材料成形技术基础 第8章 表面成形及强化技术

1、第八章第八章 表面成形及强化技术表面成形及强化技术一、热喷涂技术一、热喷涂技术 1.热喷涂方法分类：8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术热喷涂热喷涂火焰喷涂火焰喷涂等离子喷涂等离子喷涂电弧喷涂电弧喷涂其它喷涂方法其它喷涂方法粉末火焰喷涂粉末火焰喷涂线材火焰喷涂线材火焰喷涂爆炸火焰喷涂爆炸火焰喷涂超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂大气等离子喷涂大气等离子喷涂低气压等离子喷涂低气压等离子喷涂高频等离子喷涂高频等离子喷涂水稳等离子喷涂水稳等离子喷涂激光喷涂激光喷涂线爆喷涂线爆喷涂2.2.火焰喷涂火焰喷涂（1）线材火焰喷涂：将线材（或棒材）从喷涂枪中心孔送出，并使线材（或-棒材）端部进入氧燃气火焰熔化，

2、周围的压缩空气流（雾化气）将熔化的金属微粒化，并喷射到基材表面沉淀为涂层 8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术线材火焰喷涂原理示意线材火焰喷涂原理示意8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术（2）粉末气体火焰喷涂：粉末材料由送料罐内自然落下而进入，或由自动送给粉末装置将粉末送入喷枪内部的气流中，随气流从喷嘴端部的燃烧火焰喷出，在飞行中加热和加速，成为熔融粒子，高速地撞击到基体表面上成为扁平状粒子，形成所需涂层 （3）超音速火焰喷涂：当一定压力的氧气与气体燃料在燃烧室内燃烧产生的压力使得燃气流在喷枪出口处的排泄达到阻塞条件时，从出口处排出的火焰流可达到超音速 粉末气体火焰喷涂原理示意粉末气体

3、火焰喷涂原理示意超音速火焰喷涂枪原理示意超音速火焰喷涂枪原理示意3.3.等离子弧喷涂等离子弧喷涂 将粉末送进高温、高速等离子弧中加热熔化并使其高速撞击于基体表面形成涂层 4.4.电弧喷涂电弧喷涂 送入喷枪的两根喷涂用线材彼此绝缘，在喷枪端部分别接直流电源的正、负极，两根线材在喷嘴端部形成电弧。利用电弧热熔化线材，通过高压气体或压缩空气雾化成小颗粒并加速使其向基体表面喷去，在表面形成涂层 8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术等离子弧喷涂原理示意等离子弧喷涂原理示意电弧喷涂原理示意电弧喷涂原理示意1-1-直流电源，直流电源，2-2-金属丝，金属丝，3-3-送丝滚轮，送丝滚轮，4-4-导电块，导

4、电块，5-5-导电嘴，导电嘴，6-6-空气喷嘴，空气喷嘴，7-7-电弧，电弧，8-8-喷涂射流喷涂射流二、涂层结合机理、结构特点及喷涂材料二、涂层结合机理、结构特点及喷涂材料 1.热喷涂层与基体结合机理 机械结合 金属键结合 微扩散结合 微熔合 8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术2.涂层结构特点 l 涂层平行和垂直于表面的两个方向性能不一致，表现为涂层结构不均匀性l 涂层是由撞击基体表面的熔融粒子堆积而成，因此必然会存在许多没有完全填满的部位，表现为涂层的多孔性l 一般情况下（低压等离子喷涂和惰性气体中喷涂除外），熔融颗粒表面都覆盖有氧化膜，因此涂层中含有大量氧化膜，表现为涂层化学不均匀

5、性l 由于熔融粒子的快速冷却和收缩，会产生内应力，表现为涂层中存在有较大内应力3.热喷涂材料 l自熔合金：自熔合金：含有一定量B、Si的镍基、铁基、钴基和铜基合金，为了提高涂层性能，除了B、Si外还有Cr、C等元素l陶瓷材料：陶瓷材料：Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2等氧化物为最常用的一类陶瓷喷涂材料。ZrO2主要用作热障涂层，其他的常用于耐磨损零件l金属陶瓷：金属陶瓷：碳化物由于高温稳定性差，一般用金属作粘接剂制成金属陶瓷粉末l自粘结喷涂粉末：自粘结喷涂粉末：常用的自粘结性粉末有Ni-Al和NiCr-Al复合粉末这种复合粉末常采用包覆形式 8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术三

6、、电镀、化学镀及堆焊三、电镀、化学镀及堆焊 1.电镀：l 在含有欲镀金属的盐溶液中，以被镀工件为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在工件表面上还原成金属（或合金）的过程l 随着电镀技术的广泛应用，开发了许多电镀工艺，主要包括合金电镀、复合电镀、电刷镀等8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术p 合金电镀：是在一个镀槽中同时沉积含有两种或两种以上金属元 素形成合金镀层的技术p 复合电镀：是在金属电沉积过程中，将悬浮在电镀液中的一种或数种不溶性的固体颗粒，与金属一起均匀地沉积夹杂到金属镀层，形成复合镀层的方法p 电刷镀：浸满镀液的毛刷或镀笔作阳极，工件作阴极。镀笔在工件表面上移动，两者之

7、间镀液中的金属离子在电场作用下移到工件表面，获得电子后还原成金属原子，在表面沉淀结晶，形成镀层8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术p 电刷镀：浸满镀液的毛刷或镀笔作阳极，工件作阴极。镀笔在工件表面上移动，两者之间镀液中的金属离子在电场作用下移到工件表面，获得电子后还原成金属原子，在表面沉淀结晶，形成镀层电刷镀原理示意电刷镀原理示意8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术2.化学镀：又称为无电解镀。是采用某种还原剂，把溶液中的金属离子还原为金属，沉积在经过处理，具有催化活性的金属或非金属基体表面通过化学镀可镀的金属有Ni、Co、Pt、Cu、Ag、Au等金属及其合金 3.堆焊：堆焊是用焊接方法

8、在零件表面堆敷一层金属的工艺过程，其目的不是为了连接零件，而是为了使零件获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属材料，或是为了恢复或增加零件的尺寸四、表面沉积四、表面沉积 1.物理气相沉积：物理气相沉积： 真空蒸镀：真空蒸镀常在110-2210-4Pa的真空度下进行，加热置于坩锅内的材料，使其蒸发（或升华），产生的蒸气原子（或分子）向周围运动，当碰到温度较低的基体时，将凝结在基体表面形成镀膜8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术真空蒸镀原理示意真空蒸镀原理示意 溅射镀膜：利用辉光放电或离子源产生的包括正离子 在的荷能离子轰击靶材时，通过粒子动能传递打出靶材中的原子及其它粒子，即为溅射过程

9、，使溅射出来的原子或其他粒子沉积凝集在基体表面形成薄膜的方法离子镀（IP）：通过蒸发源，在真空条件下使金属或合金蒸发，利用某些惰性气体的辉光放电使气化的物质离子化，离子在高电压电场的作用下加速向工件（阴极）运动，在工件表面接受电子，并沉积在带电的工件上，形成镀层8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术离子镀原理示意离子镀原理示意2.2.化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD法）法）l 将常温下不发生化学反应的单质气体或气体化合物，利用运载气体送至被加热到高温的衬底表面附近，在其表面上发生化学反应生成固态物质并沉积于衬底之上形成固态薄膜l 可以制备各种用途的薄膜，主要包括绝缘体薄膜，导体及超导

10、体薄膜以及防腐耐磨薄膜，同时用于高熔点金属的提纯，新材料的制备8-1 8-1 表面涂层技术表面涂层技术化学汽相淀积原理示意化学汽相淀积原理示意一、固态一、固态表面强化表面强化 在工件表面通过机械的作用使其产生塑性变形实现表面强化。在工业上常用的表面加工硬化方法有抛丸处理、滚压加工、内孔挤压等，其中以抛丸处理应用最广泛 8-2 8-2 表面改性技术表面改性技术二、表面相变强化二、表面相变强化 依热源不同，其方法分有： 感应加热表面淬火 激光加热表面淬火 火焰加热表面淬火 电子束加热表面淬火 目前应用较多的为感应加热与激光加热表面淬火三、化学热处理强化三、化学热处理强化 利用固态扩散使合金元素渗入

11、金属表面层的一种热处理强化工艺 主要用途有两个方面：是提高工件表面的疲劳强度、硬度和耐磨性，如渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、硫氮共渗、碳氮硼共渗是增加工件表面抗腐蚀、氧化性能，如渗铬、渗硅、渗硼可提高工件表面抗腐蚀性，而渗铝、渗铬可增加工件表面的抗氧化性8-2 8-2 表面改性技术表面改性技术四、液态表面强化四、液态表面强化1.激光表面熔化凝固处理： 使激光束能量进一步增加，金属表面层温度超过固相线温度而熔化，然后依靠基体自冷效应使表面层熔体快速凝固，则可获得特殊的表层组织。当激光熔凝处理时，冷却速度可高达106/s，这一冷速足以抑制正常晶粒的形成，使表层1100m深度内产生亚稳结构 2.激光表

12、面合金化： l 是在激光束作用下，将一种或多种合金元素与基体表面一起快速熔凝，从而使价廉材料表面具有预定的高合金结构与特性的技术l 它比激光表面熔化-凝固处理多了向表面添加合金元素的内容，从而使表面不仅因快速冷却产生组织变化，而且便其成分也有不同的变化 8-2 8-2 表面改性技术表面改性技术3.激光熔敷处理 是将具有表层拟得到成分的合金粉末预先涂敷在零件表面，通过激光束使之熔化并与基材达到冶金结合 目前常用的工艺是将自熔合金粉末用粘接剂调成膏状涂敷在待熔敷的表面，有时也用各种喷涂方法将合金粉末喷在待熔敷表面，而后用激光束照射 为防止处理时，金属或合金粉末的氧化，在激光照射的同时，对照射区喷惰性气体（氩气或氦气）保护 8-2 8-