表面工程技术.ppt

1,表面工程技术及其应用,丁 彰 雄武汉理工大学能源与动力工程学院2013年4月,2,表面工程技术及其应用,1.表面工程概述机械设备的失效方式表面工程的概念表面工程的特点表面工程的意义表面工程技术的发展表面工程技术的分类2.表面工程技术的应用,3,机械设备的主要的失效方式,腐蚀：气、水及化学介质的作用使零部件表面产生腐蚀。磨损：工件之间的相互运动产生磨损。氧化：零部件工作在高温中表面会产生氧化。侵蚀：工件因接触高温金属熔体或其它熔体而被侵蚀。疲劳断裂：工件承受扭转或弯曲等交变载荷作用而产生疲劳断裂。,腐蚀和磨损造成的损失各种机电产品的失效中约70%是由腐蚀和磨损造成的。2002年我国因腐蚀所造成的经济损失达6000亿元，占国民生产总值(GDP)的5%。2006年我国因磨损所造成的经济损失达9500亿元，占国民生产总值(GDP)的4.5%。国外腐蚀和磨损造成损失占国民生产总值(GDP)的4.5%。,轴流式引风机叶片磨损后的形貌,油缸拉伤表面(H=3.3m，d=1.12m，W=18t),7,脱硫装置浆液循环泵叶轮,8,浆液循环泵叶轮失效后的形貌,9,浆液循环泵叶轮,10,失效后的循环浆液泵叶轮,11,失效后的循环浆液泵叶轮,12,脱硫装置浆液循环泵口环,13,浆液循环泵口环失效后的形貌,14,脱硫装置吸收塔搅拌器叶轮,15,吸收塔搅拌器叶轮失效后的形貌,16,吸收塔搅拌器叶轮失效后的形貌,17,吸收塔搅拌器叶轮失效后的形貌,18,腐蚀后的锅炉水冷壁管,19,图1-4 爆管后的锅炉水冷壁管,腐蚀失效的管子及拉杆套管,不锈钢管爆裂部位的外观全貌,曲轴及断裂部位,22,磨损后的船舶柴油机曲轴,23,失效后的船舶柴油机气缸套,24,已损伤后的船舶柴油机气缸套,25,已损伤后的船舶柴油机气缸盖,26,船舶螺旋桨,27,锅炉水冷壁现场喷涂NiCr合金防腐耐磨涂层,28,喷涂防腐耐磨涂层后的水冷壁管,29,超音速火焰喷涂制备纳米WC-12Co防腐耐磨涂层,30,HVOF制备纳米WC-12Co涂层后的浆液循环泵叶轮,31,防腐处理后的浆液循环泵叶轮,32,表面工程的概念,1.表面工程的概念:它是指将固体材料表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体材料表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所需要的表面性能的系统工程。2.表面工程的学科体内容：表面工程基础理论；表面工程技术及复合表面技术；表面加工技术；表面质量检测与控制；表面工程技术设计等。3.表面工程基础理论：表面失效分析、表面摩擦与磨损、表面腐蚀与防护、表面界面结合与复合。,33,表面工程的概念,4.表面工程技术：1)表面改性技术：化学镀、电镀、热渗镀、堆焊、热喷涂、涂装、化学转化膜、气相沉积、表面彩色、激光束改性及表面热处理、离子束改性及表面热处理、电子束改性及表面热处理、形变强化和衬里。2)表面加工技术：即能够在材料表面加工或制作各种功能结构元器件的有关技术，如：光刻技术、离子刻蚀技术。3)表面合成材料技术：如离子注入。4)表面加工三维合成技术。,34,表面工程的特点,1.表面工程是由多个学科交叉、综合发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心。2.表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能涂层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。3.表面工程技术是传统技术和高新技术的结合和贯通。如：化学热处理、热喷涂技术、“三束”表面强化。4.表面工程技术的特色是多种表面技术的复合和综合。如：热喷涂与激光重熔的复合、化学处理与电镀的复合、表面强化与固体润滑膜的复合，金属材料基体与非金属材料涂层的复合等。5.表面工程具有学科的综合性、广泛的功能性、手段的多样性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性、巨大的增效性等。,35,表面工程的意义,1.满足社会生产及人民生活的需要 表面工程技术应用在钟表、手饰、灯具、餐具、家具及仿古建筑等方面。2.通过表面处理大幅度提高产品质量1)柴油机气缸套：表面处理后提高寿命显著提高(Mo、WC/Co)。2)机械阀门：表面处理后提高寿命三倍以上（Co基、WC-Co）。3.节约贵重材料：许多零件可以采用复合结构如阀门、高级模具。4.实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题。如：切削刀具：CVD镀TiN、TiC薄膜。5.良好的节能、节材效果。如：发热元件表面的远红外辐射涂层，能提高热效率；汽车发动机全铝化、铝合金气缸套的耐磨涂层使用。,36,表面工程的意义,6.促进了新兴工业的发展。1)热障涂层：ZrO2Y2O3、ZrO2MgO、ZrO2CeO2等。2)烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。3)超大规模集成电路中的金刚石薄膜（CVD技术）、绝缘膜、导电涂层等。4)非晶态薄膜：气相沉积、电镀、刷镀、激光、电子束等方法制造。5)原子核反应器中的高温抗氧化涂层。6)纳米涂层：纳米结构ZrO2Y2O3涂层、Al2O3涂层及WC-Co涂层。,37,表面工程的意义,7.表面工程促进了机械维修创新-再制造1984年美国“技术评论”提倡旧品翻新或再生并称为“重新制造”，2005年美国再制造产值已超过1000亿美元，100万人就业。德国大众从1941年开始再制造，到2004年已再制造发动机748万台，变速器240万台。以色列将一台价值200万美元废旧波音747客机再制造成货机后，售价达到8000万美元。再制造成本节约50%，节能60%，节材70%。再制造目前已在我国得到了广泛的重视。2009年11月，工业与信息化部启动了包括工程机械、矿采机械、机床、船舶、再制造产业集聚区等在内的8大领域35家企业的再制造试点工作。2009年12月8日，国务院总理温家宝就再制造作出了重要批示。,38,表面工程技术的发展,1.传统的表面工程技术：表面热处理、表面渗碳及油漆技术。秦兵马俑宝剑表面是采用铬盐氧化工艺处理；“唐三彩”及“景泰蓝”的处理工艺。高分子涂装技术：50年代油性涂料、天然树脂涂料合成树脂水系涂料。传统的表面淬火：火焰加热高频加热激光束、电子束淬火。渗碳工艺：自动控制、离子渗碳改善渗碳质量和速度。电镀及电刷镀技术：纯金属镀Zn、Cr、Ni、Cu(Cu-Ni-Cr)镀覆多种合金复合金属陶瓷镀层纳米刷镀层。热喷涂技术：装饰性和防护性涂层到制备各种功能性涂层，如：气阀涂层、活塞环涂层等。,39,表面工程技术的发展,2.新的表面工程技术激光表面处理:激光表面淬火、激光熔敷、激光表面合金化、激光熔凝及激光非晶化等。电子束表面处理：电子束淬火、电子束表面合金化、电子束熔敷、电子束非晶化及熔凝。离子注入：可获得过饱和固溶体、非晶态和某些化合物。化学气相沉积（CVD）。物理气相沉积（PVD）法：真空蒸发、溅射、离子镀等方法沉积成膜。,40,表面工程技术的发展,3.表面工程概念的提出和发展的重要标志表面工程概念的提出始于20世纪80年代；重要标志：1983英国伯明翰大学表面工程研究所的建立；1985年表面工程国际刊物的发行。1985年召开了第一届国际表面工程会议。1986年10月在布达佩斯召开的国际热处理联合会决定接受表面工程学科，并改名为国际热处理及表面工程联合会。1987年中国机械工程学会表面工程研究所成立。1988年中国表面工程创刊发行，1998年改名为中国表面工程。1993年中国机械工程学会表面工程分会成立。,41,表面工程技术的分类,1.按工艺特点进行分类：电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气相沉积、“三束”改性及表面热处理，形变强化及衬里。2.按学科特点分类1)表面合金化技术：喷熔、堆焊、离子注入、激光熔敷、热渗镀等。2)表面覆层与覆膜技术：热喷涂、电镀、化学镀、化学转化处理、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热渗镀等。3)表面组织转化技术：激光、电子束热处理以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。,42,表面工程技术的分类,3.按作用原理分类：1)原子沉积：电镀、化学镀、PVD用CVD等。2)颗粒沉积：热喷涂、搪瓷涂敷等。3)整体涂层：包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。4)表面改性：喷丸、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。,43,表面工程技术的分类,4.按表面改性的目的或性质分类1)表面减摩和耐磨技术2)表面耐蚀抗氧化技术3)表面强化（提高疲劳强度）技术4)表面装饰技术5)功能表面技术6)表面修复技术,44,表面工程技术的分类,5.按表面工程技术的特点1)表面改性技术：激光淬火、感应加热淬火、喷丸、PVD、CVD、化学溶液沉积法、热喷涂与喷熔、堆焊等。2)表面微细加工技术：光刻和腐蚀、离子束刻蚀。3)表面加工三维成型技术：快速原型制造、无模快速制造技术。4)表面合成新材料技术。,45,表面工程技术的分类,6.按表面改性的机制分类：1)表面合金化：离子轰击热处理、化学热处理、激光化学热处理、离子注入、离子混合或重熔。2)表面相变改性：激光束加热、电子束加热、感应加热、火焰加热。3)表面覆盖层改性：物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、化学镀、热喷涂、有机无机涂层4)表面形变改性：喷丸、喷砂、碾（滚）压。,46,表面工程技术的应用领域,航天航空、机械、电子、冶金、能源、交通、石油、化工、食品、轻纺等，并在高科技领域得到了应用。,47,表面工程技术的应用航天航空,国产直-8AEW舰载预警直升机,48,表面工程技术的应用航天航空,国产ARJ21支线客机,49,表面工程技术的应用航天航空,武直-10,50,表面工程技术的应用航天航空,歼10战斗机,51,表面工程技术的应用航天航空,歼21战斗机,52,表面工程技术的应用航天航空,歼31型隐身战机(2012.10.31),53,表面工程技术的应用航天航空,1.绝热涂层（TBCs）；2.冲蚀涂层(高温);3.封严涂层；4.腐蚀涂层（热腐蚀）；5.烧蚀涂层；6.吸收涂层。,54,表面工程技术的应用景泰蓝工艺品,55,表面工程技术的应用水力发电,长江三峡大坝,56,表面工程技术的应用钢结构防腐,广州电视塔,57,表面工程技术的应用铁路交通,和谐号高速列车,58,表面工程技术的应用钻井平台,深水半潜式钻井平台COSLINNOVATOR(2011.10),59,表面工程技术的应用舰船,辽宁舰航母,60,表面工程技术的应用舰船,辽宁舰航母,61,表面工程技术在船舶机械零件中的应用,表面工程技术在柴油机气阀中的应用。表面工程技术在曲轴等轴类零件中的应用。表面工程技术在柴油机气缸盖阀座中的应用。表面工程技术在尾轴耐磨衬套中的应用。表面工程技术在柴油机燃烧室中的应用。表面工程技术在船舶钢构件防腐中的应用。表面工程技术在巴氏合金薄壁轴瓦中的应用。表面工程技术在船舶其它机械零件中的应用。,62,表面工程技术在柴油机气阀中的应用,1.涂层功能：恢复尺寸、高温耐磨及腐蚀。2.涂层材料：Ni、Co基合金、WC-Co-Cr等。3.工艺方法：等离子弧堆焊;激光熔敷火焰喷熔;真空熔烧;HVOF。,63,表面工程技术在柴油机气阀中的应用,64,表面工程技术在曲轴等轴类零件中的应用,1.涂层功能：恢复尺寸、耐磨2.涂层材料：Cr、Ni、Fe基合金3.工艺方法：电镀技术：镀铁、镀铬、刷镀；热喷涂技术：火焰喷涂、高速电弧喷涂、等离子弧喷涂、超音速火焰喷涂。激光表面技术处理：激光堆焊；塑性变形技术：滚压。,65,热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用,66,热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用,67,热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用,68,热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用,69,热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用,70,尾轴零件轴承位腐蚀后的状况,71,高速电弧喷涂在尾轴零件中的应用,72,尾轴零件涂层机加工后的状况,73,表面工程技术在柴油机气缸套中的应用,1.涂层功能：高温耐磨及耐腐、抗汽蚀、恢复尺寸。2.涂层材料：Cr、Ni基及Co基合金、Mo、金属陶瓷、高分子陶瓷等。3.工艺方法：电镀技术：松孔镀铬、硬质镀铬等。激光技术：激光淬火及激光熔覆技术。热处理技术：等离子淬火、等离子多元共渗、氮化处理、感应淬火。热喷涂技术：HVOF、高速电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂等。粘结技术：涂刷环氧树脂或尼龙等。,74,表面工程技术在柴油机气缸盖阀座中的应用,1.涂层功能：恢复尺寸、高温耐磨及耐腐2.涂层材料：Ni、Co基合金3.工艺方法：等离子弧堆焊；激光熔敷；火焰喷熔。,75,热喷涂技术在柴油机气缸盖阀座中的应用,76,表面工程技术在船舶尾轴耐磨衬套中的应用,1.涂层功能：耐磨、恢复尺寸2.涂层材料：Cr、Ni及Fe基合金3.工艺方法：高速火焰喷涂；高速电弧喷涂；线材火焰喷涂；等离子喷涂；硬质镀铬。,77,热喷涂技术在船舶尾轴耐磨衬套中的应用,78,热喷涂技术在船舶尾轴耐磨衬套中的应用,79,表面工程技术在柴油机燃烧室中的应用,1.涂层功能：绝热2.涂层材料：ZrO2、Al2O3、NiCr、NiCr/Al、NiCrAlY 3.工艺方法：等离子喷涂、高速火焰喷涂,80,表面工程技术在船舶及海洋钢结构中的应用,1.涂层功能：防腐2.涂层材料：Zn、Al；Zn-Al合金3.工艺方法：线材火焰喷涂；电弧喷涂,81,表面工程技术在巴氏合金薄壁轴瓦中的应用,1.涂层功能：恢复尺寸；耐磨2.涂层材料：巴氏合金3.工艺方法：火焰喷涂,82,表面工程技术在船舶其它机械零件中的应用,柴油机机座活塞及活塞环摇壁活塞销泥泵壳及衬板挖泥船绞刀,83,我校开展表面工程的现状,我校从1981年开始从事热喷涂技术的应用研究工作。我校为全国热喷涂协作组理事单位，湖北省热喷涂协作组付组长单位。涂层制备设备：火焰粉未喷涂、火焰线材喷涂、亚超音速火焰喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂。从事研究范围：耐磨涂层、热障涂层及耐腐涂层。从事研究领域：船舶、能源、冶金及汽车等。,