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1、1 表面工程及其在船舶机械中的应用 丁 彰 雄 武汉理工大学能源与动力工程学院 二00八年四月 2 表面工程及其在船舶机械中的应用 l表面工程概述 l热喷涂技术及其应用 l表面工程技术在船机零件中的应用 3 表面工程概论 l机械设备的失效方式 l表面工程的概念 l表面工程的特点 l表面工程的意义 l表面工程技术的发展 l表面工程技术的分类 4 机械设备的失效方式 l腐蚀:气、水及化学介质的作用使零部件表面产生腐蚀。 l磨损:工件之间的相互运动产生磨损。 l氧化:零部件工作在高温中表面会产生氧化。 l侵蚀:工件因接触高温金属熔体或其它熔体而被侵蚀。 l疲劳断裂:工件承受扭转或弯曲等交变载荷作用而
2、产生疲 劳断裂。 l 各种机电产品的失效中约70%是由腐蚀和磨损造成的 。我国每年因腐蚀所造成的经济损失至少达8000亿元,占 国民生产总值(GNP)的24%。 5 表面工程的概念 1.表面工程是将固体材料表面预处理后,通过表面 涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理,改变 固体材料表面的形态、化学成分和组织结构,以 获得所需要的表面性能的系统工程。 表面工程的学科体系包括:表面工程基础理 论、表面工程技术及复合表面技术、表面加工技 术、表面质量检测与控制、表面工程技术设计等 。 2. 表面工程基础理论:表面失效分析、表面摩擦 与磨损、表面腐蚀与防护、表面界面结合与复合 。 6 表面工程的概念
3、3. 表面工程技术: 1)表面改性技术:物理气相沉积(PVD)、化学 气相沉积(CVD)、离子注入、激光热处理、 电子束技术、电镀、刷镀、化学镀、热喷涂技 术、堆焊、粘涂技术等。 2)表面加工技术:即能够在材料表面加工或制作 各种功能结构元器件的有关技术,如:光刻技 术、离子刻蚀技术。 3)表面合成材料技术:如离子注入。 4)表面加工三维合成技术。 7 表面工程的特点 1. 表面工程技术是传统技术和高新技术的结合和贯 通。如:化学热处理、热喷涂技术、“三束”表面 强化。 2表面工程技术兼有基础和实用性,它涵盖理论 和应用,融合水平和效益。 3表面工程技术的特色是多种表面技术的复合和 综合。如:
4、热喷涂与激光重熔的复合、化学处理 与电镀的复合、表面强化与固体润滑膜的复合, 金属材料基体与非金属材料涂层的复合等。 8 表面工程的意义 1. 满足社会生产及人民生活的需要 表面工程技术应用在钟表、手饰、灯具、餐具、家具及仿古 建筑等方面。 2. 通过表面处理大幅度提高产品质量 1) 拉丝轮:国产寿命半年,而日本进口的是五年。 2) 风机叶轮:表面处理后提高寿命三倍以上。 3. 节约贵重材料:许多零件可以采用复合结构如气阀、高级 模具。 4. 实现材料表面复合化,解决单一材料无法解决的问题。如 :切削刀具:CVD镀TiN、TiC薄膜。 5. 良好的节能、节材效果。如:发热元件表面的远红外辐射
5、涂层,能提高热效率;汽车发动机全铝化、铝合金气缸套的 耐磨涂层使用。 9 表面工程的意义 6. 促进了新兴工业的发展。 1) 热障涂层:ZrO2Y2O3、ZrO2MgO、ZrO2CeO2等 。 2) 烧蚀涂层:有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维 。 3) 超大规模集成电路中的金刚石薄膜(CVD技术)、绝 缘膜、导电涂层等。 4) 非晶态薄膜:气相沉积、电镀、刷镀、激光等方法制 造。 5) 原子核反应器中的高温抗氧化涂层。 6) 纳米涂层:纳米结构ZrO2Y2O3涂层、Al2O3涂层及 Co/WC涂层。 10 表面工程的意义 7. 表面工程促进了机械维修创新 1)1984年美国“技术评论”提倡
6、旧品翻新或再 生并称为“重新制造”, 2005年美国再制造 产值已超过1000亿美元,100万人就业。 2)21世纪七大关键技术:表面工程技术、计 算机科学、生命科学、新能源技术、新材料 技术、信息技术、先进制造技术。 3)日本提出了“再生工厂技术”的概念。 4)再制造目前已在我国得到了广泛的重视。 11 表面工程技术的发展 1. 传统的表面工程技术:表面热处理、表 面渗碳及油漆技术。 1)秦兵马俑宝剑表面是采用铬盐氧化工艺 处理;“唐三彩”的处理工艺。 2)高分子涂装技术:50年代油性涂料、天 然树脂涂料合成树脂水系涂料。 3)传统的表面淬火:火焰加热高频加热 激光束、电子束淬火。 12 表
7、面工程技术的发展 4)渗碳工艺:自动控制、离子渗碳改善渗碳质 量和速度。 5)电镀及电刷镀技术:纯金属镀Zn、Cr、Ni 、Cu镀覆多种合金复合金属陶瓷镀层 纳米刷镀层。 6)热喷涂技术:装饰性和防护性涂层到制备各 种功能性涂层,如:气阀涂层、活塞环涂层 等。由单一涂层发展到产品失效分析、表面 预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层系统 设计和涂层后加工在内的热喷涂系统工程。 13 表面工程技术的发展 2. 新的表面工程技术 1)激光表面处理: 激光表面淬火、激光熔敷、激光表面 合金化及激光熔凝。 2)电子束表面处理:电子束淬火、电子束表面合金化、 电子束熔敷、电子束非晶化及熔凝。 3)离子注入:
8、可获得过饱和固溶体、非晶态和某些化合 物。 4)化学气相沉积(CVD)。 5)物理气相沉积(PVD)法:真空蒸发、溅射、离子镀 等方法沉积成膜。 14 表面工程技术的发展 3. 表面工程概念的提出和发展的重要标志 1)表面工程概念的提出始于20世纪80年代; 2)重要标志:1983英国伯明翰大学表面工程研究所的建 立;1985年表面工程国际刊物的发行。 3)1985年召开了第一届国际表面工程会议。 4)1986年10月在布达佩斯召开的国际热处理联合会决 定接受表面工程学科,并改名为国际热处理及表面工 程联合会。 5)1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立。 6)1988年中国表面工程创刊
9、发行,1998年改名为 中国表面工程。 7)1993年中国机械工程学会表面工程分会成立。 15 表面工程技术的分类 1. 按工艺特点进行分类:电镀、化学镀、热渗镀、热 喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相 沉积、“三束”改性及表面热处理,形变强化及衬里 。 2. 按学科特点分类 1)表面合金化技术:喷熔、堆焊、离子注入、激光熔 敷、热渗镀等。 2)表面覆层与覆膜技术:热喷涂、电镀、化学镀、化 学转化处理、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、 热渗镀等。 3)表面组织转化技术:激光、电子束热处理以及喷丸 、辊压等表面加工硬化技术。 16 表面工程技术的分类 3. 按作用原理分类: 1) 原子
10、沉积:电镀、化学镀、PVD用CVD等。 2) 颗粒沉积:热喷涂、搪瓷涂敷等。 3) 整体涂层:包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆 焊等。 4) 表面改性:喷丸、化学热处理、激光表面处 理、电子束表面处 理、离子注入等。 17 表面工程技术的分类 4. 按表面改性的目的或性质分类 1) 表面减摩和耐磨技术 2) 表面耐蚀抗氧化技术 3) 表面强化(提高疲劳强度)技术 4) 表面装饰技术 5) 功能表面技术 6) 表面修复技术 18 表面工程技术的分类 5. 按表面工程技术的特点 1) 表面改性技术:激光淬火、感应加热淬火、 喷丸、PVD、CVD、化学溶液沉积法、热喷 涂与喷熔、堆焊等。 2) 表面微细
11、加工技术:光刻和腐蚀、离子束刻 蚀。 3) 表面加工三维成型技术:快速原型制造、无 模快速制造技术。 4) 表面合成新材料技术。 19 表面工程技术的分类 6. 按表面改性的机制分类:表面相变改性、合金 化改性、覆盖层改性及形变改性。 1) 表面合金化:离子轰击热处理、电化学热处理 、激光化学热处理、离子注入、离子混合或重 熔。 2) 表面相变改性:激光束加热、电子束加热、感 应加热、火焰加热。 3) 表面覆盖层改性:物理气相沉积、化学气相沉 积、电镀、化学镀、热喷涂、有机无机涂层 4) 表面形变改性:喷丸、喷砂、碾(滚)压。 20 热喷涂技术及应用 1. 热喷涂原理 2. 涂层结构及特性 3
12、. 涂层的结合机理 4. 热喷涂分类 5.热喷涂的特点 6.热喷涂的应用 7.热喷涂技术发展概况 21 热喷涂原理 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热到熔化 或熔融状态,借助于焰流或外加的推力使粒子 沉积到一种经过制备的表面形成某种功能的沉 积层。在喷涂过程中或涂层形成后,对基体金 属和涂层加热,使涂层在基体表面熔融,并和 基体产生扩散或互熔,形成与基材冶金结合的 喷熔层,称为热喷熔(简称喷熔)。 22 热喷涂原理 23 热喷涂过程 1)喷涂材料被加热熔化:喷涂材料在不同的热 源作用下加热熔化; 2)熔滴雾化:在焰流或压缩空气的作用下熔滴 破碎和雾化; 3)高速飞行:在焰流和其它气体作用下加速;
13、4) 碰撞变形及淬冷凝固:在产生碰撞瞬间,颗 粒的动能转化成热能付给基材,并沿预处理的 凹凸不平表面产生变形,变形的颗粒迅速冷凝 并产生收缩,呈扁平状粘结在基材表面。 24 热喷涂过程 25 涂层的结构与特性 1.涂层层状结构:由大量相互平行的碟形 粒子互相粘结而成; 2.涂层的多孔结构:粒子碰撞、变形和冷 凝等过程的时间极短; 3.涂层中存在氧化物夹杂:其数量取决于 热源,材料和喷涂条件; 4.涂层的各向导性:层状结构各向异性 。 5.涂层残余应力。 26 涂层的结构与特性 27 涂层的结构与特性 1.涂层的结构是被微细氧化物和孔洞层错 分隔的系列薄片材料的堆积层。 2.涂层经过适当的处理后
14、,其结构会发生 变化。例如:涂层经过重熔处理,就消 除了涂层中的氧化物夹杂和孔隙,层状 结构成为均质结构,涂层与基体表面的 结合状态也发生了变化。 28 涂层的结合机理 1. 机械结合:熔融状态的喷涂粒子在与基本表面碰撞时, 其变形粒子与基体表面的凹凸粗糙面机械地咬合“抛锚 效应”。 2. 物理结合:涂层与基体表面的粘附是由范德瓦耳斯力所引 起的,范德瓦耳斯力是中性原子或分子之间的结合力,又 称为金属键结合力。 3. 化学或显微冶金结合:当基体表面被高温微粒熔化和与它 们发生反应而形成金属间化合物时,其涂层和基体表面的 结合为化学结合,当喷涂粒子与基体表面原子形成互相扩 散时,就称为显微冶金结
15、合。 29 热喷涂分类 线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂 气体燃烧火焰法 粉末火焰喷涂、爆炸喷涂 超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔 电弧喷涂 大气等离子喷涂 热 真空等离子喷涂 喷 气体放电法 等离子喷涂 保护气体等离子喷涂 涂 水稳等离子喷涂 超音速等离子喷涂 等离子喷熔 电热法:高频喷涂、线材电爆喷涂 激光热源:激光喷涂、激光喷熔 30 热喷涂的优点 1. 喷涂材料的选择范围广泛,它几乎包括所有的 固体材料。如:金属及其合金、陶瓷及金属陶瓷 、塑料及各种复合材料; 2. 选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表 面上进行喷涂; 3. 一般不受施工场所的限制,既可以在室内喷涂 ,又可以现场施工; 4. 一般不受工件尺寸及形状限制,既能喷涂薄及 小的工件,又能对大工件进行施工; 5. 涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制 ; 31 热喷涂的优点 6. 除喷熔外,工件的受热程度小; 7. 能使涂层具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热、 导电、绝缘、密封、减磨、辐射及电子发射等不同功 能或使涂层具有复合功能; 8. 喷涂生产效率高,一般的生产效率为每小时数公斤, 有的工艺可达每小时数十公斤; 9. 与其它堆焊方法相比,火焰喷熔和等离子喷熔层的冲 淡率较低,而且表面成型平整、光滑、加工余量小、 节省合金材料; 10. 废旧件修复后,还能比新件具有更高的性能和