表面工程及其在船舶机械中的应用

1. 表面工程及其在船舶机械中的应用 丁 彰 雄 武汉理工大学能源与动力工程学院 二00八年四月

2. 表面工程及其在船舶机械中的应用 • 表面工程概述 • 热喷涂技术及其应用 • 表面工程技术在船机零件中的应用

3. 表面工程概论 • 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

4. 机械设备的失效方式 • 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。 • 各种机电产品的失效中约70%是由腐蚀和磨损造成的。我国每年因腐蚀所造成的经济损失至少达8000亿元，占国民生产总值(GNP)的2~4%。

5. 表面工程的概念 1.表面工程是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。 表面工程的学科体系包括：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。 2. 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。

6. 表面工程的概念 3. 表面工程技术： • 表面改性技术：物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、离子注入、激光热处理、电子束技术、电镀、刷镀、化学镀、热喷涂技术、堆焊、粘涂技术等。 • 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。 • 表面合成材料技术：如离子注入。 • 表面加工三维合成技术。

7. 表面工程的特点 1. 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。 2．表面工程技术兼有基础和实用性，它涵盖理论和应用，融合水平和效益。 3．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。

8. 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) 拉丝轮：国产寿命半年，而日本进口的是五年。 2) 风机叶轮：表面处理后提高寿命三倍以上。 3. 节约贵重材料：许多零件可以采用复合结构如气阀、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。

9. 表面工程的意义 6.促进了新兴工业的发展。 1) 热障涂层：ZrO2·Y2O3、ZrO2·MgO、ZrO2·CeO2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ZrO2•Y2O3涂层、Al2O3涂层及Co/WC涂层。

10. 表面工程的意义 7. 表面工程促进了机械维修创新 • 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。 • 21世纪七大关键技术：表面工程技术、计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技术、信息技术、先进制造技术。 • 日本提出了“再生工厂技术”的概念。 • 再制造目前已在我国得到了广泛的重视。

11. 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”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。

12. 表面工程技术的发展 • 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→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。由单一涂层发展到产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工在内的热喷涂系统工程。

13. 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、激光表面合金化及激光熔凝。 • 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。

14. 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。

15. 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 • 表面合金化技术：喷熔、堆焊、离子注入、激光熔敷、热渗镀等。 • 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。 • 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。

16. 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。

17. 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

18. 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。

19. 表面工程技术的分类 6. 按表面改性的机制分类：表面相变改性、合金化改性、覆盖层改性及形变改性。 1) 表面合金化：离子轰击热处理、电化学热处理、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。

20. 热喷涂技术及应用 1. 热喷涂原理 2. 涂层结构及特性 3. 涂层的结合机理 4. 热喷涂分类 • 热喷涂的特点 • 热喷涂的应用 • 热喷涂技术发展概况

21. 热喷涂原理 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热到熔化或熔融状态，借助于焰流或外加的推力使粒子沉积到一种经过制备的表面形成某种功能的沉积层。在喷涂过程中或涂层形成后，对基体金属和涂层加热，使涂层在基体表面熔融，并和基体产生扩散或互熔，形成与基材冶金结合的喷熔层，称为热喷熔（简称喷熔）。

22. 热喷涂原理

23. 热喷涂过程 1）喷涂材料被加热熔化：喷涂材料在不同的热源作用下加热熔化； 2）熔滴雾化：在焰流或压缩空气的作用下熔滴破碎和雾化； 3）高速飞行：在焰流和其它气体作用下加速； 4) 碰撞变形及淬冷凝固：在产生碰撞瞬间，颗粒的动能转化成热能付给基材，并沿预处理的凹凸不平表面产生变形，变形的颗粒迅速冷凝并产生收缩，呈扁平状粘结在基材表面。

24. 热喷涂过程

25. 涂层的结构与特性 1.涂层层状结构：由大量相互平行的碟形粒子互相粘结而成； 2.涂层的多孔结构：粒子碰撞、变形和冷凝等过程的时间极短； 3.涂层中存在氧化物夹杂：其数量取决于热源，材料和喷涂条件； 4.涂层的各向导性：层状结构→各向异性。 5.涂层残余应力。

26. 涂层的结构与特性

27. 涂层的结构与特性 1.涂层的结构是被微细氧化物和孔洞层错分隔的系列薄片材料的堆积层。 2.涂层经过适当的处理后，其结构会发生变化。例如：涂层经过重熔处理，就消除了涂层中的氧化物夹杂和孔隙，层状结构成为均质结构，涂层与基体表面的结合状态也发生了变化。

28. 涂层的结合机理 1. 机械结合：熔融状态的喷涂粒子在与基本表面碰撞时，其变形粒子与基体表面的凹凸粗糙面机械地咬合→“抛锚效应”。 2. 物理结合：涂层与基体表面的粘附是由范德瓦耳斯力所引起的，范德瓦耳斯力是中性原子或分子之间的结合力，又称为金属键结合力。 3. 化学或显微冶金结合：当基体表面被高温微粒熔化和与它们发生反应而形成金属间化合物时，其涂层和基体表面的结合为化学结合，当喷涂粒子与基体表面原子形成互相扩散时，就称为显微冶金结合。

29. 热喷涂分类 　　　　　　　　　线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂 气体燃烧火焰法　粉末火焰喷涂、爆炸喷涂 　　　　　　　　　　超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔 　　　　　　　　　电弧喷涂 　　　　　　　　　　　　　　　大气等离子喷涂 热　　　　　　　　　　　　　　真空等离子喷涂 喷气体放电法　等离子喷涂　保护气体等离子喷涂 涂　　　　　　　　　　　　　　水稳等离子喷涂 　　　　　　　　　　　　　　　超音速等离子喷涂 　　　　　　　　　等离子喷熔 电热法：高频喷涂、线材电爆喷涂 激光热源：激光喷涂、激光喷熔

30. 热喷涂的优点 1. 喷涂材料的选择范围广泛，它几乎包括所有的固体材料。如：金属及其合金、陶瓷及金属陶瓷、塑料及各种复合材料； 2. 选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面上进行喷涂； 3. 一般不受施工场所的限制，既可以在室内喷涂，又可以现场施工； 4. 一般不受工件尺寸及形状限制，既能喷涂薄及小的工件，又能对大工件进行施工； 5. 涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制；

31. 热喷涂的优点 6. 除喷熔外，工件的受热程度小； 7. 能使涂层具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热、导电、绝缘、密封、减磨、辐射及电子发射等不同功能或使涂层具有复合功能； 8. 喷涂生产效率高，一般的生产效率为每小时数公斤，有的工艺可达每小时数十公斤； 9. 与其它堆焊方法相比，火焰喷熔和等离子喷熔层的冲淡率较低，而且表面成型平整、光滑、加工余量小、节省合金材料； 10. 废旧件修复后，还能比新件具有更高的性能和更长的使用寿命。

32. 热喷涂的局限性 1. 一般的热喷涂涂层，涂层结合强度及密度受到一定限制(10N/mm2~100 N/mm2)； 2. 对于喷涂面积小的工件，沉积效率低，不经济； 3. 一般喷涂方法操作环境较恶劣，要求采取劳动保护和环境保护措施； 4. 难以对涂层质量进行非破坏性检查。

33. 热喷涂的应用领域 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 。

34. 涂层应用分类 1. 腐蚀/氧化涂层 1) 抗化学腐蚀涂层：Ni、NiCr、NiAl、Al2O3、TiO2、Y2O3、Ta、Mo、塑料等； 2) 抗大气/电化学腐蚀涂层：Al、Zn、AlZn、青铜、不锈钢、蒙乃尔合金、镍基合金； 3) 抗氧化涂层：NiCr、MCrAlY、Mo、镍基合金和铝化物等； 2. 抗磨损涂层： 1) 抗滑动磨损、抗磨料磨损、抗冲蚀磨损、抗微动磨损、抗气蚀磨损等； 2) 涂层材料有：Al2O3/TiO2、Cr2O3、WC/Co、TiC/NiCr、高碳钢、不锈钢、NiCrBSi、CoCrW、Cr3C2/ NiCr、Mo等。

35. 涂层应用分类 3. 热障涂层：ZrO2·Y2O3、ZrO2·MgO、 ZrO2·CeO2、MCrAlY、NiAl等； 4. 可磨耗及密封涂层：Al/聚酯、Ni/膨润土、Ni/石墨、NiCr/Al2O3、NiCr/TiC、NiCr/TiC、NiCr/SiC、ZrO2等； 5. 修复/装饰涂层：Ni、Al、Cu、铝青铜、不锈钢、碳钢、NiAl、NiCr、Mo等；

36. 涂层应用分类 6. 电/磁/光涂层：绝缘涂层、导电涂层、半导体与超导体涂层、压电涂层、电致伸缩涂层、辐射、吸收及反射涂层、光-电涂层等； 7. 特殊功能涂层：它应用于生物种植、梯度功能材料、复合材料制造、防滑表面和模具制造中。

37. 热喷涂技术发展概况 • 1910年：瑞士工学博士M.U.Schoop发明了第一个金属喷涂装置，即：金属熔液式喷涂。 1912年：Schoop制造了线材火焰喷枪。 1913年：Schoop提出了电弧喷涂的设计 1916年制成了实用性电弧喷枪。 • 30年代，美国Metco公司相继研制用空气涡轮送丝的E-型系列和马达送丝的K-型系喷枪，喷铝、喷锌开始应用。 • 30年代英国研制Schort粉末火焰喷枪→METCO-P型粉末火焰喷枪。

38. 热喷涂技术发展概况 • 40年代末期以后热喷涂有了长足的进展。 • 50年代初期研制出自熔性合金粉末，随后出现了粉末火焰喷熔。 • 50年代末期，美国联合碳化物公司研制出，燃气爆炸喷涂Plasmadyne公司开始研制等离子喷涂设备，56年第一届ITSC在英召开。 • 60年代中期等离子喷熔技术研制成功，等离子喷涂应用于工业领域。

39. 热喷涂技术发展概况 • 70年代热喷涂向着高能、高速、高效发展：80KW高能等离子喷涂设备，低压电弧喷涂较普遍采用了封闭式喷咀。日本研制成功线爆喷涂装置：喷涂内孔。 • 80年代末超音速火焰喷涂研制成功，计算机控制热喷涂。 • 90年代超音速火焰喷涂应用，各种复合涂层制备方法被开发。 • 90年代末冷喷涂的出现。

40. 热喷涂技术在船舶机械零件中的应用 • 热喷涂技术在柴油机气阀中的应用。 • 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用。 • 热喷涂技术在柴油机气缸盖阀座中的应用。 • 热喷涂技术在尾轴耐磨衬套中的应用。 • 热喷涂技术在柴油机燃烧室中的应用。 • 热喷涂技术在船舶钢构件防腐中的应用。 • 热喷涂技术在巴氏合金薄壁轴瓦中的应用。 • 热喷涂技术在船舶其它机械零件中的应用。

41. 热喷涂技术在柴油机气阀中的应用 • 涂层功能：恢复尺寸、高温耐磨及腐蚀 • 涂层材料：Ni、Co基合金 • 工艺方法：等离子弧堆焊、激光熔敷、 火焰喷熔、真空熔烧

42. 热喷涂技术在柴油机气阀中的应用

43. 热喷涂技术在柴油机气阀中的应用

44. 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用 • 涂层功能：恢复尺寸、耐磨 • 涂层材料：Ni、Fe基合金 • 工艺方法：火焰喷涂、电弧喷涂、等离 子弧喷涂、超音速火焰喷涂

45. 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用

46. 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用

47. 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用

48. 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用

49. 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用

50. 热喷涂技术在柴油机气缸盖阀座中的应用 • 涂层功能：恢复尺寸、高温耐磨及耐腐 • 涂层材料：Ni、Co基合金 • 工艺方法：等离子弧堆焊、激光熔敷、 火焰喷熔