí)題(2014)

1、一、名詞解釋表面工程技術(shù)：為滿足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性能(或功能)的化學(xué)、物理方法與工藝。表面擴(kuò)散：表面上原子（分子）的遷移現(xiàn)象表面能增大液體表面積所需的功（表面物理中，表面能應(yīng)該指材料表面的內(nèi)能，它包括原子的動(dòng)能、原子間的勢能以及原子中原子核和電子的動(dòng)能和勢能）吸附作用物理表面上的原子或分子力場不飽和，有吸引周圍其他物質(zhì)（主要是氣體、液體）分子的能力磨損 相對運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)摩擦過程中不斷產(chǎn)生損失或殘余變形的現(xiàn)象。 腐蝕 腐蝕就是材料與環(huán)境介質(zhì)作用而引起的惡化變質(zhì)或破壞。 極化腐蝕電池工作時(shí)，陰、陽極之間有電流通過，使陰、陽極之間的電位差(實(shí)際電極電位)比初始(

2、開路時(shí))電位差要小得多的現(xiàn)象。鈍化 (定義)由于金屬表面狀態(tài)的改變引起金屬表面活性的突然變化，使表面反應(yīng)速度急劇降低的現(xiàn)象。(陽極反應(yīng)受阻的現(xiàn)象) 表面淬火 用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到Ac3(對亞共析鋼)或者Ac1(對過共析鋼)之上(奧氏體化)，然后使其快速冷卻并發(fā)生馬氏體相變，形成表面強(qiáng)化層的工藝過程。(Fe-Fe3C相圖) 噴丸強(qiáng)化 利用高速噴射的細(xì)小彈丸在室溫下撞擊受噴工件的表面，使表層材料在再結(jié)晶溫度之下產(chǎn)生彈、塑性變形，并呈現(xiàn)較大的殘余壓應(yīng)力，從而提高工件表面強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力的表面工程技術(shù)。 (噴丸強(qiáng)化技術(shù))熱擴(kuò)滲將工件放在特殊介質(zhì)中加熱，使介質(zhì)中某一種或幾種元

3、素滲入工件表面，形成合金層(或摻雜層)的工藝。(化學(xué)熱處理技術(shù))熱噴涂采用各種熱源使涂層材料加熱熔化或半熔化，然后用高速氣體使涂層材料分散細(xì)化并高速撞擊到基體表面形成涂層的工藝過程。熱噴焊 采用熱源使涂層材料在基體表面重新熔化或部分熔化，實(shí)現(xiàn)涂層與基體之間、涂層內(nèi)顆粒之間的冶金結(jié)合，消除孔隙的表面處理技術(shù)。(噴焊) 堆焊在零件表面熔敷上一層耐磨、耐蝕、耐熱等具有特殊性能合金層的技術(shù)。電鍍在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，在直流電的作用下，以被鍍基體金屬為陰極，以欲鍍金屬或其它惰性導(dǎo)體為陽極，通過電解作用，在基體表面上獲得結(jié)合牢固的金屬膜的表面工程技術(shù)?；瘜W(xué)鍍 指在無外加電流的狀態(tài)下，借助合適的還原劑

4、，使鍍液中的金屬離子還原成金屬，并沉積到零件表面的一種鍍覆方法。又稱為無電解鍍、無電源電鍍等。轉(zhuǎn)化膜技術(shù) 通過化學(xué)或電化學(xué)方法，使金屬表面形成穩(wěn)定的化合物膜層而不改變其金屬外觀(形狀及幾何尺寸)的一類技術(shù)。陽極氧化電化學(xué)氧化習(xí)慣稱為陽極氧化？物理氣相沉積 氣相原子或分子的形成過程主要為物理過程。 真空蒸發(fā)鍍膜 在真空室內(nèi)，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到固體（基片/基板/襯底、工件）表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法。 濺射鍍膜利用高能離子沖擊靶材，從其表面濺射出離子并沉積在工件表面上形成薄膜的方法。離子鍍膜 在真空條件下，靠直流電場引起放電，陽極兼

5、作蒸發(fā)源，基片放在陰極上，在氣體離子和蒸發(fā)物質(zhì)的轟擊下，將蒸發(fā)物質(zhì)或其反應(yīng)物鍍在基片上。 化學(xué)氣相沉積 化學(xué)氣相沉積 CVD ( Chemical Vapor Deposition）是一種化學(xué)氣相生長法，把含有成膜元素的一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體供給基片，利用加熱、等離子體、紫外光乃至激光等能源，在基片表面發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)生成薄膜。(不是與基片反應(yīng))二、簡答題1、表面工程技術(shù)的特點(diǎn)與意義：表面工程技術(shù)具有一般整體材料加工技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn)主要作用在基材表面，對遠(yuǎn)離表面的基材內(nèi)部組織與性能影響不大。因此，可以制備表面性能與基材性能相差很大的復(fù)合材料。采用表面涂(鍍)、表面合金化技術(shù)取代整體合金化，

6、使普通、廉價(jià)的材料表面具有特殊的性能，不僅可以節(jié)約大量貴重金屬，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蝕性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。可以兼有裝飾和防護(hù)功能，有力推動(dòng)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。表面薄膜技術(shù)和表面微細(xì)加工技術(shù)具有微細(xì)加工功能，是制作大規(guī)模集成電路、光導(dǎo)纖維和集成光路、太陽能薄膜電池等元器件的基礎(chǔ)技術(shù)。二維的表面處理技術(shù)已發(fā)展成為三維零件制造技術(shù)（生長型制造法），不僅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使設(shè)計(jì)與生產(chǎn)速度成倍提高。表面工程技術(shù)已成為制備新材料的重要方法，可以在材料表面制備整體合金化難以做到的特殊性能合金等。式(2-7)式(2-8)2、 表面粗糙度的兩種常用表達(dá)方式及含義：1.廓

7、的算術(shù)平均偏差Ra：式中，為波峰或波谷的絕對值，n為測量的波峰或波谷的個(gè)數(shù)。 2.真實(shí)面積與投影面積之比 i ： i A i /A l 式中： A i為真實(shí)面積，A l 為的投影面積（理想的幾何學(xué)面積)3、 TLK模型的基本思想；當(dāng)溫度在0K以上時(shí)，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，晶體表面將產(chǎn)生低晶面指數(shù)的平臺、一定密度的單分子或原子高度的臺階、單分子或原子尺度的扭折，以及表面吸附的單原子及表面空位等。4、 寫出Young方程，并用圖示法說明“潤濕”與“不潤濕”；圖見書15頁7、金屬材料腐蝕控制及防護(hù)方法；1.產(chǎn)品合理設(shè)計(jì)與正確選材腐蝕及其控制是一個(gè)貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、使用和維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)的重要問題。

8、2.電化學(xué)保護(hù) 陰極保護(hù)、陽極保護(hù)陰極保護(hù)法：用電化學(xué)方法使被保護(hù)工件在工作條件下的電位移至平衡可逆電位以下，從而停止腐蝕的方法。陰極保護(hù)法實(shí)現(xiàn)途徑：(1)以被保護(hù)工件為陰極，施以外加電流；(2)以工件為陰極，以電位更負(fù)的金屬與工件相連、成為原電池的陽極(犧牲陽極)。陽極保護(hù)法：使腐蝕件的電位正移，使表面形成穩(wěn)定的鈍態(tài)而受到保護(hù)。陽極保護(hù)法實(shí)現(xiàn)途徑：(1)施加外電流，被保護(hù)工件為陽極；(2)在被保護(hù)的工件或合金中加入可鈍化的元素，使表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。9、 表面預(yù)處理的作用及主要工序； 作用：清除材料表面雜質(zhì)，露出材料(金屬)本色使并使其處于活化狀態(tài)，獲得“清潔表面”甚至“潔凈表面”，以提高

9、表面覆層的質(zhì)量以及覆層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。 表面預(yù)處理工序主要包括脫脂、除銹和獲取一定程度粗糙度的表面等幾部分。10、 常用表面淬火技術(shù)（感應(yīng)加熱、火焰加熱、激光）的基本工作原理及特點(diǎn)；（1）感應(yīng)加熱：基本原理： 表面吸收功率P： (單匝線圈、高度為1cm的圓柱形工件)工件表面不易過熱電流導(dǎo)入深度：淬硬層深度與頻率的關(guān)系：頻 工頻 10-15mm 深率 中頻 2-5mm 度增 高頻 0.2-2mm 增加 加特點(diǎn)： (優(yōu)點(diǎn))加熱迅速、熱效率高、過渡區(qū)較窄、淬火層壓應(yīng)力大； 可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。 (缺點(diǎn))設(shè)備成本較高； 尖角效應(yīng)； 一般只適合形狀簡單的零件。（2） 火焰加熱：

10、原理：將高溫火焰或燃燒著的熾熱氣體噴向工件表面，使其迅速加熱到淬火溫度，然后在一定淬火介質(zhì)中冷卻。特點(diǎn)： (優(yōu)點(diǎn))設(shè)備費(fèi)用低，方法靈活，簡便易行，可對大型零件局部實(shí)現(xiàn)表面淬火。 (缺點(diǎn))生產(chǎn)效率低，淬硬層的均勻性較差，質(zhì)量控制比較困難。（3） 激光 原理：是利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高到相變點(diǎn)以上，當(dāng)激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下，獲得淬硬層。 (自激冷淬火、自淬火)特點(diǎn)： (1)優(yōu)點(diǎn) 淬火硬度高，能量密度高，加熱速度快，不需要淬火介質(zhì)，工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡易于控制(淬火部位可控)，無氧化、無污染，易于

11、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 (2)缺點(diǎn) 硬度分布不均勻，單道激光淬火區(qū)域小，大面積淬火時(shí)容易產(chǎn)生回火軟帶。設(shè)備成本高、生產(chǎn)成本較高（能量轉(zhuǎn)換效率低）。11、 形成熱擴(kuò)滲層的基本條件及機(jī)理；形成滲層基本條件：1.滲入元素必須能夠與基體金屬形成固溶體或金屬間化合物。2.欲滲元素與基材之間必須有直接接觸。3.被滲元素在基體金屬中要有一定的滲入速度。4.(對靠化學(xué)反應(yīng)提供活性原子的熱擴(kuò)滲工藝)該反應(yīng)必須滿足熱力學(xué)條件: a)產(chǎn)生活性原子； b)反應(yīng)平衡常數(shù)>1%。. 機(jī)理（1）產(chǎn)生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面。 活性原子的提供方式：熱激活能法、化學(xué)反應(yīng)法（常用方法）。 (等離子體增強(qiáng)) （2） 滲劑

12、元素的活性原子吸附在基體金屬表面上，隨后被基體金屬所吸收，形成最初的表面固溶體或金屬間化合物，建立熱擴(kuò)滲所必須的濃度梯度。 （3） 滲劑元素原子向基體金屬內(nèi)部擴(kuò)散，基體金屬原子也同時(shí)向滲層中擴(kuò)散，使擴(kuò)滲層增厚，即擴(kuò)滲層成長過程(簡稱擴(kuò)散過程)。 擴(kuò)散的機(jī)理：間隙式擴(kuò)散（滲入原子半徑?。?、置換式擴(kuò)散和空位式擴(kuò)散機(jī)理。12、熱浸鋅層及熱浸鋁層的主要應(yīng)用；（不知道）13、常用的熱噴涂、熱噴焊工藝方法及其基本特點(diǎn)；熱噴涂工藝方法：火焰噴涂特點(diǎn)： (優(yōu)點(diǎn))設(shè)備投資少，無電力要求，操作容易，沉積效率高等 (缺點(diǎn))涂層氧含量較高，孔隙較多，焰流溫度較低，涂層種類較少，涂層結(jié)合強(qiáng)度偏低，涂層質(zhì)量不高。電弧噴涂

13、：特點(diǎn)： (優(yōu)點(diǎn))涂層密度及結(jié)合強(qiáng)度較高，噴涂速度和沉積效率高，運(yùn)行費(fèi)用較低。 (缺點(diǎn))只能用于具有導(dǎo)電性能的金屬線材。等離子噴涂特點(diǎn)：(高溫低壓等離子體) (優(yōu)點(diǎn))焰流溫度及速度高，噴涂材料適應(yīng)面廣，特別適合噴涂高熔點(diǎn)材料；涂層密度及 結(jié)合強(qiáng)度高。 (缺點(diǎn))熱效率低、沉積效率較低，設(shè)備相對復(fù)雜、價(jià)格較貴，噴涂成本高。熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)：（1）涂層及基體材質(zhì)廣泛（2）基體溫度低（3）操作靈活（4）噴涂效率高、涂層厚度范圍寬 (不足)熱效率低、材料利用率低、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較低。(三低)熱噴焊工藝方法：氧-乙炔火焰噴焊特點(diǎn)： 設(shè)備簡單、工藝簡單易學(xué)；結(jié)合強(qiáng)度高，耐沖蝕磨損性能好等離子噴焊特點(diǎn)：

14、(1)生產(chǎn)效率高、可噴焊難熔材料(材料范圍寬)； (2)稀釋率低(約5%)； (3)工藝穩(wěn)定性(重復(fù)性)好，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；(大批量加工) (4)噴焊層平整光滑，成分、組織均勻，厚度更大（0.258mm，火焰噴焊：0.23mm）且可精確控制。噴焊的基本特點(diǎn)： (1) (最大優(yōu)點(diǎn))熱噴焊層組織致密，冶金缺陷很少，與基材為冶金結(jié)合、結(jié)合強(qiáng)度高；涂層厚度大而不易開裂； (2)噴焊材料與基材必須匹配； 噴焊材料能潤濕基材 一定的溶解度(形成為熔合區(qū)) 基材熔點(diǎn)高于噴焊材料的 應(yīng)避免噴焊材料和基體熱裂紋出現(xiàn) (3)基材熱變形大； (4)噴焊層會被“稀釋”14、 鍍層按其性能特點(diǎn)可分為哪三類？ (1)防護(hù)性

15、鍍層：在大氣或其它環(huán)境下，可延緩基體金屬發(fā)生腐蝕的鍍層。 (2)防護(hù)裝飾性鍍層：在大氣環(huán)境中，既可減緩基體金屬的腐蝕，又起到裝飾作用的鍍層。 (3)功能性鍍層：能明顯改善基體金屬的某些特性的鍍層，包括耐磨鍍層，導(dǎo)電鍍層，導(dǎo)磁鍍層，釬焊性鍍層，其它功能性鍍層(吸熱鍍層、反光鍍層、防滲鍍層、抗氧化鍍層、耐酸鍍層等)21、 轉(zhuǎn)化膜的主要用途； (1)用于防護(hù)和裝飾轉(zhuǎn) (2)提高涂膜與基體的結(jié)合力 (3)耐磨減摩 (4)適用于冷成形加工 (5)電絕緣性性能特點(diǎn)；1、膜的厚度與時(shí)間非直線關(guān)系；存在極限厚度。2、孔隙度 與溶液性質(zhì)、操作條件、基體表面粗糙度等有關(guān)。 膜的孔隙度對于耐腐蝕性、耐磨性以及對于膜

16、上著色和封孔的難易程度都有很大影響。3結(jié)合力 氧化膜的結(jié)合力是非常強(qiáng)的，但沿著垂直于表面的方向易于橫斷破裂，即當(dāng)彎曲時(shí)膜成平行線破裂。4、硬度和耐磨性 陽極氧化膜非常硬，使鋁件的耐磨性大幅度提高。5、柔韌性 膜的脆性直接隨厚度增加而增加；除非劇烈變形，不會顯著影響膜的保護(hù)性能。6耐蝕性 陽極氧化膜對制件具有防護(hù)性能。制件的耐蝕性及力學(xué)性能都可大幅度提高。改善氧化膜的耐蝕性措施：(1)增加膜厚(降低陽極氧化溫度，減低酸濃度) ；(2)改善合金結(jié)構(gòu)的均勻性(降低電流密度)。7、膜的電性能 陽極氧化膜絕緣性良好。（擊穿電壓：4050V/m）8、膜的熱性能 陽極氧化膜的耐熱性非常高，隔熱性良好23、真

17、空在薄膜技術(shù)中的作用；:減少雜質(zhì)減少散射有利于蒸發(fā)等進(jìn)行24、 在蒸發(fā)鍍膜中，為什么必須精確控制蒸發(fā)源的溫度？蒸發(fā)溫度直接影響成膜速率和成膜質(zhì)量，而蒸發(fā)源是用來使磨料氣化的加熱部件，因此在蒸發(fā)鍍膜中，必須精確控制蒸發(fā)源的溫度。25、 對比PVD和CVD法中的薄膜生成過程(階段)；PVD：a、氣相粒子的產(chǎn)生：利用物理方法產(chǎn)生氣相粒子（原子、分子或原子團(tuán)） b、運(yùn)輸過程：氣態(tài)粒子傳輸?shù)交?c、淀積成膜過程：氣相粒子入射并沉積在基片表面上并凝聚成薄膜。 （凝聚、成核、核生長、形成連續(xù)薄膜）CVD：a、反應(yīng)氣體向基片擴(kuò)散； b、反應(yīng)氣體吸咐于基片的表面； c、反應(yīng)氣體在基片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； d、

18、反應(yīng)產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物被排掉，產(chǎn)生的固體物質(zhì)沉積下來成為不蒸發(fā)的固體膜。 26、 CVD的沉積條件及CVD法的特點(diǎn)。沉積條件：在沉積溫度下，反應(yīng)物必須有足夠高的蒸氣壓；反應(yīng)產(chǎn)物除薄膜為固態(tài)外，其他的必須是揮發(fā)性的；沉積薄膜本身必須有足夠低的蒸氣壓，基體材料在沉積溫度下的蒸氣壓也必須足夠低。特點(diǎn)：1、膜材廣泛：金屬、非金屬、合金等2、成膜速率較高3、效率高：基片數(shù)量大4、設(shè)備簡單：常壓或低真空5、繞射性好：氣相分子空間分布均勻6、膜層質(zhì)量好：純度高：氣相反應(yīng)且副產(chǎn)物為氣相，與其他物質(zhì)不易反應(yīng)結(jié)晶良好：溫度適宜致密性好：一般無高能氣體分子表面平滑：成核率高、成核密度大，氣相分子空間分布均勻輻射損傷低

19、：一般無高能粒子殘余應(yīng)力?。耗せ邷?cái)U(kuò)散不足：反應(yīng)溫度高；可能造成環(huán)境污染三、闡述題及論述題1、表面工程技術(shù)中，改性層與基體的結(jié)合界面的主要類型有哪些？其形成過程(形成機(jī)理)及結(jié)合強(qiáng)度的特點(diǎn)如何？各種結(jié)合界面一般出現(xiàn)在哪些常用的表面技術(shù)中？并針對某一種結(jié)合界面，說明可采取哪些主要措施來提高其結(jié)合強(qiáng)度？基于固相宏觀成分差異形成的界面（結(jié)合界面）冶金結(jié)合界面：當(dāng)覆層與基體材料之間的界面結(jié)合是通過處于熔融狀態(tài)的覆層材料沿處于半熔化狀態(tài)下的固體基材表面向外凝固結(jié)晶而形成時(shí)，覆層與基材的結(jié)合界面。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度很高技術(shù)：激光熔覆技術(shù)、堆焊與噴焊技術(shù)等。擴(kuò)散結(jié)合界面：兩個(gè)固相直接接觸，通過抽真空、加熱、加

20、壓、界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的結(jié)合界面。特點(diǎn)：技術(shù)：熱擴(kuò)滲工藝、離子注入工藝（“類擴(kuò)散”界面）等外延生長界面：當(dāng)工藝條件合適時(shí)，在（單晶）襯底表面沿原來的結(jié)晶軸向生成一層晶格完整的新單晶層的工藝過程，就稱為外延生長，形成的界面稱為外延生長界面。特點(diǎn)：理論上應(yīng)有較好的結(jié)合強(qiáng)度。具體取決于所形成的單晶層與襯底的結(jié)合鍵類型，如分子鍵、共價(jià)鍵、離子鍵或金屬鍵等。技術(shù)：氣相外延（化學(xué)氣相沉積技術(shù)等）、液相外延（電鍍技術(shù)等）化學(xué)鍵結(jié)合界面：當(dāng)覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成成分固定的化合物時(shí)，兩種材料的界面就稱為化學(xué)鍵結(jié)合界面。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度較高，界面的韌性較差技術(shù)：物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)、離子注入

21、技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、轉(zhuǎn)化膜技術(shù)等。分子鍵結(jié)合界面：涂(鍍)層與基材表面以范德華力結(jié)合的界面。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度較低。技術(shù)：部分（低溫）物理氣相技術(shù)、涂裝技術(shù)等機(jī)械結(jié)合界面：覆層與基材的結(jié)合界面主要通過兩種材料相互鑲嵌等機(jī)械連接作用而形成。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度不高技術(shù)：熱噴涂、包鍍技術(shù)、涂裝技術(shù)等2、 對比分析熱噴涂、熱噴焊、堆焊在基本工作原理、結(jié)合強(qiáng)度、稀釋率、主要應(yīng)用等方面的不同；熱噴涂、熱噴焊、堆焊技術(shù)都是利用熱能（如氧-乙炔火焰、電弧、等離子火焰等）將具有特殊性能的涂層材料熔化后涂覆在工件上形成涂層的技術(shù)，主要用于制造復(fù)合層和零件修復(fù)。三者的不同之處：1） 工作原理：a、熱噴涂是采用各種熱源使涂層材料加熱熔化或半熔化，然后用高速氣體使涂層材料加熱細(xì)化并高速撞擊到基體表面形成涂層的工藝過程B、熱噴焊是采用熱源使涂層材料在基體表面重新熔化或半熔化，實(shí)現(xiàn)涂層與基體之間、涂層內(nèi)顆粒之間的冶金結(jié)合，消除孔隙的表面處理技術(shù)C、堆焊是在零件表