第四章材料表面技术.ppt

材料工艺基础 第四章材料表面技术 材料工艺基础 材料表面技术 2 4 1概述 材料表面工程技术是指通过物理 化学工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的组织结构 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材料不同的性能 工程意义 经表面处理后的材料 其基体材料的化学成分 显微组织和性能并未发生变化 但其表面却具有特殊的组织和性能 如耐磨性 耐蚀性 耐热性 导电性 电磁特性 光学性能等 工程意义 可以利用相对廉价的基材 通过表面改性 达到采用整体材料同样的使用效果 满足服役需要 降低工件的材料成本 材料工艺基础 材料表面技术 3 4 1 2表面工程技术分类 原子沉积物 原子在基体上凝聚 然后成核 长大最终形成薄膜 被吸附的原子处于快冷的非平衡态 沉积层中有大量结构缺陷 沉积层常和基体反应生成复杂的界面层 电镀 真空蒸镀 溅射 离子镀 化学气相沉积 分子束外延等粒状沉积物 熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体材料表面凝聚 沉积或烧结 涂层的显微结构取决于颗粒的凝固或烧结情况 如 火焰喷涂 等离子喷涂 爆炸喷涂 搪瓷釉等整体涂层 将欲涂敷的材料于同一时间加于基体材料表面 如 涂漆 包覆金属 静电喷涂 浸渍涂层等表面改性 用离子处理 热处理 机械处理及化学处理等方法处理材料表面 改变材料表面的组织结构和性能 如 化学转化膜 熔盐镀 喷丸强化 离子注入 激光处理 离子氮化等 分类 根据沉积物的尺寸 材料工艺基础 材料表面技术 4 分类 根据组织结构 成分和性能 表面组织强化 改善表面的显微组织表面合金化 改善表面合金成分薄膜改性 沉积到表面上形成薄膜 材料工艺基础 材料表面技术 5 分类 根据工艺特点 表面热处理表面机械强化处理气相沉积镀膜热喷涂高能束表面处理电镀 化学镀其他 材料工艺基础 材料表面技术 6 4 2气相沉积技术 在真空下用各种方法获得的气相原子或分子在基体材料表面沉积以获得薄膜的技术 适合于制备超硬 耐蚀 耐热 抗氧化薄膜 磁记录 信息存储 光敏 热敏 超导 光电转换等功能材料 装饰性薄膜 分类 物理气相沉积PVD化学气相沉积CVD 材料工艺基础 材料表面技术 7 4 2 1物理气相沉积 PVD PVD技术的应用实例 耐磨 减摩 耐腐蚀 装饰或兼具二种及以上功能 材料工艺基础 材料表面技术 8 Coatingofblades Coatingofvane 材料工艺基础 材料表面技术 9 ProcesschamberwithEBguns cruciblesandpartstobecoatedinthevaporcloud LoadingchamberofanEB PVDsystem Complexsubstratemotionsensureacontrolledthicknessdistribution Operator scockpitatanEB PVD productioncoater 材料工艺基础 材料表面技术 10 ThearcevaporationPVDcoatingprocesstakesplaceinavacuumchamber 材料工艺基础 材料表面技术 11 PVDCoatingApplications 材料工艺基础 材料表面技术 12 thecoefficientoffriction asmeasuredinaballondisktest 材料工艺基础 材料表面技术 13 材料工艺基础 材料表面技术 14 真空蒸镀 阴极溅射和离子镀三大类 采用高真空系统及低杂质含量气体 并能控制工作气体的流量或分压 能够很好控制涂层材料 并通过监控蒸气流量来进行调整 基材表面需经过细致处理 采用工作安装系统可以控制基材温度与沉积源的距离与方向 不同的过程对一些参数可有特殊的要求 如 基材偏压 活性气体的引入等 材料工艺基础 材料表面技术 15 I 真空蒸镀 主要部件 真空容器 蒸发源 基材 基材架和加热器 材料工艺基础 材料表面技术 16 真空蒸镀法特点 镀膜由气相沉积而成 均匀性较好镀膜在高真空形成 可获得纯净的薄膜可得到0 01到几个微米厚的薄膜成膜过程简单 工艺可精确控制 应用 用于光学透镜的反射膜 多层氧化物镀膜 及装饰用的金膜 银膜等 电子元件及相关领域 被镀基件材料的蒸汽压不能太高 零件大小受到真空室大小的限制 零件隐蔽部位不能被镀覆 如深孔等 为了增加镀层结合力 蒸镀过程中零件必须加热 材料工艺基础 材料表面技术 17 蒸镀种类 电阻加热源 电子束加热源 高频感应加热源 激光加热源 材料工艺基础 材料表面技术 18 阴极溅射沉积 磁控溅射对置溅射离子束溅射 材料工艺基础 材料表面技术 19 阴极溅射沉积分类 材料工艺基础 材料表面技术 20 应用普遍 1974年工业化应用原理 离子轰击靶面产生的二次电子被电场加速飞向阳极 附件磁场延长电子飞向阳极的行程 使电子增加碰撞电离几率 增加等离子体密度 提高溅射速率 矩形平面靶和柱状靶矩形平面靶 广泛应用 磁控溅射沉积 材料工艺基础 材料表面技术 21 溅射沉积的特点 结合力较高 容易得到高熔点物质的薄膜 可以在较大面积上得到均一的薄膜 可以控制膜的组成 制备合金膜 可以长时间地连续运转 良好的再现性 阴极溅射几乎可以制造一切物质的薄膜 材料工艺基础 材料表面技术 22 离子镀 镀膜与离子轰击改性同时进行 材料工艺基础 材料表面技术 23 多弧离子镀 蒸发源多 膜厚分布均匀有效利用真空室靶材辐射热被水冷却 可使工件保持低温等离子体密度高 表面可被离子轰击洁净 而且可增大偏压 结合力好 材料工艺基础 材料表面技术 24 离子镀典型应用 防腐蚀镀层耐磨镀层在触头上离子镀钌 铑等在涡轮叶片上镀高温耐腐蚀合金塑料基体上镀金属声学方面的应用碳素纤维的应用 粘着力强均镀能力好被镀基体材料合镀层材料可广泛搭配无污染 材料工艺基础 材料表面技术 25 作业 1 简述阴极溅射沉积的原理和特点 举例其应用 单号 材料工艺基础 材料表面技术 26 4 2 2化学气相沉积 利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面 通常为热表面 上发生气相化学反应 从而在基材表面上形成镀膜的技术 CVD法 可沉积各种单晶 多晶或非晶态无机薄膜设备简单 操作方便 工艺上重现性好适于批量生产 成本低廉 材料工艺基础 材料表面技术 27 几种PVD法与CVD法的特性比较 材料工艺基础 材料表面技术 28 CVD反应基本类型 热分解反应还原反应氧化反应水解反应氮化反应 材料工艺基础 材料表面技术 29 CVD反应类型 碳化反应歧化反应合成反应基体反应综合反应 材料工艺基础 材料表面技术 30 CVD沉积层性能 绝缘体薄膜 半导体薄膜 导体及超导体薄膜以及防腐耐磨的薄膜 常规CVD金刚石薄膜纳米CVD金刚石薄膜 材料工艺基础 材料表面技术 31 CVD设备 AtypeofCVDcoatingequipmentforformingceramiccompositesbyCVDcoatingofcarbonandSiC ItcanmanufactureadvancedcompositescontainingcontinuousfibersandbycoatingcarbonandSiConbasematerials 材料工艺基础 材料表面技术 32 TheCVDprocesscanbeusedtodepositacoatingonvarioussubstrates 材料工艺基础 材料表面技术 33 CVD涂层实例 SiCcoatingonacarbonsubstrate thickness 30micron SiCcoatingonaSiCfiber thickness 3micron 材料工艺基础 材料表面技术 34 材料工艺基础 材料表面技术 35 TheCA4120usedinnodularcastironcuttingwork Chipbreakerapplications 材料工艺基础 材料表面技术 36 CVDprocessing 材料工艺基础 材料表面技术 37 CVD涂层的应用实例 材料工艺基础 材料表面技术 38 4 2 3等离子体增强化学气相沉积 利用直流或射频放电等离子体内的高能电子激活反应气体分子使之离解或电离 从而获得在化学上非常活泼的激发分子 离子 原子或大量活性原子团等 并在基体表面沉积镀膜 它们促进气相化学反应 PCVD或PECVD 热力学效应 动力学效应 半导体微电子材料 光导纤维 太阳能电池 超硬材料 稀土化合物薄膜 有机聚合物等 等离子体物理 低压气体辉光放电过程 等离子体化学 不均匀的气 固表面发生的多相化学反应 材料工艺基础 材料表面技术 39 4 3热喷涂技术 材料工艺基础 材料表面技术 40 将金属或非金属固体材料加热至熔化或半熔软化状态 然后将它们高速喷射到工件表面上 形成牢固涂层的表面加工方法 热喷涂过程 材料工艺基础 材料表面技术 41 热喷涂层的显微结构组成 涂覆材料 氧化物夹杂 空隙 未熔涂覆材料颗粒 材料工艺基础 材料表面技术 42 I 热喷涂技术分类 材料工艺基础 材料表面技术 43 热喷涂技术特点 涂层和基体材料广泛热喷涂工艺灵活喷涂层 喷焊层的厚度可以在较大范围内变化生产效率高基体受热程度低 不会影响基体材料的组织和性能喷涂合金材料利用充分成本低 经济效益显著 涂层的结合强度较低 涂层的孔隙率较高 对于喷涂面积小的工件 喷涂沉积效率低 成本较高 喷涂层的均匀性较差 难以对涂层质量进行破坏性检查 材料工艺基础 材料表面技术 44 热喷涂技术原理 材料工艺基础 材料表面技术 45 涂层与基体结合方式 机械结合物理结合微扩散结合力微焊接结合 材料工艺基础 材料表面技术 46 4 3 2热喷涂工艺 粉末火焰喷涂 材料工艺基础 材料表面技术 47 flamespray 材料工艺基础 材料表面技术 48 flamespray flamespraycoatingsformanyapplicationsforgeneralrepairandbuildupaswellaswearandcorrosionresistancearereadilyvailable Commonalloysappliedarealuminumbronze stainlesssteels andnickelorcobaltbase 材料工艺基础 材料表面技术 49 Plasmaspray 材料工艺基础 材料表面技术 50 Abovetwofigurespresentamodelofamediumspeeddieselenginepistonwithaceramiccoating andaphotoofacoatingprocessbyplasmaspray 材料工艺基础 材料表面技术 51 等离子喷涂 材料工艺基础 材料表面技术 52 材料工艺基础 材料表面技术 53 等离子喷涂层的应用实例 材料工艺基础 材料表面技术 54 等离子喷焊层与其他涂层 焊层比较 材料工艺基础 材料表面技术 55 材料工艺基础 材料表面技术 56 H V O F ThermalSprayCoatings TheTaskmasterHighVelocityOxygenFuelthermalsprayprocessprovidesHighDensitycoatingswithalmostNegligiblePorositylevels Thisisaresultofthehighparticlevelocitiesproducedbyacombustiondriven highspeedgasjet HVOFisasupersonicprocesswhichdeliverscoatingparticlesatover7000feetpersecondandcanexceedbondstrengthsof12 000psi ItisanextremelyversatileprocessthatoffersanunlimitedrangeofpossibilitiestoindustrieswithextremecorrosionandwearenvironmentssuchasOilandGas chemicalandrefinery agriculture marine hydroelectricplants andpulpandpapermills 材料工艺基础 材料表面技术 57 4 4激光表面处理技术 将激光束照到工件的表面 以去除或熔化材料以及改变材料表面性能的加工方法 材料工艺基础 材料表面技术 58 10kWCO2LaserSystemwith3axiscockpit Variousmaterialprocessingapplications 1 Deeppenetrationweldingofmoderatethickmetalplates 2 Lasersurfacehardening 3 Lasersurfacere solidification 4 Lasersurfacecladding alloying5 Cuttingofthickconcreteblocksetc fordecontaminationanddecommissioningapplications 材料工艺基础 材料表面技术 59 AnewcladdingprocessdevelopedattheFraunhoferCenterforSurfaceandLaserProcessingutilizesa3kWdirectdiodelaserandacoaxialpowder feedingnozzle 材料工艺基础 材料表面技术 60 4 4 1激光表面处理特点 材料工艺基础 材料表面技术 61 4 4 2激光淬火 又称为激光相变硬化 是以高能量的激光束快速扫描工件 使材料表面极薄一层的局部小区域快速吸收能量而使温度急剧上升 此时工件基体仍处于冷态 由于热传导的作用 此局部区域内的热量迅速传递到工件其他部位 冷却速度可达到105 s以上 使该局部区域在瞬间进行自冷淬火 因而使材料表面发生相变硬化 laserhardenedzone 材料工艺基础 材料表面技术 62 材料工艺基础 材料表面技术 63 材料工艺基础 材料表面技术 64 LASERhardeningofagearspindle trackwidthca 60mm LASERhardeningwithsolidstateLASERandrobotofacarbodydeepdrawingtool LASERhardenedfacesandedgesofpunchingtools 材料工艺基础 材料表面技术 65 激光淬火技术的性能和优点 Maxdepthinstressrelievedmaterial ca 1 2mmMaxdepthinannealedmaterial ca 1 6mmUniformityofhardnessdependsonmaterialpropertiesUniformityincaseofthermalstressrelievedmaterial sameasbasematerialUniformityincaseofannealedmaterial 3HRCProcesscontrolledbythermalemissioncontrol reactiontime 1ms Thermalcontrolachievesmax hardnessaccordingtomaterialpropertiesPrecisecontrolofaffectedsurfacezonesHighhardnessgradientNouseofcoolingagentsorchemicalsposthardeningpossible hardenedareaswithlowhardness e g 50HRC canbeimprovedbyLACIDto e g 60HRC Nolimitestosizeorweightofworkpiece 材料工艺基础 材料表面技术 66 4 4 3激光合金化 在高能激光束作用下 将一种或多种合金元素与基材表面快速熔凝 从而使材料表层获得具有预定的高合金特性 激光合金化凝固组织有以下形态 平面晶胞状晶胞状树枝晶树枝晶等轴枝晶 材料工艺基础 材料表面技术 67 4 4 4激光表面熔覆 利用激光加热基材表面以形成一个较浅的熔池 同时送入预定成分的合金粉末一起熔化后迅速凝固 或者将预先涂敷在基材表面的涂层与基材一起熔化后迅速凝固 以得到一层新的熔覆层 AcomparisonoftheprofilesoftwoNiCrMoclads Thecladontherightwasproducedatatravelspeedof0 45m min thecladtotheleftataprocessspeedof0 70m min 材料工艺基础 材料表面技术 68 4 4 5其他激光表面处理技术 激光化学气相沉积 LCVD 激光物理气相沉积 LPVD 激光离子注入激光表面非晶化 激光上釉 激光冲击硬化激光熔渗处理 材料工艺基础 材料表面技术 69 作业 简述并举例分析激光表面处理的特点 单号 材料工艺基础 材料表