第四章材料表面技術(shù)

1、材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）1材料工藝基礎(chǔ)材料工藝基礎(chǔ)第四章 材料表面技術(shù)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）24.1 概述概述材料表面工程技術(shù)是指通過材料表面工程技術(shù)是指通過物理物理、化學(xué)化學(xué)工藝方法使材料表面工藝方法使材料表面具有與基體材料不同的具有與基體材料不同的組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分化學(xué)成分和和物理狀態(tài)物理狀態(tài)，從，從而使經(jīng)過處理后的表面具有與基體材料不同的性能。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：工程意義：經(jīng)表面處理后的材料，其基體材經(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，但其表面卻具有并未發(fā)生變化，但其表面卻

2、具有特殊的組織和性能，如耐磨性、特殊的組織和性能，如耐磨性、耐蝕性、耐熱性、導(dǎo)電性、電磁耐蝕性、耐熱性、導(dǎo)電性、電磁特性、光學(xué)性能等。特性、光學(xué)性能等。工程意義：工程意義：可以利用相對(duì)廉價(jià)的基材，通過可以利用相對(duì)廉價(jià)的基材，通過表面改性，達(dá)到采用整體材料同表面改性，達(dá)到采用整體材料同樣的使用效果，滿足服役需要，樣的使用效果，滿足服役需要，降低工件的材料成本。降低工件的材料成本。材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）34.1.2 表面工程技術(shù)分類表面工程技術(shù)分類o原子沉積物原子沉積物：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

3、態(tài)，沉積層中有大量結(jié)構(gòu)缺陷，沉積層常和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?；w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)氣相電鍍、真空蒸鍍、濺射、離子鍍、化學(xué)氣相沉積、分子束外延等沉積、分子束外延等o粒狀沉積物粒狀沉積物：熔化的液滴或細(xì)小的固體顆粒在外力作用下于基體材料熔化的液滴或細(xì)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。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、搪瓷釉等如：火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、搪瓷釉

4、等o整體涂層整體涂層：將欲涂敷的材料于同一時(shí)間加于基體材料表面。將欲涂敷的材料于同一時(shí)間加于基體材料表面。如：涂漆、如：涂漆、包覆金屬、靜電噴涂、浸漬涂層等包覆金屬、靜電噴涂、浸漬涂層等o表面改性表面改性：用離子處理、熱處理、機(jī)械處理及化學(xué)處理等方法處理材料用離子處理、熱處理、機(jī)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。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、噴丸如：化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、熔鹽鍍、噴丸強(qiáng)化、離子注入、激光處理、離子氮化等強(qiáng)化、離子注入、激光處理、離子氮化等分類根據(jù)沉積物的尺寸材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）4分類根據(jù)組織結(jié)構(gòu)、成分和性能o表面組織強(qiáng)

5、化：表面組織強(qiáng)化：改善表面的顯微組織改善表面的顯微組織o表面合金化：表面合金化：改善表面合金成分改善表面合金成分o薄膜改性：薄膜改性：沉積到表面上形成薄膜沉積到表面上形成薄膜材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）5分類根據(jù)工藝特點(diǎn)u 表面熱處理表面熱處理u 表面機(jī)械強(qiáng)化處理表面機(jī)械強(qiáng)化處理u 氣相沉積鍍膜氣相沉積鍍膜u 熱噴涂熱噴涂u 高能束表面處理高能束表面處理u 電鍍、化學(xué)鍍電鍍、化學(xué)鍍u 其他其他材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）64.2 氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)o在真空下用各種方法獲得的氣相原子或分子在基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)。體材料表面沉積以獲得薄膜

6、的技術(shù)。o適合于制備超硬、耐蝕、耐熱、抗氧化薄膜；磁適合于制備超硬、耐蝕、耐熱、抗氧化薄膜；磁記錄、信息存儲(chǔ)、光敏、熱敏、超導(dǎo)、光電轉(zhuǎn)換記錄、信息存儲(chǔ)、光敏、熱敏、超導(dǎo)、光電轉(zhuǎn)換等功能材料；裝飾性薄膜；等功能材料；裝飾性薄膜；o分類：分類：物理氣相沉積物理氣相沉積PVD 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積CVD材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）74.2.1 物理氣相沉積物理氣相沉積（PVD）PVD技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例：技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例：耐磨，減摩，耐腐蝕，耐磨，減摩，耐腐蝕，裝飾或兼具二種及以裝飾或兼具二種及以上功能上功能材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）8Coating of bladesCoating of vane材

7、料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）9Process chamber with EB guns, crucibles and parts to be coated in the vapor cloud Loading chamber of an EB/PVD system, Complex substrate motions ensure a controlled thickness distribution Operators cockpit at an EB/PVD-production coater 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）10The arc evaporation PVD coating p

8、rocess takes place in a vacuum chamber.材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）11PVD Coating Applications 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）12the coefficient of friction, as measured in a ball on disk test材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）13材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）14真空蒸鍍、陰極濺射和離子鍍?nèi)箢愓婵照翦?、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，并能控制工作氣采用高真空系統(tǒng)及低雜質(zhì)含量氣體，并能控制工作氣體的流量或分壓；體的流量或分壓；能夠很好控制涂層材料，并通過監(jiān)

9、控蒸氣流量來進(jìn)行能夠很好控制涂層材料，并通過監(jiān)控蒸氣流量來進(jìn)行調(diào)整；調(diào)整；基材表面需經(jīng)過細(xì)致處理；基材表面需經(jīng)過細(xì)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；與方向；不同的過程對(duì)一些參數(shù)可有特殊的要求，如：基材偏不同的過程對(duì)一些參數(shù)可有特殊的要求，如：基材偏壓、活性氣體的引入等壓、活性氣體的引入等材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）15(I) 真空蒸鍍真空蒸鍍 基材表面狀態(tài)：潔凈基材表面狀態(tài)：潔凈鍍膜質(zhì)量鍍膜質(zhì)量 基材溫度基材溫度 基材表面粗糙度和表面顯微組織基材表面粗糙度和表面顯微組織主要部件：主要部件：真空容器、蒸發(fā)源、基材、真空容器

10、、蒸發(fā)源、基材、基材架和加熱器基材架和加熱器材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）16真空蒸鍍法特點(diǎn)真空蒸鍍法特點(diǎn)o鍍膜由氣相沉積而成，均勻性較好鍍膜由氣相沉積而成，均勻性較好o鍍膜在高真空形成，可獲得純凈的薄膜鍍膜在高真空形成，可獲得純凈的薄膜o可得到可得到0.01到幾個(gè)微米厚的薄膜到幾個(gè)微米厚的薄膜o成膜過程簡(jiǎn)單，工藝可精確控制成膜過程簡(jiǎn)單，工藝可精確控制應(yīng)用：用于光學(xué)透鏡應(yīng)用：用于光學(xué)透鏡的反射膜（多層氧化的反射膜（多層氧化物鍍膜）及裝飾用的物鍍膜）及裝飾用的金膜、銀膜等。電子金膜、銀膜等。電子元件及相關(guān)領(lǐng)域元件及相關(guān)領(lǐng)域u被鍍基件材料的蒸汽壓不能太高；被鍍基件材料的蒸汽壓不能太高；u零件大小受到

11、真空室大小的限制；零件大小受到真空室大小的限制；u零件隱蔽部位不能被鍍覆，如深孔等；零件隱蔽部位不能被鍍覆，如深孔等；u為了增加鍍層結(jié)合力，蒸鍍過程中零件為了增加鍍層結(jié)合力，蒸鍍過程中零件必須加熱。必須加熱。材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）17蒸鍍種類蒸鍍種類電阻加熱源、電子束加熱源、高頻感應(yīng)加熱源、電阻加熱源、電子束加熱源、高頻感應(yīng)加熱源、激光加熱源激光加熱源材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）18() 陰極濺射沉積陰極濺射沉積 磁控濺射磁控濺射 對(duì)置濺射對(duì)置濺射 離子束濺射離子束濺射8個(gè)區(qū)域個(gè)區(qū)域材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）19陰極濺射沉積分類陰極濺射沉積分類材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）20o應(yīng)用普遍

12、，應(yīng)用普遍，1974年工業(yè)化應(yīng)用年工業(yè)化應(yīng)用o原理原理： 離子轟擊靶面產(chǎn)生的二次電子被電場(chǎng)加速飛向陽極。離子轟擊靶面產(chǎn)生的二次電子被電場(chǎng)加速飛向陽極。附件磁場(chǎng)延長電子飛向陽極的行程，使電子增加碰附件磁場(chǎng)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。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和柱狀靶 矩形平面靶：廣泛應(yīng)用矩形平面靶：廣泛應(yīng)用磁控濺射沉積磁控濺射沉積材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）21濺射沉積的特點(diǎn)濺射沉積的特點(diǎn)o結(jié)合力較高；結(jié)合力較高；o容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的薄膜；容易得到高熔點(diǎn)物質(zhì)的薄膜；o可以在較大面積上得到均一的薄

13、膜；可以在較大面積上得到均一的薄膜；o可以控制膜的組成，制備合金膜；可以控制膜的組成，制備合金膜；o可以長時(shí)間地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；可以長時(shí)間地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；o良好的再現(xiàn)性良好的再現(xiàn)性陰極濺射幾乎可以制造一切物質(zhì)的薄膜陰極濺射幾乎可以制造一切物質(zhì)的薄膜材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）22() 離子鍍離子鍍鍍膜與離子鍍膜與離子轟擊改性同轟擊改性同時(shí)進(jìn)行時(shí)進(jìn)行材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）23多弧離子鍍多弧離子鍍o蒸發(fā)源多，膜厚分布均勻蒸發(fā)源多，膜厚分布均勻o有效利用真空室有效利用真空室o靶材輻射熱被水冷卻，可靶材輻射熱被水冷卻，可使工件保持低溫使工件保持低溫o等離子體密度高，表面可等離子體密度高，表面可被離子轟擊潔

14、凈，而且可被離子轟擊潔凈，而且可增大偏壓，結(jié)合力好增大偏壓，結(jié)合力好材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）24離子鍍典型應(yīng)用離子鍍典型應(yīng)用o防腐蝕鍍層防腐蝕鍍層o耐磨鍍層耐磨鍍層o在觸頭上離子鍍釕、銠等在觸頭上離子鍍釕、銠等o在渦輪葉片上鍍高溫耐腐蝕合金在渦輪葉片上鍍高溫耐腐蝕合金o塑料基體上鍍金屬塑料基體上鍍金屬o聲學(xué)方面的應(yīng)用聲學(xué)方面的應(yīng)用o碳素纖維的應(yīng)用碳素纖維的應(yīng)用 粘著力強(qiáng)粘著力強(qiáng) 均鍍能力好均鍍能力好 被鍍基體材料合鍍被鍍基體材料合鍍層材料可廣泛搭配層材料可廣泛搭配 無污染無污染材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）25作業(yè)：作業(yè)：1）簡(jiǎn)述陰極簡(jiǎn)述陰極濺射沉積的原理和特點(diǎn)，舉例其應(yīng)用。濺射沉積的原理和

15、特點(diǎn)，舉例其應(yīng)用。 雙號(hào)雙號(hào) 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）264.2.2 化學(xué)氣相沉積化學(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（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)。表面上形成鍍膜的技術(shù)。CVD法法p 可沉積各種單晶、多晶或非晶態(tài)無機(jī)薄膜可沉積各種單晶、多晶或非晶態(tài)無機(jī)薄膜p 設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、工藝上重現(xiàn)性好設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、工藝上重現(xiàn)性好p 適于批量生產(chǎn)、成本低廉適于批量生產(chǎn)、成本低廉材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）27幾種幾種PVD法與法與CVD法的特性比較

16、法的特性比較項(xiàng) 目PVD法CVD法真空蒸鍍陰極濺射離子鍍鍍金屬鍍金屬可以可以可以可以可以可以可以可以鍍合金鍍合金可以，但困難可以，但困難可以可以可以，但困難可以，但困難可以可以鍍高熔點(diǎn)化合物鍍高熔點(diǎn)化合物可以，但困難可以，但困難可以可以可以，但困難可以，但困難可以可以沉積粒子能量沉積粒子能量/eV0.11110301000沉積速度沉積速度/(m/min)0.1750.0120.150較快較快沉積膜的密度沉積膜的密度較低較低高高高高高高孔隙度孔隙度中中小小小小極小極小基體與鍍層的連接基體與鍍層的連接沒有合金相沒有合金相沒有合金相沒有合金相有合金相有合金相有合金相有合金相粘結(jié)力粘結(jié)力差差好好最好最

17、好最好最好均鍍能力均鍍能力不好不好好好好好好好鍍覆機(jī)制鍍覆機(jī)制真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)輝光放電、濺射輝光放電、濺射輝光放電輝光放電氣相化學(xué)反應(yīng)氣相化學(xué)反應(yīng)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）28CVD反應(yīng)基本類型反應(yīng)基本類型o熱分解反應(yīng)熱分解反應(yīng)o還原反應(yīng)還原反應(yīng)o氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)o水解反應(yīng)水解反應(yīng)o氮化反應(yīng)氮化反應(yīng)424140023( )( )2( )() ( )( )4( )( )( )2( )oCSiHgSi sHgNi COgNi sCO gCH SiCl gSiC sHCl g )(6)()(3)()(4)()(2)(7002624gHFsWgHgWFgHClsSigHgSiClCo )(2)()(

18、2)()(2)()()(22242224gOHsSiOgOgSiHgHsSiOgOgSiH)(3)(6)()(3)(3)(232223gCOgHClsOAlgHgCOgAlCl)(12)()(4)(324334gHsNSigNHgSiH材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）29CVD反應(yīng)類型反應(yīng)類型o碳化反應(yīng)碳化反應(yīng)o歧化反應(yīng)歧化反應(yīng)o合成反應(yīng)合成反應(yīng)o基體反應(yīng)基體反應(yīng)o綜合反應(yīng)綜合反應(yīng))(4)()()(44gHClsTiCgCHgTiCl)()()(2)()()(24242gGeIsGegGeIgSiIsSigSiI高溫)(2)()()()()(3)()()()(42334333gCHsCdSegSe

19、HgGdCHgCHsGaAsgAsHgGaCHHClTiBHBClTiCo6322100023材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）30CVD沉積層性能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 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）31CVD設(shè)備設(shè)備 A type of CVD coating equipment for forming ceramic composites by CVD coating of carbon and SiC. It can manufacture adv

20、anced composites containing continuous fibers and by coating carbon and SiC on base materials.材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）32The CVD process can be used to deposit a coating on various substrates. 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）33CVD涂層實(shí)例涂層實(shí)例SiC coating on a carbon substrate（thickness: 30 micron） SiC coating on a SiC fiber（thicknes

21、s: 3 micron） 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）34材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）35The CA4120 used in nodular cast iron cutting work.Chipbreaker applications材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）36CVD processing材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）37CVD 涂層的應(yīng)用實(shí)例涂層的應(yīng)用實(shí)例材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）384.2.3 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等離子體增強(qiáng)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，從而獲得分子使之離解或

22、電離，從而獲得在化學(xué)上非?；顫姷募ぐl(fā)在化學(xué)上非常活潑的激發(fā)分子、離子、原子或大量活性原子團(tuán)等，并在基體表面沉分子、離子、原子或大量活性原子團(tuán)等，并在基體表面沉積鍍膜，它們促進(jìn)氣相化學(xué)反應(yīng)。積鍍膜，它們促進(jìn)氣相化學(xué)反應(yīng)。PCVD或或PECVD，“熱力學(xué)效應(yīng)熱力學(xué)效應(yīng)”&“&“動(dòng)力學(xué)效應(yīng)動(dòng)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、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(jī)聚合物等超硬材料、稀土化合物薄膜、有機(jī)聚合物等 o等離子體物理等離子體物理低壓氣體輝光放電過程低壓氣體輝光放電過程o等離子體化學(xué)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)不均

23、勻的氣固表面發(fā)生的多相化學(xué)反應(yīng)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）394.3 熱噴涂技術(shù)熱噴涂技術(shù)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）40將金屬或非金屬固體材料加熱至熔化或半熔軟化狀態(tài)，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。表面加工方法。熱噴涂過程熱噴涂過程材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）41熱噴涂層的顯微結(jié)構(gòu)組成：熱噴涂層的顯微結(jié)構(gòu)組成：涂覆材料；氧化物夾雜；涂覆材料；氧化物夾雜；空隙；未熔涂覆材料顆?？障?；未熔涂覆材料顆粒主要材料：自熔性合金粉末：主要材料：自熔性合金粉末：脫氧和造渣功能脫氧和造

24、渣功能材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）42(I) 熱噴涂技術(shù)分類熱噴涂技術(shù)分類火焰噴涂火焰噴涂等離子噴涂等離子噴涂電熱噴涂電熱噴涂激光噴涂激光噴涂電弧噴涂電弧噴涂線材火焰噴涂線材火焰噴涂粉末火焰噴涂粉末火焰噴涂超音速火焰噴涂超音速火焰噴涂爆炸火焰噴涂爆炸火焰噴涂粉末火焰噴焊粉末火焰噴焊大氣等離子噴涂大氣等離子噴涂保護(hù)氣體等離子噴涂保護(hù)氣體等離子噴涂針孔等離子噴涂針孔等離子噴涂水穩(wěn)等離子噴涂水穩(wěn)等離子噴涂感應(yīng)加熱噴涂感應(yīng)加熱噴涂電容放電噴涂電容放電噴涂電爆噴涂電爆噴涂激光噴涂激光噴涂激光噴焊激光噴焊電弧噴涂電弧噴涂材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）43() 熱噴涂技術(shù)特點(diǎn)熱噴涂技術(shù)特點(diǎn)o涂層和基體材料廣泛

25、涂層和基體材料廣泛o熱噴涂工藝靈活熱噴涂工藝靈活o噴涂層、噴焊層的厚度可以在較大范圍內(nèi)變化噴涂層、噴焊層的厚度可以在較大范圍內(nèi)變化o生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高o基體受熱程度低，不會(huì)影響基體材料的組織和性能基體受熱程度低，不會(huì)影響基體材料的組織和性能o噴涂合金材料利用充分噴涂合金材料利用充分o成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著涂層的結(jié)合強(qiáng)度較低（主要為機(jī)械結(jié)合），涂層的孔隙率較涂層的結(jié)合強(qiáng)度較低（主要為機(jī)械結(jié)合），涂層的孔隙率較高；對(duì)于噴涂面積小的工件，噴涂沉積效率低，成本較高；高；對(duì)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(duì)涂層質(zhì)量進(jìn)行破壞性檢查。噴涂層的均勻性較

26、差；難以對(duì)涂層質(zhì)量進(jìn)行破壞性檢查。材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）44() 熱噴涂技術(shù)原理熱噴涂技術(shù)原理材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）45() 涂層與基體結(jié)合方式涂層與基體結(jié)合方式o機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合o物理結(jié)合物理結(jié)合o微擴(kuò)散結(jié)合力微擴(kuò)散結(jié)合力o微焊接結(jié)合微焊接結(jié)合材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）464.3.2 熱噴涂工藝熱噴涂工藝o粉末火焰噴涂粉末火焰噴涂材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）47flame spray材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）48flame sprayflame spray coatings for many applications for general repair and build

27、up as well as wear and corrosion resistance are readily available. Common alloys applied are aluminum bronze, stainless steels, and nickel or cobalt based alloys. 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）49等離子噴涂等離子噴涂材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）50Plasma spray材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）51Above two figures present a model of a medium speed diesel engine p

28、iston with a ceramic coating, and a photo of a coating process by plasma spray. 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）52材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）53CoatingCharacteristicsTypical ApplicationsCopper/silicon Carbide (HIPAC)High thermal conductivity, five times greater than cast iron.Good electrical conductivity.High wear resistanceHigh e

29、nergy absorbance and heat dissipationUsed on components subjected to high friction wear and heat build up cauded by rotating machine parts. Major uses are for brake and clutch components particularly on racing cars, bikes and other forms of transport.13% Chrome SteelMacrohardness -HRc 33 Tensile bon

30、d strength - 28 MPaHigh Strength Used extensively as a build up material. It can be ground finished to tight tolerances to reclaim shafts, hydraulic rams, pistons, bearings, plungers and other general engineering components.AluminumMacrohardness - RH 80 Tensile strength - 10 MPa，High resistance to c

31、orrosion of atmospheric，heat， chemical With appropriate sealing of the coating aluminum can be used as an all purpose coating to prevent atmospheric corrosion and sea water attack on steel structures.Aluminum BronzeMacrohardness - RB 80Wear resistant. Machines to excellent finish.It can be used for

32、repairing defects in bronze castings. Also for build up of worn areas on bushings, bearings and other bronze or brass items.Tin/Antimony/Copper (Babbit)For heavy duty bearingsZincFor general corrosion resistance for similar applications to aluminumMolybdenumFor high wear areas such as wire capstans,

33、 brake drums and machine knives.等離子噴涂層的應(yīng)用實(shí)例等離子噴涂層的應(yīng)用實(shí)例材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）54等離子噴焊層與其他涂層、焊層比較等離子噴焊層與其他涂層、焊層比較工藝方法工藝方法等離子噴焊等離子噴焊等離子噴涂等離子噴涂粉末火焰噴焊粉末火焰噴焊絲極埋弧堆焊絲極埋弧堆焊涂涂(焊焊)層類型層類型與基材結(jié)合類型與基材結(jié)合類型結(jié)合強(qiáng)度結(jié)合強(qiáng)度涂涂(焊焊)組織組織氣孔率氣孔率/%氧化物夾雜氧化物夾雜一般厚度一般厚度/mm噴焊層噴焊層熔合熔合高高焊態(tài)焊態(tài)無無無無0.55噴涂層噴涂層粘結(jié)（機(jī)械結(jié)合）粘結(jié)（機(jī)械結(jié)合）低低(60 N/mm2)變形粒子疊層變形粒子疊層210

34、有有0.31噴焊區(qū)噴焊區(qū)擴(kuò)散擴(kuò)散中中(200 N/mm2)焊態(tài)焊態(tài)微量微量少量少量0.53堆焊區(qū)堆焊區(qū)熔合熔合高高焊態(tài)焊態(tài)無無無無5材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）55材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）56H.V.O.F. Thermal Spray CoatingsThe Taskmaster High Velocity Oxygen Fuel thermal spray process provides High Density coatings with almost Negligible Porosity levels. This is a result of the high particle

35、 velocities produced by a combustion driven, high speed gas jet. HVOF is a supersonic process which delivers coating particles at over 7000 feet per second and can exceed bond strengths of 12,000 psi. It is an extremely versatile process that offers an unlimited range of possibilities to industries

36、with extreme corrosion and wear environments such as Oil and Gas, chemical and refinery, agriculture, marine, hydroelectric plants, and pulp and paper mills. 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）57o作業(yè)：作業(yè)：1 1、分析討論磁控濺射、等離子噴涂所制備薄膜分析討論磁控濺射、等離子噴涂所制備薄膜（鍍層）與金屬基體的結(jié)合方式（鍍層）與金屬基體的結(jié)合方式2 2、分析火焰噴涂和等離子噴涂涂層組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分析火焰噴涂和等離子噴涂涂層組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與基體

37、結(jié)合力強(qiáng)度的差異及與基體結(jié)合力強(qiáng)度的差異 單號(hào)單號(hào)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）584.4 激光表面處理技術(shù)激光表面處理技術(shù)將激光束照到工件的表面，以將激光束照到工件的表面，以去除或熔化去除或熔化材料以及材料以及改改變材料表面性能變材料表面性能的加工方法。的加工方法。材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）5910 kW CO2 Laser System with 3 axis cockpitVarious material processing applications:1.Deep penetration welding of moderate thick metal plates, 2.Laser s

38、urface hardening, 3.Laser surface re-solidification, 4.Laser surface cladding & alloying 5. Cutting of thick concrete blocks etc. for decontamination and decommissioning applications.材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）60 A new cladding process developed at the Fraunhofer Center for Surface and Laser Processing utili

39、zes a 3 kW direct diode laser and a coaxial powder-feeding nozzle. 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）614.4.1 激光表面處理特點(diǎn)激光表面處理特點(diǎn)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）624.4.2 激光淬火激光淬火又稱為激光相變硬化，是以高能量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(shí)工件能量而使溫度急劇上升，此時(shí)工件基體仍處于冷態(tài)，由于熱傳導(dǎo)的作基體仍處于冷態(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

40、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(dá)到到工件其他部位，冷卻速度可達(dá)到105/s以上，使該局部區(qū)域在瞬間以上，使該局部區(qū)域在瞬間進(jìn)行自冷淬火，因而使材料表面發(fā)進(jìn)行自冷淬火，因而使材料表面發(fā)生相變硬化。生相變硬化。laser hardened zone 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）63材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）64Set LASER hardening of chamfering and folding tools. LASER hardening on a long chamfering toolBig size deep drawing tool for car bod

41、y steel sheets - LASER hardening of curves and edgesBig size tool - we can work on tools with a total weight of up to 40 tons.材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）65 LASER hardening of an injection mould.LASER hardening of bearing faces on a shaft for air-plane manufacturing.LASER hardening of a gear spindle, track width

42、ca. 60mm.LASER hardening with solid state LASER and robot of a car body deep drawing tool.LASER hardened faces and edges of punching tools 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）66激光淬火技術(shù)的性能和優(yōu)點(diǎn)激光淬火技術(shù)的性能和優(yōu)點(diǎn)oMax depth in stress relieved material: ca. 1,2 mm oMax depth in annealed material: ca. 1,6 mm oUniformity of hardness de

43、pends on material properties oUniformity in case of thermal stress relieved material : same as base material oUniformity in case of annealed material: 3 HRC oProcess controlled by thermal emission control (reaction time: 1ms) oThermal control achieves max. hardness according to material properties o

44、Precise control of affected surface zones oHigh hardness gradient oNo use of cooling agents or chemicals oposthardening possible, hardened areas with low hardness (e.g. 50 HRC) can be improved by LACID to (e.g. 60 HRC) oNo limits to size or weight of workpiece 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）674.4.3 激光合金化激光合金化在高能激光束作

45、用下，將一種或多種合金元素與基材表面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?？焖偃勰瑥亩共牧媳韺荧@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)：激光合金化凝固組織有以下形態(tài)： 平面晶平面晶 胞狀晶胞狀晶 胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶 樹枝晶樹枝晶等軸枝晶等軸枝晶材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）684.4.4 激光表面熔覆激光表面熔覆利用激光加熱基材表面以形成一個(gè)較淺的熔池，同時(shí)送入利用激光加熱基材表面以形成一個(gè)較淺的熔池，同時(shí)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

46、材表面的涂層與基材一起熔化后迅速凝固，以得到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。一層新的熔覆層。A comparison of the profiles of two NiCrMo clads. The clad on the right was produced at a travel speed of 0.45 m/min, the clad to the left at a process speed of 0.70 m/min. 材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）694.4.5 其他激光表面處理技術(shù)其他激光表面處理技術(shù)o激光化學(xué)氣相沉積激光化學(xué)氣相沉積(LCVD

47、)o激光物理氣相沉積激光物理氣相沉積(LPVD)o激光離子注入激光離子注入o激光表面非晶化激光表面非晶化(激光上釉激光上釉)o激光沖擊硬化激光沖擊硬化o激光熔滲處理激光熔滲處理材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）70作業(yè)作業(yè):簡(jiǎn)述并舉例分析激光表面處理的特點(diǎn)。簡(jiǎn)述并舉例分析激光表面處理的特點(diǎn)。雙號(hào)雙號(hào)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）714.5 電鍍電鍍?cè)陔娏髯饔孟?，在在電流作用下，在作為陰極并浸入電作為陰極并浸入電解質(zhì)溶液中的材料解質(zhì)溶液中的材料的導(dǎo)電表面上形成的導(dǎo)電表面上形成與基體牢固結(jié)合的與基體牢固結(jié)合的鍍覆層的過程。鍍覆層的過程。鍍層金屬：結(jié)晶形鍍層金屬：結(jié)晶形核與長大的過程。核與長大的過程。材料工

48、藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）72o法拉第定律法拉第定律 陽極和陰極上溶解和析出的物質(zhì)質(zhì)量陽極和陰極上溶解和析出的物質(zhì)質(zhì)量（m）與通過電解與通過電解質(zhì)溶液的電量質(zhì)溶液的電量（Q）成正比：成正比： m = cQ c：常數(shù)（電化當(dāng)量），：常數(shù)（電化當(dāng)量）， Q= It I: 電流密度，電流密度，t： 通電時(shí)間通電時(shí)間 p法拉第第二定律法拉第第二定律 當(dāng)以相同的電量通過電解液時(shí)，在陽極溶解和陰極析當(dāng)以相同的電量通過電解液時(shí)，在陽極溶解和陰極析出物質(zhì)的量相等。析出出物質(zhì)的量相等。析出1 mol的任何物質(zhì)所需的電荷為的任何物質(zhì)所需的電荷為一常數(shù)，即一常數(shù)，即96485 C/mol，F(xiàn)（法拉第常數(shù)）（法拉第常數(shù)）

49、電鍍理論基礎(chǔ)電鍍理論基礎(chǔ)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）73o金屬電鍍沉積金屬電鍍沉積（1）金屬離子以一定的電流密度進(jìn)行陰極還原時(shí)，電極的電金屬離子以一定的電流密度進(jìn)行陰極還原時(shí)，電極的電位：位： = P k P：金屬的平衡電極電位；：金屬的平衡電極電位； k：此電流密度下的陰極過電位：此電流密度下的陰極過電位 在水溶液中，位于鉻族左方的金屬元素不能單獨(dú)在電極上在水溶液中，位于鉻族左方的金屬元素不能單獨(dú)在電極上電沉積。電沉積。（2）金屬絡(luò)離子的陰極還原：提高陰極極化，改善鍍層質(zhì)量）金屬絡(luò)離子的陰極還原：提高陰極極化，改善鍍層質(zhì)量（3）添加劑：提高電沉積過電位，改善鍍層質(zhì)量）添加劑：提高電沉積過電位，改善鍍層質(zhì)量（4）陰極極化：陰極電位向負(fù)方向移動(dòng)）陰極極化：陰極電位向負(fù)方向移動(dòng)電鍍理論基礎(chǔ)電鍍理論基礎(chǔ)材料工藝基礎(chǔ)（材料表面技術(shù)）74o金屬電鍍過程金屬電鍍過程（1）金屬的水合離子或絡(luò)離子從溶液內(nèi)部遷移到陰極界面；）金屬的水合離子或絡(luò)離子從溶液內(nèi)部遷移到陰極界面；（2）金屬水合離子或絡(luò)離子解離，金屬離子在陰極上得到電子，）金屬水合離子或絡(luò)離子解離，金屬離子在陰極上得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)生成金屬原子；發(fā)生還