表面工程概述与热喷涂材料

0表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)第四章表面工程与热喷涂第一节表面工程概述一、金属表面处理技术概念金属表面处理技术----是指通过一些“物理”、“化学”、“机械”、或“复合方法”使得金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态，从而使经过处理后的表面具有与基体不同的性能。1表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)二、表面处理技术的意义为什么研究金属表面处理技术所有的金属材料都不可避免与环境相接触,而与环境真正接触的是金属的表面，如各种机械零件和工程构件。金属表面发生破坏或失效，进而引起整个设备或零（构）件的破坏或失效。发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关心的重大课题。2表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)随着现代工业的迅猛发展，对机械工业产品提出了更高的要求，要求产品能在高参数(如高温、高压、高速)和恶劣工况条件下长期稳定运转或服役，这就必然对材料表面的耐磨、耐蚀等性能以及表面装饰提出了更高的要求，使其成为防止产品失效的第一道防线。问题的提出表面工程的作用：提高构件表面的耐磨性、耐蚀性、耐高温性能，或对构件表面进行修复、强化、装饰等。3表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)•火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室需承受2000～3300℃温度和巨大的热焰流冲击。•飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达4000～5000℃。•长江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴损坏，当时如从日本购买新轴，加上运费和进口关税等需人民币120万元，从订购到交货需三个月以上，停产损失更大？4表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)选用特种金属或合金来制造整个零件或设备表面处理技术解决措施19世纪工业革命以来，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。在许多情况下也很难找到一种能够同时满足整体和表面要求的材料。试图采用各种表面技术对普通金属表面进行处理，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。表面处理技术则可以用极少量的材料就起到大量、昂贵的整体材料难以起到的作用，在不增加或不增加太多成本的情况下使产品表面受到保护和强化，从而提高产品的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性能、质量、增强产品的竞争能力。5表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)意义通过表面处理大幅度提高产品质量节约贵重材料实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题修复整体优势，良好的节能、节材效果6表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)三、表面处理技术的主要途径表面涂层技术表面改性技术在基体表面制备各种镀、涂覆层，包括电镀、化学镀、（电）化学转化膜技术、气相沉积技术、堆焊、热喷涂等用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。如表面淬火、化学热处理、喷丸、高能束表面改性等。表面改性技术和表面涂层技术的最大区别是，其所形成的表面在材料和组织上均与基体有一定的联系，而不像表面涂层技术那样，涂层的材料和组织与基体是完全不同的。7表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)表面组织转化激光表面淬火感应加热淬火表面喷丸/滚压不改变表面化学成分气相沉积化学沉积(如电镀)化学转化膜(如磷化)涂装技术(涂漆等)热喷涂和喷焊表面涂镀热扩渗:渗碳/氮化等激光表面合金化离子注入单晶硅中掺杂硼/磷等表面合金化基材不参与或很少参与涂层的反应表面处理技术形成成分不同于基材和添加材料的表面合金化层8表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)四、表面处理技术的分类1.按照作用原理分原子沉积沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。颗粒沉积沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。整体覆盖它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂装、堆焊等。表面改性用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。9表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)2.按表面强化层材料分金属材料层陶瓷材料层高分子材料层3.按表面处理工艺特点分表面改性技术包括表面淬火、化学热处理、表面形变强化等，如感应加热表面淬火、渗碳、氮化、碳氮共渗、喷丸、滚压等。表面涂（镀）层技术如电镀、化学镀、热浸镀、气相沉积、热喷涂、堆焊、激光熔覆、涂装等。表面转化膜技术如氧化处理、磷化处理、铬酸盐处理和着色与封闭处理等。高能束表面处理技术如电子束、离子束、激光束表面改性与强化等。10表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)4.按表面处理的目的或性质分表面耐磨和减摩技术表面耐蚀和抗氧化技术表面装饰技术功能表面技术表面修复技术12表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)五、金属表面处理技术的产生与发展•春秋五霸时期，越王勾践“卧薪尝胆”，一举击败了吴王夫差，演出了历史上春秋争霸的最后一幕。•1965年，湖北省荆州市望山一号墓出土越王勾践自用青铜剑，轰动世界。勾践剑在墓中被水浸泡2000多年仍锋芒毕露，寒气逼人。•“越王勾践剑”千年不锈的原因在于剑身上被镀上了一层含铬的金属。13表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)•1986年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会，进入20世纪90年代，其发展势头更猛，各国竟相把表面工程列入研究发展规划。•我国于1987年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所，1988年《表面工程》杂志在中国创刊，1997年经国家科委正式批准更名为《中国表面工程》，面向国内外公开发行。1993年成立中国机械工程学会表面工程分会，2000年全国焊接学会将原来的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。•从1989年到2006年8月已成功举办六届全国表面工程学术交流会议；并先后于1997年11月和1999年10月在上海召开了第一届及第二届表面工程国际会议，第五届表面工程国际会议也于2007年在大连举行。•我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构，从而使金属表面处理技术的发展达到了一个新的高度。14表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)六、金属表面处理技术的应用金属表面处理技术以其高度的实用性和显著的优质、高效、低耗的特点，在日常生活、机械制造、航空航天、交通、能源、石油化工等工业部门得到了越来越广泛的应用，可以说几乎有表面的地方就离不开表面处理。金属表面处理技术不仅是产品的“美容术”，也是许多产品性能的改良技术，更是先进的产品制造技术。15表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)1．提高金属制品或零件的耐腐蚀性能大部分表面处理方法都对金属材料具有一定的防护作用，提高制品或零件在大气、海水及化学介质中的耐腐蚀性能，如实际生活或工程中的铝合金阳极氧化、镀锌钢丝、镀锌钢板（带）、日用五金的表面镀铬和枪炮表面发蓝都是常见的例子。16表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)2.提高金属制品或零件的表面强度和硬度表面处理技术可以赋予金属材料表面很高的强度和硬度，提高材料的抗疲劳性和耐磨性，如钢的表面淬火、化学热处理、堆焊、热喷涂、化学气相沉积、喷丸等。17表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)3．修复零件•零件磨损、腐蚀和疲劳失效常发生在表面。通过表面技术修复、强化使机械零件翻新如初，从而节省了大量资源和经费，并极大地减少了环境污染及废物的处理。•许多采用表面技术处理过的旧零部件，其性能可能大大超过新品，而成本仅为新品的10%。如齿轮、轴、花键等重要零件使用后磨损，可采用镀铬、镀镍、堆焊、热喷涂等进行修复，恢复其尺寸。堆焊修复轧辊热喷涂修复轧辊19表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)4.提高制品或零件的装饰性能•表面处理技术可以赋予金属材料表面不同的光亮度、色彩和花纹，如金属表面光亮镀、表面抛光、表面着色、美术装饰漆膜等，这些技术的应用极大地改善和美化了人类的生活。20表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)在航空航天方面的应用在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积技术（PVD，CVD）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护。21表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)通过表面技术处理，提高材料性能，起到保护航空航天飞行器免遭环境影响而失效，从而提高航空航天产品的先进和使用的可靠性。22表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)如第四代的飞机，在停飞和飞行过程中，可能遇到－50℃的空气摩擦升温至200℃，因而在飞机蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受环境介质侵蚀，减少阻力。23表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩和尾喷管采用SnO2和In2O3等掺杂半导体材料作填料和适当的载流子浓度及迁移率以及等离子体频率，使其具有兼容雷达和红外隐身。美国的TF39发动机轴承，离子注入铬＋磷，可解决点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用寿命。In2O3三氧化二铟24表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)近年来，航空表面工程技术已经取得了飞速的发展，涌现出许多表面工程新技术和新工艺。激光强化技术离子注入技术飞机蒙皮有机涂层技术薄膜减阻技术用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。25表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)在汽车工业中的应用：1886年卡尔.奔驰在德国的斯图加特制造生产出世界上第一辆汽车。当时使用油漆作防锈和美化装饰。表面热处理技术物理气相沉积技术电镀技术热浸镀铝镀锌技术喷涂技术涂装技术油漆技术使汽车成为现代技术与艺术相结合。26表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。汽车上一些钢构件采用单一的钝化处理，在散热器主片，吊耳总承，制动软轴支架等几十中零部件中应用。27表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)第一节金属的磨损和腐蚀一、金属的磨损1.金属磨损的定义磨损----相互接触的一对金属表面，在相对运动时不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损。磨损表现出现磨屑金相组织、物理化学性能、力学性能金属表面性质变化形貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度金属表面形状变化28表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)•在机械设备中磨损通常是有害的，它损伤零件工作表面，影响机械设备性能，消耗材料和能源，并使设备使用寿命缩短。•据估算，中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在400亿元人民币以上。•但磨损有时却是有益的，如新机器的跑合、机械加工中的磨削、研磨等。30表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)金属磨损特性曲线31表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC)2.金属磨损的分类粘着磨损是指当摩擦面发生相对滑动时，由于固相焊合作用产生粘着点，该点在剪切力作用下变形以致断裂，使材料从一个表面迁移到另一个表面造成的磨损。磨料磨损是指由于一个表面硬的凸起部分和另一个表面接触，或者在两个摩擦面之间存在着硬的颗粒，或者这些颗粒嵌人两个摩擦面中的一个面里，在发生相对运动后，使两个表面中的某一个面的材料发生位移而造成的磨损。疲劳磨损是指在滚动接触过程中，由于交变接触应力的作用而产生表面接触疲劳，使材料表面出现麻点或脱落的现象。腐蚀磨损摩擦表面与周围介质发生化学反应而生成腐蚀产物，进一步摩擦后这些腐蚀产物会被磨去，如此重复所造成的材料损伤称为腐蚀磨损。32表面工程与热喷涂LEEMAN(SCETC