表面工程学

简答题一、最常见的三种物理气相沉积技术是什么？比较其基本特点（从可镀膜层种类、成膜速率、成膜粒子来源、综合力学方面）1真空蒸发镀膜（1）蒸发材料可以是金属、合金和化合物。（2）在高真空环境中蒸发，可以防止膜的氧化和污染，得到洁净、致密、符合预定要求的薄膜。（3）设备简单可靠，价格便宜、工艺容易掌握，可进行大规模生产。2溅射镀膜（1）溅射出的粒子能量约为35eV，比蒸镀大，溅射出的薄膜对基片具有较强的附着力，成膜较致密。（2）实现大面积靶材的溅射沉积，沉积面积大，更均匀（3）高熔点、合金和化合物材料成膜（4）除磁控溅射外，一般沉积速度较慢，价格较高，但工艺重复性好，易工业自动化3离子镀膜（1）膜层与基材结合力高（2）均镀能力高（3）基体材料与镀膜材料可以广泛搭配，基材可以是合金、陶瓷、玻璃、塑料等，镀膜材料可以是金属和各类陶瓷材料二、简述化学除油与电化学除油的基本原理和特点化学脱脂是利用碱与油脂起化学反应来去除材料表面的油污。化学脱脂操作简单、脱脂能力强、安全可靠、易实现自动化。电化学脱脂，在脱脂时，将零件挂在阴极或阳极上，由于电极的极化作用，使油和零件界面的表面张力降低，在电解时，电极上析出的氢气泡或氧气泡对油膜具有强烈的撕扯作用，使油膜变为细小的油珠。，气泡上升时的机械搅拌作用又可进一步强化脱脂过程。因此，电化学脱脂比一般的化学脱脂效果好、速度快。三、合金电沉积的基本条件及其可以采取的措施基本条件（1）两种金属中至少有一种金属能单独从其盐的水溶液中沉积出来（2）要使两种金属共沉积，它们的析出电位要十分接近或相等措施（1）选择金属粒子合适的价态（2）改变金属离子的浓度（3）加入适当的络合剂（4）加入添加剂四、简述离子注入技术的主要特点及其强化机理特点（1）靶材与注入或者添加剂的元素不受限制（2）注入过程不受温度限制（3）注入和添加到靶材中的原子不受靶材固溶度的限制，不受扩散系数和化学结合力的影响（4）可以精确控制掺杂数量、掺杂深度与位置（5）离子注入过程横向扩散可以忽略，深度均匀，大面积均匀性好，掺杂杂志纯度高（6）直接离子注入不改变工件尺寸强化机理（1）固溶强化效应（2）晶粒细化效应（3）晶格损伤效应（4）弥散强化效应（5）晶格变换效应（6）压应力效应五、简述光刻加工的基本原理和一般步骤基本原理：利用光致抗蚀剂感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模版上的图形刻制到被加工表面上步骤：（1）涂布光致抗蚀剂（涂胶）（2）套准掩模版并曝光（曝光）（3）用显影液溶解未感光的光致抗蚀剂层（显影）（4）用腐蚀液溶解掉无光致抗蚀剂保护的二氧化硅层（腐蚀）（5）去除已感光的光致抗蚀剂层（去胶）六、简述化学抛光与电化学抛光的基本原理与特点化学抛光：把零件放在合适的化学介质中，利用化学介质对金属表面的尖峰区域溶解速度比凹谷区域溶解速度快的多的特点，实现材料表面的抛光。适合复杂形状和各种尺寸的零件，生产效率高，但是介质使用寿命比较短，抛光质量不如电化学抛光。电化学抛光：将工件作为阳极，浸于特定的抛光介质中并通以直流电进行电解，零件表面凸起的波峰部分电流密度较大，溶解较快，而凹入的波谷部分由于受到钝化膜或添加剂的保护而溶解很少或不溶解；因此，零件表面得以整平，产生光泽效果。但电化学抛光的成本较高而效率较低，故常常只用于机械抛光后精饰工艺七、什么是表面转化处理？形成的转化膜的主要性质和用途是什么？常用的转化处理技术有哪些?表面转化处理：转化膜技术是通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变其金属外观的一类技术。性质和用途（1）用于防护和装饰（2）提高涂膜与基体的结合力（3）耐磨减摩（4）适用于冷成形加工（5）电绝缘性转化处理技术：磷化钝化氧化1、将固相和气相之间的分界面称为表面，把固相之间的分界面称为界面，不同凝固相之间的分界面称为相界面，同一相中晶粒之间的分界面称为晶界，晶粒尺寸小到微米级以下的晶粒称为微晶2、尽管材料表面原子结构的周期性不同于体内，但如果其化学成分仍与体内相同，这种表面就称为洁净表面清洁表面一般指零件经过清洗（脱脂、侵蚀等）以后的表面表面特征：驰豫：表面附近的点阵常数在垂直方向上较晶体内部发生明确的变化重构：表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面台阶化：实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成偏析：化学组分在表面区的变化波纹度：在一段较长距离内出现一个峰和谷的周期粗糙度：在较短距离内出现的凹凸不平3、吸附、润湿4、磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象摩擦：干摩擦、边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、滚动摩擦磨损：磨粒磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、高温磨损（P19）5、提高零件耐磨性的途径（1）工程结构的合理设计（2）零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择（3）材料表面耐磨与减摩处理6、腐蚀（P29）极化、钝化、活化（P33）各种腐蚀的特征（P37）7、金属材料腐蚀控制及防护方法（P38）（1）产品合理设计与正确选材（2）电化学保护（3）表面覆层及表面处理（4）加入缓蚀剂8、表面预处理工艺：（P40）（1）机械性清理（2）脱脂a机械磨光和抛光a化学脱脂b滚光和刷光b水剂脱脂c喷砂或喷丸c有机溶剂脱脂d电化学脱脂（3）化学侵蚀、抛光和电化学抛光（4）脱脂—侵蚀综合处理a化学侵蚀b电化学抛光c化学抛光（5）其他表面预处理工艺a局部保护工艺b塑料与混凝土表面预处理工艺9、表面淬火的原理和特点相比普通淬火：（P49）原理：采用特定的热源将钢铁材料表面快速的加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对过亚共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程，就成为表面淬火技术。特点：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高10、其他淬火技术（P60）11、表面形变强化技术：（P61）A受控喷丸强化技术原理：工件表面吸收高速运动弹丸的动能后产生塑性流变和加工硬化，同时使工件表面保留残余压应力。特点:由于受控喷丸技术的关键是改变了材料表面的残余应力，提高了材料的疲劳强度和抗应力腐蚀能力。因此，该技术在工业中的应用也主要局限于那些需要改善强度和抗应力腐蚀能力。B表面滚压技术原理：由于塑性变形产生加工硬化，并产生很大的残余应力特点：可以使表面改性层的最大深度达5mm以上，因此能较大幅度地改善材料表面的疲劳寿命、抗应力腐蚀能力，特别适合晶体结构为面心立方的金属与合金的表面改性。该工艺的缺点是只能适合一些形状简单的平板类零件、轴类零件和沟槽类零件等，对于形状复杂的零件表面就无法使用。12、热扩渗技术（P64）热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层（热扩渗层）的工艺。特点：渗层与基体金属之间是冶金结合，结合强度很高，渗层不易脱落或者剥落。基本原理渗层形成的基本条件：1渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属间化合物2欲渗元素与基材之间必须有直接接触3被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度（提高速度就是将工件加热到足够高的温度，使欲渗元素能够有足够大的扩散系数和扩散速度）渗层形成机理：1产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面2渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间隙化合物，建立热扩渗所必须的温度梯度。3扩散过程：渗剂元素原子=基体金属内部原子热扩渗温度的影响因素：反应物的浓度、反应温度、活化剂等扩渗层的组织结构：1形成连续固溶体的扩散成为纯扩散2随着溶质浓度增加而伴随新相形成的扩散称反应扩散13、热扩渗工艺分类（P67）温度：高于910oC的为高温热扩散低于720oC的是低温扩散渗入元素化学成分：非金属元素热扩渗金属元素热扩渗金属-非金属元素多元共渗扩散退火渗剂的物质状态：气体热扩渗，固体热扩渗，液体热扩渗，等离子体热扩渗，复合热扩渗14、渗氮、渗碳、碳氮共渗！！15、热喷涂技术（P92）原理：采用各种热源使涂料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程热喷涂分为燃烧法和电加热法两大类。根据喷涂用材料的形式和喷涂时气氛环境进一步分类：线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、电弧喷涂、大气等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂。特点：优点（1）可在各种基体上制备各种材料的涂料（2）基体温度低（3）操作灵活（4）涂层厚度范围宽缺点（1）热效率低（2）材料利用率低（3）浪费大和涂层与基体结合强度较低涂层材料要求：（1）热喷涂材料最好有较宽的液相区，可以使溶滴在较长时间内保持液相（2）喷涂材料的形状和尺寸也有要求，一般是用线材或粉末材料涂层形成过程：涂层材料经加热熔化和加速—撞击基体—冷却凝固—形成涂层。其中涂层材料的加热、加速、凝固过程是三个最主要的方面16、热喷涂工艺流程：（无论哪种热喷涂工艺、控制喷涂层质量的总原则是一致的，即要对热能的产生、热能与喷涂材料交互作用以及颗粒与基体之间交互作用的三个步骤进行严格的质量控制）（1）基体表面预处理（粗化处理P97）（2）热喷涂、（3）后处理（封孔处理、致密化处理）、（4）精加工粗化表面可以使涂层与基体之间、涂层颗粒之间的结合得到加强原因1提供表面压应力2提供涂层颗粒互锁的结构3增大结合面积4净化表面多空隙是热喷涂层的固有缺陷，封孔处理目的是填充这些空隙，起到以下作用：1防止或阻止涂层界面处的腐蚀2延长铝和锌防护涂层的寿命3在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露4防止污染或研磨碎片进入图层5保持陶瓷涂层的绝缘强度17、涂层材料受热后的温度和加速后的速度是决定涂层结合强度的关键（1）火焰喷涂工艺（线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂的总称）原理：通过气体燃烧提供热量加热熔化喷涂材料，通过压缩气体雾化并加速喷涂材料，随后在基体上沉积形成涂层特点：设备投资少、操作容易、设备可携带到现场施工，无电力要求，沉积效率高等，至今是喷涂纯钼涂层的最好选择。但是涂层氧含量较高，空隙较多，涂层结合强度偏低，涂层质量不高（2）电弧喷涂工艺原理：P101特点：只能用于具有导电性能的金属线材，比火焰喷涂涂层要致密，结合强度高。而且运行费用低，喷涂速度和沉积效率都很高，是喷涂大面积涂层尤其是长效防腐锌、铝涂层的最佳选择。（3）等离子喷涂工艺原理：采用等离子火焰作为热源对喷涂材料进行加热特点：最大优势是焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料，结合强度也很高，而且图层中夹杂较少，喷涂质量远优于火焰喷涂层。但是设备相对复杂，价格昂贵。（4）爆炸喷涂工艺最大特点是射流速度高，温度低，可以有效地抑制碳化物的分解，爆炸涂层与基材结合强度非常高，杂质含量也较低。但是喷涂效率非常低，运行成本相对较高。超音速火焰喷涂工艺射流速度高而焰流温度相对较低，同样适合喷涂含碳化合物材料。结合强度略低于爆炸喷涂，涂层杂质较少，涂层残余应力小。但是超音速火焰喷涂燃料消耗大，虽然其喷涂效率比爆炸喷涂有提高，喷涂成本目前仍然比较高。18、喷涂材料（P105）质量评定（P111）19、热喷涂技术的应用（P108）（1）喷涂耐腐蚀涂层（2）喷涂耐磨涂层（3）喷涂耐高温涂层（4）喷涂功能涂层（5）喷涂成型20、热喷焊基本特点：（1）热喷焊层组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高（2）热喷焊材料必须与基材相匹配,喷焊材料和基材范围比热喷涂窄的多（3）热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多（4）热喷焊涂层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别21喷焊工艺过程：（1）焊前预处理：表面必须清洁（2）喷焊：a预热（使工件表面湿气蒸发、产生适当的热膨胀，减少焊层应力，提高喷粉沉积速率）b喷粉c重熔（3）后处理22、（P114）（1）氧—乙炔火焰喷焊与基材结合强度高，耐冲蚀磨损的性能比热喷涂涂层要好（2）等离子喷焊原理：主要特点：（1）生产效率高（2）稀释率低（3）工艺稳定性好，易实现自动化（4）喷焊层成分、组织均匀23、喷焊材料（P116）质量评定（P117）24、堆焊（P117）电镀=电沉积25、电镀的基本原理：（1）液相传质过程（2