材料表面改性及处理技术1

1材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧损、辐照损伤等各种形式的破坏而失效都是从表面开始的，因此就要采取必要的措施和方法对材料进行表面防护处理；另外，在实际工作中往往需要赋予材料表面某些特殊功能如导电、磁性、屏磁催化、耐热、导热、耐磨、减摩..等（而不改变材料基体原有的性能），有一门工艺科学就能担当如此重任—这就是本课所要介绍的《材料表面改性及处理技术》，也称“现代材料表面处理技术”、“现代表面工程技术”。2开课目的和意义开课目的和意义上至天，下至海，现代材料表面处理技术应用领域十分广泛，遍及各行业，如航空航天、舰船、国防武器装备,舰船、电子、计算机、石油化工、汽车、家电、日用五金、交通工程、冶金、矿山机械、纺织机械、包装,医疗器械、光学仪器及其他机械工程领域；包含的内容也十分广泛，不仅赋予材料耐蚀、耐磨、自润滑减摩、装饰防护、导热、耐热等如上所述功能，还是强化、修复失效部件再利用的重要手段以及开发新材料和新部件的重要技术；涉及处理的基体材料不仅有金属材料，也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料、织物、植物等几乎所有的材质上。3开课目的和意义现代材料表面技术是一门涉及表面物理、固体物理等离子物理、表面化学、电化学、无机化学、有机化学、冶金学、金属材料学、高分子材料学、无机非金属材料学等多门学科的边缘学科，它融入了这些学科的理论和许多新的技术成果。产生了一系列表面处理技术，用于改善材料表面性能或用于制备表面功能膜材料。4开课目的和意义本课程作为冶金物理化学、化学工艺、材料及材料工程、冶金工程、机械工程等专业的选修课程旨在扩展相关专业研究生的知识面，使学生了解和掌握现代材料表面处理技术的基本理论、方法及研究进展。现代材料表面处理技术是一门工程技术学科，如上所述，在国防及国民经济各产业部门均有广泛的应用，在开发新材料、新工艺的实际研究工作中经常被触及。本课程的目的是介绍这样一门交叉、边缘工艺学科的基本知识，为各类理工科专业的研究生进入实验研究阶段开展具体研究题目时提供一个解决问题的思考点；训练和培养学生多角度思考和解决问题的习惯和能力为将来从事科研、生产、设计等实际工作打下坚实基础。5开课目的和意义主要学习内容1绪论——表面处理技术总览2电镀3电刷镀和摩擦电喷镀4化学镀5复合镀技术6化学转化膜7金属阳极氧化处理6主要教学参考书:1、钱苗根等，现代表面处理技术。机械工业出版社，2003.83.2、徐滨士等，表面工程的理论与技术。北京：国防工业出版社，1999，74.3、董允等，现代表面工程技术。北京：机械工业出版社，2000.34、《材料保护》、《表面技术》、《电镀与涂饰》、《腐蚀与防护》等有关表面处理技术学术期刊。7第一章绪论对材料表面通过特殊的处理技术手段或方法赋予特殊的功能镀/涂膜或改性层，达到材料表面改性、防护或对失效部件进行修复，以使材料具有某种功能，满足特殊环境的应用和提高、延长材料的使用寿命。称这种技术为表面处理技术。主要用途：(1)提高材料抵御环境作用的能力，防腐、耐磨、耐热、抗高温；(2)赋予材料表面某种功能特性。包括光、电、磁、热、声、吸附、分离、催化等各种物理、化学及机械力学性能；(3)实施特定的表面加工技术来制造构件、零部件和元器件等；(4)替代或减少使用环境负荷大的贵重材料；(5)增强、修复材料表面，延长寿命。(6)制备功能膜材料8两种途径提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性。覆盖层技术：包括电镀层、电刷镀层、化学镀层、阳极氧化膜、化学转化膜、涂装、粘结、堆焊、热喷涂、塑料粉涂覆、热浸镀膜、陶瓷涂覆、搪瓷涂覆、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延膜、离子束合成膜技术等。无覆盖层表面改性技术：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。主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面改性等。9从处理方法的特点上可分成两大类：干法和湿法。干法：方法本身在形成表面膜层过程很少使用水或有机溶液。其应用原理涉及物理、化学、机械及冶金基础知识。主要有：热喷涂、热浸镀、涂塑、搪瓷、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD)(包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀、分子束外延、离子束合成膜技术等）、以及渗碳（氮）、喷丸、激光处理、离子注入等表面技术湿法：方法本身在形成膜层或处理过程中以水为溶剂的电解液或有机溶液电解液。其应用原理涉及物理化学、化学、电化学基础知识。主要有：电镀、化学镀、电刷镀、复合镀、涂料涂装、阳极氧化、微弧氧化、化学转化膜。10基于冶金和物理原理：热喷涂、热浸镀、渗碳、渗氮、激光处理、离子注入、真空化学气相沉积（CVD）、真空物理气相沉积（PVD)(包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀、分子束外延、离子束合成膜技术等）、等离子表面改性技术；基于化学和电化学原理：电镀、化学镀、电刷镀、复合镀、阳极氧化、微弧氧化、化学转化膜、涂料涂装、功能涂膜等。此外，还有机械喷丸处理；涂塑、搪瓷处理。11从处理方法的原理上可分为：1、表面技术应用的广泛性和重要性在国民经济和国防科技中应用是相当的广泛，遍及各行业；包含的内容也十分广泛，可以用于耐蚀、耐磨、自润滑减摩、修复、强化、装饰防护等，也可以用于提供光、电、磁、声、热、化学、生物、催化等功能方面。涉及的基体材料不仅有金属材料，也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料，织物、植物材质上。12(1)提高材料的表面防护性。腐蚀、疲劳断裂磨损、氧化、烧损以及辐照损伤等都是从表面开始的，例如，仅腐蚀一项全世界每年损耗金属达1亿吨以上。(2)提高产品抵御环境作用能力和长期运行的可靠性、稳定性---表面性能。(3)实现最低的经济成本生产优质产品（普通钢代替）2、在结构材料以及工程构件和机械部零件上的应用主要在防护、耐磨、强化、修复、装饰的涂镀层。3、在功能材料和元器件上的应用—独特功能的核心部件开发各种新材料和新器件，例如，纳米多层膜、金刚石膜--。13141516174、在保护和优化环境方面的一些应用18（1）净化大气(2)净化水质（3）抗菌灭菌（4）吸附杂质（5）去除藻类污垢（6）活化功能（7）生物医学（8）治疗疾病（9）绿色能源（10）优化环境19202122235、在研究和生产新型材料中的应用2425262728293031323334化学气相沉积法（CVD）制备石墨烯用CVD法制备石墨烯的研究早在上世纪70年代就已有报道，直到2009年Reina研究组及Kim研究组通过CVD法成功制备出石墨烯才掀起了石墨烯的CVD制备法的热潮。CVD法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍、铜等具有溶碳量的金属基体上通过将碳源高温分解然后采用强迫冷却的方式而在基体表面形成石墨烯。CVD法制备石墨烯简单易行，可以得到大面积的质量较高的石墨烯，且易于从基体上分离，主要被用于石墨烯透明导电薄膜和晶体管的制备。35PVDCVDCVD36373839401.5各种干法表面处理技术概述一、热喷涂热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一,也称为表面工程技术.所谓热喷涂,就是利用某种热源,如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态,然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面,与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。41热喷涂技术分类根据热源的不同，热喷涂技术主要分类为：42热喷涂设备因热喷涂的方法不同其设备也各有差异,但依据热喷涂技术的原理,其设备主要由喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成.43热喷涂工艺热喷工艺过程如下：工件表面预处理→工件预热→喷涂→涂层后处理热喷涂涂层的形成及结构特点热喷涂时，涂层材料的粒子被热源加热到熔融态或高塑性状态，在外加气体或焰流本身的推力下，雾化并高速喷射向基体表面，涂层材料的粒子与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面，同时急冷而快速凝固,颗粒堆积成涂层。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组织结构，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夹杂。44氧化物夹杂热喷涂涂层的结合机理涂层的结合包括涂层与基体的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表面的粘结力称为结合力，涂层内部的粘结力称为内聚力。涂层中颗粒与基体之间的结合以及颗粒之间的结合机理，目前尚无定论，通常认为有以下几种方式。（1）机械结合碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以颗粒的机械联锁而形成的结合（抛锚效应），一般来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。（2）冶金－化学结合这是当涂层和基体表面发生冶金反应，如出现扩散和合金化时的一种结合类型。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。（3）物理结合颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合。45热喷涂材料目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等,主要以粉末、丝材、棒材状态使用,其中喷涂粉末占喷涂材料总用量的70%以上.用作涂层的材料有：1.热喷涂用粉末纯金属粉末：W，Mo，Al，Cu，Ni，Ti，Ta，Nb等合金粉末：Al-Ni，Ni-Cr，Ti-Ni，Ni-Cr-Al，Co-Cr-W，MCrAlY(M=Co、Ni、Fe)，Co基、Ni基、Fe基自熔合金等氧化物陶瓷粉末：Al2O3，ZrO2，Cr2O3，TiO2等碳化物粉末：WC，TiC，Cr3C2等金属陶瓷粉末：WC-Co，Cr3C2-NiCr等塑料粉末：尼龙，聚乙烯，聚苯硫醚等2.热喷涂用丝材Al、Cu，Zn，Al-Zn合金，巴氏合金，不锈钢，Ni-Al丝等3.热喷涂用棒材Al2O3，ZrO2，Cr2O3等46涂层功能和应用1.抗磨损涂层抗磨损涂层应该是坚硬的,而且具有耐热和耐化学腐蚀的性能.Fe、Ni、Co基自熔合金以及WC-Co和Cr3C2-NiCr等金属陶瓷以及Al2O3、Cr2O3等陶瓷材料具有上述这些性能.如活塞环、齿轮同步环喷涂Mo涂层,纺织机械中的罗拉、导丝钩等零部件喷涂耐纤维磨损的Al2O3、Al2O3-TiO2陶瓷涂层,泵和阀门密封面喷涂Cr2O3、WC-Co等耐磨涂层,大马力载重汽车曲轴及大型磨煤机,排风机轴等采用Fe基合金材料进行磨损修复和耐磨强化等。2.防腐蚀涂层长期暴露在户外大气和不同介质(海水、河水、溶剂及油类等)环境中的大型钢铁构件,如输变电铁塔、钢结构桥、海上钻井平台、煤矿井架以及各种化工容器如储罐等,受到不同程度的环境氧化和侵蚀.采用Al、Zn、Al-Zn合金及不锈钢等涂层进行防护,可以获得长达20年以上的长期防护效果.一些受到气体腐蚀和化学腐蚀的部件,可以根据具体工况(如介质、浓度、温度、压力等)选择合适的金属、合金、陶瓷及塑料等涂层材料进行防护.473.抗高温氧化和耐热腐蚀涂层对于一些暴露在高温腐蚀气体中的部件,受到高温、气体腐蚀及气流冲刷的作用,严重影响了设备的寿命和运行的安全.抗高温氧化及高温腐蚀的材料除了必须抗高温氧化和耐腐蚀外,还必须具有与基体材料相似的热膨胀系数,方不会因温度周期变化和局部过热导致涂层抗热疲劳性能下降.用作抗高温氧化和高温腐蚀的涂层材料有：NiCr、NiAl、MCrAl、MCrAlY(M=Co、Ni、Fe)及Hastiloy和Stellite合金等.这类涂层的典型应用如电厂锅炉四管(水冷壁管、加热器管、过热器管及省煤器管)及水冷壁等的高温氧化腐蚀一直是电力、造纸、化工等工业锅炉用户需要解决的问题,经多年研究、实践证明,采用电弧喷涂Ni-Cr、Fe-Cr-Al、Ni-Cr-Al等涂层能获得良好的防护作用,使用寿命最长达9年.MCrAlY涂层用于航空涡轮发动机叶片涂层以及作为涡轮发动机燃烧室、火焰筒等用热障涂层的粘结底层。484.热障涂层ZrO2、Al2O3等陶瓷涂层,熔点高、导热系数低,在高温条件下对基体金属具有良好的隔热保护作用称为热障涂层.这种涂