现代表面工程技术

什么是表面工程？表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。第一章表面技术概论表面技术是直接与各种表面现象或过程相关的，能为人类造福或被人们利用的技术----宽广的技术领域。一、使用表面技术的目的1、提高材料抵御环境作用能力。2、赋予材料表面功能特性。3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。途径：表面涂覆：各种涂层技术（电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片）。表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。二、表面技术的分类1、按作用原理(1)原子沉积电镀、化学镀、物理、化学气相沉积(2)颗粒沉积热喷涂、搪瓷涂敷(3)整体覆盖包箔、贴片(4)表面改性2、按使用方法(1)电化学法电镀、电化学氧化（阳极氧化）(2)化学法化学转化膜、化学镀(3)真空法物理、化学气相沉积、离子注入(4)热加工法热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊(5)其它方法涂装、机械镀、激光表面处理现代表面工程与技术ModernSurfaceEngineeringandTechnology三、表面技术的应用1、广泛性和重要性(1)广泛性内容广基材广种类多遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大(2)重要性•改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤•提高产品长期运行可靠性、稳定性•满足特殊要求（必不可少或唯一途径）•生产各种新材料、新器件（在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究和生产的基础）2、在结构材料及构件和零部件上的应用表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰3、在功能材料和元器件上的应用制造装备中具独特功能的核心部件。表面技术可制备或改进一系列功能材料及元器件物理特性：•光学反射镜材料，防眩零件•热学散热材料，耐热涂层，吸热材料•电学表面导电玻璃，绝缘涂层•磁学磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料化学特性：分离膜材料4、在人类适应、保护和优化环境方面的应用(1)净化大气原料、燃料→CO2、NO2、SO2措施：回收、分解方法：制备触媒载体（钯炭、铂炭、钌炭、铑炭）(2)净化水质制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化(3)抗菌灭菌TiO2（粉状、粒状、薄膜状）可将污染物分解•当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。•光子波长h-普朗克常数，4.138×10-15eV·s；c-真空中光速，2.998×1017nm/s锐钛型TiO2的Eg=3.2eV•在TiO2粒子表面上，有还原作用；产生氧化作用。在界面处的还原作用：继续发生反应：在界面处的氧化作用：是强还原剂，可还原重金属离子：（还原重金属离子为低价或零价）是强氧化剂，可氧化降解有机物：TiO2光催化材料的特性：光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带之间的能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化性强）化学性质稳定,对生物无毒在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜光催化剂的纳米尺寸效应：•量子效应当半导体粒径是纳米尺寸时，导带和价带间的能隙变宽，光生空穴和电子的能量增加，氧化还原能力增强•表面积效应随着粒子尺寸减小到纳米级，光催化剂的比表面积大大增加，对底物的吸附能力增强•载流子扩散效应粒径越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子和空穴的复合几率减小，光催化效率提高纳米TiO2光催化剂的制备：纳米TiO2光催化剂的应用：环保方面的应用•有机污染物的处理•无机污染物的处理•室内环境净化卫生保健方面的应用•灭杀细菌和病毒活性超氧离子自由基和羟基自由基HO•能穿透细菌的细胞壁，进入菌体，从而有效杀灭细菌。研究的范围包括TiO2光催化对细菌、病毒、真菌、藻类和癌细胞等的作用。•抗菌材料涂有TiO2纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷用于医院、食品加工等场所含纳米TiO2材料的假牙新型的含纳米TiO2粉末的牙齿漂白剂防结雾和自清洁涂层光催化化学合成纳米TiO2光催化技术的不足：•光致电子和空穴对的转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低•只能用紫外光活化，太阳光利用率低提高TiO2光催化性能的主要途径：贵金属沉积离子掺杂今后研究重点：•对纳米TiO2催化剂进行修饰，研制复合纳米TiO2催化剂，提高催化活性•加强采用自然光源和光催化剂固定技术的研究•设计新型光催化反应器，提高光催化效率(4)生物医学•医用涂层：•方法：气相沉积、等离子喷涂•例：金属上涂生物陶瓷---人造骨、人造牙(5)优化环境调光、调温的“智慧窗”方法：涂覆、镀膜5、在研究和生产新型材料中的应用例1：立方氮化硼例2：超微颗粒材料四、表面技术的发展例1：表面涂覆技术的发展涂料涂装：古老、重要热喷涂：例2：表面强化技术的发展•表面热处理、化学热处理：战国，钢淬火•喷丸强化：20世纪20年代出现，汽车工业→60年代后航空工业•20世纪60年代，激光、电子束新热源五、思考题1、材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展？2、表面工程技术的目的和作用是什么？3、纳米TiO2光催化剂的应用及提高TiO2光催化性能的主要途径有哪些？第二章热喷涂一、概述二、热喷涂过程及涂层性质1、定义：采用各种热源（氧-乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波）使粉状或丝状固体材料（金属、陶瓷、金属-陶瓷复合材料、塑料）加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后高速喷射、沉积到经过预处理（清洁粗糙）的工件表面形成涂层。2、喷涂层形成过程(1)喷涂过程(2)涂层形成过程由不断飞向基体表面的粒子撞击基体或涂层表面堆积而成即，粒子的碰撞→变形→冷凝收缩两粒子撞击时间间隔0.1s左右隔0.1s第二层薄片形成，逐渐成层状结构(3)粒子流的特点①粒子的飞行速度与喷涂方法、喷涂材料的密度和形状、粒子的尺寸、飞行距离等有关。飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量的大小、粒子的变形程度以及结合强度。②粒子的温度若不考虑粒子与基体碰撞时动能转换为热能所引起的粒子自身温度的升高，那么粒子到达基体时的温度为其熔点。③喷涂粒子的最小尺寸在一定的喷涂条件下，粒子的尺寸存在着最小的临界尺寸。粒子质量越小，则其轨迹偏离初始流速直线方向就越多。3、涂层的成分和结构(1)涂层的成分喷涂材料的成分涂层的成分蒸发氧化烧损与粒子和喷涂气氛之间的化学反应有关(2)涂层结构层状结构（变形粒子互相交错呈波浪式堆叠），性能具有方向性孔隙或空洞（孔隙率1-15％），伴有氧化物夹杂4、涂层结合机理包括涂层与基体的结合、涂层内部的结合(1)涂层与基体的结合①机械结合抛锚效应：粒子碰撞、变成扁平状并随基体表面的凹凸不平而起伏，这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片，在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。②物理结合范德华力的作用③冶金结合金属间化合物或固溶体(2)涂层间的结合机械结合为主，物理结合、冶金结合等也起一定作用。5、涂层应力冷却凝固时伴随着收缩，颗粒内部产生张应力，基体表面产生压应力。厚度达一定值，涂层内的张应力超过涂层与基体的结合强度或涂层自身的结合强度，涂层破坏。薄涂层耐用（最佳厚度不超过0.5mm）。6、热喷涂分类及特点特点：①涂层材料取材范围广金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙、复合材料等②可用于各种基体金属、陶瓷、玻璃、石膏、布、纸、木材等固体③可使基体保持较低温度、基材变形小30~200℃、不变形④工艺灵活可10mm内孔，也可大型构件；可大面积，也可局部；保护性气氛，也可现场作业⑤工效高、操作程序少、速度快每小时几公斤~几十公斤⑥涂层厚度可调范围大几十微米~几毫米⑦可得到特殊的表面性能耐磨、抗氧化、耐热、导电、绝缘⑧成本低、经济效益显著缺点：①结合强度低；②材料利用率低；③热效率低；④均匀性差；⑤孔隙率高。三、热喷涂工艺方法1、火焰喷涂（FlameSpray）(1)线材火焰喷涂(WireFlameSpray)丝材火焰喷涂的装置示意图(2)粉末火焰喷涂(PowderFlameSpray)粉末火焰喷涂的装置图金属粉合金粉碳化物粉陶瓷粉金属陶瓷粉复合粉“自熔”合金粉（含B、Si）火焰喷涂优势：设备投资少，操作容易，设备可携带到现场施工，无电力要求。（喷涂纯钼涂层的最好选择）缺点：涂层氧含量较高，孔隙较多，结合强度偏低，质量不高。最常用的火焰喷涂涂层材料及应用2、电弧喷涂(ArcSpray)在两根金属丝之间产生电弧，因电弧产生的热使金属丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。电弧温度：5000-6000℃优点（相对火焰喷涂）：含热量更大粒子速度更快应用：大型金属构件，成本低，一次性投资少，使用方便。适合大面积长效防腐锌、铝涂层。3、等离子喷涂（PlasmaSpray）•利用等离子焰流作热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速结合强度高1.5~2.0倍，喷涂效率高等离子焰流引导下高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。等离子焰温度10000℃以上，可喷涂几乎所有固态材料，金属和合金、陶瓷、非金属矿物及复合粉末等。等离子焰流速度1000m/s以上，粉粒180-600m/s，涂层致密性和结合强度比火焰喷涂及电弧喷涂高。等离子气体的选择：氮和氢是双原子气体，形成等离子体时有分解反应，在一定温度下其等离子体比由氩、氦等单原子气体的等离子体能量更高，所以廉价的氮气是等离子喷涂主要工作气体。而氩气最易形成等离子体，对喷枪损耗较小，因此常用来引发等离子体。氩气起弧后再加入氢、氦或氮等提高等离子体能量，或转用氮气喷涂。氢和氦则主要作辅助气体，以改变等离子体的能量结构。氢还可作喷涂中的防氧化剂。原理：由铜阳极嘴和钨阴极头（掺1~2%钍或铈）组成。离子气从阴极流向阳极，经压缩从阳极喷出外送式，在喷嘴之外的区域送入等离子焰；内送式，是用送粉管将粉末从喷嘴内部送到等离子焰等离子喷涂的特点及应用：•焰流温度高（最大优势），喷涂材料适应面广，特适合高熔点材料；•涂层密度达理论密度的85~98%，真空喷涂可达95~99.5%；•结合强度高（35~70MPa），涂层质量优于火焰喷涂。应用：耐磨涂层、固体自润滑涂层、耐蚀涂层、抗高温氧化、抗高温气流冲刷涂层、导电涂层、绝缘涂层、磁性涂层4、爆炸喷涂（DetonationSpray）•将粉末注入喷枪的同时，引入氧-乙炔混合气体，将混合气体点火燃烧，造成气体膨胀而爆炸，释放出热能和冲击波。热能使粉末熔融，冲击波使熔融粉末高速（约500-700）m/s射向工件表面，形成高结合强度和高致密度的涂层。喷枪是一个长的水冷枪筒，开有进气门和送粉口冲击波传播速度达3000米/秒，膜层具极强的结合力。每次爆炸粉末在工件表面形成一个厚4-6μm，直径25mm的圆斑。许多圆斑互相重叠，在工件表面形成一个完整、均匀的涂层。特点及应用：结合强度高，致密性好喷速高，颗粒能量大，与基体撞击力强。结合强度50MPa。例：Co-WC100MPa,等离子喷涂30MPa。气孔率一般小于1%（Co-WC气孔率0.5%）。喷涂材料范围广从低熔点的铝合金到高熔点的陶瓷，粉末10~100μm。工件受热小，不变形每次爆炸喷涂时间短，工件不会受连续加热。温升小于100℃，不易相变和形变。适于大尺寸工件大气中完成，工件周围不需真空或其它保护气体，喷枪和工件均可采用移动工作方式。喷涂效率低，运行成本相对较高一般专用于含碳化物涂层的喷涂。爆炸喷涂的应用喷涂碳化物类陶瓷（如Co-WC，Ni-WC，NiCr-Cr3C2）碳化物在高温时易分解，用等离子喷涂很难通过控制工艺参数来防止分解，而火焰喷涂层质量差，结合强度低。爆炸喷涂温度低，可抑制碳化物分解，同时其超音速的喷射速度可保证获得高密度、高结合强度涂层。5、超音速火焰喷涂(HVOF)发展：与爆炸喷涂抗争