《表面工程學(xué)》課件：1表面工程技術(shù)緒論

1、1 緒論緒論教學(xué)目的和要求教學(xué)目的和要求掌握表面工程的定義、分類、特點(diǎn)（意義）等。掌握表面工程的定義、分類、特點(diǎn)（意義）等。 1.1表面工程學(xué)的定義和內(nèi)涵表面工程學(xué)的定義和內(nèi)涵n表面工程學(xué)是上個(gè)世紀(jì)八十年代中期才出現(xiàn)的一門新型綜合性學(xué)科。表面工程學(xué)是上個(gè)世紀(jì)八十年代中期才出現(xiàn)的一門新型綜合性學(xué)科。它是在傳統(tǒng)的表面硬化技術(shù)和腐蝕防護(hù)基礎(chǔ)上，引入了一些科技新成就，如氣它是在傳統(tǒng)的表面硬化技術(shù)和腐蝕防護(hù)基礎(chǔ)上，引入了一些科技新成就，如氣相沉積，離子注入，激光、電子束和等離子等技術(shù)后，拓寬了表面工程的應(yīng)用范圍，相沉積，離子注入，激光、電子束和等離子等技術(shù)后，拓寬了表面工程的應(yīng)用范圍，使其成為表面硬化、

2、表面防腐、機(jī)械修復(fù)使其成為表面硬化、表面防腐、機(jī)械修復(fù)(再制造再制造)，新材料制造、功能材料、復(fù)合，新材料制造、功能材料、復(fù)合材料、表面裝飾和表面精細(xì)加工等方面不可或缺的工藝手段，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、材料、表面裝飾和表面精細(xì)加工等方面不可或缺的工藝手段，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工業(yè)及日常生活用品等領(lǐng)域，逐漸形成了電子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工業(yè)及日常生活用品等領(lǐng)域，逐漸形成了一門一門獨(dú)立獨(dú)立的學(xué)科。的學(xué)科。 1983年，英國(guó)伯明翰大學(xué)成立沃福森表面工程研究所年，英國(guó)伯明翰大學(xué)成立沃福森表面工程研究所 1985年，年，“表面工程表面工程”國(guó)際刊物創(chuàng)刊；第一界表

3、面工程國(guó)際會(huì)議國(guó)際刊物創(chuàng)刊；第一界表面工程國(guó)際會(huì)議 1988年，我國(guó)年，我國(guó)“表面工程研究所表面工程研究所”成立成立(屬機(jī)械工程學(xué)會(huì)屬機(jī)械工程學(xué)會(huì))；“表面工程表面工程”創(chuàng)刊創(chuàng)刊n上世紀(jì)上世紀(jì)80年代后期，美國(guó)商業(yè)部就將表面工程技術(shù)列入影響年代后期，美國(guó)商業(yè)部就將表面工程技術(shù)列入影響21世世紀(jì)人類生活的七大關(guān)鍵技術(shù)之一紀(jì)人類生活的七大關(guān)鍵技術(shù)之一（計(jì)算機(jī)科學(xué)、生命科學(xué)、新能源技術(shù)、（計(jì)算機(jī)科學(xué)、生命科學(xué)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)）。新材料技術(shù)、信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)）。n表面工程技術(shù)被喻為上個(gè)世紀(jì)表面工程技術(shù)被喻為上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)年代以來(lái)世界十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)世界十項(xiàng)關(guān)鍵技

4、術(shù)之一。之一。n表面工程學(xué)是近表面工程學(xué)是近20年來(lái)（材料科學(xué)與工程中）發(fā)展最為迅速的學(xué)年來(lái)（材料科學(xué)與工程中）發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一。科之一。n表面工程已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分和部分產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵表面工程已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分和部分產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)支撐。技術(shù)支撐。n材料表面工程的應(yīng)用范圍材料表面工程的應(yīng)用范圍： 表面強(qiáng)化表面強(qiáng)化 防腐工程防腐工程 零部件修復(fù)零部件修復(fù) 電子電路電子電路 傳感器與自動(dòng)控制傳感器與自動(dòng)控制 表面強(qiáng)化、耐蝕、耐磨、表面強(qiáng)化、耐蝕、耐磨、修復(fù)、裝飾、微細(xì)加工修復(fù)、裝飾、微細(xì)加工在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用 在防護(hù)上常用涂鍍技術(shù)，熱浸鍍技術(shù)，物

5、理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)（在防護(hù)上常用涂鍍技術(shù)，熱浸鍍技術(shù)，物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)（PVD，CVD）來(lái)提高飛機(jī)、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、宇宙飛船、導(dǎo)彈在各種飛行惡劣環(huán)）來(lái)提高飛機(jī)、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、宇宙飛船、導(dǎo)彈在各種飛行惡劣環(huán)境下對(duì)材料性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行防護(hù)。境下對(duì)材料性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行防護(hù)。在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用 如第四、五代的飛如第四、五代的飛機(jī)，在停飛和飛行過(guò)程機(jī)，在停飛和飛行過(guò)程中，可能遇到中，可能遇到50的的空氣摩擦升溫至空氣摩擦升溫至200，因而在飛機(jī)蒙皮的表面因而在飛機(jī)蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受環(huán)涂上高聚物涂料免受環(huán)境介質(zhì)侵蝕，減少

6、阻力。境介質(zhì)侵蝕，減少阻力。 飛機(jī)的蒙皮、雷達(dá)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)的尾飛機(jī)的蒙皮、雷達(dá)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管、座艙都采用隱身涂層，雷達(dá)罩噴管、座艙都采用隱身涂層，雷達(dá)罩和尾噴管采用和尾噴管采用SnO2和和In2O3等摻雜半導(dǎo)等摻雜半導(dǎo)體材料作填料和適當(dāng)?shù)妮d流子濃度及體材料作填料和適當(dāng)?shù)妮d流子濃度及遷移率以及等離子體頻率，使其具有遷移率以及等離子體頻率，使其具有兼容雷達(dá)和紅外隱身。美國(guó)的兼容雷達(dá)和紅外隱身。美國(guó)的TF39發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承，離子注入鉻磷，可解決動(dòng)機(jī)軸承，離子注入鉻磷，可解決點(diǎn)蝕、磨蝕，提高發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的使用點(diǎn)蝕、磨蝕，提高發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的使用壽命。壽命。 在航空航天方面的應(yīng)用在航空航天方面的應(yīng)用奔 馳 系

7、 列 在車身涂裝上，設(shè)計(jì)選用電泳底漆、中間涂層、面漆三涂層體在車身涂裝上，設(shè)計(jì)選用電泳底漆、中間涂層、面漆三涂層體系，不僅使車身具有防腐蝕功能，更具有亮麗、閃光色彩。系，不僅使車身具有防腐蝕功能，更具有亮麗、閃光色彩。一、表面工程技術(shù)的定義一、表面工程技術(shù)的定義n為滿足特定的工程需求，使為滿足特定的工程需求，使材料或零部材料或零部件件表面表面具有特殊的具有特殊的成分、成分、結(jié)構(gòu)和性能結(jié)構(gòu)和性能(或功能或功能)的化學(xué)、物理方法與工藝。的化學(xué)、物理方法與工藝。關(guān)于表面工程：關(guān)于表面工程：n表面工程是以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以表面工程是以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以表面表面和和界面界面行為為研究對(duì)行為為研究

8、對(duì)象，把相互依存、相互分工的零件基體與零件表面構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，象，把相互依存、相互分工的零件基體與零件表面構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)又綜合了失效分析、表面技術(shù)、表面層材料、表面層性能、同時(shí)又綜合了失效分析、表面技術(shù)、表面層材料、表面層性能、預(yù)處理和后加工、表面檢測(cè)技術(shù)、表面質(zhì)量控制、使用壽命評(píng)估、預(yù)處理和后加工、表面檢測(cè)技術(shù)、表面質(zhì)量控制、使用壽命評(píng)估、表面施工管理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、三廢處理和重大工程實(shí)踐等多項(xiàng)表面施工管理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、三廢處理和重大工程實(shí)踐等多項(xiàng)內(nèi)容。內(nèi)容。n表面工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。表面工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。二、表面工程技術(shù)的內(nèi)涵二、表面工程技術(shù)的內(nèi)涵n表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)n表面（微

9、細(xì)）加工技術(shù)表面（微細(xì)）加工技術(shù)n表面合成材料技術(shù)表面合成材料技術(shù)n表面加工三維合成技術(shù)表面加工三維合成技術(shù)n上述要點(diǎn)的組合或綜合上述要點(diǎn)的組合或綜合高深寬比高深寬比GaN深刻蝕深刻蝕 （深：（深：4m，寬：，寬：0.6m）1.2表面工程技術(shù)的特點(diǎn)與意義表面工程技術(shù)的特點(diǎn)與意義表面工程技術(shù)具有一般整體材料加工技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn)。表面工程技術(shù)具有一般整體材料加工技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn)。n主要作用在基材表面，對(duì)遠(yuǎn)離表面的基材內(nèi)部組織與性能影響不大主要作用在基材表面，對(duì)遠(yuǎn)離表面的基材內(nèi)部組織與性能影響不大。因此，可以。因此，可以制備表面性能與基材性能相差很大的復(fù)合材料。制備表面性能與基材性能相差很大的復(fù)合材

10、料。n采用表面涂采用表面涂(鍍鍍)、表面合金化技術(shù)取代整體合金化，使普通、廉價(jià)的材料表面具、表面合金化技術(shù)取代整體合金化，使普通、廉價(jià)的材料表面具有特殊的性能，有特殊的性能，不僅可以節(jié)約大量貴重金屬，而且可以大幅度提高零部件的耐磨不僅可以節(jié)約大量貴重金屬，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蝕性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。性和耐蝕性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。n可以兼有裝飾和防護(hù)功能可以兼有裝飾和防護(hù)功能，有力推動(dòng)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。，有力推動(dòng)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。n表面薄膜技術(shù)和表面微細(xì)加工技術(shù)具有微細(xì)加工功能，表面薄膜技術(shù)和表面微細(xì)加工技術(shù)具有微細(xì)加工功能，是制作大規(guī)模集成電路、是制作大

11、規(guī)模集成電路、光導(dǎo)纖維和集成光路、太陽(yáng)能薄膜電池等元器件的基礎(chǔ)技術(shù)。光導(dǎo)纖維和集成光路、太陽(yáng)能薄膜電池等元器件的基礎(chǔ)技術(shù)。n二維的表面處理技術(shù)已發(fā)展成為三維零件制造技術(shù)二維的表面處理技術(shù)已發(fā)展成為三維零件制造技術(shù)（生長(zhǎng)型制造法），不僅大幅（生長(zhǎng)型制造法），不僅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使設(shè)計(jì)與生產(chǎn)速度成倍提高。度降低了零部件的制造成本，亦使設(shè)計(jì)與生產(chǎn)速度成倍提高。n表面工程技術(shù)已成為制備新材料的重要方法表面工程技術(shù)已成為制備新材料的重要方法，可以在材料表面制備整體合金化難，可以在材料表面制備整體合金化難以做到的特殊性能合金等。以做到的特殊性能合金等。金屬材料表面工程學(xué)的地位：金屬材料表面

12、工程學(xué)的地位： n表面工程技術(shù)所涉及的基材包括幾乎所有的工程材料，如金屬、表面工程技術(shù)所涉及的基材包括幾乎所有的工程材料，如金屬、陶瓷、半導(dǎo)體材料、高分子材料、混凝土、木材和各類復(fù)合材料陶瓷、半導(dǎo)體材料、高分子材料、混凝土、木材和各類復(fù)合材料等。等。n金屬材料，特別是鋼鐵材料，目前仍舊是機(jī)械、設(shè)備和工程構(gòu)件金屬材料，特別是鋼鐵材料，目前仍舊是機(jī)械、設(shè)備和工程構(gòu)件的主要材料。的主要材料。 機(jī)械行業(yè)中：機(jī)械行業(yè)中： 鋼鐵材料：鋼鐵材料：93% 有色金屬：有色金屬：2% 非金屬材料：非金屬材料：5%據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界鋼材的據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界鋼材的10%因腐蝕而損失。因腐蝕而損失。（2015年，世界鋼鐵產(chǎn)量約為年

13、，世界鋼鐵產(chǎn)量約為16億噸，億噸，其中我國(guó)約為其中我國(guó)約為8億噸。）億噸。）機(jī)械零件失效的主要形式：機(jī)械零件失效的主要形式： n塑性變形：材料強(qiáng)度不足或過(guò)載使用；塑性變形：材料強(qiáng)度不足或過(guò)載使用；n斷裂：韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂；斷裂：韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂；n磨損：按磨損機(jī)理分為磨料磨損、沖蝕磨損、粘著磨損和疲勞磨損等七大類；磨損：按磨損機(jī)理分為磨料磨損、沖蝕磨損、粘著磨損和疲勞磨損等七大類；n腐蝕：在環(huán)境及周圍介質(zhì)作用下產(chǎn)生。腐蝕：在環(huán)境及周圍介質(zhì)作用下產(chǎn)生。n在以上四種失效形式中，磨損、疲勞和腐蝕占在以上四種失效形式中，磨損、疲勞和腐蝕占80%以上。以上。 實(shí)驗(yàn)證實(shí)：失效通常是從材料的表面開始的，而且往往是因其表面性能不高所致。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：失效通常是從材料的表面開始的，而且往往是因其表面性能不高所致。 研究金屬材料的表面及其相應(yīng)的強(qiáng)化方法有十分重要的意義。研究金屬材料的表面及其相應(yīng)的強(qiáng)化方法有十分重要的意義。1.3表面工程技術(shù)的分類表面工程技術(shù)的分類n表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)表面涂鍍技術(shù)表面涂鍍技術(shù)表面合金化和摻雜技術(shù)表面