涂层技术原理及分类

西北工业大学付前刚1.涂层技术原理及制备方法2.涂层性能的检测及失效分析的方法3.C/C复合材料抗氧化技术3.1C/C复合材料基体改性抗氧化技术3.2C/C复合材料涂层结构、选材3.3C/C复合材料防氧化涂层技术（1）陶瓷涂层（2）金属涂层（3）玻璃涂层（4）梯度涂层（5）复合涂层3.4C/C复合材料抗烧蚀抗冲刷涂层技术4.陶瓷基复合材料抗氧化技术5.高温金属抗氧化技术6.热障涂层（EBC）技术7.隐身涂层技术涂层技术原理与制备方法涂层定义1涂层分类2涂层制备方法3内容Coatƒ涂层定义：用物理的、化学的、或者其他方法，在金属或非金属基体表面形成的一层具有一定厚度（一般大于10μm）、不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。涂层材料涂层材料金属涂层金属涂层复合材料涂层复合材料涂层非金属涂层非金属涂层各种金属，如铜、铝、镍、铬、银等。有机材料，如油漆、树脂;无机材料，如陶瓷及有色矿物。各种复合材料涂层的分类按涂层制备方法分类(见下页）金属涂层非金属涂层复合材料防腐涂层耐磨涂层特殊功能涂层防腐涂层耐磨涂层特殊功能涂层按涂层功能分按涂层材料分现有工艺现有工艺热浸镀表面粘涂气相沉积化学热处理热喷涂电镀溶胶凝胶原位反应•什么是电镀？电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中﹐以被镀基体金属为阴极﹐通过电解作用﹐使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来﹐形成镀层的一种表面处理方法。镀层性能不同于基体金属﹐具有新的特征。根据镀层的功能分为防护性镀层﹐装饰性镀层及其它功能性镀层。电镀技术定义•电镀是一种氧化还原过程铁片现代电镀单金属电镀合金电镀单层电镀多层组合电镀复合电镀现代电镀的分类电镀技术工艺以适当的技术和相应的处理剂除去镀件或制品表面对电镀及电镀层产生负面影响的各种污染物和外来物质，达到电镀技术对电镀表面所要求的清洁度表面准备.镀层及系统工艺设计在实施电镀之前，必须根据基体的具体情况、预期服役条件及预期的服役寿命来设计所需的镀层。表面准备中所采用的技术一般叫清洗技术；相应的处理剂叫清洁剂。表面准备镀层设计镀层镀覆电镀技术工艺.镀层及系统工艺设计在实施电镀之前，必须根据基体的具体情况、预期服役条件及预期的服役寿命来设计所需的镀层。以适当的技术和相应的处理剂除去镀件或制品表面对电镀及电镀层产生负面影响的各种污染物和外来物质，达到电镀技术对电镀表面所要求的清洁度表面准备表面准备中所采用的技术一般叫清洗技术；相应的处理剂叫清洁剂。表面准备镀层设计镀层镀覆镀层镀覆方法镀覆方法喷射电镀：利用适当的装置以一定的流量和压力将电镀液从阳极垂直喷射向阴极表面，在喷射射流冲击的阴极表面的区域发生电沉积。激光电镀技术：利用激光束快速、聚焦极好且准直的特点，而进行快速、无绝缘或不屏蔽的描图式的电镀。摩擦电镀:借助于在电镀过程中阳极对阴极的不停的、反复的摩擦作用,而使基体或已镀镀层表面一直处于机械活化状态脉动喷射电镀、卷材电镀、换向电流电镀、直流电镀、滚镀等等。•合金电镀的实现条件和特点1.两种金属中至少有一种金属能单独从其盐类的水溶液中沉淀出来2.两种金属的析出电位要十分接近或相等，如果相差太大，则电位较正的金属将优先镀出来，甚至完全排斥电位较负金属的析出。这样就不能形成合金镀层。色泽好外观优美硬度高致密性好稳定性好耐高温耐磨性好电镀的应用应用于各种金属和非金属的装饰防护，以及赋予这些金属和非金属的各种所需要的特殊性能或功能。广泛应用于汽车工业、航空航天等各个部门适合大批量生产未来电镀技术研究与开发重点11更广泛的应用各种电流，超声，以及各种其他物理机械作用。22研究、开发应用新型非水镀液——熔盐。33更广泛研究、应用新的镀层。44研究、发展和应用清洁电镀技术。化学镀是一种不需要通电，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。不外加电流而利用异相（固相，液相）表面受控自催化还原反应在基体上获得所需性能的连续、均匀附着沉积过程的统称，又称化学沉积、非电解沉积、自催化沉积。化学镀技术定义化学镀镍技术化学镀的发展史主要就是化学镀镍的发展史化学镀镍技术的核心是镀液的组成及性能化学镀镍的发展史中最值得注意的是镀液本身的进步20世纪60年代20世纪60年代20世纪70年代20世纪70年代近代近代镀液配方受限,镀液不稳定,镀液沉积速度慢、镀液寿命短。“双络合、双稳定”和“双络合、双稳定、双促进”配方的出现。至少200多种以上的成熟化学镀镍配方。•化学镀镍Ni-P-B活塞Ni-P铝质天线盒化学镀镍层实际上是含3-15%磷的镍磷合金化学镀镍是利用镍盐溶液在强还原剂次亚磷酸钠的作用下，使镍离子还原成金属镍，同时次亚磷酸盐分解析出磷，因而在具有催化表面的镀件上，获得Ni-P合金镀层。镍离子湿润剂光亮剂还原剂络合剂稳定剂去应力剂加速剂缓冲剂PH调整剂化学镀设备化学镀镍溶液化学镀设备化学镀镍溶液腐蚀速率（mm/年）腐蚀介质温度℃Ni-12P合金镀层＋不锈钢不锈钢1Cr18Ni9Ti42%NaOH沸腾0.0481.545%NaOH20℃没有0.537%HCl30℃0.141.5-1.810%H2SO430℃0.0311.510%H2SO470℃0.0481.5（海水）3.5%盐95℃没有0.5-1.440%HF30℃0.01411.5表Ni-12P合金镀层在下列介质中的腐蚀速率非晶态Ni-P镀层的外观形貌照片化学镀镍溶液特点:（1）工艺简单，适应范围广，不需要电源，不需要制作阳极，只要一般操作人员均可操作。（2）镀层与基体的结合强度好。（3）成品率高，成本低，溶液可循环使用，副反应少。（4）无毒，有利于环保。（5）投资少，数百元设备即可，见效快。化学镀的应用化学镀技术是比电镀技术更年轻的表面覆盖技术，正是由于化学镀技术的发展才使印刷线路板、计算机软盘和塑料电镀以及非金属表面金属化成为可能。应用部门基体金属厚度/μm使用原因一、汽车工业制动元件钢10-15耐磨、耐蚀和润滑二、模具和铸模锌铸模合金钢25μm耐磨和零件脱模三、纺织机件喷丝头不锈钢25耐蚀、耐磨四、化学和石油工业压气机和转子叶片钢/铝125耐蚀和耐磨五、航空和航天工业直升飞机桨叶及安全螺栓钢25-30耐磨、耐应力腐蚀六、电子工业手机外壳Al-Mg合金10-12黑Ni耐磨、耐蚀、装饰七、材料加工机械挤压柱和筒钢25耐蚀、耐磨和润滑八、印刷工业印刷辊筒钢50光亮、耐磨、耐蚀九、矿山机械矿井支柱钢40耐蚀、耐磨十、其他射击运动枪开关及手柄铝30耐蚀、耐磨、保持花纹美观电刷镀技术应用电化学沉积的原理，在导电零件需要制备镀层的表面上，快速沉积金属镀层的表面技术。电刷镀又叫选择电镀、无槽镀、涂镀、笔镀、擦镀等。它是电镀的一种特殊方式，不用渡槽，只需在不断供电解液的条件下，用一支镀笔在工件表面上进行擦拭，即可获得电镀层。电刷镀技术的应用应用零件表面强化零部件表面微尺寸修复零部件表面划痕、擦伤和凹坑等缺陷的修复制备特殊功能及其他要求的镀层电刷镀的发展趋势1.电刷镀溶液2.电刷镀设备3.电刷镀工艺与其他表面技术的交叉复合4.应用实践1.流镀2.珩磨镀3.使用电刷镀溶液的局部渡槽4.脉冲静镀5.电喷镀6.复合工艺1.发电设备难点攻关2.铁路提速道岔垫板的防护和强化1.小容量2.小型化3.多功能金属有机盐或无机盐溶液，低温时经过水解、缩聚等化学反应，从溶胶转变为凝胶，进而合成玻璃、陶瓷等涂层。溶胶凝胶技术简介溶胶-凝胶法基本原理机理1.水解反应：金属盐在水中的性质受金属离子半径，电负性，配位数等因素影响，如Si、Al盐，它们溶解于纯水中常电离出Mn+，并溶剂化。2.聚合反应：硅、磷、硼以及许多金属元素，如铝、钛、铁等的醇盐或无机盐在水解的同时均会发生聚合反应，如失水、失醇、缩聚、醇氧化、氧化、氢氧桥键合等都属于聚合反应，性质上都属于取代反应或加成反应。溶胶-凝胶技术工艺溶胶凝胶技术工艺流程图•溶胶-凝胶法涂膜的方法主要有浸渍法（dip-coating）和旋涂法（spin-coating）两种。•浸渍法又称提升法，它是将基片浸渍在溶胶中，再以恒定的速度从溶胶中提升出来，从而在基片表面上形成膜。浸渍法涂膜具有设备简单、操作方便的优点，并且基片两面可以同时镀膜；但该法涂膜不易均匀。•旋涂法又称甩胶法、离心法。它是将基片固定在旋转的圆盘上，再将镀膜液倒在基片上，由于旋转扩展形成均匀的液膜。旋涂法涂膜均匀，但不易大面积成膜。•涂制的湿膜通过溶剂的挥发，水解、聚合反应的不断进行形成凝胶膜，再对凝胶膜进行适当的热处理便得到需要的薄膜材料。溶胶凝胶法特点优点：1.反应温度低，反应过程易于控制2.制品的均匀度、纯度高3.化学计量准确，易于改性，掺杂的范围宽4.从同一种原料出发，改变工艺过程即可获得不同的产品，如粉料、薄膜、纤维等5.工艺简单，不需要昂贵的设备。缺点：1.所用原料多为有机化合物，成本较高，有些对健康有害2.处理过程时间较长，制品易产生开裂3.若烧成不够完善，制品中会残留细孔及OH-根或C,后者使制品带黑色•应用：•广泛的应用于玻璃、陶瓷、高超导材料、纳米材料及各种复合材料的制备。陶瓷涂层杯数码相机上的玻璃涂层溶胶-凝胶法（sol-gel法）鸟巢顶棚纳米涂层原位合成技术原位合成工艺是在一定条件下，通过元素和元素之间的物理化学反应(置换反应、氧化还原反应、相变、成核和结晶、化合和分解反应等)，在基体表面原位形成一种或多种高强度、高硬度的增强颗粒，从而起到强化基体的作用。特点：1.避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高2.不易出现增强相的团聚或偏析，生成颗粒细小3.工艺简单，成本较低4.在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量5.工艺上可实现连续生产和近净成形工艺，能与铸造工艺结合，直接制造出形状复杂、尺寸变化大的近终形产品原位合成技术原位合成技术分类表面原位合成原位合成技术整体原位合成原位高能束表面原位熔覆法原位铸造烧结法原位反应喷射沉积法这种喷涂工艺几乎可以喷涂所有的工程材料，如硬质合金、陶瓷、金属、石墨和金属陶瓷等。热喷涂利用某种热源把细微而分散的金属和非金属喷涂材料加热到溶化或半溶化状态，并高速喷向基体材料的表面，而形成各种所需的涂层的一种技术。利用特定的热源将喷涂材料加热熔化或软化，并借助自身动力或外加气流将熔滴加速，以一定的速度喷射到表面经过净化或粗化的工件上形成涂层的工艺方法。热喷涂技术原理辅助设备涂层材料输送机构能量供给设施热源（喷枪）工件热喷涂技术原理图热源温度℃喷涂方法粉末火焰喷涂(焊)火丝材火焰喷涂约3000陶瓷棒材火焰喷涂焰高速火焰喷涂(HVOF)爆炸喷涂(D-GUN)电弧约5000电弧喷涂大气等离子喷涂(APS)等离子弧10000以上低压等离子喷涂(LPPS)水稳等离子喷涂低速火焰喷涂2505007501000m/s25005000750010000oC00电弧喷涂等离子喷涂高速火焰喷涂温度速度涂层技术方法涂层技术方法涂层技术方法机械结合冶金—化学结合物理结合高速熔融粒子与工件表面撞击后产生变形，与凹凸不平的表面互相啮合，形成机械结合。颗粒快速冷却及收缩进一步增强结合。涂层材料与基材在一定的条件下产生扩散，并可产生微区的冶金结合组织，生成金属化合物和固溶体。主要由范德华力和次价键形成的一种结合模式。涂层结合方式涂层技术方法涂层技术方法涂层技术方法热喷涂方法的分类气体燃烧热源气体放电热源火焰喷涂连续爆炸喷涂超音速火焰喷涂火焰粉末喷焊电弧丝材喷涂等离子喷焊其他热源激光喷涂激光喷焊热喷涂方法（热源类型）等离子喷涂涂层技术方法涂层技术方法涂层技术方法具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。等离子喷涂等离子喷涂是由等离子喷枪产生等离子焰流来进行的。在工作气体电离后将粉末用载气送进高温等离子焰流中，形成涂层。等离子喷涂内燃机活塞环等离子喷涂的设备配置图首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，