表面工程与其在船舶机械中应用

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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