第四章知識資料知識資料材料表面技術(shù)

材料工藝基礎(chǔ)第四章材料表面技術(shù)4.1

概述材料表面工程技術(shù)是指通過物理、化學(xué)工藝方法使材料表面具有與基體材料不同的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和物理狀態(tài)，從而使經(jīng)過處理后的表面具有與基體材料不同的性能。工程意義：經(jīng)表面處理后的材料，其基體材料的化學(xué)成分、顯微組織和性能并未發(fā)生變化，但其表面卻具有特殊的組織和性能，如耐磨性、耐蝕性、耐熱性、導(dǎo)電性、電磁特性、光學(xué)性能等。工程意義：可以利用相對廉價的基材，通過表面改性，達到采用整體材料同樣的使用效果，滿足服役需要，降低工件的材料成本。4.1.2表面工程技術(shù)分類原子沉積物：原子在基體上凝聚，然后成核、長大最終形成薄膜，被吸附的原子處于快冷的非平衡態(tài)，沉積層中有大量結(jié)構(gòu)缺陷，沉積層常和基體反應(yīng)生成復(fù)雜的界面層。電鍍、真空蒸鍍、濺射、離子鍍、化學(xué)氣相沉積、分子束外延等粒狀沉積物：熔化的液滴或細小的固體顆粒在外力作用下于基體材料表面凝聚、沉積或燒結(jié)，涂層的顯微結(jié)構(gòu)取決于顆粒的凝固或燒結(jié)情況。如：火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、搪瓷釉等整體涂層：將欲涂敷的材料于同一時間加于基體材料表面。如：涂漆、包覆金屬、靜電噴涂、浸漬涂層等表面改性：用離子處理、熱處理、機械處理及化學(xué)處理等方法處理材料表面，改變材料表面的組織結(jié)構(gòu)和性能。如：化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、熔鹽鍍、噴丸強化、離子注入、激光處理、離子氮化等分類Ⅰ－根據(jù)沉積物的尺寸分類Ⅱ－根據(jù)組織結(jié)構(gòu)、成分和性能表面組織強化：改善表面的顯微組織表面合金化：改善表面合金成分薄膜改性：沉積到表面上形成薄膜分類Ⅲ－根據(jù)工藝特點

表面熱處理表面機械強化處理氣相沉積鍍膜熱噴涂高能束表面處理電鍍、化學(xué)鍍其他4.2

氣相沉積技術(shù)在真空下用各種方法獲得的氣相原子或分子在基體材料表面沉積以獲得薄膜的技術(shù)。適合于制備超硬、耐蝕、耐熱、抗氧化薄膜；磁記錄、信息存儲、光敏、熱敏、超導(dǎo)、光電轉(zhuǎn)換等功能材料；裝飾性薄膜；分類：物理氣相沉積PVD化學(xué)氣相沉積CVD4.2.1物理氣相沉積（PVD）PVD技術(shù)的應(yīng)用實例：耐磨，減摩，耐腐蝕，裝飾或兼具二種及以上功能CoatingofbladesCoatingofvaneProcesschamberwithEBguns,cruciblesandpartstobecoatedinthevaporcloud

LoadingchamberofanEB/PVDsystem,ComplexsubstratemotionsensureacontrolledthicknessdistributionOperator’scockpitatanEB/PVD-productioncoaterThearcevaporationPVDcoatingprocesstakesplaceinavacuumchamber.PVDCoatingApplications

thecoefficientoffriction,asmeasuredinaballondisktest真空蒸鍍、陰極濺射和離子鍍?nèi)箢惒捎酶哒婵障到y(tǒng)及低雜質(zhì)含量氣體，并能控制工作氣體的流量或分壓；能夠很好控制涂層材料，并通過監(jiān)控蒸氣流量來進行調(diào)整；基材表面需經(jīng)過細致處理；采用工作安裝系統(tǒng)可以控制基材溫度與沉積源的距離與方向；不同的過程對一些參數(shù)可有特殊的要求，如：基材偏壓、活性氣體的引入等(I)真空蒸鍍基材表面狀態(tài)：潔凈鍍膜質(zhì)量基材溫度基材表面粗糙度和表面顯微組織主要部件：真空容器、蒸發(fā)源、基材、基材架和加熱器真空蒸鍍法特點鍍膜由氣相沉積而成，均勻性較好鍍膜在高真空形成，可獲得純凈的薄膜可得到0.01到幾個微米厚的薄膜成膜過程簡單，工藝可精確控制應(yīng)用：用于光學(xué)透鏡的反射膜（多層氧化物鍍膜）及裝飾用的金膜、銀膜等。電子元件及相關(guān)領(lǐng)域被鍍基件材料的蒸汽壓不能太高；零件大小受到真空室大小的限制；零件隱蔽部位不能被鍍覆，如深孔等；為了增加鍍層結(jié)合力，蒸鍍過程中零件必須加熱。蒸鍍種類電阻加熱源、電子束加熱源、高頻感應(yīng)加熱源、激光加熱源(Ⅱ)陰極濺射沉積

磁控濺射對置濺射離子束濺射陰極濺射沉積分類應(yīng)用普遍，1974年工業(yè)化應(yīng)用原理：

離子轟擊靶面產(chǎn)生的二次電子被電場加速飛向陽極。附件磁場延長電子飛向陽極的行程，使電子增加碰撞電離幾率，增加等離子體密度，提高濺射速率。矩形平面靶和柱狀靶矩形平面靶：廣泛應(yīng)用磁控濺射沉積濺射沉積的特點結(jié)合力較高；容易得到高熔點物質(zhì)的薄膜；可以在較大面積上得到均一的薄膜；可以控制膜的組成，制備合金膜；可以長時間地連續(xù)運轉(zhuǎn)；良好的再現(xiàn)性陰極濺射幾乎可以制造一切物質(zhì)的薄膜(Ⅲ)離子鍍鍍膜與離子轟擊改性同時進行多弧離子鍍蒸發(fā)源多，膜厚分布均勻有效利用真空室靶材輻射熱被水冷卻，可使工件保持低溫等離子體密度高，表面可被離子轟擊潔凈，而且可增大偏壓，結(jié)合力好離子鍍典型應(yīng)用防腐蝕鍍層耐磨鍍層在觸頭上離子鍍釕、銠等在渦輪葉片上鍍高溫耐腐蝕合金塑料基體上鍍金屬聲學(xué)方面的應(yīng)用碳素纖維的應(yīng)用粘著力強均鍍能力好被鍍基體材料合鍍層材料可廣泛搭配無污染作業(yè)：1）簡述陰極濺射沉積的原理和特點，舉例其應(yīng)用。

單號

4.2.2化學(xué)氣相沉積利用氣態(tài)化合物或化合物的混合物在基體材料表面（通常為熱表面）上發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，從而在基材表面上形成鍍膜的技術(shù)?！狢VD法

可沉積各種單晶、多晶或非晶態(tài)無機薄膜設(shè)備簡單、操作方便、工藝上重現(xiàn)性好適于批量生產(chǎn)、成本低廉幾種PVD法與CVD法的特性比較項目PVD法CVD法真空蒸鍍陰極濺射離子鍍鍍金屬可以可以可以可以鍍合金可以，但困難可以可以，但困難可以鍍高熔點化合物可以，但困難可以可以，但困難可以沉積粒子能量/eV0.1～11～1030～1000沉積速度/(μm/min)0.1～750.01～20.1～50較快沉積膜的密度較低高高高孔隙度中小小極小基體與鍍層的連接沒有合金相沒有合金相有合金相有合金相粘結(jié)力差好最好最好均鍍能力不好好好好鍍覆機制真空蒸發(fā)輝光放電、濺射輝光放電氣相化學(xué)反應(yīng)CVD反應(yīng)基本類型熱分解反應(yīng)還原反應(yīng)氧化反應(yīng)水解反應(yīng)氮化反應(yīng)CVD反應(yīng)類型碳化反應(yīng)歧化反應(yīng)合成反應(yīng)基體反應(yīng)綜合反應(yīng)CVD沉積層性能絕緣體薄膜、半導(dǎo)體薄膜、導(dǎo)體及超導(dǎo)體薄膜以及防腐耐磨的薄膜常規(guī)CVD金剛石薄膜納米CVD金剛石薄膜

CVD設(shè)備

AtypeofCVDcoatingequipmentforformingceramiccompositesbyCVDcoatingofcarbonandSiC.ItcanmanufactureadvancedcompositescontainingcontinuousfibersandbycoatingcarbonandSiConbasematerials.TheCVDprocesscanbeusedtodepositacoatingonvarioussubstrates.CVD涂層實例SiCcoatingonacarbonsubstrate（thickness:30micron）

SiCcoatingonaSiCfiber（thickness:3micron）

TheCA4120usedinnodularcastironcuttingwork.ChipbreakerapplicationsCVDprocessingCVD涂層的應(yīng)用實例4.2.3等離子體增強化學(xué)氣相沉積利用直流或射頻放電等離子體內(nèi)的高能電子激活反應(yīng)氣體分子使之離解或電離，從而獲得在化學(xué)上非?；顫姷募ぐl(fā)分子、離子、原子或大量活性原子團等，并在基體表面沉積鍍膜，它們促進氣相化學(xué)反應(yīng)?！狿CVD或PECVD，“熱力學(xué)效應(yīng)”&“動力學(xué)效應(yīng)”半導(dǎo)體微電子材料、光導(dǎo)纖維、太陽能電池、超硬材料、稀土化合物薄膜、有機聚合物等等離子體物理——低壓氣體輝光放電過程；等離子體化學(xué)——不均勻的氣－固表面發(fā)生的多相化學(xué)反應(yīng)4.3熱噴涂技術(shù)將金屬或非金屬固體材料加熱至熔化或半熔軟化狀態(tài)，然后將它們高速噴射到工件表面上，形成牢固涂層的表面加工方法。熱噴涂過程熱噴涂層的顯微結(jié)構(gòu)組成：涂覆材料；氧化物夾雜；空隙；未熔涂覆材料顆粒(I)熱噴涂技術(shù)分類火焰噴涂等離子噴涂電熱噴涂激光噴涂電弧噴涂線材火焰噴涂粉末火焰噴涂超音速火焰噴涂爆炸火焰噴涂粉末火焰噴焊大氣等離子噴涂保護氣體等離子噴涂針孔等離子噴涂水穩(wěn)等離子噴涂感應(yīng)加熱噴涂電容放電噴涂電爆噴涂激光噴涂激光噴焊電弧噴涂(Ⅱ)熱噴涂技術(shù)特點涂層和基體材料廣泛熱噴涂工藝靈活噴涂層、噴焊層的厚度可以在較大范圍內(nèi)變化生產(chǎn)效率高基體受熱程度低，不會影響基體材料的組織和性能噴涂合金材料利用充分成本低，經(jīng)濟效益顯著涂層的結(jié)合強度較低，涂層的孔隙率較高；對于噴涂面積小的工件，噴涂沉積效率低，成本較高；噴涂層的均勻性較差；難以對涂層質(zhì)量進行破壞性檢查。(Ⅲ)熱噴涂技術(shù)原理(Ⅳ)涂層與基體結(jié)合方式機械結(jié)合物理結(jié)合微擴散結(jié)合力微焊接結(jié)合4.3.2熱噴涂工藝粉末火焰噴涂flamesprayflamesprayflamespraycoatingsformanyapplicationsforgeneralrepairandbuildupaswellaswearandcorrosionresistancearereadilyvailable.

Commonalloysappliedarealuminumbronze,stainlesssteels,andnickelorcobaltbase.PlasmasprayAbovetwofigurespresentamodelofamediumspeeddieselenginepistonwithaceramiccoating,andaphotoofacoatingprocessbyplasmaspray.等離子噴涂CoatingCharacteristicsTypicalApplicationsCopper/siliconCarbide(HIPAC)Highthermalconductivity,fivetimesgreaterthancastiron.

Goodelectricalconductivity.

Highwearresistance

HighenergyabsorbanceandheatdissipationUsedoncomponentssubjectedtohighfrictionwearandheatbuildupcaudedbyrotatingmachineparts.Majorusesareforbrakeandclutchcomponentsparticularlyonracingcars,bikesandotherformsoftransport.13%ChromeSteelMacrohardness-HRc33Tensilebondstrength-28MPaHighStrengthUsedextensivelyasabuildupmaterial.Itcanbegroundfinishedtotighttolerancestoreclaimshafts,hydraulicrams,pistons,bearings,plungersandothergeneralengineeringcomponents.AluminumMacrohardness-RH80

Tensilebondstrength-10MPa，Highresistancetocorrosionofatmospheric，heat，chemicalWithappropriatesealingofthecoatingaluminumcanbeusedasanallpurposecoatingtopreventatmosphericcorrosionandseawaterattackonsteelstructures.AluminumBronzeMacrohardness-RB80

Wearresistant.

Machinestoexcellentfinish.Itcanbeusedforrepairingdefectsinbronzecastings.

Alsoforbuildupofwornareasonbushings,bearingsandotherbronzeorbrassitems.Tin/Antimony/Copper(Babbit)ForheavydutybearingsZincForgeneralcorrosionresistanceforsimilarapplicationstoaluminumMolybdenumForhighwearareassuchaswirecapstans,brakedrumsandmachineknives.等離子噴涂層的應(yīng)用實例等離子噴焊層與其他涂層、焊層比較工藝方法等離子噴焊等離子噴涂粉末火焰噴焊絲極埋弧堆焊涂(焊)層類型與基材結(jié)合類型結(jié)合強度涂(焊)組織氣孔率/%氧化物夾縫一般厚度/mm噴焊層熔合高焊態(tài)無無0.5～5噴涂層粘結(jié)低(≤60N/mm2)變形粒子疊層2～10有0.3～1噴焊區(qū)擴散中(＞200N/mm2)焊態(tài)微量少量0.5～3堆焊區(qū)熔合高焊態(tài)無無＞5H.V.O.F.ThermalSprayCoatingsTheTaskmasterHighVelocityOxygenFuelthermalsprayprocessprovidesHighDensitycoatingswithalmostNegligiblePorositylevels.Thisisaresultofthehighparticlevelocitiesproducedbyacombustiondriven,highspeedgasjet.

HVOFisasupersonicprocesswhichdeliverscoatingparticlesatover7000feetpersecondandcanexceedbondstrengthsof12,000psi.ItisanextremelyversatileprocessthatoffersanunlimitedrangeofpossibilitiestoindustrieswithextremecorrosionandwearenvironmentssuchasOilandGas,chemicalandrefinery,agriculture,marine,hydroelectricplants,andpulpandpapermills.4.4激光表面處理技術(shù)將激光束照到工件的表面，以去除或熔化材料以及改變材料表面性能的加工方法。10kWCO2LaserSystemwith3axiscockpitVariousmaterialprocessing

applications:1.Deeppenetrationweldingofmoderatethickmetalplates,2.Lasersurfacehardening,

3.Lasersurfacere-solidification,

4.Lasersurfacecladding&alloying5.Cuttingofthickconcreteblocksetc.fordecontaminationanddecommissioningapplications.

AnewcladdingprocessdevelopedattheFraunhoferCenterforSurfaceandLaserProcessingutilizesa3kWdirectdiodelaserandacoaxialpowder-feedingnozzle.

4.4.1激光表面處理特點4.4.2激光淬火又稱為激光相變硬化，是以高能量的激光束快速掃描工件，使材料表面極薄一層的局部小區(qū)域快速吸收能量而使溫度急劇上升，此時工件基體仍處于冷態(tài)，由于熱傳導(dǎo)的作用，此局部區(qū)域內(nèi)的熱量迅速傳遞到工件其他部位，冷卻速度可達到105℃/s以上，使該局部區(qū)域在瞬間進行自冷淬火，因而使材料表面發(fā)生相變硬化。laserhardenedzone

SetLASERhardeningofchamferingandfoldingtools.

LASERhardeningonalongchamferingtoolBigsizedeepdrawingtoolforcarbodysteelsheets-LASERhardeningofcurvesandedgesBigsizetool-wecanworkontoolswithatotalweightofupto40tons.

LASERhardeningofaninjectionmould.LASERhardeningofbearingfacesonashaftforair-planemanufacturing.LASERhardeningofagearspindle,trackwidthca.60mm.LASERhardeningwithsolidstateLASERandrobotofacarbodydeepdrawingtool.LASERhardenedfacesandedgesofpunchingtools

激光淬火技術(shù)的性能和優(yōu)點Maxdepthinstressrelievedmaterial:ca.1,2mmMaxdepthinannealedmaterial:ca.1,6mmUniformityofhardnessdependsonmaterialpropertiesUniformityincaseofthermalstressrelievedmaterial:sameasbasematerialUniformityincaseofannealedmaterial:±3HRCProcesscontrolledbythermalemissioncontrol(reactiontime:1ms)Thermalcontrolachievesmax.hardnessaccordingtomaterialpropertiesPrecisecontrolofaffectedsurfacezonesHighhardnessgradientNouseofcoolingagentsorchemicals

posthardeningpossible,hardenedareaswithlowhardness(e.g.50HRC)canbeimprovedbyLACIDto(e.g.60HRC)Nolimitestosizeorweightofworkpiece4.4.3激光合金化在高能激光束作用下，將一種或多種合金元素與基材表面快速熔凝，從而使材料表層獲得具有預(yù)定的高合金特性。激光合金化凝固組織有以下形態(tài)：平面晶胞狀晶胞狀樹枝晶樹枝晶等軸枝晶4.4.4激光表面熔覆利用激光加熱基材表面以形成一個較淺的熔池，同時送入預(yù)定成分的合金粉末一起熔化后迅速凝固；或者將預(yù)先涂敷在基材表面的涂層與基材一起熔化后迅速凝固，以得到一層新的熔覆層。Acom