現(xiàn)代表面工程技術(shù)(自)

現(xiàn)代表面工程技術(shù)

ModernSurfaceEngineeringandTechnology北華航天工業(yè)學(xué)院緒論

應(yīng)用實(shí)例1：汽車輕量化→鋁合金→表面耐磨問題突出→表面耐磨涂層火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室：需承受2000～3300℃溫度和巨大的熱焰流沖擊應(yīng)用實(shí)例2：飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿：由于具有幾十倍的音速，并與大氣層摩擦，即所謂氣動(dòng)加熱，其溫度高達(dá)4000～5000℃：?jiǎn)栴}：絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。解決問題的方法：依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。燒蝕涂層：有機(jī)材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。應(yīng)用實(shí)例3人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制：?jiǎn)栴}：衛(wèi)星表面受太陽照射的一面溫度可達(dá)+200℃，沒有被太陽照射的一面溫度可低到-200℃應(yīng)用實(shí)例4在太陽能的利用中，必須利用涂層來吸收太陽光譜中所有波段的能量。如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽能吸熱器，使對(duì)太陽能的吸收率可達(dá)95%一.表面工程學(xué)的定義與內(nèi)涵磨損、腐蝕、斷裂是機(jī)械零件工程構(gòu)建的三大主要破壞形式。前二者造成經(jīng)濟(jì)損失占很大比重。磨損：美國(guó)國(guó)家材料政策委員會(huì)向美國(guó)國(guó)會(huì)提出的一份報(bào)告：摩擦磨損引起的損失1000億/年；材料損失約為200億.1983年，前聯(lián)邦德國(guó)調(diào)查，摩擦磨損損失287億馬克；英國(guó)摩擦磨損損失51500英鎊/年；腐蝕：美國(guó)：Battelle實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局1978年調(diào)查：

1975年腐蝕損失達(dá)820億美元，4.9%（占國(guó)民生產(chǎn)總值）

1995年腐蝕損失達(dá)3000億美元

我國(guó)：1983年調(diào)查：400億元/年腐蝕磨損均是發(fā)生于機(jī)件表面的材料流失過程，其他形式的失效過程有許多也是從表面開始→延緩和控制表面破壞→促進(jìn)表面工程學(xué)的發(fā)展與形成。表面工程學(xué)圍繞腐蝕、摩擦與磨損和功能特性（聲，光，磁，電的轉(zhuǎn)換）三大因素成為80年代重點(diǎn)發(fā)展的7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，形成表面工程學(xué)。表面工程技術(shù)日益得到重視的主要原因：

1）

社會(huì)生產(chǎn)、生活的需要2）

通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量3）

節(jié)約貴重材料4）

實(shí)現(xiàn)材料表面復(fù)合化，解決單一材料無法解決的問題5）

良好的節(jié)能、節(jié)材效果6）

促進(jìn)了新興工業(yè)的發(fā)展世界各發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)表面工程高度重視：如美國(guó)工程科學(xué)院早在幾年前為美國(guó)國(guó)會(huì)提供的2000年前集中力量加強(qiáng)發(fā)展的9項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學(xué)與表面技術(shù)的研究。1985年，[表面工程]國(guó)際刊物發(fā)行1986年，國(guó)際熱處理聯(lián)合會(huì)改名為國(guó)際熱處理與表面工程聯(lián)合會(huì)；中國(guó)：1987年成立中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程研究所；

1988年，創(chuàng)辦[表面工程]雜志，現(xiàn)改版為[中國(guó)表面工程]。表面工程是多學(xué)科交叉，綜合，復(fù)合系統(tǒng)為特色，逐步發(fā)展的新興學(xué)科，以“表面”“界面”為研究核心。表面工程技術(shù)是指：為滿足特定的工程需求，使材料表面或另部件表面具有特殊的成分，結(jié)構(gòu)和性能（或功能）的化學(xué)，物理方法與工藝。見圖形樹表面工程學(xué)研究的內(nèi)容表面工程技術(shù)的目的和作用表面工程技術(shù)的主要目的：就是在于通過表面處理使材料表面按人們希望的性能進(jìn)行改變。具體說：表面工程技術(shù)是在不改變基體材料的成分、不削弱基體材料的強(qiáng)度的條件下，通過物理手段或化學(xué)手段賦予材料表面以特殊的性能，從而滿足工程技術(shù)上對(duì)材料提出的要求的技術(shù)。表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性能二.表面技術(shù)的分類按學(xué)科特點(diǎn)將表面技術(shù)大致劃分為三個(gè)方面：

1）

表面合金化：包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等。2）

表面覆層與覆膜技術(shù)：包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、堆焊、金屬染色、熱浸鍍等。3）

表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)：包括激光、電子束熱處理技術(shù)以及噴丸、輥壓等表面加工硬化技術(shù)。材料表面工程技術(shù)按工藝特點(diǎn)分

電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面彩色、氣相沉積、“三束”改性以及表面熱處理、形變強(qiáng)化和襯里等13類三.表面技術(shù)的應(yīng)用(一)

表面技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和重要性(二)

表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用工具、模具、主要起：防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾等。(三)

表面技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用光學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性、化學(xué)特性、工能轉(zhuǎn)換磁記錄材料、雙金屬、防護(hù)涂層(四)

表面技術(shù)在人類適應(yīng)、保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應(yīng)用抗菌滅菌TiO2,生物醫(yī)學(xué)材料，四.

表面技術(shù)的發(fā)展材料表面改性和強(qiáng)化問題引起國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的極大關(guān)注，學(xué)術(shù)研究異?；钴S，舊的工藝被不斷革新，新的工藝技術(shù)相繼問世，工程應(yīng)用不斷擴(kuò)大。究其原因，主要是：（1）

高新技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)件質(zhì)量的要求越來越高，如要求高耐磨、強(qiáng)耐蝕、抗高溫及各種特殊功能。而現(xiàn)有的材料往往不能滿足需要。（2）

器件的微型化，使表面問題更為突出。（3）

人們希望通過表面改質(zhì)，以普通材料代替昂貴材料以降低成本。材料表面工程是一門新興的邊緣學(xué)科材料表面工程是一門很新的邊緣學(xué)科，它不但涉及到諸如表面物理學(xué)、表面化學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的理論，而且其本身也溶入了諸多學(xué)科的新技術(shù)。教學(xué)目的通過本課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術(shù)的基本原理；能合理選擇并應(yīng)用這些新的表面工程技術(shù)；解決材料表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性與心部強(qiáng)韌性之間的矛盾；充分發(fā)揮材料性能的潛力；延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。第一章固體表面的主要特性一、材料表面物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu)，通常稱為某一相。嚴(yán)格地說，相是系統(tǒng)中均勻的、與其他部分有界面分開的部分。所謂均勻的，是指這部分的成分和性質(zhì)從給定范圍或宏觀來說是相同的，或是以一種連續(xù)的方式變化，也就是沒有突然的變化。在一定溫度和壓力下，含有多個(gè)相的系統(tǒng)為復(fù)相系。兩種不同相之間的交界區(qū)稱為界面。固體材料的界面有三種：（l）表面——固體材料與氣體或液體的分界面。（2）晶界（或亞晶界）——多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。（3）相界——固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。我們研究的對(duì)象是表面。對(duì)于固體材料與氣體界面，又有兩種不同的對(duì)象：（1）清潔表面（2）實(shí)際表面清潔表面清潔表面——經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場(chǎng)效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下外來沾污少到不能用一般表面分析方法探測(cè)的表面。實(shí)際表面實(shí)際表面——暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。二、清潔表面結(jié)構(gòu)

1．清潔表面的一般情況依熱力學(xué)的觀點(diǎn)，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到這種穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：一是自行調(diào)整，原子排隊(duì)列情況與材料內(nèi)部明顯不同；二是依靠表面成分偏析和表面對(duì)外來原子或分子的吸附以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)，因而使表面組分與材料內(nèi)部不同。晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過4～6個(gè)原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實(shí)際上只有幾個(gè)原層子范圍。晶體表面的缺陷：平臺(tái)、臺(tái)階、扭折、表面吸附、表面空位、位錯(cuò)。各種材料表面上的點(diǎn)缺陷類型和濃度都依一定條件而定，最為普遍的是吸附。表2-3幾種清潔表面的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)TLK模型（Terrace,Ledge,Kink）單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射（LEED）等表面分析結(jié)果所證實(shí)1．表面弛豫：

表面上原子相對(duì)于正常位置的位移。晶體的三維周期性在表面處突然中斷，表面上原子的配位情況發(fā)生變化，并且表面原子附近的電荷分布也有改變，使表面原子所處的力場(chǎng)與體內(nèi)原子不同，因此表面上的原子會(huì)發(fā)生相對(duì)于正常位置的上下位移以降低體系的能量。表面馳豫的最明顯處是表面第一層原子與第二層之間距離的變化，越深入體相，弛豫效應(yīng)越弱，并且是迅速消失。2．表面重構(gòu)在平行基底的表面上，原子的平移對(duì)稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整，這種表面結(jié)構(gòu)稱為重構(gòu)（或再構(gòu)）。3.表面臺(tái)階結(jié)構(gòu)（清潔表面的臺(tái)階結(jié)構(gòu)）三、實(shí)際表面結(jié)構(gòu)1．表面粗糙度從宏觀看，經(jīng)過切削、研磨、拋光的固體表面似乎很平整，然而從微觀角度觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)表面有明顯的起伏、同時(shí)不可能有裂縫、空洞等。（1）

輪廓算術(shù)平均偏差：Ra（2）

微觀不平度+點(diǎn)高度：Rz（3）

輪廓最大高度：Ry2．貝爾比層和殘余應(yīng)力固體材料經(jīng)過切削加工后，在幾個(gè)微米或者十幾個(gè)微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化，既造成一定程度的晶格畸變。這種晶格的畸變隨深度變化，而在最外的，約5nm-10nm厚度可能會(huì)形成一種非晶態(tài)層。這層非晶態(tài)稱為貝爾比層。其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。貝爾比層具有效高的耐磨性和耐蝕性。材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力按其作用范圍分為：宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力兩類。3.表面氧化、吸附和沾污殘余應(yīng)力四.固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附１吸附的基本特性物體表面上的原子或分子力場(chǎng)不飽和，有吸附周圍其他物質(zhì)分子的能力，即所謂吸附作用．吸附是固體表面最重要的性質(zhì)之一.有二類：物理吸附----范得華力.作用力小.

化學(xué)吸附----化學(xué)鍵作用力大.物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別比較項(xiàng)物理吸附化學(xué)吸附吸附熱接近液化熱1-40kJ.mol-1接近反應(yīng)熱40-400kJ.mol-1吸附力范德華力，弱化學(xué)鍵，強(qiáng)吸附層單分子層或多分子層僅單分子層吸附選擇性無有吸附速率快慢吸附活化能不需需要，且較高吸附溫度低溫較高溫度吸附層結(jié)構(gòu)基本等同吸附分子結(jié)構(gòu)形成新的化合態(tài)２固體對(duì)氣體的吸附任何氣體在其臨界Ｔ下，都會(huì)吸附于固體表面，即發(fā)生物理吸附．物理吸附不發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，最多只有電子云中心的變動(dòng)．物理吸附容易解吸，為可逆過程；氣體發(fā)生化學(xué)吸附則是有選擇性的.

H2可以在Ni的表面發(fā)生化學(xué)吸附，而在Al上則不能。對(duì)大多數(shù)金屬而言，吸附強(qiáng)度按下列排列：

O2C2H2C2H4COH2CO2N2氣相沉積薄膜，氣體滲C，滲N等。化學(xué)吸附很難解吸，為不可逆過程；3固體對(duì)液體的吸附電解質(zhì)吸附：使表面帶電或帶電層的組織發(fā)生變化，產(chǎn)生離子交換。電鍍非電解吸附：?jiǎn)畏肿游饺芤赫?；溶液?fù)吸附；固體對(duì)液體的吸附也分為物理吸附和化學(xué)吸附。潤(rùn)滑油普通潤(rùn)滑油，極化了長(zhǎng)鏈油分子與金屬表面發(fā)生較弱的分子引力結(jié)合形成物理吸附膜，16烷與T有關(guān)化學(xué)吸附往往是首先形成物理吸附，然后在界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸附，結(jié)合能高，不可逆。硬酸脂與FeO作用生成硬脂酸鐵皂膜適用于較高溫度4固體表面之間的吸附兩表面必須靠近到原子間距的范圍內(nèi)，才能產(chǎn)生固體表面吸附。新鮮玻璃絲用粘附功描述粘附程度：表面污染影響很大。鐵在水銀，空氣中5吸附對(duì)材料力學(xué)性能的影響—萊賓杰爾效應(yīng)由于環(huán)境介質(zhì)的作用，材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性等力學(xué)性能下降的現(xiàn)象。例：玻璃、石膏吸附水蒸氣后，強(qiáng)度下降；銅表面覆蓋熔融薄膜后，使塑性大大下降。萊賓杰爾效應(yīng)具有如下顯著特征：環(huán)境介質(zhì)的影響有很明顯的化學(xué)特征；

使表面活化的金屬水降低Zn的和，但對(duì)鎘無影響，雖然同族，同晶格點(diǎn)陣。2.只要很少量的表面活性物質(zhì)就可以產(chǎn)生萊氏效應(yīng)；

微米級(jí)的薄膜就可導(dǎo)致脆性破壞，與溶解和腐蝕不同；幾滴活性熔融金屬就能引起低應(yīng)力解理脆性斷裂；3.表面活性熔融物的作用十分迅速；4.表面活性物的作用是可逆的；去除后性能恢復(fù)5.萊氏效應(yīng)的產(chǎn)生需要拉應(yīng)力與活性物質(zhì)同時(shí)起作用；沿晶界擴(kuò)散例外機(jī)理：是金屬表面對(duì)活性介質(zhì)的吸附，使表面原子的不飽和鍵得到補(bǔ)償，使表面能降低，改變了表面原子之間的相互作用，使金屬的表面強(qiáng)度降低。6.固體表面潤(rùn)濕

潤(rùn)濕現(xiàn)象與機(jī)理

液體在固體表面鋪展的現(xiàn)象，稱為潤(rùn)濕。

水滴與玻璃、石蠟親水疏水用潤(rùn)濕角來描述潤(rùn)濕程度90為潤(rùn)濕，越小，潤(rùn)濕越好；90為不潤(rùn)濕；=0和=180時(shí)，則稱為完全潤(rùn)濕和完全不潤(rùn)濕。7.固體表面潤(rùn)濕的大小與界面張力有關(guān)：三力互相平衡，合力為0，有：第2章金屬磨損基本理論

2.1金屬磨損基本概念一.磨損的定義和分類定義：兩個(gè)相互接觸和運(yùn)動(dòng)的表面，產(chǎn)生摩擦，物質(zhì)不斷損耗或產(chǎn)生殘余變形。磨損是近十幾年來迅速發(fā)展起來的一門邊緣科學(xué)。它是發(fā)生在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面上的一種復(fù)雜現(xiàn)象。由于材料的耐磨性不像力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能那樣屬于材料固有的性能，而是受到摩擦學(xué)系統(tǒng)一系列接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)等多方面因素的影響，而成為一個(gè)系統(tǒng)的性能。材料磨損理論是專門研究材料的磨損失效形式、磨損機(jī)理、影響磨損的因素、磨損的監(jiān)視與監(jiān)控方法、耐磨材料以及耐磨表面技術(shù)的新學(xué)科，涉及到機(jī)械、物理、冶金和化學(xué)等諸多學(xué)科，具有多學(xué)科邊緣性、交叉性等特點(diǎn)。分類：二.磨損評(píng)定參數(shù)在評(píng)定和描述磨損特性和行為時(shí)，常用磨損量、相對(duì)磨損量、磨損系數(shù)和耐磨性等參數(shù)，具體如下：

(1)磨損量分為長(zhǎng)度磨損量（是指磨損過程中試樣或零件表面尺寸的改變量）、體積磨損量和重量磨損量。(2)相對(duì)磨損量其一為磨損速度，是指磨損量與磨損時(shí)間之比；其二為磨損率，是指單位磨損距離的磨損量。(3)磨損系數(shù)其定義有兩種：

(4)耐磨性材料的耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨損的特性。材料耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。材料相對(duì)耐磨性是指兩種材料在相同的外部條件下磨損量的比值，其中材料之一的是標(biāo)準(zhǔn)（或參考）試樣。絕對(duì)耐磨性即用磨損量或磨損率的倒數(shù)表示。耐磨性使用最多的是體積磨損量的倒數(shù)，也可用體積磨損率、體積磨損強(qiáng)度或體積的倒數(shù)表示。三.磨損過程1.跑合階段：特點(diǎn)：短時(shí)間內(nèi)磨損量急劇增加注意：該階段曲線斜率取決于摩擦副表面質(zhì)量、潤(rùn)滑條件和載荷；磨合階段結(jié)束后，應(yīng)清除摩擦副中的磨屑，更換潤(rùn)滑油，才能進(jìn)入滿負(fù)荷正常使用階段。跑合階段穩(wěn)定磨損階段急劇磨損階段2.正常磨損階段特點(diǎn)：隨工作時(shí)間延長(zhǎng)而均勻、緩慢增長(zhǎng)，屬于自然磨損。“壽命”注：與摩擦表面工作條件，技術(shù)維護(hù)好壞關(guān)系極大，使用保養(yǎng)得好，可延長(zhǎng)磨損壽命，從而提高設(shè)備的可靠性與有效利用率。3.急劇磨損階段原因：1）零件耐磨性較好的表層被破壞，次表層耐磨性顯著降低；2）配合間隙增大，出現(xiàn)沖擊載荷；3）摩擦力與摩擦功耗增大，使溫度升高，潤(rùn)滑狀態(tài)惡化，材料腐蝕與性能劣化等，最終設(shè)備會(huì)出現(xiàn)故障或事故。注：不能繼續(xù)使用，應(yīng)維修或更換2.2粘著磨損1.定義：在法向載荷下，兩個(gè)相對(duì)滑動(dòng)的表面，在局部發(fā)生相互焊合，使一個(gè)表面的材料移到另一個(gè)表面所引起的磨損。2.機(jī)理：由于宏觀光滑的表面上，從微觀尺度看總是粗糙不平的，當(dāng)兩個(gè)表面貼合時(shí)，接觸的將只是表面上的一些比較高的突點(diǎn)。它們支撐著整個(gè)載荷，承受很大的壓應(yīng)力，以至使很多微凸體發(fā)生了塑性變形。與此同時(shí)，實(shí)際接觸面積增加。一直增加到足以承受全部外加載荷而不發(fā)生變形為止。而在相距大約1nm的接觸突點(diǎn)間，將出現(xiàn)強(qiáng)烈的短程交互作用力。因此，如果沒有表面膜存在，兩個(gè)接觸表面將通過上述原子間的作用力發(fā)生粘著。當(dāng)這兩個(gè)表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，粘合（或焊合）點(diǎn)將被剪掉。如果剪斷正好發(fā)生在界面上，那就不會(huì)發(fā)生磨損；如果剪斷是發(fā)生在距界面一定距離的部位，則金屬就會(huì)從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移至另一個(gè)表面，從而產(chǎn)生粘著磨損3.根據(jù)磨損程度，常把粘著磨損分成以下四種：涂抹

剪切發(fā)生在離粘著結(jié)合點(diǎn)不遠(yuǎn)的較軟金屬的淺表層內(nèi)，軟金屬涂抹在硬金屬表面上形成輕微磨損。但隨正壓力加大，磨損將顯著加劇。如鉛基合金零件與鋼對(duì)磨時(shí)，鉛基合金便涂抹在鋼表面上，此時(shí)，較軟金屬的抗剪強(qiáng)度小于界面處的焊合強(qiáng)度，而硬金屬的抗剪強(qiáng)度高于界面處的焊合強(qiáng)度。擦傷

剪切發(fā)生在軟金屬亞表面層內(nèi)，有時(shí)硬金屬表面也被劃傷，鋁合金零件與鋼摩擦?xí)r就是這樣，擦傷時(shí)接觸表面的抗剪強(qiáng)度既大于軟金屬，也大于硬金屬。轉(zhuǎn)移到金屬表面的粘著物對(duì)軟金屬有犁削作用。粘焊

粘焊又稱為膠合，它的實(shí)質(zhì)是固相的焊合。當(dāng)然也不能排除液相的發(fā)生及作用。以塑性變形為主要原因引起的粘焊，分子吸引起重要作用，這種冷焊叫第一類膠合。由于摩擦熱，接觸表面溫度升高為主要原因引起的粘焊稱為熱粘著或第二類膠合。咬卡

當(dāng)外力不能克服界面的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將被迫停止。這種現(xiàn)象叫做咬卡或咬死。4.影響因素1）金屬的互溶性影響2）金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與硬度的影響3）載荷與速度的影響4）其它膜的影響5.粘著磨損一般產(chǎn)生在如下情況下：1）缺潤(rùn)滑油情況下2）雖有潤(rùn)滑，但由于速度高、載荷重，溫度高或潤(rùn)滑劑使用不當(dāng)，潤(rùn)滑膜破裂，金屬接觸，導(dǎo)致粘著磨損。具體零件如：活塞環(huán)與汽缸套；滑動(dòng)軸承與軸頸；蝸輪與蝸桿6.減少粘著磨損的措施1）合理潤(rùn)滑2）選擇互溶性小的材料配對(duì)3）金屬與非金屬配對(duì)4）適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?.3磨粒磨損1.定義：工件表面的硬突出物和外來硬質(zhì)顆粒在加工時(shí)刮擦模具表面，引起模具表面材料脫落的現(xiàn)象稱為磨粒磨損。磨粒磨損的機(jī)理如圖所示。2.幾種狀況1）兩體磨損2）三體磨損3）微凸體磨損3.特征：在磨料磨損過程中，形成磨屑的機(jī)制主要有兩種:1)由塑性變形機(jī)制引起的去除過程當(dāng)磨料與塑性材料表面接觸時(shí)，主要會(huì)發(fā)生兩種主要的材料去除過程A.犁溝------材料受磨損的擠壓向兩側(cè)產(chǎn)生隆起。這種過程并不會(huì)直接引起材料的去除，但在多次變形后會(huì)產(chǎn)生脫落而形成二次切屑B.微觀切削------材料在磨料作用下發(fā)生如刨削一樣的切削過程。這種過程可直接造成材料去除，形成一次切屑.2)由斷裂機(jī)制引起的去除過程這種過程在脆性材料中顯得特別重要。例如陶瓷、碳化物和玻璃等，它們對(duì)于斷裂破壞十分敏感。圖表示由于斷裂機(jī)制形成徑向、中間及橫向裂紋的示意圖。3)在磨料磨損過程中兩種機(jī)制的轉(zhuǎn)換無論是塑性材料或脆性材料，都可能同時(shí)發(fā)生塑性變形及斷裂兩種機(jī)制。只是由于磨損環(huán)境條件及材料特性不同，某一種磨損機(jī)制會(huì)占主導(dǎo)地位，而且，常常隨條件的變化發(fā)生一種磨損機(jī)制向另一種機(jī)制的轉(zhuǎn)換。應(yīng)當(dāng)指出，斷裂機(jī)制要比塑性變形造成的材料損失大得多。因?yàn)樵趯?shí)際狀況中，材料的去除往往是塑性變形機(jī)制和斷裂機(jī)制綜合作用的結(jié)果，因此，材料的磨損率與一般的機(jī)械性能沒有簡(jiǎn)單的關(guān)系。4.磨料磨損的影響因素1）磨料特性磨料硬度對(duì)材料的磨損率有明顯的影響。這種影響的是以材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值為標(biāo)志的。由此可見，當(dāng)磨料硬度高于被磨材料的硬度時(shí)，磨損與磨料硬度有關(guān)；當(dāng)被磨材料的硬度接近于磨料硬度時(shí)，磨損減慢；而當(dāng)磨料硬度低于被磨材料時(shí)，隨兩者差別的增大，磨損急劇減小。實(shí)際情形下，即使是磨料很軟，由于沖擊的作用或者軟磨料中摻有硬磨料等因素，也會(huì)導(dǎo)致工件的磨損。磨料尺寸（粒度）對(duì)磨料磨損也有一定的影響當(dāng)磨料在某一臨界尺寸以下時(shí)，體積磨損隨磨料尺寸的增大而急劇的按比例增加；當(dāng)超過這一臨界尺寸時(shí)，磨損增大的幅度顯著降低。不同材料的直線斜率不同，臨界尺寸也略有區(qū)別。磨料形狀（尖銳度）對(duì)磨料磨損過程也有明顯的影響。由于各種磨料的形狀難以測(cè)量和定量區(qū)別一般僅定性的將磨料形狀區(qū)分為三種典型類型：即尖銳型、多角型和圓型。2）材料機(jī)械性能和微觀組織的影響某些純金屬和鋼的相對(duì)耐磨性與宏觀硬度之間的關(guān)系。各種組織的耐磨性隨硬度增加而增加，然而，在同樣硬度條件下，奧氏體、貝氏體優(yōu)于珠光體，這個(gè)結(jié)論已被許多工程實(shí)踐結(jié)果所證明。各種類型鋼在不同含碳量和熱處理?xiàng)l件下，由于獲得不同的組織類型和含量使耐磨性有相當(dāng)大的變化2.4疲勞磨損在循環(huán)應(yīng)力作用下，兩接觸面相互運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的表層金屬疲勞剝落的現(xiàn)象稱為疲勞磨損。在工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，會(huì)承受一定的作用力，工件的表面和亞表面存在多變的接觸壓力和切應(yīng)力，這些應(yīng)力反復(fù)作用一定的周期后,工件表面就會(huì)產(chǎn)生局部的塑性變形和冷加工硬化現(xiàn)象。在那些相對(duì)薄弱的地方，會(huì)由于應(yīng)力集中而形成裂紋源，并在外力的作用下擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到金屬表面或與縱向裂紋相交時(shí)，便形成磨損剝落。1.點(diǎn)蝕與剝落點(diǎn)蝕與剝落是機(jī)器零件表面上接觸疲勞損傷的典型特征。1)點(diǎn)蝕(1)點(diǎn)蝕裂紋一般都從表面開始，向內(nèi)傾斜擴(kuò)展（與表面成10°～30°），最后二次裂紋折向表面，裂紋以上的材料折斷脫落下來即成點(diǎn)蝕，因此單個(gè)的點(diǎn)蝕坑的表面形貌常表現(xiàn)為“扇形”或“貝殼形”。(2)根據(jù)裂紋的擴(kuò)展方向?qū)⑿纬牲c(diǎn)蝕的具體過程分為兩種情況：一種是裂紋的開口迎向接觸點(diǎn)（見圖）。在這種情況下，由于接觸壓力產(chǎn)生的高壓油波會(huì)以極高的速度進(jìn)入裂紋，對(duì)裂紋產(chǎn)生強(qiáng)大的液體沖擊，同時(shí)配對(duì)的接觸表面又可能將裂紋口封閉，使裂紋內(nèi)的油壓進(jìn)一步增高，從而使裂紋向縱深擴(kuò)展。裂紋的縫隙越大，作用在裂紋壁上的壓力也越大。這時(shí)裂紋與表面之間的小塊金屬猶如一個(gè)懸臂梁承受彎曲載荷，當(dāng)其根部強(qiáng)度不夠時(shí)就將發(fā)生折斷，在表面形成點(diǎn)蝕坑。另一種情況是裂紋方向背離接觸點(diǎn)（見圖。這時(shí)當(dāng)裂紋開口逐漸進(jìn)入接觸區(qū)，由于開口沒有被封閉，潤(rùn)滑油被擠出，因此這種裂紋不會(huì)擴(kuò)展，也不會(huì)發(fā)展成為點(diǎn)蝕。2)剝落剝落就其本質(zhì)來講，與點(diǎn)蝕是相同的，都屬于接觸疲勞失效的形式，但其特征有所區(qū)別。剝落裂紋一般起源于亞表層內(nèi)部較深的層次（如可達(dá)幾百微米），沿與表面平行的方向擴(kuò)展，最后形成片狀的剝落坑。2.疲勞磨損一般發(fā)生在哪些情況？點(diǎn)蝕：主要發(fā)生在軟齒面得齒輪；原因：設(shè)計(jì)不良、嚙合齒數(shù)太少、齒形加工不良、表面粗糙度差、安裝精度低，造成局部接觸應(yīng)力過高以及表面粗糙引起的摩擦力增大，使表面切向引力很高，導(dǎo)致表面裂紋的萌生。剝落：齒輪、滾動(dòng)軸承、凸輪等是疲勞磨損常發(fā)生的零件；原因：由于亞表層的缺陷（大塊碳化物、夾雜物等）、表面硬化層與心部交界處的殘余應(yīng)力過大。3.提高疲勞磨損的途徑凡是能阻止疲勞裂紋形成與擴(kuò)展的措施都能減少疲勞磨損。具體途徑：

a.減少材料中的脆性夾雜物；

b.適當(dāng)?shù)挠捕?/p>

c.提高表面加工質(zhì)量

d.表面處理e.潤(rùn)滑4.微動(dòng)磨損1）定義國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織曾出版了關(guān)于摩擦學(xué)的名詞和定義，將微動(dòng)損傷描述為兩個(gè)表面之間發(fā)生小振幅相對(duì)振動(dòng)引起的磨損現(xiàn)象，即通常稱謂的“微動(dòng)磨損”。如果微動(dòng)損傷中化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)占重要地位則稱為微動(dòng)腐蝕。遭受微動(dòng)磨損的部件，在微動(dòng)磨損產(chǎn)生的同時(shí)，或在微動(dòng)作用停止后，受到循環(huán)應(yīng)力，出現(xiàn)疲勞強(qiáng)度降低，甚至早期斷裂的現(xiàn)象稱為微動(dòng)疲勞。

例：鍵聯(lián)接表面、過盈或過渡配合表面、機(jī)體上用螺栓聯(lián)接的表面；主要危害：使配合精度下降，緊配合的機(jī)體變松，更嚴(yán)重的是引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致零件疲勞斷裂。2）磨損過程接觸首先發(fā)生在大量分散于表面的微凸體上，微動(dòng)初期少量磨屑落入谷內(nèi)（圖a）隨著磨屑量增加，谷被填滿，這時(shí)磨屑開始起作用而使磨損變成磨粒磨損。獨(dú)立而分散的微凸體被磨掉，許多微凸體合并成一個(gè)小平臺(tái)（圖b)。磨屑進(jìn)一步增加，并開始從接觸區(qū)溢出進(jìn)入鄰近的洼谷區(qū)（圖c)。接觸區(qū)中壓力再分布，中心區(qū)垂直壓力增高，邊緣壓力降低，因此中心的磨粒磨損比較嚴(yán)重，凹坑也迅速加深，最終使許多相鄰的小坑合并成較大的坑（圖d)。

例：蒸汽錘的錘頭與錘桿是緊配合，常常由于微動(dòng)摩擦而導(dǎo)致錘桿或錘頭的疲勞斷裂。3）微動(dòng)磨損的影響因素與分析a.材料性能b.載荷影響c.振幅的影響d.表面處理的影響5.沖蝕磨損1）定義沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象。造成沖蝕的粒子通常都比較硬，但流動(dòng)速度高時(shí)，軟粒子甚至水滴也會(huì)造成沖蝕。沖蝕磨損已經(jīng)成為許多工業(yè)部門中材料破壞原因之一，按英國(guó)的估計(jì)，它約占工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的磨損破壞總數(shù)的8%。沖蝕磨損機(jī)理示意圖2）硬粒子沖蝕特點(diǎn)：粒子小而松散，平均直徑小于1mm，沖擊速度在500m/s以內(nèi)，粒子硬度高于被沖蝕材料表面硬度。例：空氣中的塵埃和沙粒會(huì)沖蝕損傷飛機(jī)的機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)；用氣流輸送的物料會(huì)沖蝕輸送管道，特變是彎頭；水中的砂粒會(huì)沖蝕水輪機(jī)及船用螺旋槳葉片等；3）液滴沖蝕軟粒子沖蝕中的一種特殊情況。當(dāng)液滴高速?zèng)_擊機(jī)件表面時(shí)，會(huì)造成機(jī)件表面的損傷。如:穿過雨層的飛機(jī)殼體或?qū)?，就容易出現(xiàn)這種情況。6.氣蝕1）定義由于金屬表面的氣泡發(fā)生破裂，產(chǎn)生瞬間的高溫和沖擊，使零件表面形成微小的麻點(diǎn)和凹坑的現(xiàn)象。2）特征：零件表面出現(xiàn)麻點(diǎn)、氣孔嚴(yán)重時(shí)表面呈現(xiàn)蜂窩孔，小孔直徑1mm，深度達(dá)20mm;一般發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套、水泵泵殼與葉輪、熱交換器管道及其他水力機(jī)械。3）氣蝕破壞機(jī)理（過程）：振動(dòng)、攪動(dòng)——壓力波動(dòng)——?dú)怏w形成氣泡——壓力向高壓波動(dòng)、氣泡快速移動(dòng)——沖向機(jī)件、潰滅——疲勞損壞、脫落——縱深破壞，伴隨腐蝕4）減少氣蝕的措施a.減少液體內(nèi)壓力波動(dòng)b.選用強(qiáng)度高，抗腐蝕性能好的材料c.零件表面覆蓋高強(qiáng)度的耐蝕層d.對(duì)封閉或循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的液體可采取降溫措施或添加緩蝕劑及防乳化油7.腐蝕磨損1）定義：在腐蝕介質(zhì)中工作的摩擦副受到腐蝕與摩擦的綜合作用所造成的表面破會(huì)。2）過程：腐蝕介質(zhì)侵蝕摩擦表面——形成腐蝕產(chǎn)物——摩擦而脫落——露出新表面——又迅速被腐蝕——形成新的腐蝕層——如此反復(fù)，不斷磨耗；磨損和腐蝕——交互作用、相互影響a.腐蝕對(duì)磨損的影響腐蝕降低材料力學(xué)性能，降低耐磨性，從而加速磨損b.磨損對(duì)腐蝕的影響磨損——氧化膜破壞，局部露出新鮮的金屬——腐蝕加快3）常見的腐蝕介質(zhì)水、氧（尤其大于150度）、硫化氫氣體、二氧化硫氣體、海水、礦物質(zhì)、有機(jī)酸、許多生產(chǎn)流程中的液體和氣體，一般發(fā)生在化工、制藥、化肥、造紙等機(jī)械中的攪拌器、泵、閥、管等。4）防止方法a.消除引起腐蝕的介質(zhì)；b.降低溫度c.非金屬代金屬d.試用銅合金代替鋼e.如需用硬度高的表面，試用陶瓷金屬表面工程技術(shù)

第4章熱噴涂技術(shù)

一、熱噴涂技術(shù)原理與特點(diǎn)1.熱噴涂原理熱噴涂技術(shù)是一種復(fù)合技術(shù)。它利用各種不同的熱源。將欲噴涂的各種材料如金屬、合金、陶瓷、塑料及其各類復(fù)合材料加熱至熔化或熔融狀態(tài)，借助氣流高速霧化形成“微粒霧流”沉積在已經(jīng)預(yù)處理的工件表面形成堆積狀，與基體緊密結(jié)合的涂層，稱之為噴涂層。而將某些噴涂層在噴涂的同時(shí)或隨后進(jìn)行重熔處理形成的冶金結(jié)合特征的涂層稱之為噴熔層或重熔層。熱噴涂方法分類２.熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：(1)可在各種基體上制備各種材質(zhì)的涂層，金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及工程塑料等都可用作熱噴涂的材料；而金屬、陶瓷、金屬陶瓷、工程塑料、玻璃、石膏、木材、布、紙等幾乎所有固體材料都可以作為熱噴涂的基材；(2)基體溫度低基材溫度一般在30—200°C之間，因此變形小，熱影響區(qū)淺；(3)操作靈活可噴涂各種規(guī)格和形狀的物體．特別適合于大面積涂層，并可在野外作業(yè)；(4)母材對(duì)涂層的稀釋率較低

;(5)涂層厚度范圍寬從幾十微米到幾毫米的涂層都能制備，且容易控制；噴涂效率高，成本低．噴涂時(shí)生產(chǎn)效率為每小時(shí)數(shù)公斤到數(shù)十公斤。熱熱噴涂技術(shù)的局限性主要體現(xiàn)在熱效率低，材料利用率低、浪費(fèi)大和涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度較低三個(gè)方面。盡管如此，熱噴涂技術(shù)仍然以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用。

３.涂層材料熱噴涂材料最好有較寬的液相區(qū)；

對(duì)噴涂材料的形狀與尺寸也有要求；線材：１３mm,粉末：1100m

(1)純金屬及其合金

(2)陶瓷材料

(3)復(fù)合材料

(4)有機(jī)塑料線材；粉末線材：鋅及鋅合金耐大氣腐蝕鋁及鋁合金耐工業(yè)氣氛腐蝕，耐熱銅及銅合金導(dǎo)電，裝飾，耐海水鉛及鉛合金耐蝕和屏蔽錫及合金耐蝕，巴氏合金鎳及鎳合金耐鹽酸，硫酸等不銹鋼鉬耐熱濃硫酸粉末：A.自溶性合金粉末鎳基NiBSi,NiCrBSi鈷基Co,Cr,W,鐵基不銹鋼型，高鉻鑄鐵型B.復(fù)合粉末鋁-鎳復(fù)合粉末NiAl,Ni3Al一步自黏結(jié)復(fù)合粉末工作復(fù)合粉末陶瓷粉末：氧化物，碳化物，氮化物，硼化物，硅化物塑料聚乙烯，尼龍，環(huán)氧樹脂熱噴涂材料簡(jiǎn)介（一）熱噴涂線材

（1）碳鋼及低合金鋼絲最常用的是85優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼絲和T9A碳素工具鋼絲。一般采用電弧噴涂，用于噴涂曲軸、柱塞、機(jī)床導(dǎo)軌等常溫工作的機(jī)械零件滑動(dòng)表面耐磨涂層及磨損部位的修復(fù)。

(2)不銹鋼絲1Cr13、2Cr13、3Cr13等馬氏體不銹鋼絲主要用于強(qiáng)度和硬度較高、耐蝕性要求不太高的場(chǎng)合，其涂層不易開裂。1Cr17在氧化性酸類、多數(shù)有機(jī)酸、有機(jī)酸鹽水溶液中有良好的耐蝕性。1Cr18Ni9Ti等奧氏體不銹鋼絲有良好的工藝性能，在多數(shù)氧化性介質(zhì)和某些還原性介質(zhì)中都有較好的耐蝕性，用于噴涂水泵軸等。由于不銹鋼涂層收縮率大，易開裂，適于噴涂薄層。

（3）鋁絲鋁和氧有很強(qiáng)的親和力，鋁在室溫下大氣中就能形成致密而堅(jiān)固的Al2O3氧化膜，能防止鋁進(jìn)一步氧化。純鋁噴涂除大量用于鋼鐵保護(hù)涂層外，還可作為鋼的抗高溫氧化涂層、導(dǎo)電涂層和改善電接觸的涂層。一般鋁絲純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）應(yīng)大于99.7％。鋁絲直徑2～3mm，噴涂時(shí)，表面不得有油污和氧化膜。

（4）鋅絲在鋼鐵件上，只要噴涂0.2mm的鋅層，就可在大氣、淡水、海水中保持幾年至幾十年不銹蝕。鋅的純度要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在99.85％以上的純鋅絲。在鋅中加鋁可提高涂層的耐蝕性能，若鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％，則耐蝕性最佳。鋅噴涂廣泛用于大型橋梁、鐵路配件、鋼窗、電視臺(tái)天線、水閘門和容器等。

（5）鉬絲鉬與氫不產(chǎn)生反應(yīng)，可用于氫氣保護(hù)或真空條件下的高溫涂層。鉬是一種自粘結(jié)材料，可與碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、蒙乃爾合金、鎳及鎳合金、鎂及鎂合金、鋁及鋁合金等形成牢固的結(jié)合。鉬可在光滑的工件表面上形成1um的冶金結(jié)合層，常用作打底層材料。

如機(jī)床導(dǎo)軌噴涂鋼時(shí)，用鉬作為打底層可增加鋼噴涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。鉬的摩擦系數(shù)小，適用于噴涂活塞環(huán)和摩擦片。但鉬不能作為銅及銅合金、鍍鉻表面和硅鐵表面的涂層。

（6）錫及錫合金絲錫涂層具有很高的耐腐蝕性能，常用作食品器具的保護(hù)涂層，但錫中砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得大于0.015％。含銻和鉬的錫合金絲具有摩擦系數(shù)低、韌性好、耐蝕性和導(dǎo)熱性良好等特性。在機(jī)械工業(yè)中，廣泛應(yīng)用于軸承、軸瓦和其他滑動(dòng)摩擦部件的耐磨涂層。此外，錫可在熟石膏等材料上噴涂制成低熔點(diǎn)模具。

（7）鉛及鉛合金絲鉛具有很好的防X射線輻射的性能，在原子能工業(yè)中廣泛用于防輻射涂層。含銻和銅的鉛合金絲材料的涂層具有耐磨和耐蝕等特性，用于軸承、軸瓦和其他滑動(dòng)摩擦部件的耐磨涂層。但涂層較疏松，用于耐腐蝕時(shí)需經(jīng)封閉處理。由于鉛蒸氣對(duì)人體危害較大，噴涂時(shí)應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施。

（8）銅及銅合金絲銅主要用于電器開關(guān)的導(dǎo)電涂層、塑料和水泥等建筑表面的裝飾涂層；黃銅涂層則用于修復(fù)磨損及超差的工件，如修補(bǔ)有鑄造砂眼、氣孔的黃銅鑄件，也可作裝飾涂層。黃銅中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％左右的錫，可改善耐海水腐蝕性能。鋁青銅的強(qiáng)度比一般黃銅高，耐海水、硫酸和鹽酸的腐蝕，有良好的耐磨性和抗腐蝕疲勞性能，采用電弧噴涂時(shí)與基體結(jié)合強(qiáng)度高，可作為打底涂層，常用于水泵葉片、氣閘活門、活塞及軸瓦等的噴涂。磷青銅涂層比其他青銅涂層更為致密，有良好的耐磨性，可用來修復(fù)軸類和軸承等的磨損部位，也可用于美術(shù)工藝品的裝飾涂層。

（9）鎳及鎳合金絲蒙乃爾合金對(duì)氨水、海水、照相用藥劑、酚醛、甲酚、汽油、礦物油、酒精、碳酸鹽水溶液及熔鹽、脂肪酸以及其他有機(jī)酸的耐蝕性優(yōu)良，對(duì)硫酸、醋酸、磷酸和干燥氯氣等介質(zhì)的耐蝕性較好；但對(duì)鹽酸、硝酸、鉻酸等介質(zhì)不耐蝕。常用于水泵軸、活塞軸、耐蝕容器的噴涂。

80Ni20Cr在高溫下幾乎不氧化，是最好的耐熱耐蝕材料，常用于高溫耐腐蝕涂層。鎳鉻耐熱合金絲涂層致密，與母材金屬的結(jié)合性好，常用于A12O3、ZrO2等陶瓷涂層的打底層，但不能用于硫化氫、亞硫酸氣體以及硝酸和鹽酸介質(zhì)中。

（10）復(fù)合噴涂絲用機(jī)械方法將兩種或更多種材料復(fù)合壓制成噴涂線材稱復(fù)合噴涂絲。不銹鋼、鎳、鋁等組成的復(fù)合噴涂絲，利用鎳、鋁的放熱反應(yīng)使涂層與多種基體（母材）金屬結(jié)合牢固，而且因復(fù)合了多種強(qiáng)化元素，改善了涂層的綜合性能，涂層致密，噴涂參數(shù)易于控制，便于火焰噴涂。因此，它是目前正在擴(kuò)大使用的噴涂材料，主要用于油泵轉(zhuǎn)子、軸承、汽缸襯里和機(jī)械導(dǎo)軌表面的噴涂，也可用于碳鋼和耐蝕鋼磨損件的修補(bǔ)。

（二）熱噴涂粉末粉末材料可分為:金屬及合金粉末、陶瓷材料粉末和復(fù)合材料粉末。

1．金屬及合金粉末

（1）噴涂合金粉末。又稱冷噴合金粉末，這種粉末不需或不能進(jìn)行重熔處理。按其用途分為打底層粉末和工作層粉末。打底層粉末用來增加涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；工作層粉末保證涂層具有所要求的使用性能。放熱型自粘結(jié)復(fù)合粉末是最常用的打底層粉末。工作層粉末熔點(diǎn)要低，具有較高的伸長(zhǎng)率，以避免涂層開裂。氧一乙炔焰噴涂工作層粉末，最常用的是鎳包鋁復(fù)合粉末與自熔性合金的混合粉末。（2）噴熔合金粉末又稱自熔性合金粉末因合金中加入了強(qiáng)烈的脫氧元素如Si、B等，在重熔過程中它們優(yōu)先與合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用，生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽覆蓋在表面，防止液態(tài)金屬氧化，改善對(duì)基體的潤(rùn)濕能力，起到良好的自熔劑作用，所以稱之為自熔性合金粉末。噴熔用的自熔性合金粉末有鎳基、鈷基、鐵基及碳化鎢等四種系列。

2．陶瓷材料粉末陶瓷屬高溫?zé)o機(jī)材料，是金屬氧化物、碳化物、硼化物、硅化物等的總稱，其硬度高，熔點(diǎn)高，但脆性大。常用的陶瓷粉末有：

(1)氧化物它是使用最廣泛的高溫材料。氧化物陶瓷粉末涂層與其他耐熱材料涂層相比，絕緣性能好，熱導(dǎo)率低，高溫強(qiáng)度高，特別適合作熱屏蔽和電絕緣涂層。(2)碳化物它包括碳化鎢、碳化鉻、碳化硅等，很少單獨(dú)使用，往往采用鈷包碳化鎢或鎳包碳化鎢，以防止噴涂時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重失碳現(xiàn)象。為保證涂層質(zhì)量，須嚴(yán)格控制噴涂工藝參數(shù)，或在含碳的保護(hù)氣氛中噴涂。碳化鎢是一種超硬耐磨材料，由于溫度和均勻度等因數(shù)，其組織及性能很難達(dá)到燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金的性能。碳化鉻、碳化硅也可用作耐磨或耐熱涂層。3．復(fù)合材料粉末復(fù)合材料粉末是由兩種或更多種金屬和非金屬（陶瓷、塑料、非金屬礦物）固體粉末混合而成。其特點(diǎn)是：（1）復(fù)合粉的粉粒是非均相體，在熱噴涂作用下形成廣泛的材料組合，從而使涂層具有多功能性。

（2）復(fù)合材料之間在噴涂時(shí)可發(fā)生某些希望的有利反應(yīng)，改善噴涂工藝，提高涂層質(zhì)量（例如，可制成放熱型復(fù)合粉，使涂層與基體除機(jī)械結(jié)合外，還有冶金結(jié)合，提高涂層結(jié)合強(qiáng)度）。（3）包覆型復(fù)合粉的外殼，在噴涂時(shí)可對(duì)核心物質(zhì)提供保護(hù)，使其免于氧化和受熱分解。按照復(fù)合粉末的結(jié)構(gòu)，一般分為包覆型、非包覆型和燒結(jié)型。包覆型復(fù)合粉末的芯核被包覆材料完整地包覆著；非包覆型粉末的芯核被包覆材料包覆程度是不均勻和不完整的。

按照復(fù)合粉末形成涂層的機(jī)理可分為自粘結(jié)（增效或自放熱）復(fù)合粉末和工作層粉末。工作層復(fù)合粉末品種較多。自粘結(jié)復(fù)合粉末多用作基體與工作層間的過渡層，即打底層粉末。它在噴涂時(shí)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，有助于涂層與基體的結(jié)合，形成致密而又粗糙的過渡層，有效地改善涂敷性能。

按照涂層功能，復(fù)合粉末有：硬質(zhì)耐磨復(fù)合粉末、耐高溫和隔熱復(fù)合粉末、耐腐蝕和抗氧化復(fù)合粉末、絕緣和導(dǎo)電復(fù)合粉末、以及減摩潤(rùn)滑復(fù)合粉末等多種。

4．塑料塑料具有良好的防粘、低摩擦系數(shù)和特殊的物理化學(xué)性能。

4.涂層形成過程涂層形成的大致過程是：涂層材料經(jīng)加熱熔化和加速→撞擊基體→冷卻凝固→形成涂層。其中涂層材料的加熱、加速和凝固過程是二個(gè)最主要的方面。薄膜；空洞；噴濺；顆粒反彈5.涂層結(jié)構(gòu)大小不一的扁平顆粒、未熔化的球形顆粒、夾雜和孔隙組成。6.熱噴涂中的相變?nèi)鄣纬叽缧?，冷卻速度快，106K/s，非晶態(tài)或亞穩(wěn)相，穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生相變應(yīng)力。涂層應(yīng)力熱噴涂層的最佳厚度一般不超過0．5mm.8.涂層結(jié)合強(qiáng)度主要為機(jī)械結(jié)合；冶金結(jié)合；物理結(jié)合“拋錨作用”；依照次序堆疊鑲嵌；機(jī)械結(jié)合為主的噴涂層為主；瞬時(shí)高溫、導(dǎo)致涂層材料與基體之間發(fā)生局部擴(kuò)散和焊合，形成冶金結(jié)合。機(jī)械結(jié)合為主的結(jié)合機(jī)理決定了熱噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度比較差，只相當(dāng)于其母體材料的5％—30%。最高也只能達(dá)到70MPa；9．熱噴涂工藝流程和質(zhì)量控制熱噴涂工藝流程清除基體表面污垢;正確粗化,可使涂層與基體之間的結(jié)合得到強(qiáng)化,提供表面壓應(yīng)力,提供涂層顆?；ユi結(jié)構(gòu),增大結(jié)合面積,凈化表面;采用黏結(jié)底層;10.熱噴涂預(yù)處理

是噴涂工藝中一個(gè)重要工序。為了提高涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度，在噴涂前，對(duì)基體表面進(jìn)行清洗、脫脂和表面粗糙化等預(yù)處理，是噴涂工藝中一個(gè)重要工序。

1）基體表面的清洗、脫脂（l）堿洗法。堿洗法是將基體表面放到氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性溶液中，待基體表面的油脂溶解后，再用水沖洗干凈。

（2）溶液洗滌法。溶液洗滌法是采用揮發(fā)性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和過氯乙烷乙烯等，它們的主要作用是把基體表面的礦物油溶解掉，再加以清除。（3）蒸氣清洗法。蒸氣清洗法是采用三氯乙烯蒸氣進(jìn)行清洗，盡管這種方法的清洗效果很好，但是對(duì)人體有一定的危害。（4）對(duì)疏松表面的清洗、脫脂對(duì)疏松表面（如鑄鐵件）的清洗、脫脂是比較困難的。盡管油脂不在工件表面，但在噴涂時(shí)，由于基體表面的溫度升高，疏松孔中的油脂就會(huì)滲透到基體表面，對(duì)涂層與基體的結(jié)合極為不利。因此，對(duì)疏松基體表面，經(jīng)過清洗、脫脂后，還需要將其表面加熱到250℃左右，盡量將油脂滲透到表面，然后再加以清洗。

2)基體表面氧化膜的處理

一般采用機(jī)械方法去氧化膜：如切削加工方法和人工除銹法，也可以采用硫酸或鹽酸進(jìn)行酸洗。

3)基體表面的粗化處理

是提高涂層與基體表面機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)重要措施。噴涂前4h～8h內(nèi)必須對(duì)工件表面進(jìn)行粗糙化處理。常用的表面粗化處理方法如下：

(1）噴砂法噴砂是最常用的粗糙化工藝方法。砂粒有冷硬鐵砂、氧化鋁砂、碳化硅砂等多種，可根據(jù)工件表面的硬度選擇使用。

（2）機(jī)械加工法對(duì)軸、套類零件表面的粗化處理，可采用挑扣、開槽、滾花等簡(jiǎn)便切削加工方法，這樣它可限制涂層的收縮應(yīng)力，增加涂層與基體表面的接觸面積，提高涂層與基體以及涂層間的結(jié)合強(qiáng)度。

對(duì)涂層結(jié)合力要求不高的軸類工件，可在要求修復(fù)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行車螺紋和滾壓處理，形成粗糙表面，一般為每厘米10條紋左右。需高結(jié)合力時(shí)，則可車20條左右。車削形狀為階梯狀，階梯的尖角最好加工成圓角，噴涂后不易產(chǎn)生缺陷。

（3）化學(xué)腐蝕法基體表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕，由于晶粒上各個(gè)晶面的腐蝕速度不同，可形成粗糙的表面。

（4）電弧法（又稱電火花拉毛法）是將直徑比較細(xì)的鎳（或鋁）絲作為電極，在電弧作用下，電極材料與基體表面局部熔合，產(chǎn)生粗糙的表面。這種方法適用于硬度比較高的基體表面，但不適用于比較薄的零件表面。

4)基體表面的預(yù)熱處理

涂層與基體表面的溫度差會(huì)使涂層產(chǎn)生收縮應(yīng)力，從而引起涂層開裂和剝落?；w表面的預(yù)熱可降低和防止上述不利影響。但預(yù)熱溫度不宜過高，以免引起基體表面氧化而影響涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度。一般基體表面的預(yù)熱溫度在200℃－300℃之間5)非噴涂表面的保護(hù)

在噴砂和噴涂前，必須對(duì)基體的非噴涂表面進(jìn)行保護(hù)，其保護(hù)方法可根據(jù)非噴涂表面的形狀和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)易的保護(hù)罩。保護(hù)罩材料可采用薄銅皮或鐵皮。對(duì)基體表面上的鍵槽和小孔等不允許外物進(jìn)入的部位，噴砂前可以用金屬、橡膠或石棉繩等堵塞，噴砂后換上炭素物或石棉等，以防止熔融的熱噴涂材料進(jìn)入。

11、噴后處理火焰噴涂層是有孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于抗磨一般影響不大，但對(duì)在腐蝕條件下工作的涂層和防腐涂層的性能產(chǎn)生不利影響，需要將空隙密封，以防止腐蝕性介質(zhì)滲入涂層，而對(duì)基材造成腐蝕。常用的封孔劑有石蠟、酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂等。酚醛樹脂封孔劑適用于密封金屬及陶瓷涂層的孔隙，這種封孔劑具有良好的耐熱性，在200℃以下可連續(xù)工作，且除強(qiáng)堿外，其耐大多數(shù)有機(jī)化學(xué)試劑的腐蝕.二、熱噴涂工藝方法2．1熔體金屬注入噴涂它主要是噴涂低熔點(diǎn)的金屬。用電阻加熱的方法．使熔化金屬漏入霧化罐內(nèi)，噴射到基體表面形成涂層．由于其他熱噴涂方法的出現(xiàn)，此方法很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)未得到發(fā)展。2．2線材火焰噴涂主要噴涂鋁、鋅、鋅鋁合金材料，用于大型鋼結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)效防腐蝕，也可噴涂各類鋼絲，作耐腐涂層用。隨著復(fù)合絲、塑料包覆柔性絲，管狀復(fù)合絲的出現(xiàn)，在制備耐磨涂層方面的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。其原理如圖示．通過調(diào)節(jié)壓緊滾輪的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)節(jié)線材進(jìn)入氧—乙炔火焰的速度，在環(huán)狀壓縮空氣的作用下將熔化的線材霧化成金屬熔滴沉積到工件表面上．形成涂層的方法。

2．3粉末火焰噴涂噴涂粉末從火焰中央噴出后被火焰加熱至熔融態(tài)噴射到基體表面，通過更換噴嘴及加速、壓縮的風(fēng)環(huán)，此噴涂方法可以噴涂各種金屬及合金粉末，并可以噴涂熔點(diǎn)低于2600?C陶瓷粉末和塑料粉末。2．4爆炸噴涂這是一種將燃?xì)夂椭細(xì)獍匆欢ū壤M(jìn)行混合后，送入燃爆室內(nèi)，點(diǎn)燃爆炸產(chǎn)生的高溫、高速氣流將粉末噴射到工作表面形成涂層的方法

2．7高速火焰噴涂這種噴涂方法由于燃燒火焰約束在槍體內(nèi)部，與傳統(tǒng)的火焰噴涂相比較、火焰溫度高，對(duì)粒子加熱時(shí)間長(zhǎng)，焰流速可達(dá)1050m／s。因此涂層甚至比等離子噴涂層更細(xì)密，氧化物含量更低，涂層結(jié)合強(qiáng)度約為70Mpa。噪音大2．8電弧噴涂電弧噴涂原理如圖所示。二根送入的通電金屬絲相交時(shí)產(chǎn)生電弧，由電弧熱溶化的金屬絲被壓縮空氣霧化成顆粒，噴射到工件表面形成涂層．這種噴涂方法比線材火焰噴涂具有更高的噴涂效率和好的涂層質(zhì)量．電弧噴涂效率可達(dá)50kg／h。2．9等離子噴涂等離子噴涂有大氣等離子噴涂、可控氣氛等離子噴涂和液體穩(wěn)定等離子噴涂方法。它用氮?dú)狻鍤?、氫氣作為離子氣、經(jīng)電離產(chǎn)生等離子高溫射流，將輸入的材料熔化或熔融噴射到工作表面形成涂層的方法。主要用于制備金屬陶瓷，金屬相陶瓷涂層。在這種噴涂裝置上，對(duì)噴涂槍和電流進(jìn)行改進(jìn)而發(fā)展了超音速等離子噴涂．它的等離于焰流能量密度更高、焰流速度更快、提高了涂層質(zhì)量

2．10激光噴涂三、熱噴涂涂層材料3．1熱噴涂工藝對(duì)涂層材料的基本要求(1)涂層材料必須滿足設(shè)計(jì)特性被噴涂的材料必須滿足對(duì)熱噴涂涂層使用功能特性的基本要求，如耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、可磨耗密封、自潤(rùn)滑、熱輻射、導(dǎo)電、絕緣及超導(dǎo)等。(2)涂層材料在加熱過程中，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，不會(huì)產(chǎn)生有害的化學(xué)反應(yīng)及有礙涂層使用的晶型轉(zhuǎn)變。(3)涂層材料具有良好的物理性能，與基體或結(jié)合底層有良好的性能匹配。(4)涂層材料應(yīng)滿足工藝及設(shè)備的要求，如線材應(yīng)具有一定強(qiáng)度、徑值均勻、表面光潔無污染，粉末材料必須有足夠的流動(dòng)性．應(yīng)干燥清潔、無污染。(5)涂層材料應(yīng)是無劇毒性和無產(chǎn)生爆炸的可能性。

3．2熱噴涂涂層材料分類3．2熱噴涂涂層材料分類四、熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用1）噴涂耐腐蝕涂層鋅、鋁、不銹鋼、鎳合金、蒙乃爾合金、青銅以及氧化鋁、氧化鉻陶瓷涂層和塑料等。