表面处理新技术

第五节表面处理新技术近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。全方位离子注入与沉积设备一、热喷涂技术将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。等离子热喷涂1、涂层的结构热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构，粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要热喷涂层组织是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结合及化学键结合。2、热喷涂方法常用的热喷涂方法有：①火焰喷涂:多用氧-乙炔火焰作为热源。②电弧喷涂:丝状喷涂材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法③等离子喷涂:是一种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。火焰热喷涂电弧热喷涂等离子喷涂3、热喷涂的特点及应用⑴工艺灵活：热喷涂的对象小到Φ10mm的内孔,大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂⑵基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等⑶涂层可控:从几十m到几mm⑷生产效率高⑸工件变形小：基体材料温度不超过250℃(冷工艺)涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层)由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满足特殊功能的需要。热喷涂二、气相沉积技术气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。物理气相沉积TiAl靶1、物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。磁控溅射镀膜设备真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。真空蒸镀TiN活塞环真空蒸镀Al膜的塑料制品溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。溅射镀示意图磁控溅射镀膜机磁控溅射镀Al的塑料制品离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒多弧离子镀膜机子一起沉积到工件表面成膜的方法。物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等离子镀产品领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。2、化学气相沉积(CVD)化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体CVD设备表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。例如，气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。化学气相沉积由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。经CVD处理的模具经CVD处理的活塞环三、三束表面改性技术三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。激光束加工电子束加工等离子束加工进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面离子束溅射系统1、激光束表面改性技术激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短时间内将工件表面快速加热或融化,而心部温度基本不变;当激光辐射停止后，由于散热速度快，又会产生“自激冷”。激光表面改性技术主要应用于以下几方面:CO2激光器⑴激光表面淬火（激光相变硬化）激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高15~20%）、耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。激光表面淬火件激光表面淬火⑵激光表面合金化预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜与基体材料表层融合在一起并迅速凝固，从而形成成分与结构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层。已成功用于发动机阀座和活塞环、涡轮叶片等零件的性能和寿命的改善。激光合金化热剪断刀电子束表面改性技术是以在电场中高速移动的电子作为载能体,电子束的能量密度最高可达109W/cm2。除所使用的热源不同外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。电子束表面改性装置2、电子束表面改性技术与激光束表面改性技术相比，电子束表面改性技术还具有以下特点:①由于电子束具有更高的能量密度，所以加热的尺寸范围和深度更大。②设备投资较低，操作较方便（无需象激光束处理那样在处理之前进行“黑化”）。③因需要真空条件，故零件的尺寸受到限制。电子束物理气相沉积3、离子注入表面改性技术离子注入是指在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。离子注入航空液压泵配流盘离子注入设备离子注入的特点是：可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；注入温度可控，不氧化、不变形；注入层厚度可控，注入元素分布均匀；注入层与基体结合牢固，无明显界面；可同时注入多种元素，也可获得两层或两层以上性能不同的复合层。离子注入机通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。离子注入处理的铣刀片