1、1 绪论绪论教学目的和要求教学目的和要求掌握表面工程的定义、分类、特点（意义）等。掌握表面工程的定义、分类、特点（意义）等。 1.1表面工程学的定义和内涵表面工程学的定义和内涵n表面工程学是上个世纪八十年代中期才出现的一门新型综合性学科。表面工程学是上个世纪八十年代中期才出现的一门新型综合性学科。它是在传统的表面硬化技术和腐蚀防护基础上，引入了一些科技新成就，如气它是在传统的表面硬化技术和腐蚀防护基础上，引入了一些科技新成就，如气相沉积，离子注入，激光、电子束和等离子等技术后，拓宽了表面工程的应用范围，相沉积，离子注入，激光、电子束和等离子等技术后，拓宽了表面工程的应用范围，使其成为表面硬化、
2、表面防腐、机械修复使其成为表面硬化、表面防腐、机械修复(再制造再制造)，新材料制造、功能材料、复合，新材料制造、功能材料、复合材料、表面装饰和表面精细加工等方面不可或缺的工艺手段，被广泛应用于机械、材料、表面装饰和表面精细加工等方面不可或缺的工艺手段，被广泛应用于机械、电子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工业及日常生活用品等领域，逐渐形成了电子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工业及日常生活用品等领域，逐渐形成了一门一门独立独立的学科。的学科。 1983年，英国伯明翰大学成立沃福森表面工程研究所年，英国伯明翰大学成立沃福森表面工程研究所 1985年，年，“表面工程表面工程”国际刊物创刊；第一界表
3、面工程国际会议国际刊物创刊；第一界表面工程国际会议 1988年，我国年，我国“表面工程研究所表面工程研究所”成立成立(属机械工程学会属机械工程学会)；“表面工程表面工程”创刊创刊n上世纪上世纪80年代后期，美国商业部就将表面工程技术列入影响年代后期，美国商业部就将表面工程技术列入影响21世世纪人类生活的七大关键技术之一纪人类生活的七大关键技术之一（计算机科学、生命科学、新能源技术、（计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技术、信息技术和先进制造技术）。新材料技术、信息技术和先进制造技术）。n表面工程技术被喻为上个世纪表面工程技术被喻为上个世纪80年代以来年代以来世界十项关键技术世界十项关键技
4、术之一。之一。n表面工程学是近表面工程学是近20年来（材料科学与工程中）发展最为迅速的学年来（材料科学与工程中）发展最为迅速的学科之一。科之一。n表面工程已成为现代制造技术的重要组成部分和部分产业的关键表面工程已成为现代制造技术的重要组成部分和部分产业的关键技术支撑。技术支撑。n材料表面工程的应用范围材料表面工程的应用范围： 表面强化表面强化 防腐工程防腐工程 零部件修复零部件修复 电子电路电子电路 传感器与自动控制传感器与自动控制 表面强化、耐蚀、耐磨、表面强化、耐蚀、耐磨、修复、装饰、微细加工修复、装饰、微细加工在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物
5、理和化学气相沉积技术（在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积技术（PVD，CVD）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护。境下对材料性能产生的影响进行防护。在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 如第四、五代的飞如第四、五代的飞机，在停飞和飞行过程机，在停飞和飞行过程中，可能遇到中，可能遇到50的的空气摩擦升温至空气摩擦升温至200，因而在飞机蒙皮的表面因而在飞机蒙皮的表面涂上高聚物涂料免受环涂上高聚物涂料免受环境介质侵蚀，减少
6、阻力。境介质侵蚀，减少阻力。 飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩和尾喷管采用和尾喷管采用SnO2和和In2O3等掺杂半导等掺杂半导体材料作填料和适当的载流子浓度及体材料作填料和适当的载流子浓度及迁移率以及等离子体频率，使其具有迁移率以及等离子体频率，使其具有兼容雷达和红外隐身。美国的兼容雷达和红外隐身。美国的TF39发发动机轴承，离子注入铬磷，可解决动机轴承，离子注入铬磷，可解决点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用寿命。寿命。 在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用奔 驰 系
7、 列 在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。一、表面工程技术的定义一、表面工程技术的定义n为满足特定的工程需求，使为满足特定的工程需求，使材料或零部材料或零部件件表面表面具有特殊的具有特殊的成分、成分、结构和性能结构和性能(或功能或功能)的化学、物理方法与工艺。的化学、物理方法与工艺。关于表面工程：关于表面工程：n表面工程是以表面科学为理论基础，以表面工程是以表面科学为理论基础，以表面表面和和界面界面行为为研究对行为为研究
8、对象，把相互依存、相互分工的零件基体与零件表面构成一个系统，象，把相互依存、相互分工的零件基体与零件表面构成一个系统，同时又综合了失效分析、表面技术、表面层材料、表面层性能、同时又综合了失效分析、表面技术、表面层材料、表面层性能、预处理和后加工、表面检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、预处理和后加工、表面检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理、技术经济分析、三废处理和重大工程实践等多项表面施工管理、技术经济分析、三废处理和重大工程实践等多项内容。内容。n表面工程是一项系统工程。表面工程是一项系统工程。二、表面工程技术的内涵二、表面工程技术的内涵n表面改性技术表面改性技术n表面（微
9、细）加工技术表面（微细）加工技术n表面合成材料技术表面合成材料技术n表面加工三维合成技术表面加工三维合成技术n上述要点的组合或综合上述要点的组合或综合高深宽比高深宽比GaN深刻蚀深刻蚀 （深：（深：4m，宽：，宽：0.6m）1.2表面工程技术的特点与意义表面工程技术的特点与意义表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。n主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以。因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。制备表面性能与基材性能相差很大的复合材
10、料。n采用表面涂采用表面涂(镀镀)、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。n可以兼有装饰和防护功能可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。，有力推动了产品的更新换代。n表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、是制作大
11、规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。n二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅（生长型制造法），不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。n表面工程技术已成为制备新材料的重要方法表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难，可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。以做到的特殊性能合金等。金属材料表面工程学的地位：金属材料表面
12、工程学的地位： n表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等。等。n金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械、设备和工程构件金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械、设备和工程构件的主要材料。的主要材料。 机械行业中：机械行业中： 钢铁材料：钢铁材料：93% 有色金属：有色金属：2% 非金属材料：非金属材料：5%据统计，世界钢材的据统计，世界钢材的10%因腐蚀而损失。因腐蚀而损失。（2015年，世界钢铁产量约为年
13、，世界钢铁产量约为16亿吨，亿吨，其中我国约为其中我国约为8亿吨。）亿吨。）机械零件失效的主要形式：机械零件失效的主要形式： n塑性变形：材料强度不足或过载使用；塑性变形：材料强度不足或过载使用；n断裂：韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂；断裂：韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂；n磨损：按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损等七大类；磨损：按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损等七大类；n腐蚀：在环境及周围介质作用下产生。腐蚀：在环境及周围介质作用下产生。n在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。以上。 实验证实：失效通常是
14、从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。实验证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。 研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。1.3表面工程技术的分类表面工程技术的分类n表面改性技术表面改性技术表面组织转化技术表面组织转化技术表面涂镀技术表面涂镀技术表面合金化和掺杂技术表面合金化和掺杂技术n表面微细加工技术表面微细加工技术n表面加工三维成型技术表面加工三维成型技术n表面合成新材料技术表面合成新材料技术n复合表面技术复合表面技术（上述几个要点的组合或综合）（上述几个要点的组合或综合）思考题思考题 n从机械零部件失效的主要形式及比例出发，说明研发表面工程技术从机械零部件失效的主要形式及比例出发，说明研发表面工程技术的重要意义。的重要意义。n试举例说明表面工程技术的效用。试举例说明表面工程技术的效用。
