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1、CompanyLOGOMaterials Surface EngineeringMaterials Surface Engineering材料表面工程材料表面工程张湘辉张湘辉ZZ2012014 4.09.09.05051.材料表面工程技术材料表面工程技术.王振延，哈尔滨工业大学出版社王振延，哈尔滨工业大学出版社.2.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.4.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.3.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.5.SurfaceEngineering.
2、ASMHandbook,Vol.5,1994.参参考考文文献献2Company Logo一些有用的资源一些有用的资源3Company Logo材料表面工程技术 概论概论概论概论1表面工程技术的物理、化学基础表面工程技术的物理、化学基础表面工程技术的物理、化学基础表面工程技术的物理、化学基础2表面淬火和表面形变强化技术表面淬火和表面形变强化技术表面淬火和表面形变强化技术表面淬火和表面形变强化技术3热喷涂技术热喷涂技术热喷涂技术热喷涂技术4 电镀和化学镀电镀和化学镀电镀和化学镀电镀和化学镀5气相沉积技术气相沉积技术气相沉积技术气相沉积技术6高能束表面改性技术高能束表面改性技术高能束表面改性技术高能
3、束表面改性技术4Company Logo1.学习学习掌握掌握表面工程技术的表面工程技术的基本理论基本理论和和基本特基本特点点。2.能够根据工程的需要选择相应的表面工程技能够根据工程的需要选择相应的表面工程技术或几种技术的组合，选择所用材料和制定术或几种技术的组合，选择所用材料和制定最佳工艺，最佳工艺，解决工程问题解决工程问题。3.具备具备基本的研究与开发表面工程新技术的基本的研究与开发表面工程新技术的能能力力。5Company Logo材料表面工程材料表面工程 第一章第一章 概论概论6Company Logo第一章第一章 材料表面工程概论材料表面工程概论主要内容主要内容：1.1表面工程的概述表
4、面工程的概述1.2表面工程技术的功能与分类表面工程技术的功能与分类1.3表面工程的科学体系表面工程的科学体系1.4表面工程技术的应用表面工程技术的应用1.5表面工程技术的发展趋势表面工程技术的发展趋势7Company Logo1.1 表面工程表面工程（Surface Engineering）“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 t
5、hose functions demanded from 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 redu
6、ce the degradation over time.”-from Wikipedia“材料表面工程是材料表面处理技术的总称”-赵文轸8Company Logo表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长9“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 9Company Logo表面工程技术源远流长表面工程技术源远流长世界三大
7、名刃之一世界三大名刃之一日本刀的覆土烧刃日本刀的覆土烧刃 10Company Logo1.1 表面工程表面工程v1.1.1表面技术及其发展背景 19世纪工业革命以来，为适应高强度、高硬度世纪工业革命以来，为适应高强度、高硬度和耐磨、耐蚀、耐高温等特殊要求，需不断开发各和耐磨、耐蚀、耐高温等特殊要求，需不断开发各种特殊的合金材料，但这些材料往往种特殊的合金材料，但这些材料往往价格昂贵价格昂贵。因。因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，行加工，改变其表面性能改变其表面性能，以适应复杂的工作环境。，以适应复杂的工作环境。另外，另外，磨损、腐
8、蚀磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料等失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表面进行有效处理，可极大地提表面，通过对材料表面进行有效处理，可极大地提高材料寿命。基于这样的背景，逐步形成了一门新高材料寿命。基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科兴学科表面工程学表面工程学。11Company Logo磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要磨损、腐蚀、断裂是机械零件工程构建的三大主要破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。破坏形式。前二者造成经济损失占很大比重。数数据据磨磨损损美国：美国国家材料政策委员会向美国国美国：美国国家材料政策委员会向美国国 会提出的一份报告：会提出的一份报告：摩擦磨损
9、引起的损失摩擦磨损引起的损失10001000亿美元亿美元/年；年；德国：德国：19831983年，前联邦德国调查，摩擦磨年，前联邦德国调查，摩擦磨损损失损损失287287亿马克；亿马克；英国：摩擦磨损损失英国：摩擦磨损损失5150051500英镑英镑/年；年；12Company Logo腐腐蚀蚀美国：国家标准局美国：国家标准局19781978年调查：年调查：1975 1975年腐蚀损失达年腐蚀损失达820820亿美元，占亿美元，占国民生产总值的国民生产总值的4.9%4.9%；1995 1995年腐蚀损失达年腐蚀损失达30003000亿美元；亿美元；中国：中国：19831983年调查：腐蚀损失年
10、调查：腐蚀损失400400亿元亿元/年年腐腐蚀蚀和和磨磨损损均均是是发发生生于于机机件件表表面面的的材材料料流流失失过过程程，其其他他形形式式的的失失效效过过程程有有许许多多也也是是从从表面表面开始开始延缓和延缓和控制表控制表面破坏面破坏的方法的方法促进促进了表了表面工面工程学程学的发的发展与展与形成形成13Company Logo表面工程技术的背景表面工程技术的背景v表面工程概念的提出始于表面工程概念的提出始于20世纪世纪80年代。年代。1983年年英国英国TBel教授教授首先提出了表面工程的概首先提出了表面工程的概念。念。v表面工程学科发展的重要标志是表面工程学科发展的重要标志是1983年
11、英国伯年英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和1985年国际刊物年国际刊物表面工程表面工程的发行。的发行。v1986年年10月国际热处理联合会决定接受表面工月国际热处理联合会决定接受表面工程的概念，并把自己的会名改为国际热处理及表程的概念，并把自己的会名改为国际热处理及表面工程联合会。面工程联合会。14Company Logo表面工程技术的背景表面工程技术的背景v表面工程形成一门独立的学科是近表面工程形成一门独立的学科是近20来年的事：来年的事：1983年年表面工程的概念被首次提出表面工程的概念被首次提出1986年年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面
12、工国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会程联合会1987年年中国机械工程学会表面工程研究所成立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，后更名为中国表面年表面工程杂志创刊，后更名为中国表面工程工程2000年年全国焊接学会原全国焊接学会原“堆焊与热喷涂专业委员会堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会堆焊及表面工程专业委员会”。v目前，全世界范围内，表面工程的应用已取得巨大的经目前，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、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
13、综合性、复合型学科15Company Logo表面技术的定义表面技术的定义Raw materialenergyProductProductSurface EngineeringGood product+16Company Logo表面工程学围绕表面工程学围绕腐蚀腐蚀、摩擦与磨损摩擦与磨损和和功能功能特性特性（声，光，磁，电的转换）三大因素，（声，光，磁，电的转换）三大因素，成为成为80年代后期重点发展的关键技术之一，年代后期重点发展的关键技术之一，形成表面工程学。形成表面工程学。定义定义为满足特定的工程需求，使材料表面或为满足特定的工程需求，使材料表面或零部件表面具有特殊的成分，结构和性零部件
14、表面具有特殊的成分，结构和性能能(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。17Company Logov从广义上讲，表面技术是直接与各种表面现象或过程有从广义上讲，表面技术是直接与各种表面现象或过程有关的，能为人类造福或被人们利用的技术。关的，能为人类造福或被人们利用的技术。v任何表面在通常情况下实际上都是界面。两种不同相之间的任何表面在通常情况下实际上都是界面。两种不同相之间的交界，称为界面，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理交界，称为界面，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象，总称为表面现象。或化学现象，总称为表面现象。v固体材料的界面有三种：固体材料的界
15、面有三种：v表面表面固体材料与气体或液体的分界面。固体材料与气体或液体的分界面。v晶界（或亚晶界）晶界（或亚晶界）多晶体内部成分、结构相同而取向多晶体内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。不同晶粒（或亚晶）之间的界面。v相界相界固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。v表面技术主要包括：表面覆盖（在材料的表面施加各种覆盖表面技术主要包括：表面覆盖（在材料的表面施加各种覆盖层）、表面改性、表面加工以及表面湿润、表面催化、膜技层）、表面改性、表面加工以及表面湿润、表面催化、膜技术等。术等。18Company Logo表面改性技术；表面改性
16、技术；1表面合成材料技术；表面合成材料技术；3表面加工技术；表面加工技术；2u提高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能、装饰提高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性能、装饰性，或具有特殊功能（如电性能、磁性能和光性，或具有特殊功能（如电性能、磁性能和光电性能等）电性能等）u能够在材料表面加工或制作各种功能结构元器能够在材料表面加工或制作各种功能结构元器件的有关技术。如光刻技术、离子刻蚀技术等件的有关技术。如光刻技术、离子刻蚀技术等表面加工三维合成技术；表面加工三维合成技术；4u即借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，即借助各种手段在材料表面合成新材料的技术，如纳米粒子制备过程中的表面工程技术、离子如纳米粒
17、子制备过程中的表面工程技术、离子注入等注入等u快速成型制造快速成型制造上述几个要点的组合或综合；上述几个要点的组合或综合；19Company Logo内涵扩展内涵扩展表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工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等，所涉材料、混凝土、木材和各类复合材料等，所涉及的工艺方法数以百计，各具特点。及的工艺方法数以百计，各具特点。经过内涵扩展以后的表面工程技术，由单纯的经过内涵扩展以后的表面工程技术，由单纯的表面改性扩展到表面加工和合成新材料等领域，表面改性
18、扩展到表面加工和合成新材料等领域，涵盖涵盖材料科学、物理、化学、冶金、机械、电材料科学、物理、化学、冶金、机械、电子与生物子与生物等领域，成为新型的、名副其实的交等领域，成为新型的、名副其实的交叉学科。叉学科。20Company Logo1.1.3、使用表面技术的目的、使用表面技术的目的v1.提高材料抵御环境的能力，同时具有装饰提高材料抵御环境的能力，同时具有装饰的效果。的效果。v通过使用表面技术，可以提高材料在通过使用表面技术，可以提高材料在各种介质（如空气、淡水、海水、土壤、各种介质（如空气、淡水、海水、土壤、酸、碱、盐等）中的酸、碱、盐等）中的耐蚀性耐蚀性，还可以提高，还可以提高材料表面
19、的材料表面的硬度硬度，从而提高材料的，从而提高材料的耐磨性耐磨性以及以及耐疲劳性耐疲劳性。有不锈钢镜面板。有不锈钢镜面板;不锈钢丝不锈钢丝纹板纹板;不锈钢刻花板不锈钢刻花板;不锈钢彩色板不锈钢彩色板;着色铝着色铝合金制品合金制品;彩色钢板彩色钢板;金属表面的仿金电镀金属表面的仿金电镀层等。层等。21Company Logo1.1.3、使用表面技术的目的使用表面技术的目的v2.赋予材料表面某种功能特性赋予材料表面某种功能特性。包括光、热、电、。包括光、热、电、磁、声、吸附、分离等各种物理和化学特性。磁、声、吸附、分离等各种物理和化学特性。v3.实施特定的表面加工来制造构件、零部件和实施特定的表面
20、加工来制造构件、零部件和元器件等。元器件等。v4.修补金属表面的缺陷和磨损修补金属表面的缺陷和磨损v普遍采用热喷涂技术修复磨损件。刷镀是修补普遍采用热喷涂技术修复磨损件。刷镀是修补金属表面磨损比较廉价的手段。特点是设备简单，金属表面磨损比较廉价的手段。特点是设备简单，操作灵活，适于野外和现场修复，特别是对于大型、操作灵活，适于野外和现场修复，特别是对于大型、精密设备的现场不解体修复，更具有独特的优点。精密设备的现场不解体修复，更具有独特的优点。目前刷镀技术已广泛用于修复加工超差件，以及工目前刷镀技术已广泛用于修复加工超差件，以及工件表面磨损、凹坑和斑蚀等缺陷部位。件表面磨损、凹坑和斑蚀等缺陷部
21、位。22Company Logo1.1.4、表面技术迅速发展的原因、表面技术迅速发展的原因v首先，首先，表面工程技术的属性是其迅速发展的基础表面工程技术的属性是其迅速发展的基础。v表面工程具有学科的综合性、表面工程具有学科的综合性、手段的多样性手段的多样性、广泛的功能性、广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性和巨大的增效性实用性和巨大的增效性。因而受到各行各业的重视。因而受到各行各业的重视。v表面工程技术既可对材料表面改性，制备多功能（防腐、耐磨、表面工程技术既可对材料表面改性，制备多功能（防腐、耐磨、耐热、耐高温、耐疲劳、耐辐射、抗氧化以及光
22、、热、磁、电耐热、耐高温、耐疲劳、耐辐射、抗氧化以及光、热、磁、电等特殊功能）的涂、镀、渗、覆层，等特殊功能）的涂、镀、渗、覆层，成倍延长机件的寿命成倍延长机件的寿命；又；又可对产品进行装饰；还可对可对产品进行装饰；还可对废旧机件进行修复废旧机件进行修复。v采用表面工程措施的费用，一般虽然占产品价格的采用表面工程措施的费用，一般虽然占产品价格的510，却可以却可以大幅度地提高产品的性能及附加大幅度地提高产品的性能及附加值，从而获得更高的利值，从而获得更高的利润，采用表面工程措施的平均效益高达润，采用表面工程措施的平均效益高达520倍以上。倍以上。23Company Logo1.1.4 表面技术
23、迅速发展的原因表面技术迅速发展的原因v其次，现代工业的需求是表面工程迅速发展的其次，现代工业的需求是表面工程迅速发展的动力。动力。现代工业的发展对机电产品提出了更现代工业的发展对机电产品提出了更高的要求，体积要小巧，外形要美观，而高的要求，体积要小巧，外形要美观，而且能在高温、高速、重载以及腐蚀介质、且能在高温、高速、重载以及腐蚀介质、恶劣环境下可靠持续地工作。恶劣环境下可靠持续地工作。24Company Logo问题：问题：汽车轻量化汽车轻量化铝合金铝合金表面耐磨问题突出表面耐磨问题突出表面耐磨涂层问题1：25Company Logo火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室：需承受火箭发动机的尾喷管内
24、壁和燃烧室：需承受20003300温度和巨大的热焰流冲击温度和巨大的热焰流冲击；飞船或飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达度高达40005000：问题2：问题：问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。26Company Logo 依靠各种形式的隔热涂依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。层、防火涂层和烧蚀涂层。解决问题的方法：隔热防火涂层是热导率隔热防火涂层是热导率低的氧化物：氧化铝、氧低
25、的氧化物：氧化铝、氧化锆、氧化钍等。化锆、氧化钍等。烧蚀涂层：有机材料烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。碳纤维。27Company L28Company Logo问题：问题：人造卫星在宇宙中的温度控制人造卫星在宇宙中的温度控制卫星表面受太阳照射的一面温度可达卫星表面受太阳照射的一面温度可达+200，没有被太阳照射的一面温度可低到，没有被太阳照射的一面温度可低到-200问题3：29Company Logo解决问题的方法：在太阳能的利用中，必在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。能量。如用电子束蒸镀的金
26、属陶瓷层如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率作为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可达可达95%30Company Logo美国美国B-2隐形轰炸机表面为具有良隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料好吸波性能的碳纤维复合材料31Company Logo第三，第三，环境保护的紧迫性是促进表面工程环境保护的紧迫性是促进表面工程迅速发展的时代要求。迅速发展的时代要求。表面工程能大量节约能源、节省资源、保表面工程能大量节约能源、节省资源、保护和优化环境。护和优化环境。表面工程最大优势是能够以多种方法制备表面工程最大优势是能够以多种方法制备出优于基材性能
27、的表面功能薄层出优于基材性能的表面功能薄层。该薄层厚度。该薄层厚度一般从几十微米到几毫米，仅占工件厚度的几一般从几十微米到几毫米，仅占工件厚度的几百分之一到几十分之一，却使工件具有了比基百分之一到几十分之一，却使工件具有了比基材更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。材更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。32Company Logo在在热工设备及高温环境热工设备及高温环境下，用表面处理技术在下，用表面处理技术在设备、管道及部件上施加设备、管道及部件上施加隔热涂层隔热涂层，可减少热损失。，可减少热损失。在高、中温炉内壁涂以远红外辐射涂层可在高、中温炉内壁涂以远红外辐射涂层可节电约节电约30。用表面沉
28、积用表面沉积铬层的塑料铬层的塑料部件替代汽车上某些金属部件替代汽车上某些金属部件如部件如铬铬板等，可减轻汽车板等，可减轻汽车质量质量，增加单位燃料平，增加单位燃料平均行驶里程，也可间接收到节能的效果。均行驶里程，也可间接收到节能的效果。广泛应用的电镀工艺产生大量工业废水，造成广泛应用的电镀工艺产生大量工业废水，造成环境污染，环境污染，沉积新技术沉积新技术可部份取代电镀，有利于环可部份取代电镀，有利于环境保护。境保护。33Company Logo韩国韩国“美女美女”都是人造的都是人造的？34Company Logo隆鼻材料隆鼻材料35Company Logo为为了改善人工植入材料与肌体的生物了改
29、善人工植入材料与肌体的生物相容性，相容性，需需在植入材料制成的器件上沉在植入材料制成的器件上沉积积第三种材料的薄膜。第三种材料的薄膜。36Company Logo第四，第四，现代科技成果为表面工程的迅速发现代科技成果为表面工程的迅速发展提供了技术支撑。展提供了技术支撑。计算机的广泛应用和推广，计算机的广泛应用和推广，提高了表面工程技术设备的自动化程度，改善提高了表面工程技术设备的自动化程度，改善了表面涂层的了表面涂层的制备效率和质量制备效率和质量，使得表面工程，使得表面工程技术设计可用数值模拟方法。新能源和新材料技术设计可用数值模拟方法。新能源和新材料等技术的发展，加速了表面工程技术的发展。等
30、技术的发展，加速了表面工程技术的发展。37Company Logo例如，离子束、电子束和激光束例如，离子束、电子束和激光束三束技术三束技术的发的发展，使得具有高效率和高质量的高密度能源的表展，使得具有高效率和高质量的高密度能源的表面涂覆和强化的面涂覆和强化的成本越来越低成本越来越低；采用纳米级材料添加剂的采用纳米级材料添加剂的减摩技术减摩技术可以在摩擦可以在摩擦部件动态工作中智能地部件动态工作中智能地修复零件表面的缺陷修复零件表面的缺陷，实，实现材料现材料磨损部位原位自动修复磨损部位原位自动修复，并使裂纹自愈合；，并使裂纹自愈合；用用电刷镀电刷镀制备含纳米金刚石粉末涂层的方法可制备含纳米金刚石
31、粉末涂层的方法可以用来以用来修复模具修复模具，延长使用寿命，是模具修复的，延长使用寿命，是模具修复的一项突破；各种陶瓷材料、非晶态材料、高分子一项突破；各种陶瓷材料、非晶态材料、高分子材料等也将不断地被应用于表面工程中。材料等也将不断地被应用于表面工程中。38Company Logo航天飞机外壳航天飞机外壳的的防热材料和涂层：如美防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹与航天公司国洛克希德导弹与航天公司开发开发了一种了一种LI-900全氧化硅绝热毡特性：全氧化硅绝热毡特性：1）重量轻，整个体积的重量轻，整个体积的95%都是空的。都是空的。2）为防水、耐蚀以为防水、耐蚀以及及散热，表面加涂了一散热，表
32、面加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把种碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热的入射热反射掉，而剩下反射掉，而剩下10%几乎都被氧化硅毡所几乎都被氧化硅毡所隔绝。隔绝。39Company Logo3）兼有装饰和防护功能；）兼有装饰和防护功能；4）化学气相沉积，物理气相沉积，掩模，光刻等表面）化学气相沉积，物理气相沉积，掩模，光刻等表面薄膜沉积技术和表面细微加工是制造大规模集成电薄膜沉积技术和表面细微加工是制造大规模集成电路的基础；路的基础；5）生成型制造法是以表面加工为基础；）生成型制造法是以表面加工为基础；1 1）作用于表面，对基材组织与性能影响不大；）作用于表面，对基材组织与性能影响不大；2 2
33、）采用表面技术替代整体合金化；）采用表面技术替代整体合金化；6）可以在表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合）可以在表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金金。40Company Logo6)表面工程技术已成为装备新材料的重要方法。表面工程技术已成为装备新材料的重要方法。5)计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维的表面处理技术发展成为三维零件制造技合，使二维的表面处理技术发展成为三维零件制造技术，创造了全新的制造方法术，创造了全新的制造方法-生长型制造法。生长型制造法。表面工程技术具有举足轻重的作用！世界各发达国家均对表面工程高度重视
34、：如美国工程科学院早在几年前为美国国会提供的2000年前集中力量加强发展的9项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。41Company Logo第一章 绪 论第三节 表面工程技术的分类 根据表面工程技术的特点，将其分为：表面改性、表面加工、表面加工三维成型、表面合成新技术等。一、表面改性技术 表面改性技术主要指赋予材料表面以特定的物理、化学性能的表面工程技术。根据工艺特点的不同分：1、表面组织转化技术：不改变材料的表面成分，只通过改变表面组织结构特征或应力状体来改变材料性能。如：激光表面淬火和退火、感应加热淬火、喷丸、滚压等表面加工硬化技术42Company Logo第
35、一章 绪 论第三节 表面工程技术的分类 主要利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化、基材不参与或者很少参与涂层反应。如：气相沉积技术：物理气相沉积和化学气相沉积化学溶液沉积：电镀、化学镀、电刷镀化学转化膜技术：磷化、阳极氧化、金属表面彩色化技术现代涂装技术、热喷涂、喷焊技术、堆焊技术等43Company Logo第一章 绪 论第三节 表面工程技术的分类 主要利用外来材料与基材相混合，形成成分即不同于基材也不同于添加材料的表面合金化层。如：热扩渗技术、离子注入技术、激光表面合金化技术等44Company Logo第一章 绪 论第三节 表面工程技术的分类 主要指在材料表面（不大于100m）区域
36、内进行各种形状或尺寸的精密、微细加工，使其成为具有各种功能的零部件的技术。如：光刻和腐蚀技术、离子束精密刻蚀技术等45Company Logo第一章 绪 论三、表面三维成型技术三、表面三维成型技术-快速原型制造快速原型制造 通过计算机控制，在材料表面不断实现特定形状的涂镀加工与堆积，形成三维零部件的快速原型制造技术。如：各类模具的无模快速制造46Company Logo第一章 绪 论第三节 表面工程技术的分类 主要指采用特定的表面工程技术，在材料表面合成常规工艺方法无法获得的新材料，或者利用材料的表面加工过程获得全新材料的工艺。如：各类模具的无模快速制造四、表面合成新材料技术四、表面合成新材料
37、技术47Company Logo1 1.3.3表面工程技术的学科体系表面工程技术的学科体系表面工程技术可以从不同的角度进行归纳表面工程技术可以从不同的角度进行归纳分类。从材料科学的角度，按沉积物的尺寸进分类。从材料科学的角度，按沉积物的尺寸进行，表面工程技术可以分为以下三种基本类型：行，表面工程技术可以分为以下三种基本类型：（1）原子沉积。）原子沉积。以原子、离子、分子和粒子基团等原子尺以原子、离子、分子和粒子基团等原子尺度的粒子形态在基体上凝聚，然后成核、长大，度的粒子形态在基体上凝聚，然后成核、长大，最终形成薄膜。被吸附的粒子处于快冷的非平最终形成薄膜。被吸附的粒子处于快冷的非平衡态，沉积
38、层中有大量结构缺陷。沉积层常和衡态，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。凝聚成核及长大基体反应生成复杂的界面层。凝聚成核及长大的模式，决定着涂层的显微结构和晶型。电镀、的模式，决定着涂层的显微结构和晶型。电镀、化学镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、物理气相化学镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、物理气相沉积、化学气相沉积、等离子聚合、分子束外沉积、化学气相沉积、等离子聚合、分子束外延等均属这类。延等均属这类。48Company Logo（2）颗粒沉积。以宏观尺度的熔化液滴或细小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。热喷涂、搪瓷涂
39、敷等都属这类。（2）整体覆盖）整体覆盖。欲涂覆的材料于同一时间施。欲涂覆的材料于同一时间施加于基体表面。如包箔、贴片、热浸镀、涂加于基体表面。如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。刷、堆焊等。（3）表面改性）表面改性。用离子处理、表面热处理、。用离子处理、表面热处理、机械处理及化学处理等方法处理表面，改变机械处理及化学处理等方法处理表面，改变材料表面的组成及性质。如化学转化膜、喷材料表面的组成及性质。如化学转化膜、喷丸强化、激光表面处理、电子束表面处理、丸强化、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。离子注入等。49Company Logo实际上，表面工程技术有着广泛的涵义，实际上，表面工程技
40、术有着广泛的涵义，综合来看，大致上可分为以下几个部分：综合来看，大致上可分为以下几个部分：（1）表面工程基础理论。）表面工程基础理论。它主要有表面失效分析理论、表面摩擦与它主要有表面失效分析理论、表面摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面(界面界面)结合与复合理论等。它对表面工程技术的发展结合与复合理论等。它对表面工程技术的发展和应用有着直接的、重要的影响。和应用有着直接的、重要的影响。50Company Logo（2）表面处理技术。）表面处理技术。它又包括它又包括表面覆盖技术表面覆盖技术、表面改性技术表面改性技术和和复合表复合表面处理技术三面处理技术三部分
41、。部分。表面覆盖技术表面覆盖技术主要有电镀、电刷主要有电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料涂敷、电火花涂敷、热浸镀、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、料涂敷、电火花涂敷、热浸镀、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子束外延、离子束合成薄膜技术、化学转化膜、热烫印和外延、离子束合成薄膜技术、化学转化膜、热烫印和暂时性覆盖处理等。暂时性覆盖处理等。表面改性技术表面改性技术主要有喷丸强化、主要有喷丸强化、表面扩渗、表面热处理、激光表面处理、电子束表面表面扩渗、表面热处理、激光
42、表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理和离子注入等。处理、高密度太阳能表面处理和离子注入等。复合表复合表面处理技术面处理技术是综合运用两种或更多种表面处理技术。是综合运用两种或更多种表面处理技术。51Company Logo（3）表面加工技术。）表面加工技术。它主要有表面预处理加工、表面层的机械加它主要有表面预处理加工、表面层的机械加工和表面层的特种加工等。工和表面层的特种加工等。（4）表面分析和测试技术。）表面分析和测试技术。它主要有表面形貌和显微组织结构的分析、它主要有表面形貌和显微组织结构的分析、表面成分分析、表面原子排列结构分析、表面原表面成分分析、表面原子排列结构分析、表面原
43、子动态和受激态分析和表面的电子结构分析等。子动态和受激态分析和表面的电子结构分析等。（5）表面工程技术设计。）表面工程技术设计。它主要有表面层材料设计、表面层结构设计、它主要有表面层材料设计、表面层结构设计、表面工艺设计和表面工程经济分析等。表面工艺设计和表面工程经济分析等。（52Company Logo1.41.4表面工程技术的应用表面工程技术的应用一、表面技术在结构材料上的应用一、表面技术在结构材料上的应用材料根据所起的作用大致可以分为材料根据所起的作用大致可以分为结构结构材料材料和和功能材料功能材料两大类。两大类。结构材料结构材料主要用来主要用来制造工程建筑中的构件、机械装备中的零部制造
44、工程建筑中的构件、机械装备中的零部件以及工具、模具等，在性能上以件以及工具、模具等，在性能上以力学性能力学性能为主，同时在许多场合又要求兼有良好的为主，同时在许多场合又要求兼有良好的耐耐蚀性和装饰性蚀性和装饰性。表面技术在这方面主要起着。表面技术在这方面主要起着防护、耐磨、强化、修复、装饰等重要作用。防护、耐磨、强化、修复、装饰等重要作用。53Company Logo表面防护表面防护主要指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐主要指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等能力。腐蚀问题是普遍存在的。据统计，世界现存蚀等能力。腐蚀问题是普遍存在的。据统计，世界现存钢铁及金属设备每年的腐蚀率约为钢铁及金属设备每
45、年的腐蚀率约为10%，金属腐蚀的直，金属腐蚀的直接损失占国民生产总值的接损失占国民生产总值的1%，而发达国家高达，而发达国家高达2%4%，超过水灾、火灾、地震和飓风等所造成的总和。金属，超过水灾、火灾、地震和飓风等所造成的总和。金属腐蚀的间接损失不易计算，一般认为至少为直接损失的腐蚀的间接损失不易计算，一般认为至少为直接损失的35倍。倍。解决腐蚀问题的常用方法解决腐蚀问题的常用方法主要有：用价廉的金属定主要有：用价廉的金属定期更换旧的腐蚀件；期更换旧的腐蚀件；使用表面技术或改变材料表面的成分使用表面技术或改变材料表面的成分和结构或施和结构或施加覆盖层来显著提高材料或制件的防护能力。加覆盖层来显
46、著提高材料或制件的防护能力。使用表面使用表面技术防止腐蚀是现代防腐的主要和根本方法技术防止腐蚀是现代防腐的主要和根本方法。54Company Logo耐磨耐磨主要指材料在一定摩擦条件下抵抗磨主要指材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力。同腐蚀一样，磨损也是从损的能力。同腐蚀一样，磨损也是从表面表面开始开始的，因此，采用各种表面技术是的，因此，采用各种表面技术是提高提高材料或制材料或制件件耐磨性耐磨性的有效途径之一。的有效途径之一。强化强化主要指通过各种主要指通过各种表面强化处理表面强化处理来提高来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的能力。能力。疲劳破
47、坏疲劳破坏也是从材料表面开始的，通过也是从材料表面开始的，通过各种表面技术可以显著提高材料疲劳强度。通各种表面技术可以显著提高材料疲劳强度。通过合理选材和表面强化处理，可以满足许多制过合理选材和表面强化处理，可以满足许多制品的表面强度和硬度高、心部韧性好的长使用品的表面强度和硬度高、心部韧性好的长使用寿命的要求。寿命的要求。55Company Logo在工程上，许多零部件因表面在工程上，许多零部件因表面强度强度、硬度硬度、耐磨性耐磨性等不足而逐渐磨损、剥落、等不足而逐渐磨损、剥落、锈蚀，使外形变小以致尺寸超差或强度降锈蚀，使外形变小以致尺寸超差或强度降低，最后不能使用。许多表面技术如低，最后不
48、能使用。许多表面技术如堆焊、堆焊、电刷镀、热喷涂、电镀、粘结电刷镀、热喷涂、电镀、粘结等，具有修等，具有修复功能，不仅可复功能，不仅可修复尺寸精度修复尺寸精度，而且往往，而且往往还可还可提高表面性能，延长使用寿命提高表面性能，延长使用寿命。56Company Logo表面装饰表面装饰主要包括光亮（镜面、全光主要包括光亮（镜面、全光亮、亚光、光亮缎状，无光亮缎状等）、亮、亚光、光亮缎状，无光亮缎状等）、色泽（各种颜色和多彩等）、花纹（各种色泽（各种颜色和多彩等）、花纹（各种平面花纹，刻花和浮雕等）、仿照（仿贵平面花纹，刻花和浮雕等）、仿照（仿贵金属、仿大理石、仿花岗石等）多方面特金属、仿大理石、
49、仿花岗石等）多方面特性。用恰当的表面技术，可对各种材料表性。用恰当的表面技术，可对各种材料表面装饰，不仅方便、高效，而且美观、经面装饰，不仅方便、高效，而且美观、经济，故应用广泛。济，故应用广泛。57Company Logo二、表面技术在功能材料和元器件上的应用二、表面技术在功能材料和元器件上的应用功能材料功能材料主要指那些具有优良的物理、化主要指那些具有优良的物理、化学和生物等功能及其相互转化的功能，而被用学和生物等功能及其相互转化的功能，而被用于于非结构目的的高技术材料非结构目的的高技术材料。功能材料常用来。功能材料常用来制造各种装备中具有独特功能的核心部件。功制造各种装备中具有独特功能的
50、核心部件。功能材料与结构材料相比，除了两者性能上的差能材料与结构材料相比，除了两者性能上的差异和用途不同之外，另一个重要特点是异和用途不同之外，另一个重要特点是材料通材料通常与元器件常与元器件“一体化一体化”，即功能材料常以元器即功能材料常以元器件形式对其性能进行评价。确切地说，并非结件形式对其性能进行评价。确切地说，并非结构材料以外的材料都可称为功能材料。构材料以外的材料都可称为功能材料。58Company Logo材料的许多性质和功能与表面组织结构材料的许多性质和功能与表面组织结构密切相关，因而通过各种表面技术可制备或密切相关，因而通过各种表面技术可制备或改进一系列功能材料及其元器件。改进