材料累加成形技术与应用

料 交 材 安 《 西 《 材 料 累 加 成
Thermal spray Lab. of XJTU
形
与 应
累
通
粘涂：将具有特殊性能的片状材料用胶粘涂到基
西
学
加
大
用
》
真空钎涂：钎料预涂在表面，经真空加热与基体焊合 为一体
通
学
》
烧结涂覆技术：将欲涂材料预涂在材料表面，加
沉积基本单元
加 大 料 交 材 安 《 西
西安交通大学-李长久教授
西
学
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材 料
累
加
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Thermal spray Lab. of XJTU
形
与 应
累
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原子及分子形态沉积单元、沉积颗粒的获取方
交
与 应
通
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》
基于原子与颗粒累加沉积成形原理;
主要参考书
学
成 形
材
陈金德主编，材料成形工程（表面工程部分），
材
安
Materials Additive Manufacturing
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材 料
累
成
形
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与 应
累
通
用
》
前言
材料成形基本方法与应用
学 大 与 应 通 用 》 学 大 通 累 加 成 形
Thermal spray Lab. of XJTU
加
大
料
交
与 应
累
通
用
》

成 形
安
与 应
通
用
》

（条件）不改变基体材料的成分与不削弱基体强度， （方法）通过采用表面涂层技术与表面改性技术， （结果）使基体材料与表层材料构成的复合体， （作用）赋予材料表面与基体材料不同的特殊性能。
3D 智能（打印）增材制造技术
大 用
3D打印为第三次工业革命核心技术之一
主要涂层技术的原理及工艺特点
累
加
成
原子与分子、颗粒累加沉积成形原理
材
安
形
与 应
累
通
高能束），粒子动量与能量传递
加
大
用
产生基本沉积单元的热源特征（等离子体，火焰，
成 形
安
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》
课程要求：
学
产生基本沉积单元的热源特征;
大
成 形
安
法及其沉积规律； 基于累加沉积的增材制造（3D-打印）技术： 原理、发展、成形与制造技术特点 累加沉积：电子器件制备方法的基础；累加成 形：提高材料表面性能的基础，累加成形技术： 在能源器件、微电子器件、机械零部件、新材 料合成等领域的应用。
第2节 材料失效基本形式与材料表面保护的重要 意义
与 应 通
2.1 材料失效的基本形式： 变形（塑性变形，失稳变形）
学 成 形 安

过载或屈服强度或刚度不足
交
大
用
》
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《
断裂 韧性断裂，脆性断裂，疲劳断裂 磨损 粘着磨损，磨粒磨损，冲蚀磨损，腐蚀磨损….. 腐蚀 化学腐蚀，电化学腐蚀
成 形
安
3000亿 US$（1995年） 全世界因腐蚀损耗金属 1 亿吨以上， 占年产量的 20-40％； 尽有2/3可以再生，造成资源的严重浪费
学 大 交 与 应 通 用 》
材
安
靠性，节约资源与能源
西安交通大学-李长久教授
改善提高材料表面性能，可提高零部件的寿命与可
《
材 料
学
》
燃烧火焰合成金刚石实验装置
学 大 交 通 成 形 安 用 与 应 》 学 大 通 累 加 成
Thermal spray Lab. of XJTU
西
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《
西安交通大学-李长久教授
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材 料
西
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表面功能化
学 用 》
基于表面层的功能赋予材料表面特殊性能
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料
交
与 应
累
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用
机械制造，模具与零件制造
西
学
》
本课程的主要内容
学 大 用 与 应 》
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材料累加成形方法原理与特点
交
材பைடு நூலகம்表面物理化学特性
通
西
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交
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西
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累加成形与制造的原理、发展与主要方法 3D打印
《
材 料
热加工 焊接，铸造，锻压，切割
加
形变成形（铸造，锻压）
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去除成形（切削，磨削，切割）
《
材 料
累加成形 焊接，涂层技术（颗粒沉积），薄膜技术（分子，原 子沉积），激光快速成形，堆焊，高能束熔覆
料
材
《
西
安
交
与 应
累
用
冷加工 切削，磨削
《
材 料
导电屏蔽涂层 隐形涂层（吸波涂层） 光催化涂层、抗菌杀菌 绝缘涂层 荧光涂层 ……
交 成 形 安 与 应 通 西 加 累 料 交 通 材 安 《 西 累
大
学 形
大
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与 应
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功能涂层应用事例： 纳米结构TiO2涂层降解乙醛特性
西
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表面工程技术
学

一体复合材料
表层 基体
大
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西
西安交通大学-李长久教授
制造技术：制造各类光电元件，太阳能电池，燃料电池…
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《
材 料
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加
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形

复合技术→复合材料＝基体材料 + 表层材料 基体材料：满足整体承载要求；表层材料：满足表面性能 要求 表面性能：耐磨损性能，耐腐蚀性能，耐热与隔热性能， 抗高温氧化性能，电学性能，光学性能，装饰效果等。
交
与 应
通
积，电镀与化学镀
大
用
》
原子或分子形式：物理气相沉积，化学气相沉
涂层技术应用事例： HVOF涂层与电镀硬铬涂层耐磨性比较
大 与 应 通 用
HVOF：超音速火焰
学
》
交
电镀硬铬
成 形
安
西
学 大 通 形
加
料
材
安
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超音速火焰喷涂 硬质合金涂层
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安
交
与 应
通
学，冶金工业出版社，2004
大
用
》
戴达煌，周克崧等编著，现代材料表面技术科
第 1章
概述
第1节 材料累加成形工程的作用
学 大 与 应 通 用 》
设计与制备材料表面层，使其与基体复合在一
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《

相关累加高新技术：在高新技术产业领域起着重 要作用，没有相关表面技术的发展，不可能有现 在的电子技术等高新技术。
交
成 形
安
与 应
数字化、智能化与自动化相结合
通
学
》
西
学 大 通 累 加 成 形
材
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《
材 料

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西
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增材：将原材料沉积或黏合为材料层，以构成 三维实体 制造：通过某些可测量、可重复、系统性的过 程制造材料层
料
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车床
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(a)
喷枪
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涂层
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(b)
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层叠 复合材料块材 Thermal spray Lab. of XJTU
学 》 与 应 通
涂层： 液料火焰喷 涂TiO2涂层
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学 大 通 累 加 成 形
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入射光主波 长：360nm
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《
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制造技术举例
复合材料制造技术
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2006年：中国摩擦磨损损失，9500亿元，约占GDP4.5%
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表面性能 → 重要！！
料 交
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> 80％
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2.3 磨损损失统计结果
美国：1000亿 US$/年（1981年） （其中材料损失：200亿US$） 德国：387亿 DM/年（1983年） 英国：5.15亿英镑 中国：400亿 RMB/年
累
《
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《
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新材料的合成
热CVD合成金刚石
学 大 通 与 应 用 》
CVD：
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化学气相沉积
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成 形
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块材：粘涂
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厚度控制精度与沉积单元尺寸
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涂层厚度：数十m，数mm
《
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形
颗粒形式：热喷涂，堆焊，喷塑
料
交
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累
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薄膜技术
西
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加
大
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》

涂层厚度：数nm 数十m，数百m
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累
3D打印：增材制造
加
用
》
第 3节
热喷涂；
主要的材料累加技术
学 大 用 》
薄膜技术
交
气相沉积（物理气相沉积与化学气相沉积）；
西
学
涂料涂装（喷塑技术），粘涂技术。
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激光快速成形
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材 料
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高能束熔覆（激光熔覆，电子束熔覆）；
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西
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一般磨损造成的损失占GDP: 2-8%
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USA 81年GDP约27000亿
《
西
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成
形
磨损损失为：3.7%
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用
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2.4 腐蚀损失
美国：820 亿 US$（1975年），占GDP4.9％；
材料累加成形技术与应用
Materials Processing Based on Materials Deposition and Applications
大 交 成 形 安 与 应 通 用 西 学 加 大 料 交 加 学 》
李长久，Christian Coddet
《 西 《
交
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安
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》
累加成形的应用
学 大
材料表面改性：耐磨，耐腐蚀，耐高温等
交
成 形
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用
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微电子（纳电子）制造，太阳能电池，燃料电池
加
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安
《
西
西安交通大学-李长久教授
《
材 料
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（快速制造：Rapid Protyping），3D打印
微电子制造技术
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》 学 大 交 累 加 成
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……
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西安交通大学-李长久教授
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燃料电池制造技术
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电子器件制造技术、LSI制造技术
西
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热喷涂制造金属基显微增强复合材料
大 用
圆筒 纤维
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材 料
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起构成基体/表面复合体（材料），使表面层具 备或传递载荷、或抵御外界作用、或输出表面 表面工程技术 特殊功能 不断累加形成复合层叠结构而构成器件 微电子与器件制造技术 不断累加制造模具与零件等。快速原形制造
交 成 形 安 西 学 加 大 料 交 材 安 《 西 成 形 与 应 累 通 用 》
西安交通大学-李长久教授
西安交通大学出版社，2000年
《
Thermal spray Lab. of XJTU
材 料
累
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工程，化学工业出版社，2006年
《
西
成
中国材料工程大典第16卷与第17卷：材料表面
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出版社，2006
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田民波编著，薄膜技术与薄膜材料，清华大学
成
烧结涂覆技术（如真空钎涂，搪瓷技术）；
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堆焊；
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电镀（电刷镀）、化学镀，复合镀；
成 形
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材料累加技术简介
大 用 与 应
热后熔覆在基体表面
交

成 形
安
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体表面形成保护层；包括直接将各种特殊的胶直 接粘涂到表面，如耐磨胶，耐蚀胶，耐热胶，密 封胶，导电胶等 (航天飞机隔热片) 涂装：将涂料涂覆在基体表面制备保护层，包括 涂漆技术，典型涂料：防锈涂料，防火涂料，隐 形涂料，陶瓷釉涂料等
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表面工程的作用与意义
2.2 表面损伤失效
学 大 用 》
磨损、腐蚀、疲劳断裂 引起的材料失效比例：
成 形
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学 大 通 累 加 成 形
加
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《
材 料
（张嗣伟，中国表面工程，2008，No.4）
（2006年9月11日：经济参考报） http://data.icxo.com/htmlnews/2006/09/11/930249.htm
累
（2000，美、英、德：2.7%，3.5%，3%）
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年）
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中国：腐蚀损失，～5000亿元（5%GDP）（2000