工程材料及热加工基础 第四章 金属热处理与表面改性.ppt

工程材料及热加工基础,南京航空航天大学材料学院梁文萍,第四章 金属热处理与表面改性,4.1 钢的热处理原理,4.2 钢的常规热处理工艺,4.3 钢的表面热处理,4.4 机械制造过程中的热处理,4.5 表面工程新技术,学习要求和难点,学习重点：钢 在加热和冷却过程中组织的变化。C曲线。常规的几种热处理工艺。不同表面处理工艺的区别。,1.热处理的定义:将金属在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺方法。,概 述,2.热处理的主要目的:改变钢的性能。不改变形状、尺寸，可大大提高寿命与安全性；可减小尺寸，节约材料；可赋予材料新的性能；可改善材料工艺性。,概 述,4.热处理的分类,热处理,普 通热处理,表 面热处理,退火;正火;淬火;回火;,表面淬火,化 学 热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,渗碳;渗氮;碳氮共渗;,3.热处理的应用范围:整个制造业。,概 述,4.1 钢的热处理原理,4.1.1 钢在加热时的组织转变,加热工序的目的：得到奥氏体，为最终处理（相变）作组织准备。,实际加热与冷却时的临界温度与相图的临界温度相比有一定的滞后；冷却速度越快，过冷、过热度越大。,A,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,奥氏体形成过程,4.1 钢的热处理原理,Ac1Accm,Accm以上,Ac3以上,奥氏体均匀化 对亚共析钢：P+F 对过共析钢：P+Fe3C,Ac1Ac3,A+F,A,A+Fe3C,A,保温工序的目的：得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散,4.1 钢的热处理原理,4.1.2 奥氏体晶粒度起始晶粒度；实际晶粒度；本质晶粒度,4.1 钢的热处理原理,奥氏体晶粒度的影响因素加热温度 越高，越粗大；过高：过热、过烧。保温时间 延长，长大，但不会无限长大；过长：氧化脱碳；过短：奥氏体成分不均匀。钢的成分 C%越高，A晶粒长大倾向增大；加入碳化 物形成元素，可阻碍奥氏体晶粒长大。原始组织 越细，A晶粒细。,4.1 钢的热处理原理,奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。,粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。,4.1 钢的热处理原理,4.1.3 钢在冷却时的组织转变,钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变,4.1 钢的热处理原理,4.1.3.1 钢在热处理时的冷却方式,4.1 钢的热处理原理,（1）共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线-TTT曲线(C 曲线),T-timeT-temperatureT-transformation,4.1.3.2 过冷奥氏体的等温冷却,4.1 钢的热处理原理,共析碳钢 TTT 曲线建立过程示意图,Mf,Ms,4.1 钢的热处理原理,共析碳钢 TTT 曲线的分析,珠光体型(P)转变(A1550):,A1650:P;525HRC;片间距为0.60.7m(500)。,650600:细片状P-索氏体(S);片间距为0.20.4m(1000);2536HRC。索氏体具有良好的综合机械性能。,600550:极细片状P-屈氏体(T);片间距为0.2m(电镜);3540HRC。,4.1 钢的热处理原理,珠 光 体 形 貌 像,4.1 钢的热处理原理,索 氏 体 形 貌 像,4.1 钢的热处理原理,屈 氏 体 形 貌 像,4.1 钢的热处理原理,4-1 珠光体转变过程,4.1 钢的热处理原理,贝氏体型(B)转变(550230),上贝氏体转变(550350):B上;4045HRC;,4.1 钢的热处理原理,上贝氏体组织金相图,4.1 钢的热处理原理,4-2 上贝氏体转变过程,下贝氏体转变(350230):B下;5060HRC;下贝氏体不仅具有较高的强度、硬度与耐磨性，同时具有良好的塑性和韧性。,4.1 钢的热处理原理,下贝氏体组织金相图,4.1 钢的热处理原理,4-3 贝氏体转变过程,4.1 钢的热处理原理,马氏体型(M)转变(230-50),1)定义:马氏体是一种碳在 Fe中的过饱和 间隙固溶体。,2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的 成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性。,4.1 钢的热处理原理,奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,4.1 钢的热处理原理,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,4.1 钢的热处理原理,3)马氏体的晶体结构:由于碳的过饱和作用,使 Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。,4.1 钢的热处理原理,4)马氏体的组织形态:板条状-低碳马氏体(0.2%C);（位错马氏体）,4.1 钢的热处理原理,低碳板条状马氏体组织金相图,4.1 钢的热处理原理,针、片状-高碳马氏体(1%C);（孪晶马氏体）,4.1 钢的热处理原理,高碳针片状马氏体组织金相图,4.1 钢的热处理原理,4-4 马氏体转变过程,4.1 钢的热处理原理,5)马氏体的性能:主要取决于马氏体中的碳浓度。,4.1 钢的热处理原理,马氏体的强度和硬度随着含碳量的增加而增加；马氏体的塑性和韧性随含碳量增高而急剧降低；马氏体的比容比奥氏体大，所以奥氏体向马氏体转变伴随体积膨胀而产生内应力。,4.1 钢的热处理原理,（2）亚共析钢的TTT曲线,（3）过共析钢的TTT曲线,M+A残,奥氏体中含碳量的影响:亚共析钢随含碳量的增加，C曲线右移，过共析钢随含碳量的增加，C曲线左移；出现先共析析出线 随着含碳量的增加，Ms下降。,（4）影响 TTT 曲线形状与位置的因素,4.1 钢的热处理原理,奥氏体中含合金元素的影响:,4.1 钢的热处理原理,除Co外,所有合金元 素溶入奥氏体中,会引起C曲线右移,Ms下降。,加热温度和保温时间的影响:加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而 使 TTT曲线向右移。,4.1 钢的热处理原理,建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线-CCT 曲线,C-continuousC-coolingT-transformation,4.1.3.3 过冷奥氏体的连续冷却,4.1 钢的热处理原理,共析碳钢 CCT 曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,K1,共析碳钢 TTT 曲线与CCT曲线的比较,CCT与等温冷却曲线比较：只有C曲线的上半部分，即无贝氏体转变；K K1 为过冷奥氏体转变的中止线；奥氏体连续转变比等温冷却稍滞后，即向右下方向移动,其转变温度低,孕育期长；连续冷却时组织转变在一定温度范围内进行,因此组织不均匀。,4.1 钢的热处理原理,4.2 钢的常规热处理工艺,定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后随炉冷却。,目的:降低硬度，利于切削加工；细晶，改善组织，提高机械性能；消除内应力，改善组织，为后续热处理作准备；消除加工硬化，以利于进一步冷变形；消除偏析，均匀化学成分。,4.2.1 钢的退火,1.完全退火工艺：Ac3+(3050)，缓冷组织：P+F应用：亚共析钢铸造、锻压、焊接件 细化组织、消除内应力与组织缺陷、降低硬度，为随后的切削加工和淬火作组织准备。不适于过共析钢。,4.2 钢的常规热处理工艺,2.等温退火工艺：快冷到稍低于Ar1温度，等温，奥氏体转变结束后空冷。特点：工艺周期短；工件截面上组织、性能均匀。应用：特别适用于合金工具钢、高合金钢等奥氏体稳定的钢种。,4.2 钢的常规热处理工艺,3.球化退火（不完全退火）工艺：普通球化退火:Ac1+(2030),缓冷；等温球化退火:Ac1+(2030),快冷到（Ar1-20）保温。组织：细小F基体上弥散分布颗粒状Fe3C。应用：主要用于过共析钢球化Fe3C，降低硬度，改善切削加工性，为淬火作好组织准备。原始组织中有较严重的网状Fe3C应先正火消除。,4.2 钢的常规热处理工艺,共析钢球化退火组织(化染)700,4.2 钢的常规热处理工艺,T10钢球化退火组织(化染)500,4.2 钢的常规热处理工艺,4.去应力退火（低温退火）工艺：加热到Ar1以下某温度（500600），保温后缓冷。目的：去应力，防止变形和开裂应用：消除铸、锻、焊件的应力，稳定组织；消除切削加工应力。无组织变化。,4.2 钢的常规热处理工艺,5.再结晶退火工艺：加热到再结晶温度以上，保温后缓冷。目的：使塑性变形金属恢复原性能。应用：用于进一步冷变形钢件中间退火或最终热处理。,4.2 钢的常规热处理工艺,6.扩散退火工艺：加热到高于Ac3以上，长时保温，随炉缓冷。目的：消除化学成分不均匀。应用：主要用于质量要求高的优质高合金钢铸锭和铸件。扩散退火后晶粒粗大，一般要进行完全退火或正火处理。,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2.2 钢的正火,定义:把零件加温到临界温度以上3050，保温一段时间，然后在空气中冷却。,目的:消除应力，调整硬度，细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组织准备。,4.2 钢的常规热处理工艺,4-5 钢的正火,正火温度选择:,4.2 钢的常规热处理工艺,正火处理后的组织:亚共析钢:F+S 共析钢：S 共析钢：S+Fe3C 性能：强度、硬度、韧性比退火后的高，且塑性也不降低。,45钢退火、正火状态的力学性能,4.2 钢的常规热处理工艺,正火的应用：a.预先热处理*钢材及铸件、锻件用正火细晶，消除组织缺陷，为后续热处理作组织准备。*过共析钢和渗碳零件用正火消除组织中网状渗碳体，为球化退火和后一步热处理作组织准备。b.最终热处理 细化组织，均匀组织，消除组织缺陷，提高强度、硬度和韧性，对于普通结构件，机械性能要求不高时，可正火后使用。C.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能。,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2.3 钢的淬火(Quenching of steel),1.定义:把零件加温到临界温度以上30 50,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)。,2.目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。,4.2 钢的常规热处理工艺,3.淬火温度选择:,4.2 钢的常规热处理工艺,亚共析钢 Ac3+（3050）若 Ac3过高，氧化脱碳严重，A粗化，淬火M粗大。共析钢、过共析钢 Ac1+（3050）若Accm：*C%，Ms，A 残，硬度、耐磨性；*A粗化，淬火后M粗化，脆性；*淬火应力，工件变形和开裂倾向；*钢的氧化脱碳，降低了钢的表面质量。,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2 钢的常规热处理工艺,4.淬火后的组织:,M+Fe3C+A残,过共析钢,M+A残,共析钢,M+A残,亚共析钢,最终组织,钢种,4.2 钢的常规热处理工艺,5.淬火加热时间()的选择:,=K D,装炉量有关系数一般 K=11.5,加热系数,与钢种及加热介质有关,4.2 钢的常规热处理工艺,6.淬火冷却介质,理想淬火冷却介质,4.2 钢的常规热处理工艺,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。,20世纪人们对淬火冷却过程进行了前所未有的深入探索。,常用淬火介质是水和油。水的冷却能力强，但低温却能力太大，只适用于形状简单的碳钢件。油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。,熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质。,常用的淬火冷却介质,7.常用的淬火方法,单液淬火,双液淬火,分级淬火,时间,温度,Ms,A1,4.2 钢的常规热处理工艺,a.单液淬火法特点：简单，易自动化，但水冷变形、开裂倾向大，油冷大件淬不透。应用：形状简单的碳钢（水淬、水溶液淬）、低合金钢（油淬）。b.双液淬火法特点：先快冷后慢冷，内应力小，减小变形、开裂倾向，但操作复杂。,4.2 钢的常规热处理工艺,c.分级淬火法特点：Ms附近盐浴或碱浴中适当停留后冷，降低热应力和组织应力，防止变形和开裂。应用：适于尺寸较小、变形要求较严的工件。d.等温淬火法特点：内应力小，得到B下，但生产作业面积大，占用设备多，时间较长，且要求钢有较高的淬透性。应用；尺寸不大，形状复杂而要求较高硬度和韧性的工件。,4.2 钢的常规热处理工艺,4-6 淬火方法,4.2 钢的常规热处理工艺,e.冷处理特点：放入低温（液氮、干冰），使残余A转变成M。应用：适于工具钢、渗碳零件及特殊性能的高合金钢。,4.2 钢的常规热处理工艺,8.钢的淬硬性(Hardening of steel),(1)定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。,(2)影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。,4.2 钢的常规热处理工艺,9.钢的淬透性(Hardenability of steel),(1)定义:钢在淬火时能获得马氏体的能力。*钢本身固有的属性；*用一定条件下淬透层深度（工件表面至中心马氏体占50%的部位）的距离表示。,(2)影响钢的淬透性的因素:主要是临界淬火冷却速度VK 的大小,VK 越大,钢的淬透性越小。,4.2 钢的常规热处理工艺,工件淬硬层与冷却速度的关系,4.2 钢的常规热处理工艺,(3)淬硬性与淬透性之间的关系:,4.2 钢的常规热处理工艺,未淬透钢,淬透钢,（4）淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,4.2 钢的常规热处理工艺,4.2.4 钢的回火(Tempering of steel),1.定义:把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。,2.目的:消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。,4.2 钢的常规热处理工艺,4-7 弹簧的热处理工艺对性能的影响,4.2 钢的常规热处理工艺,回火时的组织变化：,M分解,过饱和相,C析出,F,块状F,碳化物,细Fe3C,粒状Fe3C,回火M 回火T 回火S,4.2 钢的常规热处理工艺,3.回火温度,淬火+高温回火=调质处理,4.2 钢的常规热处理工艺,a.低温回火（150250)组织：回火马氏体*由极细的碳化物和低过饱和度的固溶体组成;*仍保留着原马氏体的形态。性能：硬度高、耐磨性好；内应力有所降低，韧性有所改善。应用：主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刀具、量具和模具、轴承零件及表面渗碳零件。,4.2 钢的常规热处理工艺,回火马氏体组织金相图,4.2 钢的常规热处理工艺,b.中温回火（350500)组织：回火屈氏体尚未发生再结晶的铁素体和弥散分布的细小渗碳体组成。性能：内应力大大降低；弹性极限较高，高屈强比；一定 的韧性。应用：主要用于各种弹簧元件、锻模等。,4.2 钢的常规热处理工艺,回火屈氏体组织金相图,4.2 钢的常规热处理工艺,C.高温回火（500650)组织：回火索氏体由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成。性能：内应力消除，强度、硬度和塑性、韧性均较好。应用：主要用于中碳钢制造的受力构件，特别是受交变载荷和冲击载荷的重要零件。,淬火+高温回火=调质,4.2 钢的常规热处理工艺,回火索氏体组织金相图,4.2 钢的常规热处理工艺,4.回火脆性低温回火脆性（第一类回火脆性）250350*措施：避开此温度范围回火；贝氏体等温淬火代替淬火+回火；加入Mo、W等合金元素。高温回火脆性（第二类回火脆性）450650*措施：减少杂质；加入Mo、W；细化晶粒（例如添加Nb、V、Ti）；快冷。,4.2 钢的常规热处理工艺,化学热处理,表面淬火,对轴、齿轮、凸轮的机械性能要求,表面：硬，耐磨，耐疲劳,M,心部：塑，韧，耐冲击,F，P,解决思路：,选材,低淬透性材料,工艺,只改变表层组织,同时改变表层组织、成分,表面热处理,4.3 钢的表面热处理,核心思想:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。,分为两大类：表面淬火不改变表面化学成分化学热处理改变表面化学成分,4.3 钢的表面热处理,4.3.1 表面淬火(Surface Hardening),1.定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。,2.工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。,4.3 钢的表面热处理,3.表面淬火用钢:,选用中碳或中碳低合金钢,如40、45、40Cr、40MnB等。,4.表面淬火加工的方法:感应加热(高、中、工频)、火焰加热、激光加热、电接触加热法等。,4.3 钢的表面热处理,5.感应加热表面淬火,(1)感应加热的基本原理:,*感应电流-涡流,*集肤效应,*淬火层深度()与电流频率(f)的关系:=500/f（mm）,感应加热表面淬火齿轮的截面图,4.3 钢的表面热处理,(2)工艺要求:*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。,4.3 钢的表面热处理,(3)特点:淬火后M极细或为隐针M；表面造成较大残余压应力，大大提高了疲劳强度；工件氧化脱碳少，淬火变形小；加热温度和淬硬层厚度易控制。(4)应用：主要用于中碳钢、中碳合金钢零件的表面淬火,也可用于工具钢及渗碳钢零件的表面淬火。,4.3 钢的表面热处理,4.3 钢的表面热处理,4-8 感应加热淬火,4-9 板簧,4.3 钢的表面热处理,4-10 中频感应加热,4.3 钢的表面热处理,6.火焰加热表面淬火,利用氧-乙炔气体或其它可燃气体，以一定比例混合燃烧，形成强烈的高温火焰，将钢迅速加热到淬火温度，然后快冷，使表面获得要求的硬度和一定的硬化层，而中心仍保持原有组织。,4.3 钢的表面热处理,7.激光加热表面淬火,以高能量密度的激光束作为热源的热处理表面淬火。无需介质冷却，自激冷却淬火。,4-11 激光淬火,4.3.2 化学热处理(Chemical Heat Treatment),1.定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。,4.3 钢的表面热处理,2.化学热处理的基本过程:,(2)吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。,(3)扩散:活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。,(1)分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。2CO CO2+C,4.3 钢的表面热处理,3.钢的渗碳(Carburize of steel),(1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。,(2)目的:提高表层碳浓度，获得一定碳浓度梯度，使零件表面具有高硬度和耐磨性，中心具有一定强度和韧性；提高疲劳极限。,(3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。,(4)方法:固体、气体、液体渗碳。,4.3 钢的表面热处理,固体渗碳法示意图,4.3 钢的表面热处理,气体渗碳法示意图,4.3 钢的表面热处理,(5)工艺:加热温度为900950;渗碳时间一般为39小时;,(6)渗碳后的组织:,4.3 钢的表面热处理,思考题：为什么渗碳温度要选择在930 左右？,提示：看Fe-Fe3C相图。,4.3 钢的表面热处理,(7)渗碳后的热处理工艺,4.3 钢的表面热处理,(8)热处理后的组织,低碳M回+F,M回+碳化物+A残,低碳合金钢,F+P,M回+Fe3C+A残,低碳钢,9)常用的钢种:15、20、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。,4.3 钢的表面热处理,4.3 钢的表面热处理,4.3 钢的表面热处理,(10)渗碳件性能 表面高硬度、高耐磨；心部足够强、韧性；疲劳强度高。(11)应用 低碳钢或低碳合金钢制成的齿轮、活塞销、轴类等重要零件。,4.3 钢的表面热处理,4.钢的渗氮(Nitridation of steel),(2)目的:更大地提高表面硬度、耐磨性；提高疲劳强度；提高耐蚀性。,(3)用钢:中碳合金钢,(4)方法:气体渗氮、离子渗氮。,(1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。,4.3 钢的表面热处理,(5)工艺:加热温度500600;保温时间0.30.5mm/2050h。,(6)热处理特点:渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。,(7)渗氮处理后的组织 表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。心部:S回。,(8)常用的钢种:35 CrMo、18CrNiW、38 CrMoAlA 等.,4.3 钢的表面热处理,4.3 钢的表面热处理,4-12 离子氮化,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。,在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。,模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。,4.4 机械制造过程中的热处理,在机械制造过程中，热处理总是穿插于其他的加工工艺之间，因此要注意相互间的协调。热处理要为切削加工服务退火、正火；热处理工艺的选择要有利于加工精度的保证；零件设计与加工工艺的制订要有利于获得高质量的热处理效果。,4.4 机械制造过程中的热处理,调质零件实例,某发动机涡轮轴，材料为40CrNiMoA。技术要求：热处理弯曲变形1.0mm，,4.4 机械制造过程中的热处理,4.4 机械制造过程中的热处理,热处理零件设计要求,避免尖角 减少台阶 外形简单 对称 均匀,共析钢过冷奥氏体转变产物,复 习,回火种类,淬火高温回火称作调质处理，简称调质。,化学热处理,表面淬火,只改变表层组织,同时改变表层组织、成分,表面热处理,感应淬火、渗碳工艺及应用?,表面工程技术，是通过物理、化学或机械的方法，改变固体金属表面的形态、成分和组织结构，以获得所需要表面性能的系统技术。,4.5 表面工程新技术,材料的失效如疲劳、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐射损伤等，一般都是从表面开始的，表面的局部损坏又很快造成整个零件失效，最终导致设备停产。,磨损给工业国家带来的损失可达国民生产总值的28。我国机械工业每年所用的钢材，约有一半是消耗在备件的生产上，而备件中的大部分是由于磨损寿命不高而失效的。,！,！,全方位离子注入与沉积设备,近年来，金属材料表面处理技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里介绍主要的几种。,4.5 表面工程新技术,等离子热喷涂,将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺。,可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。,一、热喷涂技术,4.5 表面工程新技术,涂层可控:从几十m到几mm。生产效率高。工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺)。,热喷涂的特点及应用工艺灵活：小到10mm的内孔,大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂。基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等,涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层),4.5 表面工程新技术,根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。,物理气相沉积TiAl靶,气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。,二、气相沉积技术,4.5 表面工程新技术,磁控溅射镀膜设备,原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。,1、物理气相沉积（PVD）在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成,4.5 表面工程新技术,真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。,4.5 表面工程新技术,溅射镀是在真空下通过辉光放电电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。,4.5 表面工程新技术,多弧离子镀膜机,子一起沉积到工件表面成膜的方法。,离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒,4.5 表面工程新技术,离子镀产品,领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。,物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等,4.5 表面工程新技术,CVD设备,而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。例如，气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。,2、化学气相沉积(CVD)是指在一定温度下，混合气体与基体表面相互作用,4.5 表面工程新技术,由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。,4.5 表面工程新技术,三、等离子表面合金化技术（Double Glow Plasma Surface Alloying）,由南航特聘教授徐重于1980年发明，获得美、英、加、澳、日等多国专利（大陆学者第一位）。在离子氮化技术（只能向金属材料表面渗非金属元素）基础上的创新的。可在各种金属、陶瓷表面渗入不同的合金元素，如W、Mo、Cr、Ni、Ti、Cu、Al、Ta等，或多元共渗。,4.5 表面工程新技术,双层辉光渗金属工作原理图,4.5 表面工程新技术,碳钢表面Ni、Cr共渗,4.5 表面工程新技术,表面高速钢锯条,胶体磨表面合金化后耐磨性大幅提高,4.5 表面工程新技术,提高化工阀门耐腐蚀性,提高普通碳钢板材的耐腐蚀性,4.5 表面工程新技术,等离子表面合金化技术的特点,降低材料资源消耗（贵重合金元素）；适用的合金元素范围广，易于多元共渗；可根据材料设计控制工件表面化学成分；深度可较大范围调整；可处理大型工件；能量利用率高；无污染。,4.5 表面工程新技术,将激光束、电子束和离子束(“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能。,四、三束表面改性技术,4.5 表面工程新技术,离子束溅射系统,极高的能量密度快速加热和快速冷却表层的结构和成分（微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等）特殊性能。,束流技术具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。,4.5 表面工程新技术,