課件工程材料基礎(chǔ)

110.材料表面改性新技術(shù)熱噴涂激光束離子束電子束氣相沉積210.1熱噴涂技術(shù)將涂層材料加熱熔化，用高速氣流將其霧化成極細(xì)的顆粒，并以很高的速度噴射到工件表面，形成涂層。一、基本原理火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂爆炸噴涂超音速噴涂高頻感應(yīng)噴涂熱噴涂方法√3火焰噴涂是利用氣體燃燒火焰的高溫將噴涂材料（金屬絲或粉末）熔化，并用壓縮空氣流將它以很高的速度噴射到工作表面上，形成涂層。C2H2O2粉斗4二、涂層結(jié)構(gòu)熱噴涂過程中，最先沖擊到工件表面的顆粒變形為扁平狀，與工件表面凹凸不平處產(chǎn)生機(jī)械咬合。后來的顆粒打在先行顆粒的表面上也變?yōu)楸馄綘?，并產(chǎn)生機(jī)械結(jié)合，逐漸堆積成涂層。5涂層的顯微結(jié)構(gòu)是大致平行的迭層狀組織，疏松多孔（孔隙率最高達(dá)25％）。因與空氣接觸，涂層中還有氧化物和氮化物。涂層中存在殘余應(yīng)力（外拉內(nèi)壓）。當(dāng)涂層較厚或收縮率較高時(shí)，涂層中會(huì)產(chǎn)生裂紋。6結(jié)合強(qiáng)度低；良好的貯油和減摩性能；涂層的抗拉強(qiáng)度一般比基體低；硬度取決于噴涂材料、方法及工藝；涂層強(qiáng)度低、硬而脆；機(jī)加工性能差。涂層的性能特點(diǎn)7取材范圍廣幾乎所有金屬、合金、陶瓷，甚至塑料均可作為噴涂材料；可用于各種基體；基體可保持較低的溫度，以保證不變形，不弱化；工效高；對(duì)噴涂工件的形狀、尺寸一般無限制；涂層厚度易于控制；三、熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用8可賦予普通材料特殊的表面性能；可使工件滿足耐磨、耐蝕、耐高溫、隔熱、密封、減摩、耐輻射、導(dǎo)電、絕緣等特殊性能要求。910.2激光束、離子束及電子束技術(shù)一、激光束表面合金化激光束的特點(diǎn)高的方向性；高亮度性；高單色性。10預(yù)先通過蒸發(fā)、濺射、涂敷或噴涂的方法在金屬工件表面上附著一層合金元素表面膜受到激光束照射時(shí)，表面膜及工件淺表層熔化并迅速凝固成具有特殊成分和性能的合金化表層。合金元素表面膜11離子注入是在離子注入機(jī)上進(jìn)行的。其基本原理是：將適當(dāng)?shù)臍怏w或固體工作物質(zhì)的蒸氣通入離子注入機(jī)，使其電離，形成正離子束。離子束被加速、聚焦和分選后，以107～108cm/s的速度射到工件表面上。載有一定能量的離子射入工件表層后，與其中的原子核和電子不斷碰撞，消耗能量，最終在表層中某處停留下來，形成固溶體或化合物等。二、離子注入12離子注入機(jī)實(shí)物照片13離子注入表面改性的特點(diǎn)是一個(gè)非熱平衡過程，任何元素都可注入任何基體材料；注入元素的種類、能量、劑量可控，以得到不同的新合金相；注入層相對(duì)于基體沒有界面，因而不存在結(jié)合問題；常在真空中進(jìn)行；能精確控制注入離子的密度及濃度；表面形成殘余壓應(yīng)力。14電子槍由加熱燈絲、陰極、陽極、聚束極、電磁透鏡、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和合軸系統(tǒng)等組成三、電子束表面熱處理15電子束以極高的速度轟擊工件表面，能使工件表面以3000～5000℃/s的速度急速升溫，在極短時(shí)間內(nèi)（1/3~1/5s）達(dá)到1000℃，使之達(dá)到奧氏體狀態(tài)，但工件表層以下、以及沒有受到電子束轟擊的區(qū)域溫度末變，處于冷態(tài)。當(dāng)電子束離開后，表層的熱量向冷態(tài)的基體傳導(dǎo)而以很快的速度（大于臨界冷速）冷卻，而完成工件表層“自冷”淬火。16電子束熱處理的特點(diǎn)（與LB相比）功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高；成本低；工件表面不需特殊處理；操作維修方便；在真空條件下進(jìn)行，工件表面質(zhì)量高，但限制了工件尺寸；可控性比激光差。17電子束表面淬火可用于各種碳鋼及合金鋼。淬硬層深度隨設(shè)備功率增大而增加，隨掃描速度增大而減小。淬火組織與材料有關(guān)，如45鋼表面可得到針狀M，最高硬度達(dá)62.5HRC，20Cr鋼表面可得到低碳M，最高硬度達(dá)40～41HRC。1810.3氣相沉積技術(shù)

氣相沉積是將含有形成沉積元素的氣相物質(zhì)輸送到工件表面，在工件表面形成沉積層的工藝方法。依據(jù)沉積過程反應(yīng)的性質(zhì)，可分為化學(xué)氣相沉積物理氣相沉積19化學(xué)氣相沉積（ChemicalVapourDeposition）是利用氣態(tài)物質(zhì)在一定溫度下于固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積膜的過程，常稱CVD法。基本原理將含有涂層材料元素的反應(yīng)介質(zhì)在較低溫度下汽化，然后送入高溫的反應(yīng)室與工件表面接觸產(chǎn)生高溫化學(xué)反應(yīng)，析出合金或金屬及其化合物沉積于工件表面形成涂層。一、化學(xué)氣相沉積20

在鋼件表面沉積TiC層將Ti以揮發(fā)性TiCl4形式與氣態(tài)或蒸氣態(tài)的碳?xì)浠衔镆黄鹚腿敫邷氐恼婵辗磻?yīng)室，用氫氣作為載體氣和稀釋劑，即會(huì)在反應(yīng)室內(nèi)鋼件表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：TiC被沉積在工件的表面。21CVD法的主要特點(diǎn)可沉積各種晶態(tài)或非晶態(tài)無機(jī)薄膜材料；沉積層純度高，與基體結(jié)合力強(qiáng)；沉積層致密，氣孔少；均鍍性好；設(shè)備及工藝操作較簡(jiǎn)單；反應(yīng)溫度較高，1000℃以上，限制了其應(yīng)用。22物理氣相沉積（PhsicalVapourDeposition）是氣態(tài)物質(zhì)在工件表面直接沉積成固體薄膜的過程，常稱PVD法。PVD有三種基本方法真空蒸鍍?yōu)R射鍍膜離子鍍二、物理氣相沉積23在真空下將鍍層材料加熱變成蒸發(fā)原子，蒸發(fā)原子在真空條件下不與殘余氣體分子碰撞而到達(dá)工件表面，形成薄膜鍍層。特點(diǎn)：設(shè)備及工藝操作簡(jiǎn)單；可鍍不良導(dǎo)體、玻璃、陶瓷等；沉積速度快；高熔點(diǎn)及低蒸氣壓物質(zhì)蒸鍍困難，繞鍍性差，鍍層較疏松，與基體結(jié)合弱，而沖擊和磨損性差。

真空蒸鍍24在氣體輝光放電爐中，用正離子轟擊陰極（待沉積材料作的靶），將其原子濺射出，并通過氣相沉積到工件表面上形成薄膜鍍層。特點(diǎn)：適于任何物質(zhì)；鍍膜密度高、氣孔少，與基體結(jié)合力強(qiáng)；沉積速度慢，設(shè)備及工藝操作復(fù)雜。

陰極濺射法25借助惰性氣體（如Ar）的輝光發(fā)電使