表面工程学1

1、北京工业大学材料科学与工程学院北京工业大学材料科学与工程学院College of Materials Science and Engineering, BJUTMaterials Surface EngineeringMaterials Surface Engineering材料表面工程材料表面工程李辉李辉材料学院材料学院 328 328 室室 010-6739 6168010-6739 College of Materials Science and Engineering, BJUT总学时总学时: : 32 h , 其中其中 课堂教学课堂教学: 26 h，报告：，报告：4 h，实验，实验:

2、 2 h1. 概述、绪论 （2h）2. 表面、表面状态和表面特性（2h）3. 表面的失效与防护 (2h)4. 表面清洗和预处理 (2h)5. 表面工程技术 (14h)4. 表面分析和测试 (4h)5.1 电镀、化学镀5.2 热喷涂5.3 堆焊5.4 高能束表面改性5.5 气相沉积前前 言言College of Materials Science and Engineering, BJUT 总成绩总成绩 = = 平时成绩（平时成绩（30%30%）+ + 专题综述（专题综述（20%20%）+ + 笔试（笔试（50%50%） 平时成绩平时成绩 = = 出勤（出勤（10%10%）+ + 作业作业 (

3、(10%) 10%) + + 随堂测验随堂测验 ( (10%10%) ) 出勤出勤: : 每迟到一次或早退一次扣每迟到一次或早退一次扣 2 2 分分 每旷课一次扣每旷课一次扣 3 3 分，超过分，超过 3 3 次次 不能参加不能参加考试考试 作业作业: 1. : 1. 以小组为单位，完成一份以小组为单位，完成一份专题综述。专题综述。 2. 2. 每人每人翻译一篇英文专业论文翻译一篇英文专业论文 ( (至少要包括题目、摘要、简介、结论四部分至少要包括题目、摘要、简介、结论四部分) )课程基本要求课程基本要求前前 言言College of Materials Science and Enginee

4、ring, BJUT关于专业综述关于专业综述Group Project: 1. Prepare a Report reviewing one of the hot topics relevant to surface engineering 2. Make an Oral Presentation in 15 minutes1. 结晶器表面防护材料及相关技术结晶器表面防护材料及相关技术 （casting mold, electroplate coating）2. 表面工程技术在汽车行业的应用表面工程技术在汽车行业的应用 (Suspension Plasma Spraying)3. 微弧氧化技术

5、及其在有色金属上的应用微弧氧化技术及其在有色金属上的应用 (Micro arc anodizing )4. 堆焊和复合制造在冶金业的发展与应用堆焊和复合制造在冶金业的发展与应用 (hard facing, overlaying)5. 激光熔覆（堆焊）技术及激光快速成型技术激光熔覆（堆焊）技术及激光快速成型技术 (laser cladding)6. 锅炉水冷壁耐高温腐蚀磨损涂层的现状及发展锅炉水冷壁耐高温腐蚀磨损涂层的现状及发展 (boiler, wall, protection) 7. 自洁净涂层及其制备技术自洁净涂层及其制备技术 (self cleaning coating)8. 运动装备中

6、的表面工程技术（运动装备中的表面工程技术（sports equipment, surface treatment)9. 非晶、纳米晶涂层的制备技术及其应用非晶、纳米晶涂层的制备技术及其应用 （amorphous, nano-crystalline, coating）10. 其它（题目可自拟，但需老师确认）其它（题目可自拟，但需老师确认）College of Materials Science and Engineering, BJUT一些有用的资源一些有用的资源College of Materials Science and Engineering, BJUT主要参考书主要参考书Interne

7、tInternet金属表面工程学金属表面工程学. . 刘江南，兵器工业出版社刘江南，兵器工业出版社材料表面工程导论材料表面工程导论. . 赵文轸，西安交通大学出版社赵文轸，西安交通大学出版社表面工程表面工程. . 刘新田，河南大学出版社刘新田，河南大学出版社表面工程表面工程. . 徐滨士，刘世参，机械工业出版社徐滨士，刘世参，机械工业出版社Surface Engineering. ASM Handbook, Vol. 5, Surface Engineering. ASM Handbook, Vol. 5, 1994.1994.College of Materials Science and

8、Engineering, BJUT第一章：材料表面工程概述第一章：材料表面工程概述主要内容：1.1 表面工程1.2 表面工程技术的功能与分类 College of Materials Science and Engineering, BJUT“Surface Engineering is treatment of the surface and near-surface regions of a material to allow the surface to perform functions that are distinct from those functions demanded f

9、rom the bulk of the material” -from ASM Metal Handbook“Solids are composed of a bulk material covered by a surface. The surface which bounds the bulk material is called the Surface phase. Surface engineering involves altering the properties of the Surface Phase in order to reduce the degradation ove

10、r time. ” - from Wikipedia“材料表面工程是材料表面处理技术的总称”-赵文轸1.1 表面工程表面工程 （Surface Engineering）College of Materials Science and Engineering, BJUT9“承旋承旋”，酒器，东汉建武年，酒器，东汉建武年间，现藏于北京故宫博物院间，现藏于北京故宫博物院兽形盒砚，东汉制，出土于兽形盒砚，东汉制，出土于19801980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品，由石砚、盒身、盒盖三部分品，由石砚、盒身、盒盖三部分组成组成 中国古代的鎏金工艺中国古代的鎏金工艺 Colle

11、ge of Materials Science and Engineering, BJUT日本刀的覆土烧刃日本刀的覆土烧刃 世界三大名刃之一世界三大名刃之一College of Materials Science and Engineering, BJUT表面工程形成一门独立的学科是近 20 来年的事： 1983年 表面工程的概念被首次提出 1986年 国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会 1987年 中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年表面工程杂志创刊，后更名为中国表面工程 2000年 全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及 表面工程专业委员会”。目

12、前，全世界范围内，表面工程的应用已取得巨大的经济效益，而且也逐渐发展成为横跨多个学科的边缘性、综合性、复合型学科 1.1 表面工程表面工程College of Materials Science and Engineering, BJUT1.1 表面工程表面工程Raw materialenergyProductProductSurface EngineeringGood product+College of Materials Science and Engineering, BJUT工程意义 * 提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命 * 制备具有特殊功能的表面 * 对节能降耗与再制造的特殊

13、贡献 * 满足人们精神文化生活的需要 科学价值 * 材料制备与合成的新技术 * 为新技术发展提供工艺和材料支持 * 多学科交叉，促进新的学术研究课题1.1 表面工程表面工程College of Materials Science and Engineering, BJUT1.1.1 表面工程的工程意义表面工程的工程意义 零件在服役过程中零件在服役过程中, ,主要失效的形式为：主要失效的形式为： 腐蚀 (Corrosion)、磨损 (Wear)、 疲劳(Fatigue)、 断裂 (Fracture) 背景：背景：现代工业要求产品能在更高参数(如高温,高压,高速)、高度自动化 和更恶劣的工况条件下

14、更长期稳定运转.这就必然对工件表面的 抗磨损、耐腐蚀等性能提出了更高的要求。College of Materials Science and Engineering, BJUT 来源：西北有色金属研究院西北有色金属研究院高温钛合金铌合金（带高温抗氧化涂层）姿姿/ /轨控发动机推力室轨控发动机推力室 实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 College of Materials Science and Engineering, BJUT难熔金属难熔金属 Nb 在高温下易发生氧化，其高在高温下易发生氧化，其高温氧化物不具备保护作用，使材料的力学温氧化物不具备保护作用，使材料的力学性能急剧下降

15、，严重影响性能。性能急剧下降，严重影响性能。 来源：西北有色金属研究院西北有色金属研究院铌在180开始发生缓慢氧化，450 以下的氧化物具有保护作用，450 600 氧化膜的晶体体积发生变化（从4.36变到5.17)，开始出现粉化，600 700 其氧化速度与氧压成正比关系，700 850 内层氧化膜起控制作用，850 以上氧化产物完全为Nb2O5实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 College of Materials Science and Engineering, BJUT1、飞机发动机用高温抗氧化涂层飞机发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度使用温度：12001400， 使用寿命

16、大于使用寿命大于100h。 使用温度使用温度：1800，使用寿命大于使用寿命大于100h。2、航天火箭发动机用高温抗氧化涂层航天火箭发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度使用温度：1800以上，最高要求达到以上，最高要求达到2000 使用寿命较短，几分钟使用寿命较短，几分钟十几分钟十几分钟。 来源：西北有色金属研究院西北有色金属研究院实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 College of Materials Science and Engineering, BJUT材料表面是普遍存在的，它的物理、化学性质、结构、性能与材料内部均不一样，过去材料科学研究对象主要集中于块体材料，近来则更加重

17、视对表面与界面的研究，如纳米结构材料的研究。伴随着表面技术的开发和完善，又会有很多新的科学问题出现。1.1.2 表面工程相关的科学问题表面工程相关的科学问题 背景：背景：美国工程学会为美国国会提供的 2000 年前集中力量发展的 9 项科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。College of Materials Science and Engineering, BJUT1986年诺贝尔物理奖获得者年诺贝尔物理奖获得者实例实例-STM-STM和和AFMAFM的发明的发明College of Materials Science and Engineering, BJUT实例

18、实例-STM-STM和和AFMAFM的发明的发明石墨表面石墨表面纯铝表面纯铝表面College of Materials Science and Engineering, BJUT1.1. 研究和发展材料表面工程技术，对于推动新技术研究和发展材料表面工程技术，对于推动新技术的发展，对于提高生产效率、节约资源、降低能的发展，对于提高生产效率、节约资源、降低能耗具有重要的意义。耗具有重要的意义。2.2. 表面科学的研究可为表面新技术的研究提供一定表面科学的研究可为表面新技术的研究提供一定的理论指导的理论指导, ,有力地促进了材料科学、冶金学、有力地促进了材料科学、冶金学、机械学、机械制造工艺学以及

19、物理学、化学等基机械学、机械制造工艺学以及物理学、化学等基础学科的交叉发展。础学科的交叉发展。1.1 1.1 小小 结结 College of Materials Science and Engineering, BJUT1.2 1.2 材料表面工程技术的功能与分类材料表面工程技术的功能与分类表面工程技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分表面工程技术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分为以下几个部分： 表面工程技术的表面工程技术的 基础基础 和和 应用应用 理论理论 表面处理技术，主要包括表面处理技术，主要包括 表面涂层制备表面涂层制备 技术、技术、表面改性表面改性技术技术和表

20、面和表面复合复合技术三部分技术三部分 表面表面 分析分析 和和 测试测试 技术技术 表面工程技术表面工程技术设计设计 College of Materials Science and Engineering, BJUT表面工程有关的表面性能表面工程有关的表面性能 分分 类类 项项 目目一般机械性能韧性、强度、塑性、抗疲劳性、硬度、疏松度（空隙度）、残余应力 可加工性精密加工性、可修补性、可焊接性、冷作硬化性 抗磨性抗磨料磨损性、抗粘着磨损性、抗腐蚀磨损性、抗冲蚀磨损性、抗微动磨损性、润滑性 保护性防锈性、耐各种水质腐蚀性、耐候性、耐药品性、抗酸碱盐腐蚀性、防污染性 热特性热障性、导热性、高温氧

21、化性、高温软化性、高温蠕变性、抗热冲击性 电特性导电性、绝缘性、电阻特性、半导体特性 电磁性磁化性、电磁屏蔽性 光特性反光性、选择吸收性、消光性 装饰性着色性、染色性、光泽性、可修饰性 College of Materials Science and Engineering, BJUT基于工艺的分类基于工艺的分类1.2 1.2 材料表面工程技术的功能与分类材料表面工程技术的功能与分类College of Materials Science and Engineering, BJUT1.2 1.2 材料表面工程技术的功能与分类材料表面工程技术的功能与分类基于工艺的分类基于工艺的分类电镀，化学镀，

22、热渗镀；电镀，化学镀，热渗镀；热喷涂，堆焊，化学转化膜，表面涂装，表面氧化着色；热喷涂，堆焊，化学转化膜，表面涂装，表面氧化着色；高能束表面改性，气相沉积，表面热处理，化学热处理，形变强化高能束表面改性，气相沉积，表面热处理，化学热处理，形变强化还有一些复合的表面处理技术，如：等离子喷涂与激光辐照复合；等离子喷涂与激光辐照复合；热喷涂与喷丸复合；热喷涂与喷丸复合；化学热处理与电镀复合；化学热处理与电镀复合；激光淬火与化学热处理复合；激光淬火与化学热处理复合；化学热处理与气相沉积复合等等化学热处理与气相沉积复合等等College of Materials Science and Engineer

23、ing, BJUT26基于学科特点的分类基于学科特点的分类“国家自然科学基金委国家自然科学基金委金属材料科学金属材料科学战略报告战略报告”1.2 1.2 材料表面工程技术的功能与分类材料表面工程技术的功能与分类l 表面处理技术表面处理技术l 表面改性技术表面改性技术l 表面涂覆技术表面涂覆技术College of Materials Science and Engineering, BJUTTechniques for producing surface layerTherThermalmalTherThermo-mo-ChemChemicalicalElectrElectro-o-chemi

24、chemical cal and and chemichemicalcalPhysiPhysicalcalMechMechanicalanicalTherThermo-mo-mechmechanicalanical271.2 1.2 材料表面工程技术的功能与分类材料表面工程技术的功能与分类基于技术特点的分类基于技术特点的分类College of Materials Science and Engineering, BJUT281.2 1.2 材料表面工程技术的功能与分类材料表面工程技术的功能与分类College of Materials Science and Engineering, BJUT 原子沉积：原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理