【精编】表面工程技术

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1、MaterialsSurfaceEngineering 材料表面工程 张湘辉Zhxh 2014 09 05 CompanyLogo 2 2 材料表面工程导论 赵文轸 西安交通大学出版社 4 表面工程 徐滨士 刘世参 机械工业出版社 3 表面工程 刘新田 河南大学出版社 5 SurfaceEngineering ASMHandbook Vol 5 1994 参考文献 CompanyLogo 3 一些有用的资源 CompanyLogo 4 材料表面工程技术 气相沉积技术 6 高能束表面改性技术 7 CompanyLogo 5 学习本课程的目的和要求 学习掌握表面工程技术的基本理论和基本特点 能够根

2、据工程的需要选择相应的表面工程技术或几种技术的组合 选择所用材料和制定最佳工艺 解决工程问题 具备基本的研究与开发表面工程新技术的能力 CompanyLogo 6 材料表面工程 概论 CompanyLogo 7 第一章材料表面工程概论 主要内容 1 1表面工程的概述1 2表面工程技术的功能与分类1 3表面工程的科学体系1 4表面工程技术的应用1 5表面工程技术的发展趋势 CompanyLogo 8 1 1表面工程 SurfaceEngineering SurfaceEngineeringistreatmentofthesurfaceandnear surfaceregionsofamateri

3、altoallowthesurfacetoperformfunctionsthataredistinctfromthosefunctionsdemandedfromthebulkofthematerial fromASMMetalHandbook Solidsarecomposedofabulkmaterialcoveredbyasurface ThesurfacewhichboundsthebulkmaterialiscalledtheSurfacephase SurfaceengineeringinvolvesalteringthepropertiesoftheSurfacePhasein

4、ordertoreducethedegradationovertime fromWikipedia 材料表面工程是材料表面处理技术的总称 赵文轸 CompanyLogo 9 表面工程技术源远流长 9 承旋 酒器 东汉建武年间 现藏于北京故宫博物院 兽形盒砚 东汉制 出土于1980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品 由石砚 盒身 盒盖三部分组成 中国古代的鎏金工艺 CompanyLogo 10 表面工程技术源远流长 世界三大名刃之一 日本刀的覆土烧刃 CompanyLogo 11 1 1表面工程 1 1 1表面技术及其发展背景19世纪工业革命以来 为适应高强度 高硬度和耐磨 耐蚀 耐高温等特殊要求

5、需不断开发各种特殊的合金材料 但这些材料往往价格昂贵 因此 人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工 改变其表面性能 以适应复杂的工作环境 另外 磨损 腐蚀等失效都是首先发生在材料表面 通过对材料表面进行有效处理 可极大地提高材料寿命 基于这样的背景 逐步形成了一门新兴学科 表面工程学 CompanyLogo 12 1 1 1表面工程技术发展背景 磨损 腐蚀 断裂是机械零件工程构建的三大主要破坏形式 前二者造成经济损失占很大比重 数据 磨损 美国 美国国家材料政策委员会向美国国会提出的一份报告 摩擦磨损引起的损失1000亿美元 年 德国 1983年 前联邦德国调查 摩擦磨损损失287亿马

6、克 英国 摩擦磨损损失51500英镑 年 CompanyLogo 13 腐蚀 美国 国家标准局1978年调查 1975年腐蚀损失达820亿美元 占国民生产总值的4 9 1995年腐蚀损失达3000亿美元 中国 1983年调查 腐蚀损失400亿元 年 腐蚀和磨损均是发生于机件表面的材料流失过程 其他形式的失效过程有许多也是从表面开始 延缓和控制表面破坏的方法 促进了表面工程学的发展与形成 CompanyLogo 14 表面工程技术的背景 表面工程概念的提出始于20世纪80年代 1983年英国T Bel教授首先提出了表面工程的概念 表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学沃福森表面工程

7、研究所的建立和1985年国际刊物 表面工程 的发行 1986年10月国际热处理联合会决定接受表面工程的概念 并把自己的会名改为国际热处理及表面工程联合会 CompanyLogo 15 表面工程技术的背景 表面工程形成一门独立的学科是近20来年的事 1983年表面工程的概念被首次提出1986年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立1988年 表面工程 杂志创刊 后更名为 中国表面工程 2000年全国焊接学会原 堆焊与热喷涂专业委员会 正式更名为 堆焊及表面工程专业委员会 目前 全世界范围内 表面工程的应用已取得巨大的经济效益 而且也逐渐发展成

8、为横跨多个学科的边缘性 综合性 复合型学科 CompanyLogo 16 表面技术的定义 Rawmaterial energy Product Product SurfaceEngineering Goodproduct CompanyLogo 17 1 1 2表面技术的定义 表面工程学围绕腐蚀 摩擦与磨损和功能特性 声 光 磁 电的转换 三大因素 成为80年代后期重点发展的关键技术之一 形成表面工程学 定义 为满足特定的工程需求 使材料表面或零部件表面具有特殊的成分 结构和性能 或功能 的化学 物理方法与工艺 CompanyLogo 18 从广义上讲 表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的

9、 能为人类造福或被人们利用的技术 任何表面在通常情况下实际上都是界面 两种不同相之间的交界 称为界面 在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象 总称为表面现象 固体材料的界面有三种 表面 固体材料与气体或液体的分界面 晶界 或亚晶界 多晶体内部成分 结构相同而取向不同晶粒 或亚晶 之间的界面 相界 固体材料中成分 结构不同的两相之间的界面 表面技术主要包括 表面覆盖 在材料的表面施加各种覆盖层 表面改性 表面加工以及表面湿润 表面催化 膜技术等 CompanyLogo 19 1 1 3表面工程学的内涵 提高耐磨性 耐蚀性 抗高温氧化性能 装饰性 或具有特殊功能 如电性能 磁性能和光电性能

10、等 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 离子刻蚀技术等 即借助各种手段在材料表面合成新材料的技术 如纳米粒子制备过程中的表面工程技术 离子注入等 快速成型制造 CompanyLogo 20 内涵扩展 表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料 如金属 陶瓷 半导体材料 高分子材料 混凝土 木材和各类复合材料等 所涉及的工艺方法数以百计 各具特点 经过内涵扩展以后的表面工程技术 由单纯的表面改性扩展到表面加工和合成新材料等领域 涵盖材料科学 物理 化学 冶金 机械 电子与生物等领域 成为新型的 名副其实的交叉学科 CompanyLogo 21 1 1 3 使用表

11、面技术的目的 1 提高材料抵御环境的能力 同时具有装饰的效果 通过使用表面技术 可以提高材料在各种介质 如空气 淡水 海水 土壤 酸 碱 盐等 中的耐蚀性 还可以提高材料表面的硬度 从而提高材料的耐磨性以及耐疲劳性 有不锈钢镜面板 不锈钢丝纹板 不锈钢刻花板 不锈钢彩色板 着色铝合金制品 彩色钢板 金属表面的仿金电镀层等 CompanyLogo 22 1 1 3 使用表面技术的目的 2 赋予材料表面某种功能特性 包括光 热 电 磁 声 吸附 分离等各种物理和化学特性 3 实施特定的表面加工来制造构件 零部件和元器件等 4 修补金属表面的缺陷和磨损普遍采用热喷涂技术修复磨损件 刷镀是修补金属表面

12、磨损比较廉价的手段 特点是设备简单 操作灵活 适于野外和现场修复 特别是对于大型 精密设备的现场不解体修复 更具有独特的优点 目前刷镀技术已广泛用于修复加工超差件 以及工件表面磨损 凹坑和斑蚀等缺陷部位 CompanyLogo 23 1 1 4 表面技术迅速发展的原因 首先 表面工程技术的属性是其迅速发展的基础 表面工程具有学科的综合性 手段的多样性 广泛的功能性 潜在的创新性 环境的保护性 很强的实用性和巨大的增效性 因而受到各行各业的重视 表面工程技术既可对材料表面改性 制备多功能 防腐 耐磨 耐热 耐高温 耐疲劳 耐辐射 抗氧化以及光 热 磁 电等特殊功能 的涂 镀 渗 覆层 成倍延长机

13、件的寿命 又可对产品进行装饰 还可对废旧机件进行修复 采用表面工程措施的费用 一般虽然占产品价格的5 10 却可以大幅度地提高产品的性能及附加值 从而获得更高的利润 采用表面工程措施的平均效益高达5 20倍以上 CompanyLogo 24 1 1 4表面技术迅速发展的原因 其次 现代工业的需求是表面工程迅速发展的动力 现代工业的发展对机电产品提出了更高的要求 体积要小巧 外形要美观 而且能在高温 高速 重载以及腐蚀介质 恶劣环境下可靠持续地工作 CompanyLogo 25 问题 汽车轻量化 铝合金 表面耐磨问题突出 表面耐磨涂层 问题1 CompanyLogo 26 火箭发动机的尾喷管内壁

14、和燃烧室 需承受2000 3300 温度和巨大的热焰流冲击 飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿 由于具有几十倍的音速 并与大气层摩擦 即所谓气动加热 其温度高达4000 5000 问题2 问题 绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度 CompanyLogo 27 依靠各种形式的隔热涂层 防火涂层和烧蚀涂层 解决问题的方法 隔热防火涂层是热导率低的氧化物 氧化铝 氧化锆 氧化钍等 烧蚀涂层 有机材料加石英纤维 陶瓷纤维或碳纤维 CompanyLogo 28 CompanyLogo 29 问题 人造卫星在宇宙中的温度控制卫星表面受太阳照射的一面温度可达 200 没有被太阳照射的一面温度可低到 2

15、00 问题3 CompanyLogo 30 解决问题的方法 在太阳能的利用中 必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量 如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co Al2O3作为太阳能吸热器 使对太阳能的吸收率可达95 CompanyLogo 31 美国B 2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料 CompanyLogo 32 第三 环境保护的紧迫性是促进表面工程迅速发展的时代要求 表面工程能大量节约能源 节省资源 保护和优化环境 表面工程最大优势是能够以多种方法制备出优于基材性能的表面功能薄层 该薄层厚度一般从几十微米到几毫米 仅占工件厚度的几百分之一到几十分之一 却使工件具有了比基材更高的

16、耐磨性 抗腐蚀性和耐高温性能 CompanyLogo 33 在热工设备及高温环境下 用表面处理技术在设备 管道及部件上施加隔热涂层 可减少热损失 在高 中温炉内壁涂以远红外辐射涂层可节电约30 用表面沉积铬层的塑料部件替代汽车上某些金属部件如铬板等 可减轻汽车质量 增加单位燃料平均行驶里程 也可间接收到节能的效果 广泛应用的电镀工艺产生大量工业废水 造成环境污染 沉积新技术可部份取代电镀 有利于环境保护 CompanyLogo 34 韩国 美女 都是人造的 CompanyLogo 35 隆鼻材料 CompanyLogo 36 为了改善人工植入材料与肌体的生物相容性 需在植入材料制成的器件上沉积第三种材料的薄膜 CompanyLogo 37 第四 现代科技成果为表面工程的迅速发展提供了技术支撑 计算机的广泛应用和推广 提高了表面工程技术设备的自动化程度 改善了表面涂层的制备效率和质量 使得表面工程技术设计可用数值模拟方法 新能源和新材料等技术的发展 加速了表面工程技术的发展 CompanyLogo 38 例如 离子束 电子束和激光束三束技术的发展 使得具有高效率和高质量的高密度能源的表面