01第一章 现代表面工程技术

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1、现代表面工程技术Modern Surface Engineering and Technology,总学时: 36h , 其中 课堂教学: 34 h，随堂考试（开卷）：2h,成绩组成,总成绩 = 平时成绩（50%）+考试（50%）,主要内容,1. 绪论 2. 表面工程技术的基础理论 3. 表面的失效与防护 4. 基体表面前处理技术 5. 表面工程技术 6. 表面分析和性能测试 7. 表面工程与再制造,5.1 电镀、化学镀 5.2 表面涂敷 5.3 表面改性 5.4 气相沉积 5.5 复合表面处理技术,教材及参考资料,教材：现代表面工程技术，姜银方主编，北京：机械工业出版社 参考书目： 现代表面

2、技术，钱苗根等编著，北京：机械工业出版社 金属材料表面新技术，赵文珍，西安：西安交通大学出版社 面向二十一世纪的表面工程，徐滨士，北京：机械工业出版社 表面工程手册，李国英主编，北京：机械工业出版社 表面涂层技术，陈学定，韩文政，北京：机械工业出版社 表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，北京：机械工业出版社,一些有用的资源,教学目的,通过本课程学习 系统地掌握现代表面处理技术的基本理； 能合理选择并应用这些新的表面工程术； 解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心部强韧性之间的矛盾； 充分发挥材料性能的潜力； 延长产品使用寿命和提高产品质量。,神奇的表面工程,第一章：绪论,主要内容： 1.1 表面工程

3、技术的发展背景 1.2 表面工程技术的学科体系 1.3 表面工程技术的应用 1.4 表面工程技术的发展趋势,第一章：表面技术概论,表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术。,表面工程技术源远流长,11,“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,日本刀的覆土烧刃,世界三大名刃之一,表面工程技术源远流长,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

4、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，而且也逐渐发展成为横跨多个学科的边缘性、综合性、复合型学科,表面工程发展历史,表面工程技术日益得到重视的主要原因：,1）社会生产、生活的需要 2）通过表面处理大幅度提高产品质量 3）节约贵重材料 4）实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题 5）良好的节能、节材效果 6）促进了新兴工业的发展,应用实例,汽车轻量化铝合金表面耐磨问题突出

5、表面耐磨涂层 火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室： 需承受20003300温度和巨大的热焰流冲击,应用实例2,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40005000： 问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。 解决问题的方法：依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。 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。,应用实例3,人造卫星在宇宙中的温度控制： 问题：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-200,应用实例4,航天飞机外

6、壳了要防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹与航天公司了一种LI-900全氧化硅绝热毡特性： 1） 重量轻，整个体积的95%都是空的。 2）为防水、耐蚀以主散热，表面加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉，而剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。,应用实例5,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%,来源：西北有色金属研究院,嫦娥探月工程,姿/轨控发动机推力室,具体应用实例-高温抗氧化涂层,难熔金属 Nb 在高温下易发生氧化，其高温氧化物不具备保护作用，使材料的力学性能急剧下降

7、，严重影响性能。,来源：西北有色金属研究院,铌在180开始发生缓慢氧化，450 以下的氧化物具有保护作用，450 600 氧化膜的晶体体积发生变化（从4.36变到5.17)，开始出现粉化，600 700 其氧化速度与氧压成正比关系，700 850 内层氧化膜起控制作用，850 以上氧化产物完全为Nb2O5,具体应用实例-高温抗氧化涂层,1、飞机发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度：12001400， 使用寿命大于100h。 使用温度：1800，使用寿命大于100h。 2、航天火箭发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度：1800以上，最高要求达到2000 使用寿命较短，几分钟十几分钟。,来源：西北有色

8、金属研究院,具体应用实例-高温抗氧化涂层,表面技术倍受重视的原因,表面新技术的出现之所以受到重视，不仅仅在于重要的学术价值，这是因为： 1）材料物理、化学性能及其变化都从表面开始； 2）随着器件的微型化，表面/体相的原子比增大，会出现许多新的特性； 3）材料表面的研究是许多高新技术的理化基础等。,世界各发达国家均对表面工程高度重视：,如美国工程科学院早在十几年前为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。,一、使用表面技术的目的,（1） 提高材料抵御环境作用能力。 （2）赋予材料表面某种功能特性。包括光、电、磁、热、声、吸附、

9、分离等等各种物理和化学性能。 （3） 实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。,工程意义 * 提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命 * 制备具有特殊功能的表面 * 对节能降耗与再制造的特殊贡献 * 满足人们精神文化生活的需要 科学价值 * 材料制备与合成的新技术 * 为新技术发展提供工艺和材料支持 * 多学科交叉，促进新的学术研究课题,表面工程的工程意义,零件在服役过程中,主要失效的形式为： 腐蚀 (Corrosion)、磨损 (Wear)、 疲劳(Fatigue)、 断裂 (Fracture),背景：现代工业要求产品能在更高参数(如高温,高压,高速)、高度自动化 和更恶劣的工况条件

10、下更长期稳定运转.这就必然对工件表面的 抗磨损、耐腐蚀等性能提出了更高的要求。,材料表面是普遍存在的，它的物理、化学性质、结构、性能与材料内部均不一样，过去材料科学研究对象主要集中于块体材料，近来则更加重视对表面与界面的研究，如纳米结构材料的研究。 伴随着表面技术的开发和完善，又会有很多新的科学问题出现。,表面工程相关的科学问题,表面技术,表面技术主要通过表面涂覆和表面改性技术来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。 表面涂覆：主要采用各种涂层技术。 表面改性技术：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。,表面工程技术的目的和

11、作用,表面工程技术的主要目的：就是在于通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。 具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。 表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能,二、与表面现象有关的一些表面技术,1） 表面湿润和反湿润技术 2） 表面催化技术 3） 膜技术 4） 表面化学技术 本课程将主要学习：表面覆盖、表面改性和表面加工等表面技术。,第二节 表面工程技术的分类,按学科特点将表面技术大致划分为三个方面： 1） 表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷

12、、热渗镀等。 2） 表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。 3） 表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。,表面技术Matton分类法,按照作用原理，表面技术可以分为以下四种基本类型（Matton分类法）： 1） 原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。 2） 颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。 3） 整体覆盖： 4）表面改性：用机械、物理、化学等方法，

13、改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。,材料表面工程技术按工艺特点分,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”改性以及表面热处理、形变强化和衬里等13类,材料表面工程技术的分类,金属材料层； 陶瓷材料层； 高分子材料层 复合材料层,基于材料的分类,表面技术的广泛的涵义，包括：,1） 表面技术的基础和应用理论。 2） 表面处理技术。它又包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术三部分。 3） 表面加工技术。 4） 表面分析和测试技术 5） 表面工程技术设计。,表面工程有关的表面性能,第三节 表面技术的应用,一、 表面技

14、术应用的广泛性和重要性 二、 表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用 工具、模具、 主要起：防护、耐磨、强化、修复、装饰等。,三、 表面技术在功能材料和元器件上的应用 光学特性、电学特性、磁学特性、热学特性、化学特性、工能转换 磁记录材料、双金属、防护涂层 四、 表面技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用 抗菌灭菌TiO2, 生物医学材料，,第四节 表面技术的发展,材料表面改性和强化问题引起国内外材料科学界的极大关注，学术研究异常活跃，旧的工艺被不断革新，新的工艺技术相继问世，工程应用不断扩大。,究其原因，主要是： （1） 高新技术的发展对机件质量的要求越来越高，如要求高耐磨

15、、强耐蚀、抗高温及各种特殊功能。而现有的材料往往不能满足需要。 （2） 器件的微型化，使表面问题更为突出。 （3） 人们希望通过表面改质，以普通材料代替昂贵材料以降低成本。,材料表面工程是一门新兴的边缘学科,材料表面工程是一门很新的边缘学科，它不但涉及到诸如 表面物理学、 表面化学、 金属学、 陶瓷学、 高分子学、 传热学、 传质学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术。,表面工程技术的发展趋势,研究复合表面技术 完善表面工程技术设计体系 开发多种功能涂层 研究开发新型涂层材料 深化表面工程基础理论和测试方法的研究 扩展表面工程的应用领域 积极为国家巨大工程建设服务 向自动化、智能化的方向展 降低对环保的负面效应,思考题,1 材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展？ 2 表面工程技术的目的和作用是什么？ 3 为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科？,