表面工程设计及表面工程经济

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表面工程设计及表面工程经济主讲人:陈辉西南交通大学焊接及热喷涂研究所二○○九年七月 2一、表面工程设计1.表面工程设计系统表面工程设计系统包括：材料表面镀涂层或处理层的成分、结构、厚度、结合强度以及各种要求的性能；基体材料的成分、结构和状态等；实施表面处理或加工的流程、设备、工艺、检验等综合的管理、经济、环保等分析设计。 32.表面工程设计内容表面工程设计包括：（1）所采用的材料、表面和表面层类型（表面改性、薄膜和涂层统称为涂镀膜层）；（2）满足环境和功能要求的表面层体系，由一种或几种膜层组合的体系；（3）实施这种组合体系所需的工艺技术与途径；（4）工艺过程控制；（5）测试方法与检验标准。 43.表面工程设计应该达到的目的适应环境和运行条件的需要，提高防腐蚀的能力，提高产品性能，提高可靠性和延长寿命；调整相对运动表面界面的摩擦系数、减少磨损，防止表面界面损伤，提高运行可靠性，延长使用寿命；获得所期望的表面特种功能；赋予表面其他的物理和化学特性，以满足制造过程或产品使用的要求；提高表面完整性，以提高零件的抗应力腐蚀、抗疲劳性能和装饰美观程度；开发对所有工程与产品美化装璜的设计，使产品既有实用功能，又有艺术效果。 54.表面涂镀膜层设计的通用原则（1）涂镀膜层应具有优良的性能，满足运行条件与环境状况的要求；（2）涂镀膜层与零件材质、性能的适应性要好；（3）涂镀膜层及其涂覆工艺不会降低基材的力学性能；（4）工艺技术上的可靠性；（5）经济上的合理性；（6）考虑环境影响；（7）综合考虑。 65.补充原则（1）涂镀膜层材料的物理化学性能（2）涂镀膜层的厚度，不仅是涂镀膜层使用寿命的重要因素，还与结合力及对基材力学性能的影响大小有关，更与涂覆工艺密切相关；（3）涂膜层与基体结合强度；（4）零件允许受热情况（5）批量生产要特别考虑经济上的合理性和涂膜层质量的可靠性与稳定性；（6）对工厂施工还是现场施工的可能性进行分析，确定符合实际的，能生产出高质量涂镀层的施工地点。 7材料逆向设计步骤：①通过数值模拟、材料动态失效分析，研究材料失效的机理、本质。②根据失效的机理对复合材料进行表面材料逆向设计，根据表层破坏的形式，对性能的要求设计基体和表面涂层材料。 8表面工程经济对表面工程的经济性进行客观评价是恰当选择喷涂材料的依据之一。由于目前我国针对热喷涂方法的经济性评价尚未有统一的标准。因此，公从喷涂材料的性能与价格比值的角度进行粗略估计。性能与价格的比值在某种程度上反映了利用涂层修复工件方面的经济性。比值越高，意味着该种喷涂材料的经济性越好。 9例：气缸缸套等离子喷涂耐磨涂层表1各种喷涂材料的性价比 10从喷涂材料的耐滑动磨损性能来看，纳米掺杂涂层的经济效益是最优异的，普通WC-Co涂层次之，NiCr-Cr3C2涂层较好。从气缸缸套的实际工作情况来看，纳米掺杂材料优异的抗磨损能力会导致活塞环的磨损加剧，增加了缸套实际的成本。考虑到气缸工作过程中存在的粘着磨损和高温气流造成的腐蚀磨损，NiCr-Cr3C2涂层在高温下生成的Cr2O3氧化膜，致密并且具有良好的韧性，导热性好，能迅速使热扩散，并且具有良好的抗氧化性。同时NiCr-Cr3C2涂层由于其良好的韧性，能够满足大角度冲蚀的要求。因此，综合考虑复杂的磨损环境，选择NiCr-Cr3C2涂层。