1、1表表 面面 工工 程程讲讲 稿稿2表面工程表面工程v修改稿修改稿 2015.9.26. v专业：材料成型及控制工程专业：材料成型及控制工程v层次：本科层次：本科v性质：专业必修课性质：专业必修课 学分：学分：2v学时：学时：30学时（课内）学时（课内）+ 4学时（实验）学时（实验）v考核方式：考试考核方式：考试+ 实验实验+上课上课+作业作业v教材：教材：表面科学与技术表面科学与技术；姚寿山；姚寿山 等编等编 机械工业出版社；机械工业出版社；2005年年1月第一版月第一版v主要参考书主要参考书:3表表 面面 工工 程程主讲教师：主讲教师： 范洪远范洪远 工学博士，教授工学博士，教授 E-ma
2、il： Mobile:13688058426助助 教：教： 连连 漪漪E-mail：4表表 面面 工工 程程v第一章第一章 绪论绪论v第二章第二章 表面技术的理论基础表面技术的理论基础v第三章第三章 表面强度：表面摩擦与磨损表面强度：表面摩擦与磨损v第四章第四章 表面强度：耐蚀性表面强度：耐蚀性v增增 补补 表面工程技术的预处理工艺与作业环境表面工程技术的预处理工艺与作业环境v第五章第五章 电镀和化学镀电镀和化学镀v第六章第六章 化学转化膜与材料表面彩色化化学转化膜与材料表面彩色化v第七章第七章 表面涂敷技术表面涂敷技术v第八章第八章 表面改性技术表面改性技术v第九章第九章 气相沉积技术气相沉
3、积技术v第十章第十章 表面微细加工技术表面微细加工技术v第十一章第十一章 表面复合处理技术表面复合处理技术v第十二章第十二章 表面分析与测试技术表面分析与测试技术5第一章第一章 绪论绪论v1.1 表面技术的意义、目的、途径与应用表面技术的意义、目的、途径与应用v1.1.1 表面技术的函义表面技术的函义 v1.1.2 表面工程技术的特点表面工程技术的特点 v1.1.3 表面工程技术的应用表面工程技术的应用 v1.2 表面工程技术的分类表面工程技术的分类v1.3 表面技术的应用表面技术的应用v1.4 表面技术的发展表面技术的发展v思考题思考题 表面工程，顾名思义，就是在材料表面工程，顾名思义，就是
4、在材料的表面采取适当的措施，通过改变材料的表面采取适当的措施，通过改变材料的表面状态、表面性能、表面形状等，的表面状态、表面性能、表面形状等，提高材料的性能以适应工况要求。提高材料的性能以适应工况要求。 一般来说，物体的表面不破坏，其一般来说，物体的表面不破坏，其内部也就很难受到破坏。内部也就很难受到破坏。 材料的表面性能是它最有用、最起材料的表面性能是它最有用、最起作用的性能之一。作用的性能之一。1.1 表面技术的意义、目的、途径与应用表面技术的意义、目的、途径与应用v1966年出现年出现“表面工程表面工程”概念词概念词v 1983年英国伯明翰大学成立国际上的第年英国伯明翰大学成立国际上的第
5、一个表面工程研究所一个表面工程研究所沃尔森表面工程研沃尔森表面工程研究所；究所；v 1984年正式确定表面工程为一个学科；年正式确定表面工程为一个学科；v 1985年国际刊物表面工程发行；年国际刊物表面工程发行；v 1985年召开第一次国际表面工程会议；年召开第一次国际表面工程会议；v 1986年国际热处理联合会更名为国际热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。处理与表面工程联合会。我国对表面工程学的兴起作出了快速反应，1987年中国机械工程学会表面工程研究所在北京成立。1988年全国首届表面工程现状与未来发展研讨会召开，同年创办了中国表面工程杂志。 量子力学的奠基人之一量子力学
6、的奠基人之一狄马克说狄马克说过这样一句话：上帝创造了物体，魔鬼过这样一句话：上帝创造了物体，魔鬼创造了表面。创造了表面。因此，学习表面工程，需要与魔鬼打因此，学习表面工程，需要与魔鬼打交道的勇气以及相应的手段：内容极为交道的勇气以及相应的手段：内容极为庞杂；原理既简单，又深奥；庞杂；原理既简单，又深奥；研究方法研究方法有别于常规的三维物体，需要特殊的手有别于常规的三维物体，需要特殊的手段段。v认识一个人，也是首先从某人的表认识一个人，也是首先从某人的表面面外观开始的。外观开始的。v因此，好的第一印象是至关重要的。因此，好的第一印象是至关重要的。至于内容至于内容这个人到底是一个什么样这个人到底是
7、一个什么样的人，则是逐步认识的。的人，则是逐步认识的。v内容内容形式的关系，这是一个大家形式的关系，这是一个大家都了解的哲学问题，此处不做进一步探都了解的哲学问题，此处不做进一步探讨讨,但表面工程对于材料的重要性但表面工程对于材料的重要性,由此由此可见一斑。可见一斑。v世界是物质的，物质的主要表现形式就世界是物质的，物质的主要表现形式就是材料。是材料。v世界上所有的物体都是由一定的材料组世界上所有的物体都是由一定的材料组成的，也都具有一定的表面。成的，也都具有一定的表面。v世界上材料极为丰富，材料所组成的物世界上材料极为丰富，材料所组成的物体的数量也极为庞大，这些物体的表面体的数量也极为庞大，
8、这些物体的表面也是各种各样、千差万别的，构成了我也是各种各样、千差万别的，构成了我们所见到的丰富多彩的世界。们所见到的丰富多彩的世界。v因此，表面工程所要研究的内容是极为因此，表面工程所要研究的内容是极为庞杂的。而我们的课时只有庞杂的。而我们的课时只有34个学时，个学时，显然与之不成比例，不可能对表面工程显然与之不成比例，不可能对表面工程的内容做深入、全面的介绍，甚至对大的内容做深入、全面的介绍，甚至对大多数选讲的内容也不能做很具体的介绍。多数选讲的内容也不能做很具体的介绍。v本课程将有选择地介绍一些表面工程技本课程将有选择地介绍一些表面工程技术的科学原理，对各种表面工程技术方术的科学原理，对
9、各种表面工程技术方法，主要介绍原理、作用、应用，不要法，主要介绍原理、作用、应用，不要求大家去强记具体的工艺参数。求大家去强记具体的工艺参数。v夸张地说，我们的课时用来为表面工程夸张地说，我们的课时用来为表面工程做名词解释都显得紧张。做名词解释都显得紧张。v现实地说，我们当然不会只做名词解释。现实地说，我们当然不会只做名词解释。我们的课程在全面介绍表面工程技术的我们的课程在全面介绍表面工程技术的同时，将重点介绍一些常用的以及最新同时，将重点介绍一些常用的以及最新的表面工程技术。的表面工程技术。表面的作用：表面的作用：v保护保护；v赋予特定性能或者功能赋予特定性能或者功能；v展示与对外交流展示与
10、对外交流。 可能很多同学对表面工程的名词和可能很多同学对表面工程的名词和内容都还不很清楚，但并不见得就不会内容都还不很清楚，但并不见得就不会运用。运用。v传统的化妆技术：洗面；传统的化妆技术：洗面；粉底；功能化；保护层。粉底；功能化；保护层。v现代表面工程技术：表现代表面工程技术：表面清洗；预处理；表面面清洗；预处理；表面功能化；后处理。功能化；后处理。表面工程的概念表面工程的概念v表面工程表面工程是经表面预处理后，通过表是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性、表面加工或多种面涂覆、表面改性、表面加工或多种表面工程技术复合处理，改变固体材表面工程技术复合处理，改变固体材料表面的形态、化学成分
11、、组织结构、料表面的形态、化学成分、组织结构、应力状态等，以获得所需要各类表面应力状态等，以获得所需要各类表面性能的系统工程。性能的系统工程。v 材料表面工程是材料表面处理技术的总称。材料表面工程是材料表面处理技术的总称。除材料科学与工程外，它还涉及到多个工除材料科学与工程外，它还涉及到多个工程领域，诸如机械工程、电气工程、化学程领域，诸如机械工程、电气工程、化学工程、能源工程、动力工程、航空航天工工程、能源工程、动力工程、航空航天工程、建筑工程等。程、建筑工程等。v材料表面工程又是一门很新的边缘学科，材料表面工程又是一门很新的边缘学科，在理论上它不但涉及到诸如表面物理学、在理论上它不但涉及到
12、诸如表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论，而且传热学、传质学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术。其本身也溶入了诸多学科的新技术。表面工程技术的目的表面工程技术的目的v提高材料与环境的相容性提高材料与环境的相容性v赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、热、磁、声、吸附、分离等热、磁、声、吸附、分离等v实施特定的表面加工来制造构件、零部件、实施特定的表面加工来制造构件、零部件、元器件。元器件。表面工程可改善或赋于材料表面的特殊性能：表面工程可改善或赋于材料表面的特殊
13、性能：v物理性能：包括电磁特性物理性能：包括电磁特性(导电性、绝缘性、半导电性、绝缘性、半导体性、磁性、电磁屏蔽性导体性、磁性、电磁屏蔽性)，光学特性，光学特性(吸光性、吸光性、反光性、光导、光电效应反光性、光导、光电效应)，热特性，热特性(热传导性、耐热传导性、耐热性热性)，声特性及防辐射等；，声特性及防辐射等；v化学性能：包括腐蚀防护性、催化特性等；化学性能：包括腐蚀防护性、催化特性等；v机械性能：包括加工性、密封性、抗疲劳性、强机械性能：包括加工性、密封性、抗疲劳性、强度、硬度、韧性等；度、硬度、韧性等；v摩擦学性能：包括减摩性、耐磨性、自润滑性、摩擦学性能：包括减摩性、耐磨性、自润滑性
14、、浸润性等；浸润性等；v装饰性：包括色彩、光泽性和可修饰性。装饰性：包括色彩、光泽性和可修饰性。表面工程有关的表面性能表面工程有关的表面性能分 类 项 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、耐侯性、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
15、性着色性、染色性、光泽性、可修饰性v表面工程是由多个学科交叉、综合发展起来表面工程是由多个学科交叉、综合发展起来的新兴学科，它以的新兴学科，它以“表面表面”为研究核心。为研究核心。v表面工程基础理论包括表面物理、表面化学、表面工程基础理论包括表面物理、表面化学、表面动力学、表面电子学等。表面动力学、表面电子学等。v表面工程的最大优势是通过一定的技术方法表面工程的最大优势是通过一定的技术方法制备出在某个或某些方面优于本体材料性能制备出在某个或某些方面优于本体材料性能的表面功能层，赋予材料表面耐高温、耐腐的表面功能层，赋予材料表面耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等热、电、光、蚀、耐磨损、抗疲
16、劳、防辐射等热、电、光、力学、物理、化学性能，力学、物理、化学性能，这层表面材料与制这层表面材料与制成部件的整体材料相比，厚度薄，质量小，成部件的整体材料相比，厚度薄，质量小，但却承担着工作部件的主要功能。但却承担着工作部件的主要功能。v表面工程是一项系统工程表面工程是一项系统工程 以表面科学为理论基础以表面科学为理论基础，以表面和界面行以表面和界面行为为研究对象为为研究对象，首先把相互依存、相互分，首先把相互依存、相互分工的基体与表面视为一个系统，同时又综工的基体与表面视为一个系统，同时又综合了失效分析、表面技术、涂覆层性能、合了失效分析、表面技术、涂覆层性能、涂覆层材料、预处理和后处理、表
17、面分析涂覆层材料、预处理和后处理、表面分析与检测技术、表面质量控制、使用寿命评与检测技术、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内容。处理和重大工程实践等多项内容。1.2 表面工程技术的分类表面工程技术的分类v1.2.1 表面技术的基础和应用理论表面技术的基础和应用理论（表面物理、表面化学）（表面物理、表面化学）v1.2.2 表面涂覆技术表面涂覆技术v1.2.3 表面改性技术表面改性技术v1.2.4 表面加工技术表面加工技术v1.2.5 复合表面处理技术复合表面处理技术v1.2.6 表面分析和测试技术表面分析和测
18、试技术v1.2.7 表面工程技术设计表面工程技术设计表面工程技术的分类表面工程技术的分类v按照技术特点分类：按照技术特点分类： 表面改性技术表面改性技术 表面加工技术表面加工技术 表面涂覆技术表面涂覆技术 复合表面工程技术 纳米表面工程技术v也可以按照工艺特点、学科特点、表面改质的目也可以按照工艺特点、学科特点、表面改质的目的和性质分类的和性质分类按学科特点进行分类按学科特点进行分类v表面合金化技术表面合金化技术-包括喷焊、堆焊、离子注入、包括喷焊、堆焊、离子注入、 激光溶敷、热渗镀等。激光溶敷、热渗镀等。v表面覆层与覆膜技术表面覆层与覆膜技术-包括热喷涂、电镀、化学包括热喷涂、电镀、化学转化
19、处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。属染色、热浸镀等。v表面组织转化技术表面组织转化技术-包括激光、电子束热处理技包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。 此外，此外，Mantton分类法将其分为：分类法将其分为：(1)原子原子沉积物；沉积物；(2)粒状沉积物；粒状沉积物；(3)整体涂层；整体涂层；(4)表表面改性。面改性。按表面改性的目的或性质分类按表面改性的目的或性质分类v表面耐磨和减磨技术、表面耐蚀抗氧化技表面耐磨和减磨技术、表面耐蚀抗氧化技术、表面强化术、表面强化(提高
20、疲劳强度提高疲劳强度)技术、表面技术、表面装饰装饰技术技术、功能表面技术及表面修复技术。、功能表面技术及表面修复技术。v这种分类方法便于应用，有利于选择。这种分类方法便于应用，有利于选择。v中国机械工程学会表面工程分会也是按这中国机械工程学会表面工程分会也是按这种分类方法成立了委员会。种分类方法成立了委员会。按照工艺特点进行分类按照工艺特点进行分类材料表面工程技术按工艺特点可大致分材料表面工程技术按工艺特点可大致分为以下为以下13类：类：电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊 、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、“三束三束
21、”（激光束、电子束、离子束）改性（激光束、电子束、离子束）改性以及表面热处理、形变强化和衬里过渡层。以及表面热处理、形变强化和衬里过渡层。 其中，每一类又可分为一些更细的工其中，每一类又可分为一些更细的工艺项目，如下图。艺项目，如下图。1.2.2 表面涂覆技术表面涂覆技术电镀与电刷镀电镀与电刷镀化学镀化学镀化学转化膜化学转化膜热喷涂热喷涂热浸镀热浸镀气相沉积气相沉积分子束外延分子束外延堆焊堆焊熔结熔结涂料涂装技术涂料涂装技术粘结粘结搪瓷搪瓷热烫印热烫印陶瓷涂敷陶瓷涂敷塑料涂敷塑料涂敷鎏金鎏金包箔、贴片包箔、贴片暂时性覆盖暂时性覆盖表面涂覆表面涂覆v表面涂覆是在基体材料表面上形成一种涂表面涂覆是
22、在基体材料表面上形成一种涂覆层。涂覆层的化学成分、组织结构可以覆层。涂覆层的化学成分、组织结构可以和基质材料完全不同，它以满足表面性能、和基质材料完全不同，它以满足表面性能、涂覆层与基质材料的结合强度能适应工况涂覆层与基质材料的结合强度能适应工况要求、经济性好、环保性好为准则。要求、经济性好、环保性好为准则。v涂覆层的厚度可以是几毫米，也可以是几涂覆层的厚度可以是几毫米，也可以是几微米。微米。v通常在基体零件表面预留加工余量，以实通常在基体零件表面预留加工余量，以实现表面具有工况需要的涂覆层厚度。现表面具有工况需要的涂覆层厚度。v表面涂覆和表面改性、表面热处理相比，表面涂覆和表面改性、表面热处
23、理相比，由于它的约束条件少，技术类型和材料的由于它的约束条件少，技术类型和材料的选择空间很大，因而，属于此类的表面工选择空间很大，因而，属于此类的表面工程技术非常多，应用最为广泛。程技术非常多，应用最为广泛。v表面涂覆类的表面工程技术包括电化学沉表面涂覆类的表面工程技术包括电化学沉积、化学沉积、气相沉积、热喷涂、堆焊、积、化学沉积、气相沉积、热喷涂、堆焊、熔覆、热浸镀、黏涂、涂装等。其中有的熔覆、热浸镀、黏涂、涂装等。其中有的表面涂覆技术又分为许多分支。表面涂覆技术又分为许多分支。电化学沉积电化学沉积电镀电镀电刷镀电刷镀槽镀液镀电刷镀摩擦电刷镀化学沉积化学沉积化学镀化学镀气相沉积气相沉积物理气
24、相沉积物理气相沉积化学气相沉积化学气相沉积真空蒸发 溅射离子镀化学气相沉积（CVD）等离子体增强CVD(PCVD)激光CVD化学转化膜化学转化膜分子束外延复合镀热热喷喷涂涂火焰喷涂火焰喷涂电弧喷涂电弧喷涂等离子喷涂等离子喷涂特种喷涂特种喷涂氧乙炔喷涂燃气高速火焰喷涂燃油高速火焰喷涂电弧喷涂高速电弧喷涂等离子喷涂高能等离子喷涂气体爆炸喷涂电容爆喷涂激光喷涂 冷喷涂冷喷涂是利用超音速的固体颗粒的动能在撞击到镀件表面时转变为热能，从而完成冶金焊接。该工艺的原理是：每种金属均有其特定的、与温度相关的临界颗粒速度，当颗粒运动超过这一速度时即会焊接于镀件之上。此方法主要用于铝等有色金属。热喷涂是一种用专用
25、设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成涂层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的技术。悬浮液料热喷涂低气压等离子喷涂v堆焊堆焊-氧氧-乙炔火焰堆焊、手工电弧堆焊、气体乙炔火焰堆焊、手工电弧堆焊、气体保护堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、保护堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、电火花堆焊电火花堆焊v熔覆熔覆-氧氧-乙炔火焰熔覆、真空电热熔覆、激光乙炔火焰熔覆、真空电热熔覆、激光熔覆、电子束熔覆熔覆、电子束熔覆v涂装涂装通用涂装技术特殊涂装技术静电涂装电泳涂装流化床涂装烧结法涂装1.2.3 表面改性技术表面改性技术v用机械、物理、化学等方法，改变表用机械、物理、化学等方法，改
26、变表面的形貌、化学成分、相组成、微观面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态等。结构、缺陷状态、应力状态等。 喷丸强化 表面热处理 化学热处理（热扩渗） 等离子体扩渗 高能束表面改性 离子注入表表面面改改性性技技术术扩散渗入扩散渗入非金属元素表面渗扩金属元素表面渗扩复合元素表面渗扩离子注入离子注入非金属离子注入金属离子注入复合离子注入转化膜技术转化膜技术电化学转换膜化学转化膜表面着色技术 之一：通之一：通过改变基过改变基质材料成质材料成分和组织，分和组织，达到改善达到改善性能的目性能的目的，不附的，不附件膜层件膜层表表面面改改性性技技术术表面淬火表面淬火 热处理热处理 表面变形
27、表面变形 热处理热处理表面纳米化加工技术表面纳米化加工技术感应加热表面淬火激光加热表面淬火电子束加热表面淬火喷丸辊压孔挤之二：不之二：不改变基质改变基质材料的化材料的化学成分，学成分，只通过改只通过改变表面的变表面的组织结构组织结构达到改善达到改善表面性能表面性能的目的。的目的。1.2.4 表面加工技术表面加工技术v电铸电铸v抛光抛光v包覆包覆v刻蚀刻蚀v微细加工微细加工v表面加工技术表面加工技术-也称表也称表面微细加工技术，加工的面微细加工技术，加工的尺度一般在亚微米级、纳尺度一般在亚微米级、纳米级甚至米级甚至级，级，是在微电是在微电子学基础上发展起来，综子学基础上发展起来，综合运用了物理加
28、工、化学合运用了物理加工、化学加工、机械加工等加工方加工、机械加工等加工方法，以及系统技术、控制法，以及系统技术、控制技术、真空技术和封装技技术、真空技术和封装技术等先进技术。术等先进技术。表表面面加加工工技技术术光刻加工光刻加工 LIGA（X射线刻蚀电铸模法）射线刻蚀电铸模法）机械微细加工机械微细加工放电微细加工放电微细加工激光速微细加工激光速微细加工电子束微细加工电子束微细加工离子束微细加工离子束微细加工超声波微细加工超声波微细加工1.2.5 复合表面处理技术复合表面处理技术运用两种或者更多种表面技术的复合技术。运用两种或者更多种表面技术的复合技术。 表面合金化与掺杂技术表面合金化与掺杂技
29、术 表面合成新材料技术表面合成新材料技术 表面三维成型技术表面三维成型技术 其他表面复合技术其他表面复合技术复合表面技术复合表面技术v复合表面工程技术是对上述三类表面工程复合表面工程技术是对上述三类表面工程技术的综合运用。技术的综合运用。v复合表面工程技术是在一种基体材料表面复合表面工程技术是在一种基体材料表面上采取了两种或多种表面工程技术，用以上采取了两种或多种表面工程技术，用以克服单一表面工程技术的局限性，发挥多克服单一表面工程技术的局限性，发挥多种表面工程技术间的协同效应，从而使基种表面工程技术间的协同效应，从而使基质材料的表面性能、质量、经济性达到优质材料的表面性能、质量、经济性达到优
30、化。化。v主要包括主要包括多种表面工程技术多种表面工程技术的复合和的复合和多种多种不同材料不同材料的复合。的复合。v综合运用两种或多种表面工程技术综合运用两种或多种表面工程技术,通过最佳通过最佳协同效应获得协同效应获得“1+12”的效果。的效果。v目前，复合表面工程技术的研究和应用已取目前，复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂与激光重熔的复合、得了重大进展，如热喷涂与激光重熔的复合、化学热处理与电镀的复合、表面强化与固体化学热处理与电镀的复合、表面强化与固体润滑层的复合、多层薄膜技术的复合、金属润滑层的复合、多层薄膜技术的复合、金属材料基体与非金属材料涂层的复合等。材料基体与
31、非金属材料涂层的复合等。多种表面工程技术的复合多种表面工程技术的复合Al是具有较好抗腐蚀性能的涂层材料，是具有较好抗腐蚀性能的涂层材料，但纯但纯Al涂层的抗磨性差。涂层的抗磨性差。通过在通过在Al中添加硬质陶瓷相可显著提高中添加硬质陶瓷相可显著提高其耐磨性能。因此可在其耐磨性能。因此可在Al金属中添加金属中添加AlN、Al2O3、SiC、TiC等获得金属基复合涂层。等获得金属基复合涂层。其中添加其中添加Al2O3成本最低并与成本最低并与Al基体润湿性基体润湿性最好。最好。这类金属基复合涂层可以通过等离子喷这类金属基复合涂层可以通过等离子喷涂复合粉成电弧喷涂粉芯丝材获得。涂复合粉成电弧喷涂粉芯丝
32、材获得。多种不同材料的复合实例多种不同材料的复合实例纳米表面工程纳米表面工程v以传统表面工程技术为基础，通过引入纳以传统表面工程技术为基础，通过引入纳米材料、纳米技术达到进一步提升表面性米材料、纳米技术达到进一步提升表面性能的目的。能的目的。v纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础通过特定的加工技术或平衡材料为基础通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。细加工或赋予表面新功能的系统工程。 v 例如：热喷涂法制备纳米级晶粒涂层。例如：热喷涂法制备纳米级晶粒涂层。1
33、.4 表面技术的发展表面技术的发展表面工程的发展可分为三个阶段表面工程的发展可分为三个阶段：v第一阶段：以单一表面工程技术的品种增加、工第一阶段：以单一表面工程技术的品种增加、工艺成熟为主要特征，包括堆焊、热喷涂、电镀、艺成熟为主要特征，包括堆焊、热喷涂、电镀、电刷镀、化学镀、化学热处理、离子注入、真空电刷镀、化学镀、化学热处理、离子注入、真空熔炼、激光熔覆、激光处理、电子束熔覆、物理熔炼、激光熔覆、激光处理、电子束熔覆、物理和化学气相沉积等。和化学气相沉积等。v第二阶段：以复合表面工程技术的出现和协同创第二阶段：以复合表面工程技术的出现和协同创新为主要特征，即将两种或多种传统的表面技术新为主
34、要特征，即将两种或多种传统的表面技术复合，热喷涂与电刷镀的复合，化学热处理与电复合，热喷涂与电刷镀的复合，化学热处理与电镀的复合，多材质、多层薄膜技术的复合，表面镀的复合，多材质、多层薄膜技术的复合，表面纳米化加工与渗氮技术的复合等。纳米化加工与渗氮技术的复合等。v第三阶段：以微纳米材料和纳米技术与传第三阶段：以微纳米材料和纳米技术与传统表面工程技术的结合与实用化为主要特统表面工程技术的结合与实用化为主要特征。目前已进入实用化的有纳米电刷镀、征。目前已进入实用化的有纳米电刷镀、纳米等离子喷涂、纳米减磨自修添加剂、纳米等离子喷涂、纳米减磨自修添加剂、纳米固体润滑膜、微纳米黏涂技术以及表纳米固体润
35、滑膜、微纳米黏涂技术以及表面纳米化加工等。面纳米化加工等。 可见，材料表面工程技术的进步，一是表可见，材料表面工程技术的进步，一是表现在传统工艺技术的革新，一是表现在新现在传统工艺技术的革新，一是表现在新工艺的出现。工艺的出现。1.2.6 表面分析和测试技术表面分析和测试技术v表面形貌和显微组织分析（表面形貌和显微组织分析（OM ， TEM ，SEM ， AFM ， HERM，STM）v表面成分分析（表面成分分析（LEED ， AES ， XPS ， IR ）v表面原子排列结构分析（表面原子排列结构分析（LEED ， RBS ， AEM ， FIM）v表面原子态和受激态分析表面原子态和受激态分
36、析v表面电子结构分析表面电子结构分析v表面层厚度表面层厚度v各种表面性能测试各种表面性能测试v表面应力表面应力1.2.7 表面工程技术设计表面工程技术设计v基体的成分、结构与性能基体的成分、结构与性能v表面层的成分、结构与性能表面层的成分、结构与性能v表面与基体间的相容性与结合表面与基体间的相容性与结合v表面处理的流程、设备、工艺、检验表面处理的流程、设备、工艺、检验v综合的管理、经济、环保等分析设计综合的管理、经济、环保等分析设计表面工程技术的设计失效分析有关知识和数据表面技术有关知识与数据表面工程技术的选择失效分析方法磨损失效分析腐蚀失效分析断裂失效分析失效机理与影响因数材料的磨损、腐蚀和
37、断裂性能表面层材料的选择表面层成分/组织结构性能的确定工艺参数的确定使用寿命的预测效费比评估环保性评估编制工艺文件表面技术的原理与工艺表面技术的优缺点与适用性表面材料的物理化学性能表面技术对基体表面的要求表面层的检测方法表面工程的技术设计体系1.3 表面技术的应用表面技术的应用v1.3.1 表面技术应用的广泛性和重要性表面技术应用的广泛性和重要性v1.3.2 表面技术在结构材料以及工程构件和机械表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用零部件上的应用v1.3.3 表面技术在功能材料和元器件上的应用表面技术在功能材料和元器件上的应用v1.3.4 表面技术在人类适应、保护和优化环境方表面技
38、术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用面的一些应用v1.3.5 表面技术在研究和生产新型材料中的应用表面技术在研究和生产新型材料中的应用举例举例镀膜玻璃镀膜玻璃v大面积的玻璃幕墙带来的大面积的玻璃幕墙带来的“光污染光污染”容易引发近容易引发近视、白内障等疾病；同时，玻璃幕墙不节能，不视、白内障等疾病；同时，玻璃幕墙不节能，不保温隔热，导致保温隔热，导致“夏热冬冷夏热冬冷”，能源消耗巨大。，能源消耗巨大。v给幕墙玻璃上镀一种光学薄膜材料，使玻璃对阳给幕墙玻璃上镀一种光学薄膜材料，使玻璃对阳光中可见光部分保持较高的透射率，对红外部分光中可见光部分保持较高的透射率，对红外部分有较高的反射率，对紫
39、外线部分有很高的吸收率。有较高的反射率，对紫外线部分有很高的吸收率。v在汽车玻璃上制备一层能透过可见光，却能反射在汽车玻璃上制备一层能透过可见光，却能反射红外光的薄膜。在烈日下，既不影响视觉，又能红外光的薄膜。在烈日下，既不影响视觉，又能降低驾驶室内的温度，并且大大减少空调的功耗，降低驾驶室内的温度，并且大大减少空调的功耗，这种玻璃还具有防止结霜的效果。这种玻璃还具有防止结霜的效果。节约贵重材料节约贵重材料v对于耐磨、耐热、防腐的情况，苛刻环境对于耐磨、耐热、防腐的情况，苛刻环境仅是对表面而言对于心部要求并不高。仅是对表面而言对于心部要求并不高。v例如，对于模具，如果选用高级模具钢可例如，对于
40、模具，如果选用高级模具钢可以满足要求，但除了极少的表面部分，大以满足要求，但除了极少的表面部分，大部分材料的高性能并未发挥作用。部分材料的高性能并未发挥作用。v若用普通钢材，辅以表面硬化处理，则可若用普通钢材，辅以表面硬化处理，则可得到同样的效果，材料可大大节约了。得到同样的效果，材料可大大节约了。v对大多数材料，韧性和硬度是不可兼得的，对大多数材料，韧性和硬度是不可兼得的，一般来说，合金具有高的强韧性，但硬度不一般来说，合金具有高的强韧性，但硬度不高，而陶瓷具有高硬度但韧性很差。如果把高，而陶瓷具有高硬度但韧性很差。如果把陶瓷置于合金材料的表面，就能够既发挥合陶瓷置于合金材料的表面，就能够既
41、发挥合金的高强韧性、又发挥陶瓷的高硬度。金的高强韧性、又发挥陶瓷的高硬度。v切削工具刃部采用气相沉积镀以切削工具刃部采用气相沉积镀以TiN、TiC薄层，可以成几倍地延长刀具寿命，提高加薄层，可以成几倍地延长刀具寿命，提高加工精度。工精度。v对各种金属切削刀具进行等离子体增强磁控对各种金属切削刀具进行等离子体增强磁控溅射离子镀处理，可使其寿命大幅提高。溅射离子镀处理，可使其寿命大幅提高。v各种表面工程技术大大降低了损失于大气各种表面工程技术大大降低了损失于大气腐蚀、海水腐蚀的钢铁构件、管道和设备腐蚀、海水腐蚀的钢铁构件、管道和设备的数量，延长了建筑物、船舶、桥梁和机的数量，延长了建筑物、船舶、桥
42、梁和机器的使用寿命，维持其良好的工作状态。器的使用寿命，维持其良好的工作状态。v在三峡建设工程中，三座特大钢管混凝土在三峡建设工程中，三座特大钢管混凝土拱桥的钢结构上，武汉材料保护研究所运拱桥的钢结构上，武汉材料保护研究所运用喷涂、封闭加面漆的综合表面工程方案，用喷涂、封闭加面漆的综合表面工程方案，满足了二十年不维修的设计要求。这一技满足了二十年不维修的设计要求。这一技术现已在国内其他几十座大桥上应用。术现已在国内其他几十座大桥上应用。v人造卫星被送入轨道后，是在高低温交变的极恶劣人造卫星被送入轨道后，是在高低温交变的极恶劣环境中运行的，如无任何热控措施，卫星本身结构环境中运行的，如无任何热控
43、措施，卫星本身结构和卫星上的仪器设备是无法承受的。和卫星上的仪器设备是无法承受的。 v对于人造卫星：当太阳照射时，被照射面温度可达对于人造卫星：当太阳照射时，被照射面温度可达+200，而没有太阳照射的面温度可低到，而没有太阳照射的面温度可低到-200。v为了保证卫星中电子仪器的正常工作，当受太阳照为了保证卫星中电子仪器的正常工作，当受太阳照射时必须让大部分辐射热反射出去，或将热隔在壳射时必须让大部分辐射热反射出去，或将热隔在壳外；而受冷时，必须不让内部热量外传外；而受冷时，必须不让内部热量外传 。其解决方。其解决方法是在卫星的表面进行涂层，这种涂层称温控涂层法是在卫星的表面进行涂层，这种涂层称
44、温控涂层 v已经获得应用的温控涂层有有机硅氧化锌、硅酸钾已经获得应用的温控涂层有有机硅氧化锌、硅酸钾氧化锆和氧化铝涂层。氧化锆和氧化铝涂层。 v电子工业也是当今世界发展最快的新兴工电子工业也是当今世界发展最快的新兴工业，以化学气相沉积、物理气相沉积、掩业，以化学气相沉积、物理气相沉积、掩膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术膜、光刻技术为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电路、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。没有它们，就不池等元器件的基础技术。没有它们，就不可能有今天的微电子工业和
45、光纤通信的辉可能有今天的微电子工业和光纤通信的辉煌，当然也就没有今天的信息社会。煌，当然也就没有今天的信息社会。开发多种功能材料开发多种功能材料防滑涂层隐身涂层吸热涂层阳光控制膜1.4 表面工程的发展方向表面工程的发展方向1.4.1面向绿色制造和节能降耗的表面面向绿色制造和节能降耗的表面工程工程v替代传统电镀铬的绿色镀膜技术替代传统电镀铬的绿色镀膜技术v闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术。闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术。v工程化超润滑复合碳膜技术。工程化超润滑复合碳膜技术。1.4.2薄膜材料和面向信息技术的表面薄膜材料和面向信息技术的表面工程工程v功能涂层和薄膜技术近年来发展迅速功能涂层和薄膜技术
46、近年来发展迅速v高性能高效率低成本的微纳米加工技术高性能高效率低成本的微纳米加工技术1.4.3 极端环境下的表面工程极端环境下的表面工程v在核、空间和其它极端环境下，装备零部在核、空间和其它极端环境下，装备零部件将面对强辐射、真空（紫外线）、原子件将面对强辐射、真空（紫外线）、原子氧和高低温侵蚀等更加苛刻工作环境，表氧和高低温侵蚀等更加苛刻工作环境，表面工程可为这些工作在极端环境下的零部面工程可为这些工作在极端环境下的零部件提供有效的表面防护。件提供有效的表面防护。1.4.4 新能源中的表面工程新能源中的表面工程v发展清洁能源是国家发展战略中的最重要发展清洁能源是国家发展战略中的最重要方向之一
47、。以太阳能、氢能、风能为代表方向之一。以太阳能、氢能、风能为代表的新能源开发中，表面工程在获得功能性的新能源开发中，表面工程在获得功能性薄膜、改善材料表面性能方面具有明显优薄膜、改善材料表面性能方面具有明显优势，并具有较大的发展潜力。势，并具有较大的发展潜力。表面工程技术逐步发展成为新型材料制表面工程技术逐步发展成为新型材料制备工艺；备工艺；先进表面工程技术加速产业化；先进表面工程技术加速产业化；传统的表面工程技术装备和工艺不断更传统的表面工程技术装备和工艺不断更新。新。 1.4.5 新的工艺技术装备不断涌现新的工艺技术装备不断涌现1.4.6 表面工程领域科学技术的若干发展动态表面工程领域科学
48、技术的若干发展动态v近年来，表面工程已由传统表面工程向复近年来，表面工程已由传统表面工程向复合表面工程、纳米表面工程及表面工程的合表面工程、纳米表面工程及表面工程的自动化发展；自动化发展；v表面工程应用从主要针对磨损与腐蚀向抵表面工程应用从主要针对磨损与腐蚀向抵抗疲劳与蠕变拓展；抗疲劳与蠕变拓展；v表面工程新的增长点正在信息技术、生物表面工程新的增长点正在信息技术、生物技术、纳米科技等前沿领域中萌生；技术、纳米科技等前沿领域中萌生；v表面工程产业化在航空、航天、新能源、表面工程产业化在航空、航天、新能源、新材料、环保与资源循环中得到迅速发展。新材料、环保与资源循环中得到迅速发展。第一章第一章 思考题思考题v1.材料表面工程技术为什么能得到社会的材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展重视获得迅速发展?v2.表面工程技术的目的和作用是什么表面工程技术的目的和作用是什么?v3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科学科?v4.试述表面热处理近些年有何新进展试述表面热处理近些年有何新进展?v5.你认为哪种表面工程技术分类法较为合你认为哪种表面工程技术分类法较为合理理?
