第四章材料表面技术

1、材料工艺基础（材料表面技术）1材料工艺基础材料工艺基础第四章 材料表面技术材料工艺基础（材料表面技术）24.1 概述概述材料表面工程技术是指通过材料表面工程技术是指通过物理物理、化学化学工艺方法使材料表面工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的具有与基体材料不同的组织结构组织结构、化学成分化学成分和和物理状态物理状态，从，从而使经过处理后的表面具有与基体材料不同的性能。而使经过处理后的表面具有与基体材料不同的性能。工程意义：工程意义：经表面处理后的材料，其基体材经表面处理后的材料，其基体材料的化学成分、显微组织和性能料的化学成分、显微组织和性能并未发生变化，但其表面却具有并未发生变化，但其表面却

2、具有特殊的组织和性能，如耐磨性、特殊的组织和性能，如耐磨性、耐蚀性、耐热性、导电性、电磁耐蚀性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。特性、光学性能等。工程意义：工程意义：可以利用相对廉价的基材，通过可以利用相对廉价的基材，通过表面改性，达到采用整体材料同表面改性，达到采用整体材料同样的使用效果，满足服役需要，样的使用效果，满足服役需要，降低工件的材料成本。降低工件的材料成本。材料工艺基础（材料表面技术）34.1.2 表面工程技术分类表面工程技术分类o原子沉积物原子沉积物：原子在基体上凝聚，然后成核、长大最终形成薄膜，被原子在基体上凝聚，然后成核、长大最终形成薄膜，被吸附的原子处于快冷的非平衡

3、态，沉积层中有大量结构缺陷，沉积层常和吸附的原子处于快冷的非平衡态，沉积层中有大量结构缺陷，沉积层常和基体反应生成复杂的界面层。基体反应生成复杂的界面层。电镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、化学气相电镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、化学气相沉积、分子束外延等沉积、分子束外延等o粒状沉积物粒状沉积物：熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体材料熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体材料表面凝聚、沉积或烧结，涂层的显微结构取决于颗粒的凝固或烧结情况。表面凝聚、沉积或烧结，涂层的显微结构取决于颗粒的凝固或烧结情况。如：火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、搪瓷釉等如：火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、搪瓷釉

4、等o整体涂层整体涂层：将欲涂敷的材料于同一时间加于基体材料表面。将欲涂敷的材料于同一时间加于基体材料表面。如：涂漆、如：涂漆、包覆金属、静电喷涂、浸渍涂层等包覆金属、静电喷涂、浸渍涂层等o表面改性表面改性：用离子处理、热处理、机械处理及化学处理等方法处理材料用离子处理、热处理、机械处理及化学处理等方法处理材料表面，改变材料表面的组织结构和性能。表面，改变材料表面的组织结构和性能。如：化学转化膜、熔盐镀、喷丸如：化学转化膜、熔盐镀、喷丸强化、离子注入、激光处理、离子氮化等强化、离子注入、激光处理、离子氮化等分类根据沉积物的尺寸材料工艺基础（材料表面技术）4分类根据组织结构、成分和性能o表面组织强

5、化：表面组织强化：改善表面的显微组织改善表面的显微组织o表面合金化：表面合金化：改善表面合金成分改善表面合金成分o薄膜改性：薄膜改性：沉积到表面上形成薄膜沉积到表面上形成薄膜材料工艺基础（材料表面技术）5分类根据工艺特点u 表面热处理表面热处理u 表面机械强化处理表面机械强化处理u 气相沉积镀膜气相沉积镀膜u 热喷涂热喷涂u 高能束表面处理高能束表面处理u 电镀、化学镀电镀、化学镀u 其他其他材料工艺基础（材料表面技术）64.2 气相沉积技术气相沉积技术o在真空下用各种方法获得的气相原子或分子在基在真空下用各种方法获得的气相原子或分子在基体材料表面沉积以获得薄膜的技术。体材料表面沉积以获得薄膜

6、的技术。o适合于制备超硬、耐蚀、耐热、抗氧化薄膜；磁适合于制备超硬、耐蚀、耐热、抗氧化薄膜；磁记录、信息存储、光敏、热敏、超导、光电转换记录、信息存储、光敏、热敏、超导、光电转换等功能材料；装饰性薄膜；等功能材料；装饰性薄膜；o分类：分类：物理气相沉积物理气相沉积PVD 化学气相沉积化学气相沉积CVD材料工艺基础（材料表面技术）74.2.1 物理气相沉积物理气相沉积（PVD）PVD技术的应用实例：技术的应用实例：耐磨，减摩，耐腐蚀，耐磨，减摩，耐腐蚀，装饰或兼具二种及以装饰或兼具二种及以上功能上功能材料工艺基础（材料表面技术）8Coating of bladesCoating of vane材

7、料工艺基础（材料表面技术）9Process chamber with EB guns, crucibles and parts to be coated in the vapor cloud Loading chamber of an EB/PVD system, Complex substrate motions ensure a controlled thickness distribution Operators cockpit at an EB/PVD-production coater 材料工艺基础（材料表面技术）10The arc evaporation PVD coating p

8、rocess takes place in a vacuum chamber.材料工艺基础（材料表面技术）11PVD Coating Applications 材料工艺基础（材料表面技术）12the coefficient of friction, as measured in a ball on disk test材料工艺基础（材料表面技术）13材料工艺基础（材料表面技术）14真空蒸镀、阴极溅射和离子镀三大类真空蒸镀、阴极溅射和离子镀三大类采用高真空系统及低杂质含量气体，并能控制工作气采用高真空系统及低杂质含量气体，并能控制工作气体的流量或分压；体的流量或分压；能够很好控制涂层材料，并通过监

9、控蒸气流量来进行能够很好控制涂层材料，并通过监控蒸气流量来进行调整；调整；基材表面需经过细致处理；基材表面需经过细致处理；采用工作安装系统可以控制基材温度与沉积源的距离采用工作安装系统可以控制基材温度与沉积源的距离与方向；与方向；不同的过程对一些参数可有特殊的要求，如：基材偏不同的过程对一些参数可有特殊的要求，如：基材偏压、活性气体的引入等压、活性气体的引入等材料工艺基础（材料表面技术）15(I) 真空蒸镀真空蒸镀 基材表面状态：洁净基材表面状态：洁净镀膜质量镀膜质量 基材温度基材温度 基材表面粗糙度和表面显微组织基材表面粗糙度和表面显微组织主要部件：主要部件：真空容器、蒸发源、基材、真空容器

10、、蒸发源、基材、基材架和加热器基材架和加热器材料工艺基础（材料表面技术）16真空蒸镀法特点真空蒸镀法特点o镀膜由气相沉积而成，均匀性较好镀膜由气相沉积而成，均匀性较好o镀膜在高真空形成，可获得纯净的薄膜镀膜在高真空形成，可获得纯净的薄膜o可得到可得到0.01到几个微米厚的薄膜到几个微米厚的薄膜o成膜过程简单，工艺可精确控制成膜过程简单，工艺可精确控制应用：用于光学透镜应用：用于光学透镜的反射膜（多层氧化的反射膜（多层氧化物镀膜）及装饰用的物镀膜）及装饰用的金膜、银膜等。电子金膜、银膜等。电子元件及相关领域元件及相关领域u被镀基件材料的蒸汽压不能太高；被镀基件材料的蒸汽压不能太高；u零件大小受到

11、真空室大小的限制；零件大小受到真空室大小的限制；u零件隐蔽部位不能被镀覆，如深孔等；零件隐蔽部位不能被镀覆，如深孔等；u为了增加镀层结合力，蒸镀过程中零件为了增加镀层结合力，蒸镀过程中零件必须加热。必须加热。材料工艺基础（材料表面技术）17蒸镀种类蒸镀种类电阻加热源、电子束加热源、高频感应加热源、电阻加热源、电子束加热源、高频感应加热源、激光加热源激光加热源材料工艺基础（材料表面技术）18() 阴极溅射沉积阴极溅射沉积 磁控溅射磁控溅射 对置溅射对置溅射 离子束溅射离子束溅射8个区域个区域材料工艺基础（材料表面技术）19阴极溅射沉积分类阴极溅射沉积分类材料工艺基础（材料表面技术）20o应用普遍

12、，应用普遍，1974年工业化应用年工业化应用o原理原理： 离子轰击靶面产生的二次电子被电场加速飞向阳极。离子轰击靶面产生的二次电子被电场加速飞向阳极。附件磁场延长电子飞向阳极的行程，使电子增加碰附件磁场延长电子飞向阳极的行程，使电子增加碰撞电离几率，增加等离子体密度，提高溅射速率。撞电离几率，增加等离子体密度，提高溅射速率。 矩形平面靶和柱状靶矩形平面靶和柱状靶 矩形平面靶：广泛应用矩形平面靶：广泛应用磁控溅射沉积磁控溅射沉积材料工艺基础（材料表面技术）21溅射沉积的特点溅射沉积的特点o结合力较高；结合力较高；o容易得到高熔点物质的薄膜；容易得到高熔点物质的薄膜；o可以在较大面积上得到均一的薄

13、膜；可以在较大面积上得到均一的薄膜；o可以控制膜的组成，制备合金膜；可以控制膜的组成，制备合金膜；o可以长时间地连续运转；可以长时间地连续运转；o良好的再现性良好的再现性阴极溅射几乎可以制造一切物质的薄膜阴极溅射几乎可以制造一切物质的薄膜材料工艺基础（材料表面技术）22() 离子镀离子镀镀膜与离子镀膜与离子轰击改性同轰击改性同时进行时进行材料工艺基础（材料表面技术）23多弧离子镀多弧离子镀o蒸发源多，膜厚分布均匀蒸发源多，膜厚分布均匀o有效利用真空室有效利用真空室o靶材辐射热被水冷却，可靶材辐射热被水冷却，可使工件保持低温使工件保持低温o等离子体密度高，表面可等离子体密度高，表面可被离子轰击洁

14、净，而且可被离子轰击洁净，而且可增大偏压，结合力好增大偏压，结合力好材料工艺基础（材料表面技术）24离子镀典型应用离子镀典型应用o防腐蚀镀层防腐蚀镀层o耐磨镀层耐磨镀层o在触头上离子镀钌、铑等在触头上离子镀钌、铑等o在涡轮叶片上镀高温耐腐蚀合金在涡轮叶片上镀高温耐腐蚀合金o塑料基体上镀金属塑料基体上镀金属o声学方面的应用声学方面的应用o碳素纤维的应用碳素纤维的应用 粘着力强粘着力强 均镀能力好均镀能力好 被镀基体材料合镀被镀基体材料合镀层材料可广泛搭配层材料可广泛搭配 无污染无污染材料工艺基础（材料表面技术）25作业：作业：1）简述阴极简述阴极溅射沉积的原理和特点，举例其应用。溅射沉积的原理和

15、特点，举例其应用。 双号双号 材料工艺基础（材料表面技术）264.2.2 化学气相沉积化学气相沉积利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面利用气态化合物或化合物的混合物在基体材料表面（通常为热表面）上发生气相化学反应，从而在基材（通常为热表面）上发生气相化学反应，从而在基材表面上形成镀膜的技术。表面上形成镀膜的技术。CVD法法p 可沉积各种单晶、多晶或非晶态无机薄膜可沉积各种单晶、多晶或非晶态无机薄膜p 设备简单、操作方便、工艺上重现性好设备简单、操作方便、工艺上重现性好p 适于批量生产、成本低廉适于批量生产、成本低廉材料工艺基础（材料表面技术）27几种几种PVD法与法与CVD法的特性比较

16、法的特性比较项 目PVD法CVD法真空蒸镀阴极溅射离子镀镀金属镀金属可以可以可以可以可以可以可以可以镀合金镀合金可以，但困难可以，但困难可以可以可以，但困难可以，但困难可以可以镀高熔点化合物镀高熔点化合物可以，但困难可以，但困难可以可以可以，但困难可以，但困难可以可以沉积粒子能量沉积粒子能量/eV0.11110301000沉积速度沉积速度/(m/min)0.1750.0120.150较快较快沉积膜的密度沉积膜的密度较低较低高高高高高高孔隙度孔隙度中中小小小小极小极小基体与镀层的连接基体与镀层的连接没有合金相没有合金相没有合金相没有合金相有合金相有合金相有合金相有合金相粘结力粘结力差差好好最好最

17、好最好最好均镀能力均镀能力不好不好好好好好好好镀覆机制镀覆机制真空蒸发真空蒸发辉光放电、溅射辉光放电、溅射辉光放电辉光放电气相化学反应气相化学反应材料工艺基础（材料表面技术）28CVD反应基本类型反应基本类型o热分解反应热分解反应o还原反应还原反应o氧化反应氧化反应o水解反应水解反应o氮化反应氮化反应424140023( )( )2( )() ( )( )4( )( )( )2( )oCSiHgSi sHgNi COgNi sCO gCH SiCl gSiC sHCl g )(6)()(3)()(4)()(2)(7002624gHFsWgHgWFgHClsSigHgSiClCo )(2)()(

18、2)()(2)()()(22242224gOHsSiOgOgSiHgHsSiOgOgSiH)(3)(6)()(3)(3)(232223gCOgHClsOAlgHgCOgAlCl)(12)()(4)(324334gHsNSigNHgSiH材料工艺基础（材料表面技术）29CVD反应类型反应类型o碳化反应碳化反应o歧化反应歧化反应o合成反应合成反应o基体反应基体反应o综合反应综合反应)(4)()()(44gHClsTiCgCHgTiCl)()()(2)()()(24242gGeIsGegGeIgSiIsSigSiI高温)(2)()()()()(3)()()()(42334333gCHsCdSegSe

19、HgGdCHgCHsGaAsgAsHgGaCHHClTiBHBClTiCo6322100023材料工艺基础（材料表面技术）30CVD沉积层性能沉积层性能绝缘体薄膜、半导体薄膜、导体及超导体薄膜以绝缘体薄膜、半导体薄膜、导体及超导体薄膜以及防腐耐磨的薄膜及防腐耐磨的薄膜 常规CVD金刚石薄膜 纳米CVD金刚石薄膜 材料工艺基础（材料表面技术）31CVD设备设备 A type of CVD coating equipment for forming ceramic composites by CVD coating of carbon and SiC. It can manufacture adv

20、anced composites containing continuous fibers and by coating carbon and SiC on base materials.材料工艺基础（材料表面技术）32The CVD process can be used to deposit a coating on various substrates. 材料工艺基础（材料表面技术）33CVD涂层实例涂层实例SiC coating on a carbon substrate（thickness: 30 micron） SiC coating on a SiC fiber（thicknes

21、s: 3 micron） 材料工艺基础（材料表面技术）34材料工艺基础（材料表面技术）35The CA4120 used in nodular cast iron cutting work.Chipbreaker applications材料工艺基础（材料表面技术）36CVD processing材料工艺基础（材料表面技术）37CVD 涂层的应用实例涂层的应用实例材料工艺基础（材料表面技术）384.2.3 等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积利用直流或射频放电等离子体内的高能电子激活反应气体利用直流或射频放电等离子体内的高能电子激活反应气体分子使之离解或电离，从而获得分子使之离解或

22、电离，从而获得在化学上非常活泼的激发在化学上非常活泼的激发分子、离子、原子或大量活性原子团等，并在基体表面沉分子、离子、原子或大量活性原子团等，并在基体表面沉积镀膜，它们促进气相化学反应。积镀膜，它们促进气相化学反应。PCVD或或PECVD，“热力学效应热力学效应”&“&“动力学效应动力学效应”半导体微电子材料、光导纤维、太阳能电池、半导体微电子材料、光导纤维、太阳能电池、超硬材料、稀土化合物薄膜、有机聚合物等超硬材料、稀土化合物薄膜、有机聚合物等 o等离子体物理等离子体物理低压气体辉光放电过程低压气体辉光放电过程o等离子体化学等离子体化学不均匀的气固表面发生的多相化学反应不均

23、匀的气固表面发生的多相化学反应材料工艺基础（材料表面技术）394.3 热喷涂技术热喷涂技术材料工艺基础（材料表面技术）40将金属或非金属固体材料加热至熔化或半熔软化状态，将金属或非金属固体材料加热至熔化或半熔软化状态，然后将它们高速喷射到工件表面上，形成牢固涂层的然后将它们高速喷射到工件表面上，形成牢固涂层的表面加工方法。表面加工方法。热喷涂过程热喷涂过程材料工艺基础（材料表面技术）41热喷涂层的显微结构组成：热喷涂层的显微结构组成：涂覆材料；氧化物夹杂；涂覆材料；氧化物夹杂；空隙；未熔涂覆材料颗粒空隙；未熔涂覆材料颗粒主要材料：自熔性合金粉末：主要材料：自熔性合金粉末：脱氧和造渣功能脱氧和造

24、渣功能材料工艺基础（材料表面技术）42(I) 热喷涂技术分类热喷涂技术分类火焰喷涂火焰喷涂等离子喷涂等离子喷涂电热喷涂电热喷涂激光喷涂激光喷涂电弧喷涂电弧喷涂线材火焰喷涂线材火焰喷涂粉末火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂爆炸火焰喷涂爆炸火焰喷涂粉末火焰喷焊粉末火焰喷焊大气等离子喷涂大气等离子喷涂保护气体等离子喷涂保护气体等离子喷涂针孔等离子喷涂针孔等离子喷涂水稳等离子喷涂水稳等离子喷涂感应加热喷涂感应加热喷涂电容放电喷涂电容放电喷涂电爆喷涂电爆喷涂激光喷涂激光喷涂激光喷焊激光喷焊电弧喷涂电弧喷涂材料工艺基础（材料表面技术）43() 热喷涂技术特点热喷涂技术特点o涂层和基体材料广泛

25、涂层和基体材料广泛o热喷涂工艺灵活热喷涂工艺灵活o喷涂层、喷焊层的厚度可以在较大范围内变化喷涂层、喷焊层的厚度可以在较大范围内变化o生产效率高生产效率高o基体受热程度低，不会影响基体材料的组织和性能基体受热程度低，不会影响基体材料的组织和性能o喷涂合金材料利用充分喷涂合金材料利用充分o成本低，经济效益显著成本低，经济效益显著涂层的结合强度较低（主要为机械结合），涂层的孔隙率较涂层的结合强度较低（主要为机械结合），涂层的孔隙率较高；对于喷涂面积小的工件，喷涂沉积效率低，成本较高；高；对于喷涂面积小的工件，喷涂沉积效率低，成本较高；喷涂层的均匀性较差；难以对涂层质量进行破坏性检查。喷涂层的均匀性较

26、差；难以对涂层质量进行破坏性检查。材料工艺基础（材料表面技术）44() 热喷涂技术原理热喷涂技术原理材料工艺基础（材料表面技术）45() 涂层与基体结合方式涂层与基体结合方式o机械结合机械结合o物理结合物理结合o微扩散结合力微扩散结合力o微焊接结合微焊接结合材料工艺基础（材料表面技术）464.3.2 热喷涂工艺热喷涂工艺o粉末火焰喷涂粉末火焰喷涂材料工艺基础（材料表面技术）47flame spray材料工艺基础（材料表面技术）48flame sprayflame spray coatings for many applications for general repair and build

27、up as well as wear and corrosion resistance are readily available. Common alloys applied are aluminum bronze, stainless steels, and nickel or cobalt based alloys. 材料工艺基础（材料表面技术）49等离子喷涂等离子喷涂材料工艺基础（材料表面技术）50Plasma spray材料工艺基础（材料表面技术）51Above two figures present a model of a medium speed diesel engine p

28、iston with a ceramic coating, and a photo of a coating process by plasma spray. 材料工艺基础（材料表面技术）52材料工艺基础（材料表面技术）53CoatingCharacteristicsTypical ApplicationsCopper/silicon Carbide (HIPAC)High thermal conductivity, five times greater than cast iron.Good electrical conductivity.High wear resistanceHigh e

29、nergy absorbance and heat dissipationUsed on components subjected to high friction wear and heat build up cauded by rotating machine parts. Major uses are for brake and clutch components particularly on racing cars, bikes and other forms of transport.13% Chrome SteelMacrohardness -HRc 33 Tensile bon

30、d strength - 28 MPaHigh Strength Used extensively as a build up material. It can be ground finished to tight tolerances to reclaim shafts, hydraulic rams, pistons, bearings, plungers and other general engineering components.AluminumMacrohardness - RH 80 Tensile strength - 10 MPa，High resistance to c

31、orrosion of atmospheric，heat， chemical With appropriate sealing of the coating aluminum can be used as an all purpose coating to prevent atmospheric corrosion and sea water attack on steel structures.Aluminum BronzeMacrohardness - RB 80Wear resistant. Machines to excellent finish.It can be used for

32、repairing defects in bronze castings. Also for build up of worn areas on bushings, bearings and other bronze or brass items.Tin/Antimony/Copper (Babbit)For heavy duty bearingsZincFor general corrosion resistance for similar applications to aluminumMolybdenumFor high wear areas such as wire capstans,

33、 brake drums and machine knives.等离子喷涂层的应用实例等离子喷涂层的应用实例材料工艺基础（材料表面技术）54等离子喷焊层与其他涂层、焊层比较等离子喷焊层与其他涂层、焊层比较工艺方法工艺方法等离子喷焊等离子喷焊等离子喷涂等离子喷涂粉末火焰喷焊粉末火焰喷焊丝极埋弧堆焊丝极埋弧堆焊涂涂(焊焊)层类型层类型与基材结合类型与基材结合类型结合强度结合强度涂涂(焊焊)组织组织气孔率气孔率/%氧化物夹杂氧化物夹杂一般厚度一般厚度/mm喷焊层喷焊层熔合熔合高高焊态焊态无无无无0.55喷涂层喷涂层粘结（机械结合）粘结（机械结合）低低(60 N/mm2)变形粒子叠层变形粒子叠层210

34、有有0.31喷焊区喷焊区扩散扩散中中(200 N/mm2)焊态焊态微量微量少量少量0.53堆焊区堆焊区熔合熔合高高焊态焊态无无无无5材料工艺基础（材料表面技术）55材料工艺基础（材料表面技术）56H.V.O.F. Thermal Spray CoatingsThe Taskmaster High Velocity Oxygen Fuel thermal spray process provides High Density coatings with almost Negligible Porosity levels. This is a result of the high particle

35、 velocities produced by a combustion driven, high speed gas jet. HVOF is a supersonic process which delivers coating particles at over 7000 feet per second and can exceed bond strengths of 12,000 psi. It is an extremely versatile process that offers an unlimited range of possibilities to industries

36、with extreme corrosion and wear environments such as Oil and Gas, chemical and refinery, agriculture, marine, hydroelectric plants, and pulp and paper mills. 材料工艺基础（材料表面技术）57o作业：作业：1 1、分析讨论磁控溅射、等离子喷涂所制备薄膜分析讨论磁控溅射、等离子喷涂所制备薄膜（镀层）与金属基体的结合方式（镀层）与金属基体的结合方式2 2、分析火焰喷涂和等离子喷涂涂层组织结构特点、分析火焰喷涂和等离子喷涂涂层组织结构特点及与基体

37、结合力强度的差异及与基体结合力强度的差异 单号单号材料工艺基础（材料表面技术）584.4 激光表面处理技术激光表面处理技术将激光束照到工件的表面，以将激光束照到工件的表面，以去除或熔化去除或熔化材料以及材料以及改改变材料表面性能变材料表面性能的加工方法。的加工方法。材料工艺基础（材料表面技术）5910 kW CO2 Laser System with 3 axis cockpitVarious material processing applications:1.Deep penetration welding of moderate thick metal plates, 2.Laser s

38、urface hardening, 3.Laser surface re-solidification, 4.Laser surface cladding & alloying 5. Cutting of thick concrete blocks etc. for decontamination and decommissioning applications.材料工艺基础（材料表面技术）60 A new cladding process developed at the Fraunhofer Center for Surface and Laser Processing utili

39、zes a 3 kW direct diode laser and a coaxial powder-feeding nozzle. 材料工艺基础（材料表面技术）614.4.1 激光表面处理特点激光表面处理特点材料工艺基础（材料表面技术）624.4.2 激光淬火激光淬火又称为激光相变硬化，是以高能量又称为激光相变硬化，是以高能量的激光束快速扫描工件，使材料表的激光束快速扫描工件，使材料表面极薄一层的局部小区域快速吸收面极薄一层的局部小区域快速吸收能量而使温度急剧上升，此时工件能量而使温度急剧上升，此时工件基体仍处于冷态，由于热传导的作基体仍处于冷态，由于热传导的作用，此局部区域内的热量迅速传递

40、用，此局部区域内的热量迅速传递到工件其他部位，冷却速度可达到到工件其他部位，冷却速度可达到105/s以上，使该局部区域在瞬间以上，使该局部区域在瞬间进行自冷淬火，因而使材料表面发进行自冷淬火，因而使材料表面发生相变硬化。生相变硬化。laser hardened zone 材料工艺基础（材料表面技术）63材料工艺基础（材料表面技术）64Set LASER hardening of chamfering and folding tools. LASER hardening on a long chamfering toolBig size deep drawing tool for car bod

41、y steel sheets - LASER hardening of curves and edgesBig size tool - we can work on tools with a total weight of up to 40 tons.材料工艺基础（材料表面技术）65 LASER hardening of an injection mould.LASER hardening of bearing faces on a shaft for air-plane manufacturing.LASER hardening of a gear spindle, track width

42、ca. 60mm.LASER hardening with solid state LASER and robot of a car body deep drawing tool.LASER hardened faces and edges of punching tools 材料工艺基础（材料表面技术）66激光淬火技术的性能和优点激光淬火技术的性能和优点oMax depth in stress relieved material: ca. 1,2 mm oMax depth in annealed material: ca. 1,6 mm oUniformity of hardness de

43、pends on material properties oUniformity in case of thermal stress relieved material : same as base material oUniformity in case of annealed material: 3 HRC oProcess controlled by thermal emission control (reaction time: 1ms) oThermal control achieves max. hardness according to material properties o

44、Precise control of affected surface zones oHigh hardness gradient oNo use of cooling agents or chemicals oposthardening possible, hardened areas with low hardness (e.g. 50 HRC) can be improved by LACID to (e.g. 60 HRC) oNo limits to size or weight of workpiece 材料工艺基础（材料表面技术）674.4.3 激光合金化激光合金化在高能激光束作

45、用下，将一种或多种合金元素与基材表面在高能激光束作用下，将一种或多种合金元素与基材表面快速熔凝，从而使材料表层获得具有预定的高合金特性。快速熔凝，从而使材料表层获得具有预定的高合金特性。激光合金化凝固组织有以下形态：激光合金化凝固组织有以下形态： 平面晶平面晶 胞状晶胞状晶 胞状树枝晶胞状树枝晶 树枝晶树枝晶等轴枝晶等轴枝晶材料工艺基础（材料表面技术）684.4.4 激光表面熔覆激光表面熔覆利用激光加热基材表面以形成一个较浅的熔池，同时送入利用激光加热基材表面以形成一个较浅的熔池，同时送入预定成分的合金粉末一起熔化后迅速凝固；或者将预先涂预定成分的合金粉末一起熔化后迅速凝固；或者将预先涂敷在基

46、材表面的涂层与基材一起熔化后迅速凝固，以得到敷在基材表面的涂层与基材一起熔化后迅速凝固，以得到一层新的熔覆层。一层新的熔覆层。A comparison of the profiles of two NiCrMo clads. The clad on the right was produced at a travel speed of 0.45 m/min, the clad to the left at a process speed of 0.70 m/min. 材料工艺基础（材料表面技术）694.4.5 其他激光表面处理技术其他激光表面处理技术o激光化学气相沉积激光化学气相沉积(LCVD

47、)o激光物理气相沉积激光物理气相沉积(LPVD)o激光离子注入激光离子注入o激光表面非晶化激光表面非晶化(激光上釉激光上釉)o激光冲击硬化激光冲击硬化o激光熔渗处理激光熔渗处理材料工艺基础（材料表面技术）70作业作业:简述并举例分析激光表面处理的特点。简述并举例分析激光表面处理的特点。双号双号材料工艺基础（材料表面技术）714.5 电镀电镀在电流作用下，在在电流作用下，在作为阴极并浸入电作为阴极并浸入电解质溶液中的材料解质溶液中的材料的导电表面上形成的导电表面上形成与基体牢固结合的与基体牢固结合的镀覆层的过程。镀覆层的过程。镀层金属：结晶形镀层金属：结晶形核与长大的过程。核与长大的过程。材料工

48、艺基础（材料表面技术）72o法拉第定律法拉第定律 阳极和阴极上溶解和析出的物质质量阳极和阴极上溶解和析出的物质质量（m）与通过电解与通过电解质溶液的电量质溶液的电量（Q）成正比：成正比： m = cQ c：常数（电化当量），：常数（电化当量）， Q= It I: 电流密度，电流密度，t： 通电时间通电时间 p法拉第第二定律法拉第第二定律 当以相同的电量通过电解液时，在阳极溶解和阴极析当以相同的电量通过电解液时，在阳极溶解和阴极析出物质的量相等。析出出物质的量相等。析出1 mol的任何物质所需的电荷为的任何物质所需的电荷为一常数，即一常数，即96485 C/mol，F（法拉第常数）（法拉第常数）

49、电镀理论基础电镀理论基础材料工艺基础（材料表面技术）73o金属电镀沉积金属电镀沉积（1）金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，电极的电金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，电极的电位：位： = P k P：金属的平衡电极电位；：金属的平衡电极电位； k：此电流密度下的阴极过电位：此电流密度下的阴极过电位 在水溶液中，位于铬族左方的金属元素不能单独在电极上在水溶液中，位于铬族左方的金属元素不能单独在电极上电沉积。电沉积。（2）金属络离子的阴极还原：提高阴极极化，改善镀层质量）金属络离子的阴极还原：提高阴极极化，改善镀层质量（3）添加剂：提高电沉积过电位，改善镀层质量）添加剂：提高电沉积过电位，改善镀层质量（4）阴极极化：阴极电位向负方向移动）阴极极化：阴极电位向负方向移动电镀理论基础电镀理论基础材料工艺基础（材料表面技术）74o金属电镀过程金属电镀过程（1）金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴极界面；）金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴极界面；（2）金属水合离子或络离子解离，金属离子在阴极上得到电子，）金属水合离子或络离子解离，金属离子在阴极上得到电子，发生还原反应生成金属原子；发生还