表面工程技术及其应用

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吸收塔搅拌器叶轮失效后的形貌
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腐蚀后的锅炉水冷壁管
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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
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不锈钢管爆裂部位的外观全貌
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曲轴及断裂部位
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磨损后的船舶柴油机曲轴
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失效后的船舶柴油机气缸套
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已损伤后的船舶柴油机气缸套
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已损伤后的船舶柴油机气缸盖
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。
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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。
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
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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
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机械设备的主要的失效方式
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船舶螺旋桨
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锅炉水冷壁现场喷涂NiCr合金防腐耐磨涂层
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喷涂防腐耐磨涂层后的水冷壁管
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超音速火焰喷涂制备纳米WC-12Co防腐耐磨涂层
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HVOF制备纳米WC-12Co涂层后的浆液循环泵叶轮
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防腐处理后的浆液循环泵叶轮
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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。
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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。
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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
➢ 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%。
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轴流式引风机叶片磨损后的形貌
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油缸拉伤表面(H=3.3m，d=1.12m ，W=18t)
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ZrO2•Y2O3涂层、Al2O3涂层及 WC-Co涂层。
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表面工程的意义
7. 表面工程促进了机械维修创新-再制造
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脱硫装置浆液循环泵叶轮
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浆液循环泵叶轮失效后的形貌
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浆液循环泵叶轮
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失效后的循环浆液泵叶轮
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失效后的循环浆液泵叶轮
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脱硫装置浆液循环泵口环
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浆液循环泵口环失效后的形貌
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脱硫装置吸收塔搅拌器叶轮
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吸收塔搅拌器叶轮失效后的形貌
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吸收塔搅拌器叶轮失效后的形貌
1) 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。
2) 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。
3) 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。
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。
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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。
➢ 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。
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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。
4) 再制造成本节约50%，节能60%，节材70%。
5) 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。