材料表面与界面综述.pdf

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1、材料表面与界面综述表面技术是通过物理、化学工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的组织结构、化学成分和物理状态,使表面具有与基体材料不同的性能的技术。材料表面技术的目的与作用有:(1)提高材料的表面损伤失效抗力。磨损和腐蚀是最重要的表面损伤失效形式,据统计,因磨损、腐蚀失效造成的经济损失分别可达国民经济总产值的1%~2%和4%~5%。绝大多数疲劳断裂也主要是从表面开始而逐渐向内部发展的。由于磨损、腐蚀和疲劳断裂是产品(零件)的最主要失效形式,而它们又主要是发生在材料表面或开始于材料表面,因此,通过表面技术,提高材料表面的耐磨性、

2、耐蚀性和抗疲劳性能,可有效地保护或强化零件表面,防止失效现象。(2)赋予材料表面某种(或多种)功能特性。这些功能包括电性能(如导电性、绝缘性),热学性能(如耐热性、热障性),光学性能(如反光性、吸光性及光致效应),电磁特性(如磁性、屏蔽性),声学性能及吸附、分离等各种物理性能和化学性能。(3)实施特定的表面加工来制造(或修复)零部件。如采用热喷涂、堆焊等表面技术修复已磨损或腐蚀的零件,用表面蚀刻、扩散等工艺制作晶体管及集成电路等。表面技术的分类有:(1)表面覆层技术。按工艺特点,表面覆层技术包括各种镀层技术(电镀、化学镀等)、

3、热喷涂技术、涂料涂装技术、陶瓷涂敷技术、化学转化膜技术、堆焊技术、气相沉积技术、着色染色技术等。其中电镀镀层材料可以是金属、合金、半导体等,基体材料也由金属扩大到陶瓷、高分子材料;电镀覆层广泛用于耐蚀、耐磨、装饰及其它功能性镀层(如磁性膜、光学膜)。而化学镀是在无外加电场的情况下,镀液中的金属离子在还原剂的作用下,通过催化在镀件(金属件或非金属件)表面上的还原沉积过程。从本质上讲,化学镀仍然是个电化学过程。化学镀在电子、石油、化学化工、航天航空、机械、汽车及核能等工业中已得到广泛应用。多元合金镀层如Ni-Cu-P、Ni-Mo-

4、P等,具有更好的综合性能和特殊功能。Ni-Cu-P镀层可作为高耐蚀表面保护层和电磁波屏蔽层;Ni-Mo-P(或Ni-W-P)镀层可作为医疗器械和人工器官保护层、薄膜电阻材料等。化学转化膜技术是通过化学或电化学手段,使金属表面形成稳定的化合物膜层的方法。它主要应用于防锈耐蚀(由于化学转化膜降低了金属表面活性且将金属与环境介质隔离,故对一般防锈要求的零件可直接作为耐蚀层使用)、作为涂料层、搪瓷层、热浸镀、金属热喷涂及粘结前的底层,可提高涂镀层的结合强度、可减轻滑动摩擦表面的摩擦作用,可用于某些耐磨零件或改善塑性加工的工艺性能。(2

5、)表面合金化技术。包括表面扩渗技术、喷焊堆焊、激光合金化、离子注入技术等。采用激光束、电子束和离子束(合称“三束”)对材料表面进行改性或合金化技术,是近几十年来迅速发展起来的材料表面新技术,是材料科学的最新领域之一。束流技术对材料表面的改性是通过改变材料表面的成分(即表面合金化)和结构而实现的,由于这些束流具有极高的能量密度,可对材料表面进行快速加热,其后冷却速度也极快,故表层结构和成分的改变幅度极大(如出现微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体或化合物),因而性能改变的程度也相当大。此外快速加热对整体材料的影响不大,故工件在处理

6、过程中基本不变形。激光束具有高能量密度性、高方向性和高相干性,当其照射到金属表面时,其能量几乎全被表面层吸收转变成热能,可在极短时间内将工件表层快速加热或熔化,而心部温度基本不变;当激光束移去后,表层向心部的迅速传热,又可实现快速的“自冷却”过程。激光束表面技术的应用主要包括以下几方面:1)激光表面热处理又称激光表面淬火强化,具有高硬度(比普通淬火高15%~20%)、高疲劳性能和微变形的基本特点,耐磨性可提高几倍,已成功用于汽车发动机缸体和缸套、滚动轴承圈、柴油机缸套、机床导轨、冷作模具等。2)激光表面合金化是预先用镀膜或喷涂

7、等技术把所需合金元素涂敷到工件表面(即预沉积法),然后通过激光束照射,使表面膜与基体材料浅表层熔化、混合并迅速凝固,形成成分与结构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层,主要用于提高基体材料表面的耐磨性、耐蚀性和耐热性,并可降低材料成本。激光束表面技术还可用于激光涂敷,以克服热喷涂涂层的气孔、夹渣和微裂纹缺陷;激光束表面技术用于气相沉积技术,可提高沉积层与基体的结合力,并减小基体的热变形。(3)表面组织转变技术。这种表面技术不改变材料表面成分而仅改变其表面组织,包括各种表面淬火(感应加热、激光加热、电子束加热)、表面形变强化

8、(如喷丸、滚压)等[1]。表面覆层技术的应用在材料加工领域甚为广泛,具体事例也比比皆是。为了抑制合金元素的互扩散,在涂层和基体间加入阻扩散层是行之有效的方法。采用电弧离子镀技术在NiCrAIY包覆涂层和DSM11基体间加入了CrN阻扩散层。由1100℃下恒温氧化10h,50h

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