材料表面技术课件

材料工艺基础第四章材料表面技术1材料工艺基础（材料表面技术）材料工艺基础第四章材料表面技术1材料工艺基础（材料表面技术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。2材料工艺基础（材料表面技术）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Ⅰ－根据沉积物的尺寸3材料工艺基础（材料表面技术）4.1.2表面工程技术分类原子沉积物：原子在基体上凝聚，然分类Ⅱ－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4材料工艺基础（材料表面技术）分类Ⅱ－根据组织结构、成分和性能表面组织强化：改善表面的显微分类Ⅲ－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5材料工艺基础（材料表面技术）分类Ⅲ－根据工艺特点表面热处理5材料工艺基础（材料表面技术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CVD6材料工艺基础（材料表面技术）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7材料工艺基础（材料表面技术）4.2.1物理气相沉积（PVD）PVD技术的应用实例：7材CoatingofbladesCoatingofvane8材料工艺基础（材料表面技术）CoatingofbladesCoatingofvaProcesschamberwithEBguns,cruciblesandpartstobecoatedinthevaporcloud

LoadingchamberofanEB/PVDsystem,ComplexsubstratemotionsensureacontrolledthicknessdistributionOperator’scockpitatanEB/PVD-productioncoater9材料工艺基础（材料表面技术）ProcesschamberwithEBguns,ThearcevaporationPVDcoatingprocesstakesplaceinavacuumchamber.10材料工艺基础（材料表面技术）ThearcevaporationPVDcoatinPVDCoatingApplications

11材料工艺基础（材料表面技术）PVDCoatingApplications11材料工thecoefficientoffriction,asmeasuredinaballondisktest12材料工艺基础（材料表面技术）thecoefficientoffriction,a13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）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14材料工艺基础（材料表面技术）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(I)真空蒸镀基材表面状态：洁净镀膜质量基材温度基材表面粗糙度和表面显微组织主要部件：真空容器、蒸发源、基材、基材架和加热器15材料工艺基础（材料表面技术）(I)真空蒸镀基材表面状态：洁净镀膜质量基材温度基材表面粗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。16材料工艺基础（材料表面技术）真空蒸镀法特点镀膜由气相沉积而成，均匀性较好应用：用于光学透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17材料工艺基础（材料表面技术）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(Ⅱ)阴极溅射沉积

磁控溅射对置溅射离子束溅射18材料工艺基础（材料表面技术）(Ⅱ)阴极溅射沉积磁控溅射18材料工艺基础（材料表面技术阴极溅射沉积分类19材料工艺基础（材料表面技术）阴极溅射沉积分类19材料工艺基础（材料表面技术）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20材料工艺基础（材料表面技术）应用普遍，1974年工业化应用磁控溅射沉积20材料工艺基础（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21材料工艺基础（材料表面技术）溅射沉积的特点结合力较高；阴极溅射几乎可以制造一切物质的薄膜(Ⅲ)离子镀镀膜与离子轰击改性同时进行22材料工艺基础（材料表面技术）(Ⅲ)离子镀镀膜与离子轰击改性同时进行22材料工艺基础（材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23材料工艺基础（材料表面技术）多弧离子镀蒸发源多，膜厚分布均匀23材料工艺基础（材料表面技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24材料工艺基础（材料表面技术）离子镀典型应用防腐蚀镀层粘着力强24材料工艺基础（材料表面技作业：1）简述阴极溅射沉积的原理和特点，举例其应用。

单号

25材料工艺基础（材料表面技术）作业：25材料工艺基础（材料表面技术）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26材料工艺基础（材料表面技术）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几种PVD法与CVD法的特性比较项目PVD法CVD法真空蒸镀阴极溅射离子镀镀金属可以可以可以可以镀合金可以，但困难可以可以，但困难可以镀高熔点化合物可以，但困难可以可以，但困难可以沉积粒子能量/eV0.1～11～1030～1000沉积速度/(µm/min)0.1～750.01～20.1～50较快沉积膜的密度较低高高高孔隙度中小小极小基体与镀层的连接没有合金相没有合金相有合金相有合金相粘结力差好最好最好均镀能力不好好好好镀覆机制真空蒸发辉光放电、溅射辉光放电气相化学反应27材料工艺基础（材料表面技术）几种PVD法与CVD法的特性比较项目PVD法CVD法真空蒸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28材料工艺基础（材料表面技术）CVD反应基本类型热分解反应28材料工艺基础（材料表面技术）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29材料工艺基础（材料表面技术）CVD反应类型碳化反应29材料工艺基础（材料表面技术）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

30材料工艺基础（材料表面技术）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CVD设备

AtypeofCVDcoatingequipmentforformingceramiccompositesbyCVDcoatingofcarbonandSiC.ItcanmanufactureadvancedcompositescontainingcontinuousfibersandbycoatingcarbonandSiConbasematerials.31材料工艺基础（材料表面技术）CVD设备AtypeofCVDcoatingeqTheCVDprocesscanbeusedtodepositacoatingonvarioussubstrates.32材料工艺基础（材料表面技术）TheCVDprocesscanbeusedtoCVD涂层实例SiCcoatingonacarbonsubstrate（thickness:30micron）

SiCcoatingonaSiCfiber（thickness:3micron）

33材料工艺基础（材料表面技术）CVD涂层实例SiCcoatingonacarbon34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）TheCA4120usedinnodularcastironcuttingwork.Chipbreakerapplications35材料工艺基础（材料表面技术）TheCA4120usedinnodularcasCVDprocessing36材料工艺基础（材料表面技术）CVDprocessing36材料工艺基础（材料表面技术）CVD涂层的应用实例37材料工艺基础（材料表面技术）CVD涂层的应用实例37材料工艺基础（材料表面技术）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38材料工艺基础（材料表面技术）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4.3热喷涂技术39材料工艺基础（材料表面技术）4.3热喷涂技术39材料工艺基础（材料表面技术）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40材料工艺基础（材料表面技术）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41材料工艺基础（材料表面技术）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(I)热喷涂技术分类火焰喷涂等离子喷涂电热喷涂激光喷涂电弧喷涂线材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂爆炸火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂保护气体等离子喷涂针孔等离子喷涂水稳等离子喷涂感应加热喷涂电容放电喷涂电爆喷涂激光喷涂激光喷焊电弧喷涂42材料工艺基础（材料表面技术）(I)热喷涂技术分类火焰喷涂等离子喷涂电热喷涂激光喷涂电弧(Ⅱ)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。43材料工艺基础（材料表面技术）(Ⅱ)热喷涂技术特点涂层和基体材料广泛涂层的结合强度较低，(Ⅲ)热喷涂技术原理44材料工艺基础（材料表面技术）(Ⅲ)热喷涂技术原理44材料工艺基础（材料表面技术）(Ⅳ)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45材料工艺基础（材料表面技术）(Ⅳ)涂层与基体结合方式机械结合45材料工艺基础（材料表面4.3.2热喷涂工艺粉末火焰喷涂46材料工艺基础（材料表面技术）4.3.2热喷涂工艺粉末火焰喷涂46材料工艺基础（材料表面flamespray47材料工艺基础（材料表面技术）flamespray47材料工艺基础（材料表面技术）flamesprayflamespraycoatingsformanyapplicationsforgeneralrepairandbuildupaswellaswearandcorrosionresistancearereadilyvailable.

Commonalloysappliedarealuminumbronze,stainlesssteels,andnickelorcobaltbase.48材料工艺基础（材料表面技术）flamesprayflamespraycoatingPlasmaspray49材料工艺基础（材料表面技术）Plasmaspray49材料工艺基础（材料表面技术）Abovetwofigurespresentamodelofamediumspeeddieselenginepistonwithaceramiccoating,andaphotoofacoatingprocessbyplasmaspray.50材料工艺基础（材料表面技术）Abovetwofigurespresentamo等离子喷涂51材料工艺基础（材料表面技术）等离子喷涂51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）52材料工艺基础（材料表面技术）CoatingCharacteristicsTypicalApplicationsCopper/siliconCarbide(HIPAC)Highthermalconductivity,fivetimesgreaterthancastiron.

Goodelectricalconductivity.

Highwearresistance

HighenergyabsorbanceandheatdissipationUsedoncomponentssubjectedtohighfrictionwearandheatbuildupcaudedbyrotatingmachineparts.Majorusesareforbrakeandclutchcomponentsparticularlyonracingcars,bikesandotherformsoftransport.13%ChromeSteelMacrohardness-HRc33Tensilebondstrength-28MPaHighStrengthUsedextensivelyasabuildupmaterial.Itcanbegroundfinishedtotighttolerancestoreclaimshafts,hydraulicrams,pistons,bearings,plungersandothergeneralengineeringcomponents.AluminumMacrohardness-RH80

Tensilebondstrength-10MPa，Highresistancetocorrosionofatmospheric，heat，chemicalWithappropriatesealingofthecoatingaluminumcanbeusedasanallpurposecoatingtopreventatmosphericcorrosionandseawaterattackonsteelstructures.AluminumBronzeMacrohardness-RB80

Wearresistant.

Machinestoexcellentfinish.Itcanbeusedforrepairingdefectsinbronzecastings.

Alsoforbuildupofwornareasonbushings,bearingsandotherbronzeorbrassitems.Tin/Antimony/Copper(Babbit)ForheavydutybearingsZincForgeneralcorrosionresistanceforsimilarapplicationstoaluminumMolybdenumForhighwearareassuchaswirecapstans,brakedrumsandmachineknives.等离子喷涂层的应用实例53材料工艺基础（材料表面技术）CoatingCharacteristicsTypical等离子喷焊层与其他涂层、焊层比较工艺方法等离子喷焊等离子喷涂粉末火焰喷焊丝极埋弧堆焊涂(焊)层类型与基材结合类型结合强度涂(焊)组织气孔率/%氧化物夹缝一般厚度/mm喷焊层熔合高焊态无无0.5～5喷涂层粘结低(≤60N/mm2)变形粒子叠层2～10有0.3～1喷焊区扩散中(＞200N/mm2)焊态微量少量0.5～3堆焊区熔合高焊态无无＞554材料工艺基础（材料表面技术）等离子喷焊层与其他涂层、焊层比较工艺方法等离子喷焊等离子喷涂55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）H.V.O.F.ThermalSprayCoatingsTheTaskmasterHighVelocityOxygenFuelthermalsprayprocessprovidesHighDensitycoatingswithalmostNegligiblePorositylevels.Thisisaresultofthehighparticlevelocitiesproducedbyacombustiondriven,highspeedgasjet.

HVOFisasupersonicprocesswhichdeliverscoatingparticlesatover7000feetpersecondandcanexceedbondstrengthsof12,000psi.ItisanextremelyversatileprocessthatoffersanunlimitedrangeofpossibilitiestoindustrieswithextremecorrosionandwearenvironmentssuchasOilandGas,chemicalandrefinery,agriculture,marine,hydroelectricplants,andpulpandpapermills.56材料工艺基础（材料表面技术）H.V.O.F.ThermalSprayCoating4.4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。57材料工艺基础（材料表面技术）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10kWCO2LaserSystemwith3axiscockpitVariousmaterialprocessing

applications:1.Deeppenetrationweldingofmoderatethickmetalplates,2.Lasersurfacehardening,

3.Lasersurfacere-solidification,

4.Lasersurfacecladding&alloying5.Cuttingofthickconcreteblocksetc.fordecontaminationanddecommissioningapplications.58材料工艺基础（材料表面技术）10kWCO2LaserSystemwith3

AnewcladdingprocessdevelopedattheFraunhoferCenterforSurfaceandLaserProcessingutilizesa3kWdirectdiodelaserandacoaxialpowder-feedingnozzle.

59材料工艺基础（材料表面技术）Anewcladdingprocessdevelo4.4.1激光表面处理特点60材料工艺基础（材料表面技术）4.4.1激光表面处理特点60材料工艺基础（材料表面技术）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

61材料工艺基础（材料表面技术）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62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）SetLASERhardeningofchamferingandfoldingtools.

LASERhardeningonalongchamferingtoolBigsizedeepdrawingtoolforcarbodysteelsheets-LASERhardeningofcurvesandedgesBigsizetool-wecanworkontoolswithatotalweightofupto40tons.63材料工艺基础（材料表面技术）SetLASERhardeningofchamfer

LASERhardeningofaninjectionmould.LASERhardeningofbearingfacesonashaftforair-planemanufacturing.LASERhardeningofagearspindle,trackwidthca.60mm.LASERhardeningwithsolidstateLASERandrobotofacarbodydeepdrawingtool.LASERhardenedfacesandedgesofpunchingtools

64材料工艺基础（材料表面技术）

LASERhardeningofaninjecti激光淬火技术的性能和优点Maxdepthinstressrelievedmaterial:ca.1,2mmMaxdepthinannealedmaterial:ca.1,6mmUniformityofhardnessdependsonmaterialpropertiesUniformityincaseofthermalstressrelievedmaterial:sameasbasematerialUniformityincaseofannealedmaterial:±3HRCProcesscontrolledbythermalemissioncontrol(reactiontime:1ms)Thermalcontrolachievesmax.hardnessaccordingtomaterialpropertiesPrecisecontrolofaffectedsurfacezonesHighhardnessgradientNouseofcoolingagentsorchemicals

posthardeningpossible,hardenedareaswithlowhardness(e.g.50HRC)canbeimprovedbyLACIDto(e.g.60HRC)Nolimitestosizeorweightofworkpiece65材料工艺基础（材料表面技术）激光淬火技术的性能和优点Maxdepthinstres4.4.3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66材料工艺基础（材料表面技术）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.

67材料工艺基础（材料