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1、第一章第一章 绪论绪论材料表面工程技术材料表面工程技术1.1 表面工程简介2“承旋承旋”，酒器，东汉建武年，酒器，东汉建武年间，现藏于北京故宫博物院间，现藏于北京故宫博物院兽形盒砚，东汉制，出土于兽形盒砚，东汉制，出土于19801980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品，由石砚、盒身、盒盖三部分品，由石砚、盒身、盒盖三部分组成组成 中国古代的鎏金工艺中国古代的鎏金工艺 表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长日本刀的覆土烧刃日本刀的覆土烧刃 世界三大名刃之一世界三大名刃之一1.1 1.1 表面工程简介表面工程简介表面工程技术源远流
2、长表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长1.1 表面工程简介Raw materialenergyProductProductSurface EngineeringGood product+“Surface Engineering is treatment of the surface and near-surface regions of a material to allow the surface to perform functions that are distinct from those functions demanded from the bulk of
3、the material” -from ASM Metal Handbook“Solids are composed of a bulk material covered by a surface. The surface which bounds the bulk material is called the Surface phase. Surface engineering involves altering the properties of the Surface Phase in order to reduce the degradation over time. ” - from
4、 Wikipedia“材料表面工程是材料表面处理技术的总称”-赵文轸1.1 表面工程简介1.1 表面工程简介n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”。n表面工程是由多个学科交叉、综合、发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心，在有关的学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面技术及
5、其复合为特色，逐步形成了与其它学科密切相关的表面工程基础理论主要是：表面层失效分析理论、表面摩擦与磨损理论；表面腐蚀与防护理论；表面（界面）结合与复合理论等。 表面工程学科体系 表面工程的发展不仅在学术上丰富了材料科学、冶金学、机械学、电子学等学科，而且开辟了新的研究领域，如高能束冶金学、等离子体物理学、动态金属学、摩擦化学、微观摩擦学等。表面工程的学科体系概括为图1。表面工程学表面工程学图1表面工程基础理论表面工程基础理论表面工程技术表面工程技术表面加工技术表面加工技术表面检测技术表面检测技术表面工程技术设计表面工程技术设计 为了更有效地发挥表面工程的应用效果，在确定采用某种表面工程技术之前
6、，要进行科学的表面工程技术设计。 首先要了解对加工或者修复零件的性能要求和零件失效分析结果，如磨损、腐蚀失效分析。再针对上述要求依据工程条件进行表面工程技术的设计。 9基于学科特点的分类基于学科特点的分类“国家自然科学基金委国家自然科学基金委金属材料科学金属材料科学战略报告战略报告”1.2 材料表面工程技术的分类l 表面处理技术表面处理技术l 表面改性技术表面改性技术l 表面涂覆技术表面涂覆技术原子沉积：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。
7、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。颗粒沉积：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、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、搪瓷涂覆等。搪瓷涂覆等。整体覆盖：整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。镀、涂刷、堆焊等。表面改性：表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等
8、。而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。 1.2 材料表面工程技术的分类基于技术作用原理的分类基于技术作用原理的分类金属金属金属金属陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷高分子高分子高分子高分子复合材料复合材料复合材料复合材料1.2 材料表面工程技术的分类n金属材料层；金属材料层；n陶瓷材料层；陶瓷材料层；n高分子材料层高分子材料层n复合材料层复合材料层基于材料的分类基于材料的分类基于工艺特点的分类基于工艺特点的分类1.2 1.2 材料表面工程技术的功能与分类材料表面工程技术的功能与分类1.2 材料表面工程技术的分类基于工艺的分类基于工艺的分类工艺实现手段电镀合金电镀、复合电镀、电刷镀、非
9、晶态电镀和非金属电镀涂装特殊用途、特殊类型的新涂料和涂装工艺堆焊埋弧自动堆焊、振动电弧堆焊、CO2保护自动堆焊和等离子堆焊热喷涂火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂热扩渗固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗化学转化膜化学氧化、阳极氧化、磷酸盐膜和铬酸盐膜彩色金属整体着色、吸附着色及电解着色气相沉积化学气相沉积和物理气相沉积三束改性激光束改性、电子束改性和离子束改性n还有一些复合的表面处理技术，如：n等离子喷涂与激光辐照复合；热喷涂与喷丸复合；化学热处理与电镀复合；激光淬火与化学热处理复合；化学热处理与气相沉积复合等等141.3表面工程技术的应用n表面工程有关的表面性能n表面工程技术的应用n表面
10、工程技术的意义151.3.1表面工程有关的表面性能 分分 类类 项项 目目声学特性声反射、声吸收、声表面波可加工性精密加工性、可修补性、可焊接性、冷作硬化性 抗磨性抗磨料磨损性、抗粘着磨损性、抗腐蚀磨损性、抗冲蚀磨损性、抗微动磨损性、润滑性 保护性防锈性、耐各种水质腐蚀性、耐候性、耐药品性、抗酸碱盐腐蚀性、防污染性 热特性热障性、导热性、高温氧化性、高温软化性、高温蠕变性、抗热冲击性 转换功能光-电、热-电、光-热、力-热、力-电、磁-电电特性导电性、绝缘性、电阻特性、半导体特性 磁性磁化性、电磁屏蔽性 光特性反光性、选择吸收性、消光性 装饰性着色性、染色性、光泽性、可修饰性 力学性能耐疲劳性
11、、表面硬化、粗化、多孔性 1.3.2表 面工程技术的应用17（1）改善和美化人们生活的应用1.3.2表 面工程技术的应用18（2）在保护、优化环境中的应用净化大气 -采用化学气相沉积和溶胶-凝胶等技术制成的催化剂载体，可有效地治理被污染的大气。 净化水质 -过滤膜可采用化学气相沉积、阳极氧化和溶胶-凝胶等表面工程技术来制备。 吸附杂质 -采用表面技术制成的吸附剂，可使空气、水、溶液中的有害成分被吸附，还可去湿、除臭。 活化功能 -远红外具有活化空气和水的功能。 绿色能源 -表面工程技术是开发绿色能源的基础技术之一，许多绿色能源装置都应用了气相沉积镀膜和涂覆技术。 1.3.2表 面工程技术的应用
12、19（3）在结构材料中的应用表面防护-材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等的能力。耐磨性-在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力它与材料特性以及载荷、速度、温度等磨损条件有关。利用热喷涂、 堆焊、电刷镀和电镀等表面技术，在材料表面形成 Ni基、Co基、Fe基、金属陶瓷等覆层，可有效地 提高材料或制件的耐磨性。 嫦娥探月工程嫦娥探月工程嫦娥探月工程嫦娥探月工程高温钛合金高温钛合金铌合金（带铌合金（带高温抗氧化高温抗氧化涂层）涂层）姿姿/ /轨控发动机推力室轨控发动机推力室 实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 1、飞机发动机用高温抗氧化涂层飞机发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度使用温度：120014
13、00， 使用寿命大于使用寿命大于100h。 使用温度使用温度：1800，使用寿命大于使用寿命大于100h。2、航天火箭发动机用高温抗氧化涂层航天火箭发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度使用温度：1800以上，最高要求达到以上，最高要求达到2000 使用寿命较短，几分钟使用寿命较短，几分钟十几分钟十几分钟。 来源：来源：西北有色金属研究院西北有色金属研究院实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 22表面强化-通过表面强化处理来提高材料抵御除腐蚀和 磨损之外的环境作用的能力表面装饰-要求材料具有光亮、色泽、花纹和仿照等功能。合理地选择电镀、化学镀、氧化等表面技术，可以获得镜面镀层、全光亮镀层、亚
14、光镀层、缎状镀层，不同色彩的镀层，各种平面、立体花纹镀层、仿贵金属、仿古和仿大理石镀层等。 （4）在功能材料和元器件中的应用 231.3.2表表 面工程技术的应用面工程技术的应用 功能材料主要指具有优良的物理、化学和生物等功能，以及一些声、电、光、磁等互相转换功能，而被用于非结构目的的高技术材料，常用来制造各种装备中具有独特性能的核心部件。材料的功能特性与其表面成分、组织结构等密切相关。电学特性- 利用电镀、化学镀、气相沉积、离子注入等技术可制备具有电学特性的功能薄膜及其元器件。 磁学特性 -通过气相沉积技术和涂装等表面技术制备出磁记录介质、磁带、磁泡材料、电学屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。 24
15、光学特性- 利用电镀、化学镀、转化膜、涂装、气相沉积等方法，能够获得具有反光、光选择吸收、增透性、光致发光、感光等特性的薄膜材料。 声学特性 -利用涂装、气相沉积等表面技术，可以制备掺杂Mn-Zn铁氧体复合聚苯胺款频段的吸波涂层、红外隐身涂层、降低雷达波反射系数的纳米复合雷达隐身涂层，声反射和声吸收涂层以及声表面波器件等。热学特性-采用磁控溅射，涂装等方法制备。25生物学特性- 具有一定的生物相容性和物理化学性质的生物医学材料，利用等离子喷涂、气相沉积、等离子注入等方法形成的一用涂层，可在保持基体材料特性的基础上，提高基体表面的生物学性质、耐磨性、耐蚀性和绝缘性等，阻隔基体材料离子向周围组织溶
16、出扩散，起到改善同人体机能的作用。各种转换功能- 采用表面工程技术可获得进行光-电，热-电，光-热，力-热，磁-光等转换功能的器件1.3.2表 面工程技术的应用26（5）在再制造工程中的应用 再制造工程的内涵 -再制造工程是在维修工程和表面工程的基础上发展起来的新兴科学，是以产品全寿命周期论为指导，以实现废旧产品的性能提升为指标，以优质、高效、节能、节材和环保为准则，以先进生产技术和产业优化为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。简而言之为是废旧产品高技术修复、改造的产业。其重要特征是，再制造以后的产品质量和性能达到或超过新品，成本只是产品的50%，可节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低，可有力的促进资源节约型、环境友好型。27再制造工程的效益和特色效益体现在-废旧产品的零部件因被直接用作再制造的毛坯而不是回炉冶炼获得钢垫，避免了回炉时对能量的消耗和对环境造成的二次污染；避免了由钢锭到新零件的二次制造时对能源的再次消耗和对环境的再度污染。一方面提高了产品的绿色度，另一方面避免了成为固体垃圾而造成的环境污染。（6）在研究开发新型材料中的应用n工程意义 *
