18.07.2020
材料工程基础—表面涂层与处理
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表面涂层与处理是通过涂覆、表面改性或多种表 面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表 面的形态、化学成分、组织结构和应力状况以获 得所需要表面性能的加工方法。
作用：外观美容、免受环境损伤、提高抗热、抗 磨损、抗疲劳以及电绝缘性等。
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不足之处：基体材料要加热，往往引起基体材 料中的相变、晶粒的长大和组分的扩散；气 相反应剂的腐蚀性常常会影响基体材料，导 致沉积层多孔、粘着力低和化学污染；此外， 化学气相沉积是平衡过程，不能得到亚稳态 材料。
方法：常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、 激光化学气相沉积、金属有机化合物化学气 相沉积和等离子体化学气相沉积等。
红 外 线 辐 射 和 防 辐 射 复 合 粉 末 ： Al2O3-TiO2 ， NiO-Cr2O3
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喷涂方法
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火焰喷涂
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电弧喷涂
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等离子喷涂
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➢ 火焰喷涂
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方法：
（1）涂抹一层薄的聚合物、陶瓷或金属涂层；
（2）通过扩散或离子注入等改变表面化学成分；
（3）利用喷砂或喷丸处理对表面进行简单的机械
强化。
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常用的表面技术有： 堆焊技术、熔结技术(低真空熔结、激光熔敷
等)，电镀、电刷镀及化学镀技术，热喷涂技术 (火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、 高能超声速喷涂等)，粘接技术、涂装技术，物理 与化学气相沉积技术(真空蒸镀、离子溅射、离子 镀)，以及化学热处理，激光相变硬化、激光非晶 化、激光合金化、电子束相变硬化、离子注入等
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热喷涂材料
硬质耐磨复合粉末：Co-WC，NiCr-Cr3C2 耐高温和隔热复合粉末：ZrO2，Al2O3，TiO2，
Y2O3 绝缘和导电复合粉末：陶瓷氧化物；Cu、Ag等
减摩润滑复合粉末：石墨，MoS，硅藻土，聚四 氟乙烯
第7章 表面涂层与处理
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前言
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机械产品的故障往往是个别零件失效造 成的，而零件失效往往是由于局部表面造成 的，腐蚀从零件表面开始，磨擦、磨损在零 件表面发生，疲劳裂纹由零件表面向里延伸。 如果采用表面处理技术将机械产品中那些易 损零件的易损表面的失效期延长，则产品整 体性能就可以得到提高。
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§7.1 表面涂层
一、上油漆
特点：具有装饰特性
与保护工件不受环
境损伤的性能，工
艺简单，通常采用刷、蘸或喷的方法。
典型工艺：静电上漆
给予涂料的微粒和上漆的表面以相反的电荷，
涂料微粒被吸引到靶材的表面。（对容器拐角
处非常有效）
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化学气相沉积（CVD）
利用气态物质在固体表面上进行化学反应，生 成固态沉积物的过程。 优点：沉积速率高，每小时可沉淀数十微米以上； 通过调节参数可以控制沉积层的化学组成、形 貌、晶体结构和晶向等，还可以利用中等温度 和高气压的反应剂气体源，来沉积高熔点的相， 如在900℃下可沉积熔点3225℃的TiB2。化学 气相沉积的处理温度相对比较低，沉积层均匀。
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◇ 溅射沉积 以离子轰击靶材料，使其溅射并沉 积到基体材料上称为溅射沉积。包括：二极溅 射、三极溅射、四极溅射、磁控溅射、射频溅 射和反应溅射等技术。
◇ 离子镀 离子镀是在镀膜的同时采用离子轰击 基体表面和膜层的镀膜技术，包括空心阴极离 子镀和多弧离子镀等，广泛用于在高速钢刀具 表面镀超硬TiN膜，在涡轮机叶片上镀防热腐 蚀膜，可大大延长部件的使用寿命。
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涂层材料：几十种（主要是金属碳化物、氮化物、 硼化物和氧化物）和上百种反应体系。
例如硬质合金刀具+碳化钛和碳氮化钛涂层：硬 度可达基体的二倍，仅次于金刚石，润滑性和 耐磨性很好，大大延长刀具寿命，改进工件的 表面质量。
又如钢铁碳化钛涂层复合材料作为工模具或耐磨 部件，已广泛用于板金压力加工、纺织、粉末 冶金、陶瓷、塑料及钢丝绳加工等各种工业部 门。
特性：
①热喷涂的种类多、涂层的功能多、适用范围广；
②工件受热程度可控，不发生畸变；
③适用热喷涂的零件范围宽、厚度可调范围大；
④设备简单、工艺灵活、生产率高；
⑤操作环境较差，需加以防护。
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涂层结合机理
（1）机械结合 （2）冶金-化学结合 （3）物理结合
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三、热喷涂
定义：采用气体、液体燃料或电弧、等离子、激光等作 热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑 料及其复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态， 通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理 的工件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法。
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二、气相沉积
物理气相沉积（PVD）：用热蒸发或电子束、 激光束轰击靶材等方式产生气相物质，在真空 中向基片表面沉积形成薄膜的过程，包括：蒸 发镀膜、溅射沉积和离子镀膜等物理方法。
◇ 蒸发镀膜 利用电阻加热、高频加热、载能束 等轰击使镀料转化为气相以达到沉积的目的。 其中激光物理气相沉积方法可以高效、高质地 在基片表面形成硬质氧化物、氮化物陶瓷膜、 氧化铝膜、以及超导薄膜。