表格模板-材料表面工程第一讲 精品.ppt

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1、材料表面工程材料表面工程主讲教师：吕主讲教师：吕 祥祥 鸿鸿西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院2/120l 一、绪论一、绪论l 二、表面热处理二、表面热处理l 三、表面形变强化技术三、表面形变强化技术目目 录录表面工程技术是指为满足特定工程需要，使材料或零表面工程技术是指为满足特定工程需要，使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能或功能)的化学、物的化学、物理方法与工艺。理方法与工艺。1、表面热处理技术；、表面热处理技术；2、表面形变强化技术；、表面形变强化技术；3、热、热扩渗；扩渗；4、热喷涂；热喷涂；5、热喷焊和堆焊；、热

2、喷焊和堆焊；6、电镀；、电镀；7、化学、化学镀；镀；8、化学转化膜与着色技术；、化学转化膜与着色技术；9、气相沉积技术；、气相沉积技术；10、高能束表面处理。高能束表面处理。一、绪一、绪 论论1.表面工程学的定义及内涵表面工程学的定义及内涵 大家知道大家知道,所有的物体都不可避免与环境相接触所有的物体都不可避免与环境相接触,而与环境真正接触的是物而与环境真正接触的是物体的表面。如各种机械设备和仪器仪表，它们在使用过程中会发生：体的表面。如各种机械设备和仪器仪表，它们在使用过程中会发生：腐蚀腐蚀-因为受到气、水及某些化学介质的作用；因为受到气、水及某些化学介质的作用；磨损磨损-因相互之间相对运动

3、而产生；因相互之间相对运动而产生；氧化氧化-因温度过高而发生；因温度过高而发生；浸蚀浸蚀-因接触高温金属熔体或其它熔体而被浸蚀，等等。因接触高温金属熔体或其它熔体而被浸蚀，等等。 所有这些都会首先使机件表面发生破坏或失效所有这些都会首先使机件表面发生破坏或失效,进而引起整个机件的破坏进而引起整个机件的破坏或失效或失效,因此因此,表面是防止设备失效的第一道防线。表面是防止设备失效的第一道防线。有资料统计有资料统计,在各种机电产品的过早失效破坏中在各种机电产品的过早失效破坏中,约有约有70%是由腐蚀和磨损造成的是由腐蚀和磨损造成的。一、绪一、绪 论论 随着现代工业的迅猛发展随着现代工业的迅猛发展,

4、对机械工业产品提出了更高的要求。要求产品能在对机械工业产品提出了更高的要求。要求产品能在高参高参数数(如高温如高温,高压高压,高速高速)、高度自动化高度自动化和和恶劣的工况恶劣的工况条件下长期稳定运转。这就必然条件下长期稳定运转。这就必然对机件表面的耐磨、耐蚀等性能提出了更高的要求。为了满足这样的要求对机件表面的耐磨、耐蚀等性能提出了更高的要求。为了满足这样的要求,在某些在某些情况下我们可以选用情况下我们可以选用贵金属或合金贵金属或合金来制造整体设备及零件。来制造整体设备及零件。 有时虽然也可满足表有时虽然也可满足表面性能要求面性能要求,但这往往会造成设备的成本成倍或成百倍的增加但这往往会造成

5、设备的成本成倍或成百倍的增加,降低了产品的竞争力。降低了产品的竞争力。 （例：（例：H H2 2S S油气田广泛采用镍基合金，油气田广泛采用镍基合金， 镍基合金是钢铁的几十倍甚至上百倍。）镍基合金是钢铁的几十倍甚至上百倍。） 更何况在许多情况下也无法找到更何况在许多情况下也无法找到一种能够同时满足整体和表面要求一种能够同时满足整体和表面要求的材料。的材料。 （例：油气田用双相不锈钢（冷拔成型）满足耐蚀性满足不了强度要求，主要是（例：油气田用双相不锈钢（冷拔成型）满足耐蚀性满足不了强度要求，主要是由于温度升高，强度下降）。由于温度升高，强度下降）。 一、绪一、绪 论论而表面技术则可以在而表面技术

6、则可以在不增加或不增加太多材料成本不增加或不增加太多材料成本的同时使产品的同时使产品表面受到保护和强化表面受到保护和强化,从而提高产品的使用寿命和可靠性从而提高产品的使用寿命和可靠性,改善机械改善机械设备的性能、质量、增强产品的竞争能力设备的性能、质量、增强产品的竞争能力,所以，研究和发展机械所以，研究和发展机械产品的产品的表面保护和表面强化技术表面保护和表面强化技术，对于推动高技术和新技术的发，对于推动高技术和新技术的发展展,对于对于节约材料节约材料,节约能源节约能源等都具有重要意义。等都具有重要意义。定义定义：表面工程技术是指为满足特定的工程需要，使材料或零件表面工程技术是指为满足特定的工

7、程需要，使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。与工艺。一、绪一、绪 论论表面工程技术的内涵表面工程技术的内涵应该包括如下几个方面：应该包括如下几个方面：（1）表面改性技术）表面改性技术；（提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化；（提高零部件表面的耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性，或装饰零部件表面）性，或装饰零部件表面）（2）表面加工技术）表面加工技术；（能够在材料表面加工或制作各种功能元器件的有；（能够在材料表面加工或制作各种功能元器件的有关技术）关技术）（3）表面合成材料技术）表面合成材料技术；（；

8、（借助各种手段在材料表面合成新材料的技术）借助各种手段在材料表面合成新材料的技术）（4）表面加工三维合成技术）表面加工三维合成技术；（将二维表面加工累积成三维零件的快速；（将二维表面加工累积成三维零件的快速原型制造技术）原型制造技术）（5）上述几个要点的组合或综合）上述几个要点的组合或综合。一、绪一、绪 论论2. 表面工程技术的特点与意义表面工程技术的特点与意义（1）它主要作用在）它主要作用在基体表面基体表面，对远离表面的基材内部组织与性能影，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大；响不大；（2）采用表面涂（镀）、表面合金化，使普通、廉价的材料表面具）采用表面涂（镀）、表面合金化，使普通、廉价

9、的材料表面具有特殊的性能，不仅可以有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属节约大量贵重金属，而且可以大，而且可以大幅度提高零幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本；（3）表面工程技术可以）表面工程技术可以兼有装饰和防护功能兼有装饰和防护功能，在人们周围创造五彩，在人们周围创造五彩缤纷的世界，推动产品的更新换代；缤纷的世界，推动产品的更新换代；一、绪一、绪 论论（4）以化学气相沉积技术）以化学气相沉积技术（chemical vapor deposition简称简称CVD) 、物理气相沉积技术（、物理气相沉积技术（physica

10、l vapor deposition简称简称PVD) 、掩膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工、掩膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成电路、太阳能薄膜电池技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成电路、太阳能薄膜电池等元器件的等元器件的基本技术基本技术；（5）计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使）计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维二维的表面处理技术的表面处理技术发展成为发展成为三维零件制造技术三维零件制造技术，创造了全新的制造方法，创造了全新的制造方法生长型制造法生长型制造法，不仅大幅度降低了零

11、部件的制造成本，亦使设计与，不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高；生产速度成倍提高；一、绪一、绪 论论（6）表面工程技术已成为）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法制备新材料的重要方法（金属基复合材料（金属基复合材料(MMC) Metal Matrix Composite及陶瓷基复合材料及陶瓷基复合材料(CMC)Ceramic Matrix Composite的制备），如可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊的制备），如可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。性能合金等。图图11 纤维涂层法制备钛基复合材料纤维涂层法制备钛基复合材料 纤维涂层纤维涂层

12、涂层纤维堆垛涂层纤维堆垛热压或热等静压成形热压或热等静压成形 纤维纤维 碳芯或钨芯碳芯或钨芯CVDPVD一、绪一、绪 论论图图1-2 CVD、PVD法制备钛基复合材料法制备钛基复合材料一、绪一、绪 论论3. 表面工程技术的分类表面工程技术的分类材料表面工程是一门材料表面工程是一门新兴学科新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。该学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。该学科中应该包括哪些内容，如何分类，中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法国内外都无公认的说法。从不同的角度进行归纳，就会有不同的。从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。如：分

13、类。如：按按作用原理作用原理可分为：可分为： 原子沉积原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度原子尺度的粒子形态在材料表面上形成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。覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。 颗粒沉积颗粒沉积：沉积物以：沉积物以宏观尺度宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。 整体覆盖整体覆盖：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、涂刷、堆：它是将涂覆材料于同一时间施加

14、于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。焊等。 表面改性表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。 一、绪一、绪 论论按按表面强化层材料表面强化层材料可分为：可分为：金属材料层；金属材料层；陶瓷材料层；陶瓷材料层；高分子材料层。高分子材料层。按按工艺特点工艺特点可分为：可分为：电镀，电镀，化学镀，化学镀，热渗镀，热渗镀，热热喷涂，喷涂，堆焊，堆焊，化学转化膜，化学转化膜，涂装

15、，涂装，表面彩色，表面彩色，气相沉积，气相沉积，“三束三束”改性，改性，表面热处理，表面热处理，形形变强化，变强化，衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。按按表面改质的目的或性质表面改质的目的或性质可分为：可分为：表面耐磨和减磨技术，表面耐磨和减磨技术，表表面耐蚀抗氧化技术，面耐蚀抗氧化技术，表面强化（提高疲劳强度）技术，表面强化（提高疲劳强度）技术，表面表面装饰技术，装饰技术，功能表面技术，功能表面技术，表面修复技术表面修复技术。一、绪一、绪 论论 实际上，表面技术有着广泛的涵义，实际上，表面技术有着广泛的涵义，综合来看综合来看，大致上可分为，大

16、致上可分为以下几个部分：以下几个部分：1）表面改性技术）表面改性技术 表面改性技术主要赋予材料（或零部件、元器件）表面以表面改性技术主要赋予材料（或零部件、元器件）表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。特定的物理、化学性能的表面工程技术。 表面组织转化技术；表面组织转化技术； 表面涂镀技术；表面涂镀技术； 表面合金化和掺杂技术。表面合金化和掺杂技术。一、绪一、绪 论论2）表面微细加工技术）表面微细加工技术 表面微细加工技术主要指在材料表面（表面微细加工技术主要指在材料表面（不大于不大于100m）区域内进行各种形）区域内进行各种形状或尺寸的精密、微细加工，使其成为具有各种功能的元器件（或零部件）的技状或尺寸的精密、微细加工，使其成为具有各种功能的元器件（或零部件）的技术。术。3）表面加工三维成型技术快速原型制造）表面加工三维成型技术快速原型制造 表面加工三维成型技术主要指表面加工三维成型技术主要指通过计算机控制通过计算机控制，在材料表面不断实现特定形，在材料表面不断实现特定形状的涂镀加工与堆积，形成三维零部件（或元器件）的快速原型制造技术。状的涂镀加工与堆积，形成三维零部件（或元器件