现代表面技术【作业】

现代表面科学技术作业—热喷涂表面处理技术学号：姓名：日期：任课老师：摘要：本文重点介绍了热喷涂技术的作用原理、工艺特点、分类。

总结了热喷涂技术的应用状况。

探讨了新工艺在热喷涂技术中的应用前景。

关键词：热喷涂；表面处理技术；新工艺1 前言近30多年来人们对传统表面技术进行了一系列改进、复合和创新, 使大量的现代表面技术涌现出来,在各个工业部门、农业、生物、医药以及日常生活中有着广泛而重要的应用。

表面技术的应用所包含的内容十分广泛,可以用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等, 也可以是光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。

表面技术所涉及的基体材料不仅是金属材料,也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。

表面技术的种类很多,把这些技术恰当地应用于构件、零部件、元器件以及各种材料,可以获得巨大的效益。

现代高新技术的飞速发展对提高金属材料的性能、延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。

而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。

近年来，表面工程的快速发展，尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展，为解决上述提供了一种新的方法。

热喷涂是一种通过专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成一种特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的表面工程技术[1-2]。

由于热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，所以能制成具备各种性能的功能涂层，并且施工灵活，适应性强，应用面广，经济效益突出，尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。

随着工业和科技的发展，人们对热喷涂技术提出了越来越高的要求，在已有的热喷涂工艺不断得到改进的同时，一些新的工艺也应运而生。

目前，包括航空、航天、原子能设备、电子等尖端技术在内的很多领域内[3]热喷涂技术都得到了广泛的应用，并取得了良好的经济效益。

2 热喷涂工艺的原理热喷涂技术是通过某种热源将某些材料加热至熔融或半熔融状态，然后喷射到涂敷的基体表面，形成一层性能优于原来基体的涂层，从而使原工件具有更加优异的表面性能，或者是使工件获得一种或几种原来基体材料不具备的表面性能膜状组织[4]。

现代表面技术（缩减后+红色考卷内容）《现代表面技术》复习思考题1.表面处理技术的最早应用是什么？其目的是什么？答：表面处理技术的最早应用是进行钢的淬火，其目的是使钢的表面获得坚硬层。

2.表面处理技术的主要目的是什么？答：（1）提高材料抵御环境作用能力。

（2）赋予材料表面某种功能特性。

（3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。

3.表面处理技术主要有哪二条途径进行实施？答：（1）施加各种覆盖层。

（2）用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，即采用各种表面改性技术。

5．简述表面处理技术的四种基本类型。

答：（1）原子沉积。

沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。

（2）颗粒沉积。

沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。

（3）整体覆盖。

它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。

（4）表面改性。

用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。

7.试列举10种常用的表面覆盖技术。

答：常用的表面覆盖技术：电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、电火花涂敷等。

8.试列举8种表面改性技术。

答：表面改性技术：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩渗处理（PDT）、激光表面处理、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面改性。

13.固体可分为哪两类？材料按其特性可分为哪几类？按作用分为哪几类？答：固体大致分为晶体和非晶体两类。

按照材料特性，可将它分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三类。

固体材料按所起的作用可分为结构材料和功能材料两大类。

14.何谓界面？何谓清洁表面？何谓实际表面？答：界面：两种不同相之间的交界区称为界面。

现代表面技术复习题答案第一章1课程的性质、特点“古老T实用T广泛T发展”。

2,课程的地位、重要性“重点发展的学科”。

1按照膜层形成方式及其作用原理，表面技术可以分为哪些类型?（1）原子沉积⑵ 颗粒沉积⑶ 整体覆盖⑷ 表面改性2、固体材料界面有哪三种？（1）表面--固体材料与气体或液体的分界面；（2）晶界（或亚晶界）--多晶材料内部成分、结构相同的界面。

而取向不同的晶粒（或亚晶）之间（3）相界--固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。

3、何谓清洁表面？何谓实际表面？清洁表面：经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10-6 Pa—10-9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。

实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洁等），保持在常温和常压（也可能在低真空或者高温）下的表面。

4、清洁表面为何存在各种类型的表面缺陷？从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。

达到该稳定状态的方式有两种：一是自行调整，表面原子排列情况与材料内部明显不同；二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。

所以清洁表面必然存在各种类型的表面缺陷。

5、简述表面驰豫和表面重构并画出结构示意图。

表面弛豫：表面原子的上、下位移（压缩或膨胀）称为表面驰豫。

表面重构：在平行于基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整，这种表面结构称为重构（或再构）。

缺列型重构：是表面周期性地缺失原子列造成的超结构。

重组型重构：并不减少表面的原子数，但却显著地改变表面的原子排列方式。

6、什么是贝尔比层？它有什么特点？贝尔比（Beilby）层：金属在切割、研磨和抛光时，表面原子来不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸变，深度可达几十微米。

一、关于表面基础1.弛豫：表面上的原子相对于正常位置的上、下位移来降低体系能量，尤其是表面第一层原子与第二层之间位移（压缩或膨胀）最明显，越深入体内，此种位移迅速消失。

重构：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。

2.表面能的产生表面能是因物质表面原子和内部原子排列差别引起的一种物理表现。

面心立方晶体的（111）面是密排面，体心立方晶体的（110）面是密排面，密排面的表面能最低（密排面原子的断键数最少）。

3.固体表面的吸附力（1）固体表面对气体的吸附分物理吸附和化学吸附。

区别：物理吸附无电子转移、无化学键的生成与破坏，无原子重排。

物理吸附不需要活化能，其吸附速率也不随温度升高而变快；化学吸附相当于吸附剂表面分子与吸附质发生化学反应。

化学吸附需要活化能，其吸附速率随温度升高而变快。

（2）固体表面对溶液的吸附分为电解质吸附和非电解质吸附；溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同分为正吸附、负吸附。

（3）固体表面对液体的吸附力粘结力与液体表面张力计接触角的关系γs=γLcosθ+γsL当θ<90°时，为润湿。

θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力越强。

当θ=0 °时，为完全润湿。

液体在表面完全铺展开来当θ>90 °时，为不润湿。

θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。

当θ=180 °时，完全不润湿，为球状。

ISL=γL+γs-γsL=γL（1+cosθ）粘结力大小与液体表面张力γL及接触角θ有关。

θ愈小，则ISL越大，粘结越牢。

(钢与环氧树脂）4.实际晶体表面缺陷方式固体的实际表面是不规则和粗糙的，最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。

表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性质也随之发生变化。

(2)直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相关的属性。

(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合强度有关。

1.★电镀:一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层工艺。

2.★如何合理选用镀层：首先要了解镀层是否具有所要求的使用性能，然后按照零件的服役条件及使用性能要求，选用适当的镀层，还要按基材的种类和性质，选用相匹配的镀层。

另外要依据零件加工工艺选用适当的镀层。

3.电沉积的基本条件：金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，原则上，只要电极电位足够负，任何金属离子都可能在阴极上还原，实现电沉积。

但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其它离子，使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。

所以金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。

若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉积极少。

4.电镀液的组成：主盐、配合剂、导电盐、缓冲剂、阳极活化剂、镀液稳定剂、特殊添加剂。

5.镀液对镀层质量有何影响：（1）配离子作用：配离子使阴极极化作用增强，所以镀层较致密，镀液分散能力较好，整平能力较高。

（2）主盐浓度的影响：浓度升高，浓差极化降低，导致结晶形核速率降低，所得组织粗大。

（3）附加盐的作用：可提高镀液电导性，还可增强阴极极化能力，有利于获得细晶镀层。

（4）添加剂作用：其一，形成胶体吸附在金属离子上，阻碍金属离子放电，增大阴极极化作用。

其二，吸附在阴极表面，阻碍金属离子在阴极表面放电或阻碍电离子扩散，影响沉积结晶过程，改善镀层组织表面形态、物化和力学性能。

6.电镀规范对镀层质量的影响：（1）电流密度的影响（2）电流波形的影响（3）周期换向电流的作用（4）温度的影响（5）搅拌的影响7.合金镀层：两种或两种以上的元素共沉积所形成的镀层。

8.电镀合金的特点：1）容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金，如Sn-Ni合金。

2）可获得热熔相图没有的合金，如δ-铜锡合金。

3）容易获得组织致密、性能优异的非晶态合金，如Ni-P合金。

1.表面技术的广义含义1.表面技术的基础和应用理论；2.表面处理技术；3.表面加工技术；4.表面分析和测试技术；5.表面技术设计2.化学镀Ni还原剂是次磷酸钠、络合剂是琥珀酸、作用是与镍离子形成稳定的络合物，用来控制可供反应的游离镍离子含量控制沉积速度，改善镀层外观；化学镀Cu还原剂是甲醛、络合剂是酒石酸钾钠、作用是用于与铜离子形成络合物，防止Cu(OH)2沉淀生成。

3.钢铁上阳极镀层是，阴极镀层是当金属与镀层发生电化学腐蚀形成原电池时，镀层作为原电池的阴极，就是阴极镀层，作为阳极就是阳极镀层。

阳极镀层更有利于基体金属的保护。

4.电镀、化学镀试样阳、阴极5.电沉积、共沉积基本条件电沉积：1.电极电位足够负；2.不可以比H还负共沉积：1.电极电位足够负，但不能比H还要负；2.两种金属中至少有一种金属能从其水溶液中沉积出来；3.两种金属的电位要十分接近。

6.阳极氧化特点，微弧氧化特点及应用阳极氧化膜：1.氧化膜内部致密，外部疏松的双层结构；2.疏松多孔；3.很高的耐磨性；4.较好的耐蚀性；5.很高的电绝缘性；6.良好的绝热性；7.结合力很强用途：作为涂镀层的底层也可提高金属的装饰效果；提高金属表面的耐磨性；用作电解电器的绝缘层微弧氧化：1.内部致密、表层多孔的双层膜；2.厚度10～30微米；3.直接用耐磨加润滑，多孔结构又有利于减少摩擦压力，多孔结构可以做成润滑油；4.对于厚膜而言，可以将疏松层打磨掉，露出致密层进行防腐；5.表面微孔结构，一般是不穿透，致密层直达基体，因而具有耐磨性；6.微孔是等离子体放电通道，在高温高压下孔内组份发生溶化、熔融、汽化向外喷射类似火山口的形貌。

用途：1.阀金属的强度、耐磨、耐蚀；2.生物医用阀金属合金；3.功能应用，半导体氧化物TiO2。

7.按作用原理表面工程可以分为1.原子沉积：原子在基体上凝聚、生核、长大、成膜，如电镀、PVD、CVD2.颗粒沉积：熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体表面凝聚、沉积或烧结形成的表面涂层3.整体覆盖：将涂覆材料于同一时间施加于材料表明4.表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面热处理、化学热处理8.固体清洁表面类型1.表面弛豫：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内原子间距（缩小或增大；也可以有些原子间距增大，有些减小）2.表面重构：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整3.表面偏析：表面原子是从体内分凝出来的外来原子4.表面缺陷：化学吸附：外来原子（超高真空条件下主要是气体）吸附于表面，并以化学键合；化合物：外来原子进入表面，并与表面原子键合形成化合物；台阶：表面不是原子级的平坦，表面原子可以形成台阶结构9.电镀、化学镀的转化膜化学法：氧化处理，磷化处理，铬酸盐处理电化学法：阳极氧化，微弧氧化9.物理气相沉积概念，有哪些方法它是在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料汽化，直接沉积到基体表面上的方法。