第六章 材料表面技术

1、第六章 材料表面技术 第一节第一节 概述概述材料主体材料主体表面表面磨损，腐蚀，疲劳磨损，腐蚀，疲劳破坏从表面开始（机械零部件破坏从表面开始（机械零部件80%以上）以上）一、材料表面技术的必要性一、材料表面技术的必要性 2010年和年和2011年澳大利亚航空公司年澳大利亚航空公司A380飞机因发动机飞机因发动机故障两次紧急迫降；故障两次紧急迫降； 2009年，我国某飞机在起飞时尾喷管喷火的超高温瞬间年，我国某飞机在起飞时尾喷管喷火的超高温瞬间导致其燃气涡轮一、二级叶片断裂；导致其燃气涡轮一、二级叶片断裂； 2010年，我国某发动机钛合金转子叶片，地面开车检查年，我国某发动机钛合金转子叶片，地面

2、开车检查时一叶片自叶根完全断裂，其余叶片被严重打伤。时一叶片自叶根完全断裂，其余叶片被严重打伤。关键部件表面摩擦磨损、腐蚀、疲劳、高温氧化、高温关键部件表面摩擦磨损、腐蚀、疲劳、高温氧化、高温燃气冲刷、热应力裂纹燃气冲刷、热应力裂纹 材料表面破坏导致的后果材料表面破坏导致的后果 材料表面技术不改变基体材料的成分和性能的条件下，不改变基体材料的成分和性能的条件下，通过某些物理手段或化学手段来赋予材通过某些物理手段或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术或工艺。用需要的技术或工艺。材料表面技术的特点材料表面技术的特点：对材料表面进行处理（涂

3、，镀，渗，覆对材料表面进行处理（涂，镀，渗，覆层等），使材料表面获得所需功能（耐层等），使材料表面获得所需功能（耐磨，抗蚀，耐热，耐高温，抗疲劳，耐磨，抗蚀，耐热，耐高温，抗疲劳，耐辐射，抗氧化，以及光，热，磁，电等辐射，抗氧化，以及光，热，磁，电等特殊性能），以满足实际应用需要。特殊性能），以满足实际应用需要。虽然涂层薄，却能起到比昂贵体材料难虽然涂层薄，却能起到比昂贵体材料难以达到的效果。以达到的效果。节约能源，节约资源。节约能源，节约资源。材料表面技术的应用材料表面技术的应用1 1） 材料材料表面技术应用广泛，涉及材料有：表面技术应用广泛，涉及材料有：金属，无机非金属，有机高分子，复合材

4、料。金属，无机非金属，有机高分子，复合材料。2 2） 在结构材料以及工程构件和机械零部件在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用，以及工具、模具等防护、耐磨、上的应用，以及工具、模具等防护、耐磨、强化、修复、装饰作用。强化、修复、装饰作用。3 3）在功能材料和元器件）在功能材料和元器件上的应用上的应用 光学特性、电学特光学特性、电学特性、磁学特性、热学特性、磁学特性、热学特性、化学特性、功能转性、化学特性、功能转换、磁记录材料、双金换、磁记录材料、双金属、防护涂层。属、防护涂层。4 4）在人类适应、保护和）在人类适应、保护和优化环境方面的应用如优化环境方面的应用如抗菌灭菌抗菌灭菌 TiOTi

5、O2 2 , , 生物医生物医学材料。学材料。材料表面技术的应用材料表面技术的应用火箭发动机火箭发动机尾喷管内壁和燃烧室：需承受尾喷管内壁和燃烧室：需承受2000-33002000-3300高温和强热焰流冲击；高温和强热焰流冲击；飞船飞船头部锥体和翼前沿，在几十头部锥体和翼前沿，在几十倍音速下与大气层摩擦（即所谓气动加热），其温度高倍音速下与大气层摩擦（即所谓气动加热），其温度高达达4000-50004000-5000。n问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度；高的温度；n解决方法：解决方法：依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧依靠各种形式的隔热涂

6、层、防火涂层和烧蚀涂层蚀涂层- 隔热防火涂层是热导率低的氧化物（氧化铝、隔热防火涂层是热导率低的氧化物（氧化铝、氧化锆、氧化钍等）；氧化锆、氧化钍等）； 烧蚀涂层包括有机材料加石英纤维、陶瓷纤维烧蚀涂层包括有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。或碳纤维。航天飞机外壳的防热材料和涂层航天飞机外壳的防热材料和涂层美国洛克希德导弹与航天公司开发了一种美国洛克希德导弹与航天公司开发了一种LI-LI-900900全氧化硅绝热毡，特性：全氧化硅绝热毡，特性：1 1）重量轻，整个体积的）重量轻，整个体积的95%95%都是空的。都是空的。2 2）为防水、耐蚀以及散热，表面加涂了一种）为防水、耐蚀以及散热，表面

7、加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把碳化硅涂层，该涂层可把90%90%的入射热反射掉，的入射热反射掉，而剩下而剩下10%10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。几乎都被氧化硅毡所隔绝。在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。太阳光谱中所有波段的能量。如用电子束蒸镀的金属陶瓷层如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-AlCo-Al2 2O O3 3作作为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可达达95%95%。航空航天、能源等高端装备的需求航空航天、能源等高端装备的需求 小结：材料表面技术的目的小结：材料表面技术的目的 （1 1）

8、 提高材料抵御环境作用能力。提高材料抵御环境作用能力。（2 2） 赋予材料表面某种功能特性。包括赋予材料表面某种功能特性。包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种光、电、磁、热、声、吸附、分离等各种物理和化学性能。物理和化学性能。（3 3） 实施特定的表面加工来制造构件、实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。零部件和元器件等。材料表面技术日益得到重视：材料表面技术日益得到重视： n 社会生产、生活的需要社会生产、生活的需要n 通过表面处理大幅度提高产品质量通过表面处理大幅度提高产品质量n 节约贵重材料节约贵重材料n 实现材料表面复合化，解决单一材料无法实现材料表面复合化，解决单一材料

9、无法解决的问题解决的问题n 良好的节能、节材效果良好的节能、节材效果n 促进了新兴工业的发展促进了新兴工业的发展1 1）表面涂覆）表面涂覆（Surface Coating) )：2 2）表面改性技术）表面改性技术 ( (Surface Modification) ) （一）按技术特征分类（一）按技术特征分类 用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的用机械、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、缺陷状形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。态或应力状态。 材料表面技术的分类材料表面技术的分类 （国家自然科学基金委员会的分类）（一）表面涂镀层技术：即不改变

10、基体材料成分，（一）表面涂镀层技术：即不改变基体材料成分，也不改变基体材料组织。如表面涂覆、电镀等；也不改变基体材料组织。如表面涂覆、电镀等；（二）表面处理技术：不改变（二）表面处理技术：不改变基体材料基体材料表面化学表面化学成分，但改变基体材料组织和结构，从而改变性成分，但改变基体材料组织和结构，从而改变性能。如喷丸强化，表面淬火，冲击强化）能。如喷丸强化，表面淬火，冲击强化）（三）表面改性技术：即（三）表面改性技术：即改变基体材料表面化学改变基体材料表面化学成分，也改变基体材料表面组织和结构，从而改成分，也改变基体材料表面组织和结构，从而改变性能。如变性能。如化学热处理，等离子扩渗处理，离

11、子化学热处理，等离子扩渗处理，离子注入等。注入等。（二）按对基体材料影响分类（二）按对基体材料影响分类 一、一、喷丸处理喷丸处理第二节第二节 材料表面技术工艺示例材料表面技术工艺示例 喷丸处理喷丸处理微观组织微观组织应变应变弯曲疲劳应力分布与疲劳强度弯曲疲劳应力分布与疲劳强度表面强化后应力力分布与疲劳强度表面强化后应力力分布与疲劳强度表面：应力应力疲劳强度疲劳强度表面：应力应力疲劳强度疲劳强度残留応力（圧縮）二、二、 表面淬火表面淬火（一）（一）感应加热淬火感应加热淬火高频高频: 250-300KHz, 淬硬层深度：淬硬层深度：0.5-2 mm; 中频中频: : 2.50-8.00KHz, 淬

12、硬层深度：淬硬层深度：2.0-10 mm; 工频工频: 50 Hz, 淬硬层深度：淬硬层深度：10-15 mm; 特点：特点：1）表面氧化脱碳轻，变形小；）表面氧化脱碳轻，变形小；2）表面马氏体产生大的残余压）表面马氏体产生大的残余压应力，疲劳强度高应力，疲劳强度高3）表面马氏体组织细小，强度）表面马氏体组织细小，强度高，脆性低。高，脆性低。用于轴类或小模数齿轮表面硬化用于轴类或小模数齿轮表面硬化二、二、表面淬火表面淬火（二）（二）火焰加热淬火火焰加热淬火灵活，适于形状复杂件灵活，适于形状复杂件二、二、 表面淬火表面淬火（三）载能束表面淬火包括：激光束，电子束等激光束：激光束：能量密度高能量密

13、度高(106W/cm2)电子束：能量密度高电子束：能量密度高(109W/cm2),机械臂机械臂+光纤传输加工头光纤传输加工头 光学系统原理图光学系统原理图 激光扫描处理低碳钢横截面激光扫描处理低碳钢横截面参数：单道扫描速度3500 mm/min, 光斑直径6mm 三、三、热喷涂热喷涂按加热和结合方式分为：喷涂、喷焊按加热和结合方式分为：喷涂、喷焊 按照加热喷涂材料的热源种类分为：火焰喷涂、按照加热喷涂材料的热源种类分为：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子弧喷涂、爆炸喷涂电弧喷涂、等离子弧喷涂、爆炸喷涂按喷涂材料的种类和形状分为：粉末喷涂和线材按喷涂材料的种类和形状分为：粉末喷涂和线材喷涂。喷涂。热喷涂

14、的分类热喷涂的分类（一）火焰喷涂（一）火焰喷涂 依靠氧依靠氧-乙炔燃烧产生高温将涂层用粉末熔化乙炔燃烧产生高温将涂层用粉末熔化（二）电弧（二）电弧喷涂喷涂电弧喷涂原理示意图电弧喷涂原理示意图1-1-直流电源，直流电源，2-丝状涂层材料，丝状涂层材料，3-送丝轮，送丝轮，4-导电块，导电块，5-导电管，导电管，6-喷气嘴，喷气嘴，7-电弧焦点，电弧焦点，8-喷涂射流，喷涂射流，9-涂层，涂层，10-基体基体喷料（丝）作为两个电极接近时，在电压下达到喷料（丝）作为两个电极接近时，在电压下达到熔化，被气体随后喷到样品上。温度可达熔化，被气体随后喷到样品上。温度可达40004000 C,C,一般喷金属

15、。一般喷金属。（二）等离子（二）等离子喷涂喷涂等离子喷涂原理示意图等离子喷涂原理示意图1-1-阴极，阴极，2-阳极，阳极，3-工作气，工作气，4-喷涂粉末，喷涂粉末，5-等离子弧区，等离子弧区，6-喷涂束流，喷涂束流，7-涂层，涂层，8-基体基体设备固定两级产生直流电弧把工作气体（氩气或氮设备固定两级产生直流电弧把工作气体（氩气或氮气）电离后形成等离子体弧作为热源，温度可超过气）电离后形成等离子体弧作为热源，温度可超过10000度，可以熔化几乎任何粉末。度，可以熔化几乎任何粉末。四、表面氧化四、表面氧化（一）钢铁的化学氧化（一）钢铁的化学氧化150 C 氧化性溶液中，钢表面会形成致密的氧化性溶

16、液中，钢表面会形成致密的Fe3O4膜膜, 呈蓝色或黑色，称为发蓝或发黑处理。呈蓝色或黑色，称为发蓝或发黑处理。（二）有色金属表面氧化（二）有色金属表面氧化纯钛微弧氧化处理后典型表面形貌阳极氧化过程示意图五、表面渗五、表面渗 改变表面成分及微观组织改变表面成分及微观组织1）产生活性原子；）产生活性原子；2）原子在工件表面吸附；）原子在工件表面吸附；3）原子向内部扩散）原子向内部扩散方法有气体渗、液体渗、固体渗、等离子体渗等方法有气体渗、液体渗、固体渗、等离子体渗等五、表面渗五、表面渗 （一）钢的表面渗碳（一）钢的表面渗碳低碳钢通过表面渗碳来提高表面含碳量，然低碳钢通过表面渗碳来提高表面含碳量，然

17、后通过淬火处理，使表面得到高碳马氏体，后通过淬火处理，使表面得到高碳马氏体，表面具有高硬度，心部具有高韧性。表面具有高硬度，心部具有高韧性。渗碳后淬火分为：渗碳后淬火分为：1）直接淬火，成本低，但因渗碳时间长，）直接淬火，成本低，但因渗碳时间长，晶粒粗大，性能较差。晶粒粗大，性能较差。2）一次淬火法，重新加热可细化晶粒。）一次淬火法，重新加热可细化晶粒。3）二次淬火法，第一次淬火加热温度，）二次淬火法，第一次淬火加热温度，A3 + 30-50 C, 消除网状渗碳体。第二次消除网状渗碳体。第二次淬火淬火加热温度，加热温度，A1 + 30-50 C。（二）表面渗氮（二）表面渗氮Fe-N相图通过形成

18、金属化合物及间隙固溶来强化表面通过形成金属化合物及间隙固溶来强化表面表面相分布气体渗氮设备 与渗碳相比，渗氮温度为与渗碳相比，渗氮温度为500-570 C， 温度低，变形小，而且不用温度低，变形小，而且不用后续处理。耐蚀。后续处理。耐蚀。等离子体渗氮设备 六、离子注入六、离子注入课堂讨论课堂讨论结合结合Fe-FeFe-Fe3 3C C二元平衡转变图，说明含碳二元平衡转变图，说明含碳1.2%1.2%的过共析钢从高温缓慢冷却后的微的过共析钢从高温缓慢冷却后的微观组织。观组织。如果用上述材料做工具（高强度、高耐如果用上述材料做工具（高强度、高耐磨性），请设计一下加工工序，说明其磨性），请设计一下加工工序，说明其中的热处理工艺的理由。中的热处理工艺的理由。FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+