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现代表面技术第一章表面技术概论第一节表面技术的涵义19世纪工业革命以来，材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。
因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。
另外，磨损、腐蚀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，可以极大地提高材料寿命。
因此，迫切需要开发出各种行之有效的表面技术，正是基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科——表面工程学。
表面工程技术的发展始于20世纪60年代末，近30年来发展尤为迅速。
在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。
表面技术是一门博大精深、实用价值极高的技术。
材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。
除本文所提及的巨大作用外，用表面技术合成人工结构材料、复合材料及沉积非晶态涂层及制取复合涂层方面都显示了巨大的应用潜力。
表面技术是一项能使产品获得高附加值的技术。
英国产品每年靠表面技术估计增值100亿英镑，如果对表面技术进行全开发，有可能节省200。
万到400亿埃居(约200亿英镑)，可见表面技术对国民经济的巨大作用。
我国在湿法镀覆等方面取得了令人瞩目的成就，但在PVD和表面改性方面还有许多工作要做。
这一方面要靠广大科技人员的才智与努力，同时有关领导部门在设备资金投入上给予有力的支持也至关重要。
只有这样，我国的表面技术才能以新的面貌进入21世纪，全方位赶上和领先世界水平。
一、什么是表面技术从广义上讲，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。
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或化学现象，总称为表面现象。
一、电镀（1）定义：电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。
（2）镀液组成：主盐：是指镀液中能在阴极上沉积出来所要求镀层金属的盐，用于提供金属离子。
络合剂：作用在于获得络合离子，起到阴极极化作用。
附加盐：用于提高电镀液的导电性。
缓冲剂：用来稳定溶液酸碱度的物质。
阳极活化剂：提高阳极开始钝化的电流密度，保证阳极处于活化状态而能正常地溶解。
添加剂：用以改善镀层性能性质的物质。
（3）电流效率：是指实际析出物质的质量与理论计算析出物质的质量之比。
（4）分散能力：是指电镀液所具有的使金属镀层厚度均匀分布的能力。
（5）改善分散能力方法：1在电镀液中加入一定量的强电解质，2采用络合物电解液，3加入适量的添加剂，4合理安排电极的位置及距离，5使用异形电极。
（6）覆盖能力：是指电镀液所具有的使镀件的深凹处沉积上金属镀层的能力。
（7）极化：指的是有电流通过电极时，电极电位偏离平衡电极电位的现象。
（8）电沉积过程：液相传质，电化学反应和电结晶。
液相传质的三种方式：电迁移、对流和扩散。
（9）金属共沉积的条件：两种金属中至少有一种金属能从其盐类的水溶液中沉积出来；两种金属的析出电位要十分接近。
（10）改变电位的方法：1改变镀液中金属离子的浓度；2采用络合剂；3采用适当的添加剂。
二、电刷镀(1)定义：是在被镀零件表面局部快速电沉积金属镀层的技术，其本质上是依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液的电镀。
（2）优缺点：与常规电镀比，优点：1设备简单，携带方便；2工艺简单，操作简单；镀层种类多，与基材结合力强，力学性能好；4沉积速度快。
缺点：劳动强度大，消耗镀液较多，消耗阳极包缠材料。
（3）设备：直流电源、镀笔及供液、集液装置。
（4）阳极包裹的作用：1贮存刷镀用的溶液，2防止阳极与被镀件直接接触，3过滤阳极表面所溶下的石墨粒子。
现代表面技术现代表面技术表面工程技术是表面处理表面涂镀层及表面改性的总称表面工程技术是运用各种物理化学和机械工艺过程来改变基材表面的形态化学成分组织结构或应力状态而使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求[3]徐晋勇,张健全,高清.现代先进表面技术的发展及应用[N].电子工艺技术.2006,27（3）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。
也可以是在光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。
表面处理技术是用以改变材料表面特性，达到预防腐蚀目的的技术。
按具体表面技术方法分类:表面热处理、化学热处理、物理气相沉积、化学气相沉积、高能束强化、涂料与涂装、热喷涂与堆焊、电镀、化学镀、热浸镀、转化膜等表面工程技术的任务：1.提高金属材料抵御环境作用的能力2.根据需要，赋予材料及其制品表面力学性能、物理功能和多种特殊功能、声光磁电转换及存储记忆的功能；制造特殊新型材料及复层金属板材。
3.赋予金属或非金属制品表面光泽的色彩、图纹、优美外观。
4.实现特定的表面加工来制造构件、零件和元器件等。
5.修复磨损或腐蚀损坏的零件；挽救加工超差的产品，实现再制造工程。
6.开发新的表面工程技术，技术概念电镀：利用电解作用，使具有导电性能的工件表面作为阴极与电解质溶液接触，通过外电流作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。
该镀覆层主要是各种金属和合金。
化学镀：是在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面，沉积出与基体牢固结合的镀覆层。
工件可以是金属也可以是非金属。
镀覆层主要是金属和合金。
涂装：用一定的方法将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。
涂料为有机混合物，可涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃制品上。
气相沉积：在金属或非金属材料基体表面牢固沉积同类或异类金属或非金属及其化合物，以改善原材料基体的物理和化学性能或获得新材料的方法。
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。
第一章表面技术概论1.表面技术：通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、相组成、微观结构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工艺技术。
2.使用表面技术的目的：（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.理想表面：没有杂质的单晶，作为零级近似可将表面看作一个理想表面，从理论上看，它是结构完整的二位点阵平面。
（实际不存在）清洁界面：经过注入粒子轰击、高温脱附等特殊处理后保持在6-10Pa超高10~9-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，或经过一定加工处理，保持在常温常压下的表面。
4.①弛豫：表面最外层与次外层原子之间的距离不用于体内原子间距。
②重构：表面原子的平移对称性与体内显著不同，位置变动大。
③偏析：表面原子从体内分凝出来。
④化学吸附：外来原子以化学键结合吸附于表面。
⑤化合物：外来原子进入表面，并与表面原子键合成化合物。
⑥台阶：表面不是原子结构的平坦，形成了台阶。
5.物理/化学吸附：第三章电镀与化学镀1.电镀：指在含有预镀金属的盐类溶液中，以被镀金属为阴极，经电解作用，使镀液中预镀金属阳离子在基体表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。
2.镀层分类：①使用性能：防护性镀层、防护-装饰性镀层、装饰性镀层、耐磨和减磨镀层、电性能镀层。
②电化学性质：阳极性镀层、阴极性镀层。
③镀层组合：单层、多层、复合层镀层。
④镀层成分：单一金属、合金、复合。
3.金属电镀基本步骤：①液相传质： 镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向阴极界面迁移，到达阴极的双电层溶液一侧。
②电化学反应：水化金属离子或络离子通过双电层，并去掉它周围的水化分子或配位体层，从阴极上得到电子生成金属原子(吸附原子)。
③电结晶：金属原子沿金属表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在晶格内，形成镀层。
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 论文题目：表面工程技术的发展及作用学院：材料科学与工程学院班级：复合材料1202学号：**********姓名：**表面工程技术的发展及应用摘要：表面工程技术是20世纪80年代世界十项关键技术之一。
简要回顾了表面工程的发展历程，概述了热喷涂技术、激光表面工程技术、堆焊表面工程技术及其它表面工程技术的特点、应用范围、研究现状和发展中存在的问题。
表面工程技术在国民经济和社会发展中的作用以及未来面临的问题。
关键词：表面工程技术，发展，作用，展望0.引言世界上任何物体都有表面，无论生活用品、生产设备、航空航天装置、军事装备、高科技器件等都离不开表面。
高耸云空的电视塔表面、浸入海水的钻探机械表面、埋入地下的各种管道表面，都必须进行表面预防腐蚀保护；破土开山的挖掘机铲斗表面必须进行防磨损强化处理；录音机磁带表面；因为有了钴—磷或钴镍磁性镀层，才能反复奏出美妙的音乐；氟树脂涂于锅体内表面而成为不粘锅；飞机因为表面有吸收雷达波的涂层而能隐身；计算机更离不开大量薄膜、涂层等表面工程技术的支撑。
表面工程形成一门独立的学科虽然只是近20年的事，但其发展之快、涉及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。
以1983年表面工程的概念被首次提出、1986 年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会、1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立、1988 年《表面工程》杂志创刊为标志，表面工程在我国迅速发展，表面工程已经发展成为横跨材料学、摩擦学、物理学、化学界面力学和表面力学、材料失效与防护、金属热处理学、焊接学、腐蚀与防护学、光电子学等学科的边缘性、综合性、复合型学科。
表面工程具有学科的综合性，手段的多样性广泛的功能性，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，因而受到各行各业的重视。
其产生的经济效益更是令人瞩目。
目前，我国技术门类齐全，部分表面技术的设备、料和工艺已达到了国际先进水平。
据不完全统计，仅我国自第 6个五年计划以来，通过表面工程在设备维修领域和制造领域推广应用已取得了几百亿元的经济效益。
1.表面工程的发展历程表面工程是指经表面预处理后,通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态,以获得所需表面性能的系统工程[1]。
现代化工业的发展对设备与零部件表面性能的要求越来越高,特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下,零部件材料的破坏往往自表面开始,如磨损、腐蚀、高温氧化等,表面的局部损坏又往往造成整个零件失效,最终导致设备停产。
因此,改善材料的表面性能,能有效地延长其使用寿命。
许多国家都致力研究各种提高零件表面性能的新技术、新工艺,开发出大批实月、先进、高效的表面工程技术，并通过与微电子及计算机控制技术相结合使表面工程技术的装备水平大大提高。
许多表面工程技术不仅成为现代制造业中的重要工艺,而且在设备的技术改造和维修方面发挥了重要作用。
一些国内外知名专家预言,表面工程将成为主导21世纪工业发展的关键技术之一表面工程技术的应用和发展促进了各种新型表面工程材料的发展,对各种表面功能性薄膜加工的需要又促进了各种表面加工技术的发展。
为了从根本上弄清材料表面的失效机制以及研究表面膜层的性能,在有关学科理论的基础上,通过对材料表面物理、化学特性和表面检测技术的研究,逐步形成了与其它学科密切相关的表面工程基础理论。
表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出性能优于基体材料的表面功能性薄膜,其厚度一般为几微米到几毫米,仅为结构尺寸的几百分之一到几十分之一,却使零件具有了比基体材料更高的耐磨性,抗腐蚀性和耐高温等性能[2]。
因此,即使采用性能优异的贵重、稀有元素,也不会显著提高成本,采用表面工程技术的经济效益和社会效益是难以估量的。
表面工程学科发展的重要标志是1983年英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和1985年《表面工程》国际刊物的出版[3]。
十几年来,表面工程在中国的发展异常迅速,中国机械工程学会于1987年建立了学会性质的表面工程研究所,1988年出版了第一本中国的《表面工程》期刊并连续出版至今,1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会。
在国内召开了多次国际或全国性的表面工程学术会议.我国表面工程的研究与应用多从维修人手并逐步扩展到新设备与新产品的设计和制造。
自第六个五年计划以来,通过在设备维修与制造领域的推广应用,表面工程已取得了几百亿元的经济效益。
在国家的节能节材“九五”规划中建议将发展表面工程作为重大措施之一,并列为节能、节材示范项目[4]。
材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也被列人国家自然科学基金“九五”优先资助领域[5]。
2.几种具体表面工程技术表面工程技术多达几十类，有热喷涂技术、激光表面工程技术、堆焊表面工程技术还包括传统的表面工程技术如电镀、刷镀、化学镀、涂装、粘结、喷丸强化等和20世纪60年代以后发展的等离子弧表面处理、电子束表面处理、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积、离子束合成薄膜技术等。
各种表面工程技术都有各自的优缺点，如利用气态物质在固体表面发生化学反应来生成固态沉积物的化学气相沉积技术，可以用来制备玻璃态薄膜、结晶薄膜和纯金属薄膜、合金膜及金属间化合物薄膜，其沉积层质密均匀且与基体结合强度高，设备和操作也简单，但主要缺点是沉积温度高，通常在700-1000℃，限制了许多材料的应用；再如离子注入技术，优点是几乎所有可电离的元素都可用来注入材料表面，可获得各种过饱和的固溶层、非晶态和某些化合物层，有效增加表面硬度，但往往对材料表面造成辐射损伤，设备也较复杂[6]。
2.1热喷涂[7,8]2.1.1热喷涂的定义热喷涂是一种重要的表面工程技术，通过在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层，来实现耐磨、耐蚀、耐高温、绝缘、导光的功能特性。
近20年来发展迅速，由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到各种功能性涂层，由产品的维修发展到大批量的产品制造；由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层后加工的热喷涂系统工程。
其应用领域从宇航业开始，迅速发展到各民用工业部门。
热喷涂所用热源从电弧到等离子体、激光、电子束等，其喷涂粒子飞行速度从最初的几十m/s提高到1000m/s（爆炸喷涂），在我国“六五”、“七五”、“八五”期间连续被列为重点推广项目。
热喷涂技术有许多工艺方法，目前应用比较广泛的主要有火焰喷涂（丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂）、等离子喷涂和电弧喷涂，其所占市场份额见表1。
由于电弧性能不断改善，电弧喷涂在20世纪80年代再次兴起其原理是通过送丝装置将两根丝状金属喷涂材料送进喷极中两导电嘴内，作为阴、阳极，利用其接触短路生成电弧，熔化丝材，并用压缩空气雾化喷射到工件表面形成致密结合层。
由于用电能作为能源，在节能和经济方面都优于其它喷涂方法，喷涂效率高，涂层结合强度高，对于恶劣环境下的工件防腐，如煤矿井筒、水冷壁十分有效，用电弧喷涂Cr13修复造纸烘缸既耐磨又耐蚀。
目前我国的研究主要集中在封闭式电弧喷枪、推丝式送丝机构、平特性电源、药芯丝材喷涂材料等方面，国际上已研究高速射流电弧喷涂技术。
喷涂粒子的飞行速度对涂层的质量有很大影响。
近年来，国际上喷涂技术正向高能高速方向发展，以超音速火焰喷涂和超音速等离子弧喷涂为代表。
文献[9]指出：超音速火焰喷涂尤其适用金属合金及有粘结相的碳化物粉末涂层，而超音速等离子弧喷涂对高熔点材料陶瓷粉末最具优势。
塑料粉末喷涂是新兴技术。
由于塑料喷涂的不断完善及新型塑料粉末品种出现，20世纪70年代才得以在生产中应用，在防腐、装饰方面尤有优势。
塑料涂层具有良好化学稳定性、良好的耐蚀性:（酸碱及有机液）、吸震性、重量轻等优点。
塑料粉末火焰喷涂原理是用压缩空气将塑料粉末通过喷枪中心管道喷出，在塑料粉末外因喷枪中冷却压缩空气在最外层，为可燃气体火焰，通过空气层来加热塑料粉末至熔融状态，其要点在于粉末加热程度的控制。
美国和德国已生产出不预热可直接喷涂EVA的特殊塑料粉末。
我国尚处于开始阶段，装甲兵工程学院、北京新迪表面技术工程公司现已开发出了塑料喷涂装置。
对等离子弧喷涂机理的最新研究表明：粒子的温度是影响喷涂层结合的主要原因，等离子电弧功率的提高不能有效增加粒子温度。
低速等离子弧喷涂通过延长粒子加热时间获得高硬度涂层，已经试验证明。
喷焊在范畴上也属于热喷涂，是在喷涂层的基础上，加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火焰喷焊与等离子弧喷焊两类。
等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的，火焰喷焊通常是先形成涂层，然后再用火焰加热涂层，又称其为“重熔”处理。
经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。
热喷涂的具体应用可参见文献[10]。
2.1.2热喷涂的具体应用大型钢铁结构件的防护长期暴露在海洋环境中的大型钢铁构件，如钢结构桥、海上钻井平台、舰船的钢结构等会受到不同程度的腐蚀和侵蚀。
由于锌、铝、锌－铝涂层的电极电位均负于钢铁，故对钢铁结构能起到阴极保护作用。
热喷涂此类涂层作为钢铁构件的防护始于 20 世纪 20 年代［11］。
目前，在欧洲、美国、日本等发达国家仍广泛用其作为钢铁结构件长效防腐的方法［12-14］。
我国应用这种技术约有半个多世纪，例如 1964 年喷涂锌防护淮河蒋坝三河闸63 孔闸门［15］。
迄今为止，已在水工闸门、船体、海洋平台钢结构、码头钢管桩、桥塔、钢箱梁等结构中应用。
根据实际工程情况，通常将锌、铝或锌－铝防护层与封孔防锈层和防老化面漆层结合，形成多层防护体系，目前已获得较好的防护效果［16-17］。
与国外相比，我国利用锌、铝涂层的防腐蚀技术起步较晚，应用比例也远低于发达国家，还有待于进一步推广应用。
此外，相关的防护标准与评价方法也有待进一步完善。
2.2堆焊技术区别于其它表面工程技术，堆焊在使基体表面获得耐磨性能的同时，覆层材料与基体间形成牢固的冶金结合，因此，在一些要求表面不仅具有抗磨、抗蚀等性能而且还需承受强载荷作用的条件下，堆焊具有绝对优势，如冶金设备的轧辊等。
堆焊广泛应用于冶金、航空、机械等行业旧工件的修复和新产品的制造上，目前我国以修复为主。
2.2.1堆焊方法各国从20世纪50、60年代就开始发展各种各样的堆焊方法，基本上每种熔焊方法都可用于堆焊,应从：1焊件的尺寸和形状、2堆焊材料的化学组分、3合金化对母材性能的影响、4表面变形修整、5操作的费用等5个方面来具体考虑堆焊工艺方法。
采用每种堆焊方法都希望获得尽可能小的稀释率、好的堆焊层质量和经济效益，近年来堆焊工艺方法也都是围绕“优质、高效、低稀释率”来进行[18]的。
