中南大学粉冶院表面工程复习题

表面工程作业第一章作业1，何谓表面工程，简述它在国民经济中重要性。从广义上讲，表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术表面技术主要包括：表面覆盖（在材料的表面施加各种覆盖层）、表面改性、表面加工以及表面湿润、表面催化、膜技术等。表面工程技术既可对材料表面改性，制备多功能（防腐、耐磨、耐热、耐高温、耐疲劳、耐辐射、抗氧化以及光、热、磁、电等特殊功能）的涂、镀、渗、覆层，成倍延长机件的寿命；又可对产品进行装饰；还可对废旧机件进行修复。采用表面工程措施的费用，一般虽然占产品价格的5％～10％，却可以大幅度地提高产品的性能及附加值，从而获得更高的利润，采用表面工程措施的平均效益高达5～20倍以上。2，表面工程技术的发展趋势及其原因是什么？一、研究复合表面技术二、完善表面工程技术设计体系三、开发多种功能涂层四、研究开发新型涂层材料五、深化表面工程基础理论和测试方法的研究六、扩展表面工程的应用领域七、积极为国家重大工程建设服务八、向自动化、智能化的方向迈进九、降低对环保的负面效应第二章作业1，洁净的表面结构有哪几种？各有什么特点？2，材料的实际表面结构通常具有什么特点？3，贝尔比层是怎样形成的？具有什么特点？固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，既造成一定程度的晶格畸变。这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的，约5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层。这层非晶态称为贝尔比层。其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。4，大气环境下，金属和陶瓷粉体的表面通常是什么结构？含有什么成分？：结构：形成贝尔比层成分：一般为金属/过渡层/空气。金属/空气极为少见。过渡层中常由氧化物、氮化物、硫化物、尘埃、油脂、吸附气体（氧、氮、二氧化碳和水汽等）所组成。过渡层为氧化物最常见，由于一些金属元素的氧化态可变，因此在氧化层中也包含不同氧化态的氧化物。陶瓷粉体：纳米粉能够从空气中吸附大量的水,在表面形成羟基层和多层物理吸附水。5，大气环境下，纳米陶瓷粉团聚原因是什么？(1)粉体变细,其比表面积增加,表面能增大,表面效应(如弛豫、偏析、吸附)、量子尺寸效应(如能隙变宽等)增强,熔点降低,使纳米粉的表面性质变得更加活跃,许多在加热条件下或高温下才发生的化学反应,在常温下已经很剧烈了(2)大气环境下都有一层羟基,这是表面的悬键与空气中的O2和水等反应形成的（lgd）。(3)表面羟基层的形成,一方面使表面结构发生变化,减少了表面因弛豫现象而出现的静电排斥作用;另一方面,导致羟基间的范德华力、氢键的产生,使粉体间的排斥力变为吸引力,导致团聚（lgd）6，磨损失效有哪些类型？提高耐磨性对材料的表面各有哪些性能要求？磨损类型磨损过程特点要求材料具备的性质磨粒磨损一个凸起硬面和另二表面接触，或者在两个摩擦面之间存在或嵌有硬颗粒，在相对运动中导致材料转移有比磨粒更硬的表面，较高的加工硬化能力粘着磨损摩擦面相对滑动时，固相焊合点撕裂、断裂导致材料迁移互相接触的摩擦副材料溶解度低，表面抗热软化能力好，表面能低冲蚀磨损含有固体粒子的流体冲击固体表面，或流动液体中气泡破裂形成的振动波使材料局部变形和流失的过程在小角度冲击时要有高硬度，在大角度冲击时要有高韧度疲劳磨损在滚动接触过程中，由于交变接触应力的作用而使材料表面出现麻点或脱落的现象高硬度、高韧度，精加工性能好，流线型好，少、无硬的非金属夹杂，表面无微裂纹腐蚀磨损磨损与腐蚀交互或者共同作用，导致材料去除的过程无钝化作用时要提高材料的耐腐蚀能力，兼有耐腐蚀性和耐磨损性能微动磨损当两个承载件的相互接触表面经历相对往复切向振动时，由于振动产生循环应力的作用而导致的微动损伤提高耐环境腐蚀的能力和高的抗磨粒磨损性能，使磨损时形成软的腐蚀产物，同相配合的表面具有不相溶性高温磨损在高温下相互接触工件之间的磨损，是一种氧化、磨损交错或者同时进行的过程热硬性好，抗氧化能力强，热扩散能力高7，影响固体材料粘着磨损性能有哪些因素？•1）润滑条件或环境：在真空条件下大多数金属材料的磨损十分严重。•（2）硬度：对摩擦副材料的硬度而言，材料越硬，耐磨性越好。•（3）晶体结构和晶体的互溶性：密排六方的材料摩擦系数最低，体心立方材料最高。冶金上互溶性好的一对金属摩擦副摩擦系数和磨损率都高。•（4）温度：温度升高，磨损加剧。8.什么是zeta电位。Zeta电位又叫电动电位或电动电势（ζ-电位或ζ-电势），是指剪切面(ShearPlane)的电位，是表征胶体分散系稳定性的重要指标。9，银粉到哪个尺寸不导电？粒径小于1微米冷冻干燥法原理：在低温下将湿凝胶中的水冻结成冰，然后迅速抽真空降低压力，在低温低压下使冰直接升华成蒸汽，实现固液分离。超声法基本原理：通过超声空化作用产生的冲击波和微射流可以有效地使溶胶原有的絮状结构解体、粘度降低、流动性增强。10.大气环境下，不锈钢的表面结构成分与其基体成分有什么关系？第三章预习要点1，物理气相沉积与化学气相沉积个有什么特点，它们的区别是什么？沉积过程中若沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，则称为化学气相沉积（CVD）；否则称为物理气相沉积（PVD）。．CVD（化学）的特点（1）在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体。（2）可以在大气压（常压）或者低于大气压下（低压）进行沉积。一般来说低压效果要好些。（3）采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。（4）镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者得到混合镀层。（5）可以控制镀层的密度和纯度。（6）绕镀性好，可在复杂形状的基体上以及颗料材料上镀制。（7）气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层。（8）沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层。（9）可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物镀层。工艺温度高低是CVD和PVD之间的主要区别。CVD工艺对进入反应器工件的清洁要求比PVD工艺低一些，因为附着在工件表面的一些脏东西很容易在高温下烧掉。此外，高温下得到的镀层结合强度要更好些CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些，CVD镀层往往厚度在5-300μm左右，PVD镀层通常不到5μm厚。CVD镀层的表面略比基体的表面粗糙些。相反，PVD镀膜如实地反映材料的表面，不用研磨就具有很好的金属光泽，CVD反应发生在低真空的气态环境中，具有很好的绕镀性，所以密封在CVD反应器中的所有工件，除去支承点之外，全部表面都能完全镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。相对而论，所有的PVD技术由于气压较低，绕镀性较差，因此工件背面和侧面的镀制效果不理想。PVD的反应器必须减少装载密度以避免形成阴影，而且装卡、固定比较复杂。在PVD反应器中，通常工件要不停地转动，并且有时还需要边转边往复运动。2，蒸镀的原理是什么？蒸镀铝膜，有哪些用途？1．蒸镀原理和液体一样，固体在任何温度下也或多或少地气化（升华），形成该物质的蒸气。在高真空中，将镀料加热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上散发，蒸发原子在各个方向的通量并不相等。基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气流，蒸气则在其上形成凝固膜。为了弥补凝固的蒸气，蒸发源要以一定的比例供给蒸气。用途；目前在制镜工业中已经广泛采用蒸镀，以铝代银，节约贵重金属。集成电路是镀铝进行金属化，然后再刻蚀出导线。在聚酯薄膜上镀铝具有多种用途：制造小体积的电容器；制作防止紫外线照射的食品软包装袋；经阳极氧化和着色后即得色彩鲜艳的装饰膜。双面蒸镀铝的薄钢板可代替镀锡的马口铁制造罐头盒。3，溅射镀膜的基本原理是什么？目前有哪些种类？溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。溅射镀膜有两种：一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜，这称为离子束溅射。离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。另一种是在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在基片上。离子溅射（1）直流二极溅射（2）三极和四极溅射（3）射频溅射（4）磁控溅射（5）合金膜的镀制（6）化合物膜的镀制（7）离子束溅射第三章作业1)，溅射镀膜的基本原理是什么？目前有哪些种类？溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。溅射镀膜有两种：一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜，这称为离子束溅射。离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。另一种是在真空室中，利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在基片上。离子溅射（1）直流二极溅射（2）三极和四极溅射（3）射频溅射（4）磁控溅射（5）对象靶溅射（6）偏压溅射（7）离子束溅射(8)反应溅射2)，薄膜/涂层的三种生长模式及其形成原因•岛状生长模式：(不存在任何对形核有促进作用的有利位置)•被沉积的物质与基底之间的润湿性差，倾向于自己相互键合•层状生长模式：被沉积的物质与基底之间的润湿性很好，没有明确的形核阶段，从形核阶段开始就采取二维扩展模式——外延式•层状——岛状生长模式：开始1两个原子层层状生长后，生长模式由层状转化为岛状模式•••3)，简述气相沉积陶瓷涂层/薄膜的四种组织形态特征及形成条件.Ts/Tm——相对温度形态1型结构：Ts/Tm＜0.3，低温，气体压力较高；细纤维装组织，有许多纳米级孔隙，表面扩散能力低，临界核小，沉积速度大；疏松针状拱形形态T型结构：与形态1型相似，气体压力较低，纤维状均匀致密形态2型结构：Ts/Tm=0.3~0.5，中温，气体压力不高；细纤维装组织，有许多纳米级孔隙，表面扩散能力较高，体扩散能力有所提高，晶界完整，致密性好；均匀致密柱状形态3型结构：Ts/Tm＞0.5，高温，表面扩散能力、体扩散能力都较高，在沉积的同时，涂层内再结晶，长大为粗大的等轴晶，晶体内缺陷密度低4），提高陶瓷涂层与基体力学相容性的方法与原理有哪些,举例说明.加入陶瓷梯度结合层之后,ZrO2-Y2O3陶瓷涂层与基体之间的结合力有较大的提高。陶瓷和金属的热膨胀系数及弹性模量等性能不匹配,且基体与涂层间存在明显的界面,因此,表面具有陶瓷涂层的金属零部件在应用过程中常会发生涂层开裂或剥落损坏等现象第四章预习与作业预习1、热喷涂技术的原理，涂层形成过程，涂层组织结构，结合、应力，热喷涂方法，喷涂材料，热喷涂工艺流程和质量控制，热喷涂的应用。2、热喷焊的原理、特点、喷焊方法、热喷焊材料、工艺、应用。3、堆焊的原理、特点、堆焊方法、堆喷焊材料、工艺、应用。作业1，热喷涂的技术特点和工艺原理是什么？利用热能将喷涂材料熔化，再借助高速气流将其雾化，并在高速气流的带动下粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。特点（1）可在各种基材上制备各种涂层；（2）基材温度低（30～200℃），热影响区浅，变形小；（3）涂层厚度范围宽（0.5～5mm）；（4）操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；（5）加热效率低，喷涂材料利用率低，（6）涂层与基体结合强度低。2，超音速喷涂的原理和特点是什么？高速火焰喷涂是将助燃气体与燃烧气体在燃烧室中连续燃烧，燃烧的火焰在燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出口联接的膨胀喷嘴产生高速焰流，喷涂材料送入高速射流中被加热、加速喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。特点1）焰流速度高但温度相对较低，适合喷涂含碳化物材料。2）涂层致密（99.9％），表面粗糙度低。3）结合强度略低于爆炸喷涂，达70MPa以上。4）喷涂效率高，但燃料消耗大，喷涂成本比较高。；5）噪音大(120dB)，需有隔音和防护装置。3，简述等离子喷涂的原理、设备、特点和应用领域。原理等离子喷涂是通过等离子喷枪来实现的，喷枪的喷嘴和电极分别接电源