01第一章-現(xiàn)代表面工程技術(shù)課件

2021/6/41現(xiàn)代表面工程技術(shù)

ModernSurfaceEngineeringandTechnology

銅陵學院機械工程系王東生2021/6/42總學時:36h,其中課堂教學:34h，隨堂考試（開卷）:2h成績組成

總成績=平時成績（50%）+考試（50%）

2021/6/43主要內(nèi)容1.緒論2.表面工程技術(shù)的基礎理論3.表面的失效與防護4.基體表面前處理技術(shù)5.表面工程技術(shù)6.表面分析和性能測試7.表面工程與再制造5.1電鍍、化學鍍5.2表面涂敷5.3表面改性5.4氣相沉積5.5復合表面處理技術(shù)2021/6/44教材及參考資料教材:現(xiàn)代表面工程技術(shù)，姜銀方主編，北京:機械工業(yè)出版社參考書目:現(xiàn)代表面技術(shù)，錢苗根等編著，北京:機械工業(yè)出版社金屬材料表面新技術(shù)，趙文珍，西安:西安交通大學出版社面向二十一世紀的表面工程，徐濱士，北京:機械工業(yè)出版社表面工程手冊，李國英主編，北京:機械工業(yè)出版社表面涂層技術(shù)，陳學定，韓文政，北京:機械工業(yè)出版社表面工程與維修，徐濱士，朱紹華等，北京:機械工業(yè)出版社2021/6/45一些有用的資源2021/6/462021/6/47教學目的通過本課程學習系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術(shù)的基本理；能合理選擇并應用這些新的表面工程術(shù)；解決材料表面硬度、強度、耐磨性與心部強韌性之間的矛盾；充分發(fā)揮材料性能的潛力；延長產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。2021/6/48神奇的表面工程2021/6/49第一章:緒論主要內(nèi)容:1.1表面工程技術(shù)的發(fā)展背景1.2表面工程技術(shù)的學科體系1.3表面工程技術(shù)的應用1.4表面工程技術(shù)的發(fā)展趨勢2021/6/410第一章:表面技術(shù)概論表面技術(shù)是直接與各種表面現(xiàn)象或過程有關的,能為人類造?；虮蝗藗兝玫募夹g(shù)。2021/6/411表面工程技術(shù)源遠流長11“承旋”,酒器,東漢建武年間,現(xiàn)藏于北京故宮博物院獸形盒硯,東漢制,出土于1980年陜西臨潼姜寨新石器時代墓葬品,由石硯、盒身、盒蓋三部分組成中國古代的鎏金工藝

2021/6/412日本刀的覆土燒刃

世界三大名刃之一表面工程技術(shù)源遠流長2021/6/413表面工程形成一門獨立的學科是近20來年的事:1983年表面工程的概念被首次提出1986年國際熱處理聯(lián)合會更名為國際熱處理與表面工程聯(lián)合會1987年中國機械工程學會表面工程研究所成立1988年《表面工程》雜志創(chuàng)刊，后更名為《中國表面工程》2000年全國焊接學會原“堆焊與熱噴涂專業(yè)委員會”正式更名為“堆焊及表面工程專業(yè)委員會”。目前，全世界范圍內(nèi)，表面工程的應用已取得巨大的經(jīng)濟效益，而且也逐漸發(fā)展成為橫跨多個學科的邊緣性、綜合性、復合型學科

表面工程發(fā)展歷史2021/6/414表面工程技術(shù)日益得到重視的主要原因:1）

社會生產(chǎn)、生活的需要2）

通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量3）

節(jié)約貴重材料4）

實現(xiàn)材料表面復合化,解決單一材料無法解決的問題5）

良好的節(jié)能、節(jié)材效果6）

促進了新興工業(yè)的發(fā)展2021/6/415應用實例汽車輕量化→鋁合金→表面耐磨問題突出→表面耐磨涂層火箭發(fā)動機的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室:需承受2000～3300℃溫度和巨大的熱焰流沖擊2021/6/416應用實例2飛船或者洲際導彈的頭部錐體和翼前沿:由于具有幾十倍的音速，并與大氣層摩擦，即所謂氣動加熱，其溫度高達4000～5000℃:問題:絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。解決問題的方法:依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。隔熱防火涂層是熱導率低的氧化物:氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。燒蝕涂層:有機材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。2021/6/417應用實例3人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制:問題:衛(wèi)星表面受太陽照射的一面溫度可達+200℃，沒有被太陽照射的一面溫度可低到-200℃2021/6/418應用實例4航天飛機外殼了要防熱材料和涂層:如美國洛克希德導彈與航天公司了一種LI-900全氧化硅絕熱氈特性:1）重量輕，整個體積的95%都是空的。2）

為防水、耐蝕以主散熱，表面加涂了一種碳化硅涂層，該涂層可把90%的入射熱反射掉，而剩下10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕。2021/6/419應用實例5在太陽能的利用中,必須利用涂層來吸收太陽光譜中所有波段的能量。如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽能吸熱器,使對太陽能的吸收率可達95%2021/6/420來源:西北有色金屬研究院嫦娥探月工程高溫鈦合金鈮合金（帶高溫抗氧化涂層）姿/軌控發(fā)動機推力室

具體應用實例-高溫抗氧化涂層

2021/6/421難熔金屬Nb在高溫下易發(fā)生氧化,其高溫氧化物不具備保護作用,使材料的力學性能急劇下降,嚴重影響性能。來源:西北有色金屬研究院鈮在180℃開始發(fā)生緩慢氧化,450℃以下的氧化物具有保護作用,450℃~600℃氧化膜的晶體體積發(fā)生變化（從4.36變到5.17),開始出現(xiàn)粉化,600℃~700℃其氧化速度與氧壓成正比關系,700℃~850℃內(nèi)層氧化膜起控制作用,850℃以上氧化產(chǎn)物完全為Nb2O5具體應用實例-高溫抗氧化涂層2021/6/4221、飛機發(fā)動機用高溫抗氧化涂層：使用溫度：1200~1400℃，使用壽命大于100h。使用溫度：1800℃，使用壽命大于100h。2.航天火箭發(fā)動機用高溫抗氧化涂層：使用溫度：1800℃以上，最高要求達到2000℃使用壽命較短，幾分鐘——十幾分鐘。來源:西北有色金屬研究院具體應用實例-高溫抗氧化涂層

2021/6/423表面技術(shù)倍受重視的原因表面新技術(shù)的出現(xiàn)之所以受到重視，不僅僅在于重要的學術(shù)價值，這是因為:1）

材料物理、化學性能及其變化都從表面開始；2）隨著器件的微型化，表面/體相的原子比增大，會出現(xiàn)許多新的特性；3）材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎等。2021/6/424世界各發(fā)達國家均對表面工程高度重視:如美國工程科學院早在十幾年前為美國國會提供的2000年前集中力量加強發(fā)展的9項新科學技術(shù)中,有關材料方面的僅有材料表面科學與表面技術(shù)的研究。2021/6/425一、使用表面技術(shù)的目的（1）

提高材料抵御環(huán)境作用能力。（2）

賦予材料表面某種功能特性。包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等等各種物理和化學性能。（3）

實施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等。2021/6/426工程意義*提高材料和工件的可靠性,延長其使用壽命*制備具有特殊功能的表面*對節(jié)能降耗與再制造的特殊貢獻*滿足人們精神文化生活的需要科學價值

*材料制備與合成的新技術(shù)*為新技術(shù)發(fā)展提供工藝和材料支持*多學科交叉,促進新的學術(shù)研究課題2021/6/427表面工程的工程意義

零件在服役過程中,主要失效的形式為:腐蝕(Corrosion)、磨損(Wear)、疲勞(Fatigue)、斷裂(Fracture)背景:現(xiàn)代工業(yè)要求產(chǎn)品能在更高參數(shù)(如高溫,高壓,高速)、高度自動化和更惡劣的工況條件下更長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn).這就必然對工件表面的抗磨損、耐腐蝕等性能提出了更高的要求。2021/6/428材料表面是普遍存在的,它的物理、化學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能與材料內(nèi)部均不一樣,過去材料科學研究對象主要集中于塊體材料,近來則更加重視對表面與界面的研究,如納米結(jié)構(gòu)材料的研究。伴隨著表面技術(shù)的開發(fā)和完善,又會有很多新的科學問題出現(xiàn)。表面工程相關的科學問題

2021/6/429表面技術(shù)表面技術(shù)主要通過表面涂覆和表面改性技術(shù)來提高材料抵御環(huán)境作用能力和賦予材料表面某種功能特性。表面涂覆:主要采用各種涂層技術(shù)。表面改性技術(shù):用機械、物理、化學等方法，改變材料表面的形貌、化學成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應力狀態(tài)。2021/6/430表面工程技術(shù)的目的和作用表面工程技術(shù)的主要目的:就是在于通過表面處理使材料表面按人們希望的性能進行改變。具體說:表面工程技術(shù)是在不改變基體材料的成分、不削弱基體材料的強度的條件下，通過物理手段或化學手段賦予材料表面以特殊的性能，從而滿足工程技術(shù)上對材料提出的要求的技術(shù)。表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性能2021/6/431二、與表面現(xiàn)象有關的一些表面技術(shù)

1）

表面濕潤和反濕潤技術(shù)2）

表面催化技術(shù)3）

膜技術(shù)4）

表面化學技術(shù)本課程將主要學習:表面覆蓋、表面改性和表面加工等表面技術(shù)。2021/6/432第二節(jié)表面工程技術(shù)的分類按學科特點將表面技術(shù)大致劃分為三個方面:1）

表面合金化:包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等。2）

表面覆層與覆膜技術(shù):包括熱噴涂、電鍍、化學轉(zhuǎn)化處理、化學鍍、氣相沉積、涂裝、堆焊、金屬染色、熱浸鍍等。3）

表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù):包括激光、電子束熱處理技術(shù)以及噴丸、輥壓等表面加工硬化技術(shù)。2021/6/433表面技術(shù)Matton分類法按照作用原理，表面技術(shù)可以分為以下四種基本類型（Matton分類法）:1）原子沉積:沉積物以原子、離子、分子和粒子集團等原子尺度的粒子形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如電鍍、化學鍍、物理氣相沉積、化學氣相沉積等。2）顆粒沉積:沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如熱噴涂、搪瓷涂敷等。3）整體覆蓋:4）表面改性:用機械、物理、化學等方法，改變材料表面的形貌、化學成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應力狀態(tài)。2021/6/434材料表面工程技術(shù)按工藝特點分電鍍、化學鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面彩色、氣相沉積、“三束”改性以及表面熱處理、形變強化和襯里等13類2021/6/435金屬陶瓷高分子復合材料材料表面工程技術(shù)的分類

金屬材料層；陶瓷材料層；高分子材料層復合材料層基于材料的分類2021/6/436表面技術(shù)的廣泛的涵義，包括:1）

表面技術(shù)的基礎和應用理論。2）

表面處理技術(shù)。它又包括表面覆蓋技術(shù)、表面改性技術(shù)和復合表面處理技術(shù)三部分。3）

表面加工技術(shù)。4）

表面分析和測試技術(shù)5）

表面工程技術(shù)設計。2021/6/437表面工程有關的表面性能

分類

項目一般機械性能韌性、強度、塑性、抗疲勞性、硬度、疏松度（空隙度）、殘余應力可加工性精密加工性、可修補性、可焊接性、冷作硬化性抗磨性抗磨料磨損性、抗粘著磨損性、抗腐蝕磨損性、抗沖蝕磨損性、抗微動磨損性、潤滑性保護性防銹性、耐各種水質(zhì)腐蝕性、耐候性、耐藥品性、抗酸堿鹽腐蝕性、防污染性熱特性熱障性、導熱性、高溫氧化性、高溫軟化性、高溫蠕變性、抗熱沖擊性電特性導電性、絕緣性、電阻特性、半導體特性電磁性磁化性、電磁屏蔽性光特性反光性、選擇吸收性、消光性裝飾性著色性、染色性、光澤性、可修飾性2021/6/438第三節(jié)表面技術(shù)的應用一、表面技術(shù)應用的廣泛性和重要性二、表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機械零部件上的應用工具、模具、主要起:防護、耐磨、強化、修復、裝飾等。2021/6/439三、表面技術(shù)在功能材料和元器件上的應用光學特性、電學特性、磁學特性、熱學特性、化學特性、工能轉(zhuǎn)換磁記錄材料、雙金屬、防護涂層四、表面技術(shù)在人類適應、保護和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應用抗菌滅菌TiO2,生物醫(yī)學材料,2021/6/440第四節(jié)

表面技術(shù)的發(fā)展材料表面改性和強化問題引起國內(nèi)外材料科學界的極大關注,學術(shù)研究異?；钴S,舊的工藝被不斷革新,新的工藝技術(shù)相繼問世,工程應用不斷擴大。2021/6/441究其原因，主要是:（1）高新技術(shù)的發(fā)展對機件質(zhì)量的要求越來越高，如要求高耐磨、強耐蝕、抗高溫及各種特殊功能。而現(xiàn)有的材料往往不能滿足需要。（2）器件的微型化，使表面問題更為突出。（3）人們希望通過表面改質(zhì)，以普通材料代替昂貴材料以降低成本。2021/6/442材料表面工程是一門新興的邊緣學科材料表面工程是一門很新的邊緣學科,它不但涉及到諸如表面物理學、表面化學、金屬學、陶瓷學、