(完整版)材料表面改性习题整理答案

第六章热喷涂、喷焊与堆焊技术1.什么是热喷涂？根据所使用的热源不同，可以将热喷涂工艺分为哪两大类？热喷涂：采用各种热源将涂层材料加热熔化或半熔化，高速气体将其雾化，并在高速气流的带动下雾化粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。

喷焊是用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。

堆焊技术是将具有一定使用性能的材料（线材或焊条）借助一定的热源手段熔覆在基材表面，使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。

2.热喷涂技术的特点是什么？局限性是什么？热喷涂的技术特点：可在各种基材上制备各种涂层；基材温度低（30～200℃），热影响区浅，变形小；涂层厚度范围宽（0.5～5mm）；喷涂效率高，成本低；操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；局限性：加热效率低，喷涂材料利用率低，涂层与基体结合强度低。

3.热喷涂涂层的结构是什么？如何改善涂层结构？涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式一层一层堆叠而成的层状结构。

涂层中伴有氧化物等夹杂、未熔化的球形颗粒，并存在部分孔隙，孔隙率0.025％－50％。

改善涂层结构的方法(1)选用高温热源(如激光热源、等离子弧)、超音速喷涂、以及保护气氛或低压下喷涂，都可以减少涂层中的氧化物夹杂和气孔，改善涂层的结构和性能。

(2)喷涂层的结构还可以通过重熔处理来改善，涂层中的氧化物夹杂和孔隙会在重熔中消除，涂层的层状结构会变成均质结构，与基体的结合强度也会提高。

4.对热喷涂材料有什么要求？(1)热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解。

(2)较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。

(3)与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。

(4)喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的润湿性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。

(5)粉末固态流动性好，保证送粉的均匀性。

5.热喷涂涂层与基体的结合机理是什么？一般认为在涂层与基体之间机械结合起主要作用，即熔融态的粒子撞击到基材表面凹凸不平处，铺展成扁平状的液态薄层，这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片，在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。

同时，其它几种结合机理（扩散、冶金、物理结合)也在不同程度地起作用，其程度受粉末的成分、表面状态、温度、热物理性能等因素的影响。

6.热喷涂的工艺流程。

7.什么是火焰喷涂？说明线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂的工艺原理。

其中预热的目的是什么？火焰喷涂：用氧-乙炔气体燃烧提供热量加热熔化喷涂材料，通过压缩气体雾化并加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。

线材火焰喷涂原理：喷涂用线材送入喷枪后，由喷枪内的驱动轮连续输送到喷嘴，在喷嘴前端被同轴燃烧气的火焰加热而融化，然后被压缩空气雾化并加速，喷涂在基体表面。

粉末火焰喷涂的工艺原理：用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端，通过燃气加热、融化并加速喷涂到集体表面。

在喷嘴前端加上空气帽，可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度。

预热目的：去除工件表面的水分；提高工件表面与熔粒的接触温度；降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。

8.火焰喷涂的优点和不足是什么？优点：设备价格低，操作容易，喷涂设备轻便简单，可移动，沉积效率高。

不足：喷出颗粒速度较小，火焰温度较低，孔隙较多，容易氧化，涂层强度较低。

9.火焰喷涂主要用于什么材料的喷涂？火焰喷涂的应用：焰流温度较低，一般用于金属材料和塑料的喷涂。

10.什么是电弧喷涂？电弧喷涂用于什么材料的喷涂？电弧喷涂：在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。

喷涂材料局限于能制成丝的金属和合金材料。

11.电弧喷涂的特点是什么？（1）热效率高：电弧喷涂热能利用率高达60％～70％。

（2）涂层密度（70～90％）：比火焰喷涂涂层致密，结合强度比火焰喷涂高。

（3）由于电弧喷涂是两丝同时送进，所以喷涂效率高。

（4）火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂电费的几十倍。

（5）构造简单，操作灵活，材料价格低，气源单一，总的处理成本低。

12.什么是等离子喷涂？特点是什么？等离子喷涂：利用等离子弧的热能将引入的喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，并在高速等离子焰的作用下，高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。

特点：13.等离子喷涂和等离子喷焊的区别是什么？等离子喷焊采用的等离子弧和等离子喷涂的有区别。

等离子喷涂等离子弧焰流温度高，适合喷涂高熔点材料。

涂层密度可达85~98％，结合强度高达35～70Mpa，喷涂质量远优于火焰喷涂层。

与其它涂层技术相比，等离子喷焊技术的主要特点：生产效率高。

稀释率低(～5％)。

工艺稳定性好，易实现自动化。

喷焊层平整，成分均匀，可获得0.25~8mm 任意厚度喷焊层。

14.爆炸喷涂最大的特点是什么？射流速度高15.喷涂工艺的选择原则？（1）对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点<2500℃，可采用火焰喷涂。

（2）对涂层性能要求较高，喷涂高熔点材料时，应采用等离子喷涂。

（3）工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。

（4）要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂。

（5）对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。

16.热喷焊的基本特点是什么？特点：用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。

17.比较热喷涂、热喷焊和堆焊技术的异同点。

热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别:(1)工件表面温度：喷涂时工件表面温度<250℃；喷焊要>900℃。

(2）结合状态：喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。

(3）粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。

(4）涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。

(5）承载能力：喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力。

堆焊与热喷焊的比较：热喷焊也属于堆焊技术的范畴，只是热喷焊采用的是粉末填充材料，而堆焊一般采用线材或焊条；堆焊的熔敷效率比热喷焊高，但稀释率比热喷焊大得多。

堆焊技术比热喷涂、热喷焊技术更加成熟。

第十章气相沉积技术1.什么是物理气相沉积和化学气相沉积？物理气相沉积分为哪几类？物理气相沉积：在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其离子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。

化学气相沉积：把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应在基体上制得金属或化合物薄膜的方法。

物理气相沉积分为真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜2.什么是真空蒸发镀膜？真空蒸镀：在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。

3.根据蒸发源的不同，可以把真空蒸发镀膜分为哪几种类型？每种类型的优缺点是什么？电阻加热蒸镀优点：结构简单，使用方便，造价低廉；缺点：蒸发源材料会成为杂质污染膜料；加热所能达到的最高温度有限；加热器的寿命也较短。

电子束加热蒸镀优点：对高、低熔点的膜料都能适用；避免了坩埚材料对膜料的玷污。

缺点：化合物部分分解和电离，将对薄膜的结构和物理性能产生影响；体积较大，需要调整的部分也较多。

高频感应加热蒸镀优点：此法主要用于铝的大量蒸发，得到的膜层纯净而且不受带电粒子的损害。

缺点：不能对坩埚进行去气，不易对输入功率进行微调，难以避免坩锅的污染。

激光蒸镀法优点：能蒸发任何高熔点材料；简化了真空室内部的空间布置；缺点：制作大功率连续式激光器的成本较高。

4.什么是溅射镀膜？简要说明二极溅射镀膜的过程。

在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。

工作时先抽真空，再通氩气，使真空室内达到溅射气压。

接通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区。

其中带正电的氩离子在阴极附近的电场作用下，加速轰击阴极靶，使靶物质表面溅射，并以分子或原子状态沉积在基片表面。

5.什么是磁控溅射？结合它的基本原理说明它有什么优点？磁控溅射：在阴极靶面上建立一个环状磁靶，以控制二次电子的运动。

优点：高速，高速是指沉积速率快；磁控溅射的镀膜速率与二极溅射相比提高了一个数量级。

低温和低损伤，基片的温升低、对膜层的损伤小。

高速和高效的原因，二次电子在靶附近作循环运动，路程足够长，电子与气体原子的碰撞几率高；另外，工作气压降低，减少了对溅射出来的原子或分子的碰撞。

6.与真空蒸镀比，溅射镀有哪些特点？结合力高；容易得到高熔点物质的膜；可以在较大面积上得到均一的薄膜；容易控制膜的组成；可以长时间地连续运转；有良好的再现性；几乎可制造一切物质的薄膜7.什么是离子镀？离子镀的过程包括哪几个过程？简述它的基本原理。

离子镀是在真空条件下，借助于惰性气体的辉光放电使被蒸发物质部分离化，被蒸发物质离子经电场加速后对带负电荷的基体轰击的同时把蒸发物或其反应物沉积在基体上。

过程包括镀膜材料的受热，蒸发，离子化和电场加速沉积等过程。

见书P230最后一段很长8.离子镀有哪些特点？①粘着力强；②均镀能力好；③被镀基体材料和镀层材料可广泛搭配；④工艺无污染9.化学气相沉积的过程是什么？反应气体扩散至工件表面；反应气体分子被基材表面吸附；在基材表面产生化学反应，形核等；生成物由表面解吸；生成物从基材表面扩散离开。

10.从温度、清洁度、镀层厚度、绕镀性、安全性等方面比较PVD和CVD技术。

温度：CVD法的工艺温度超过了高速钢的回火温度，用CVD法镀制的高速钢工件，必须进行镀膜后的真空热处理，以恢复硬度。

镀后热处理会产生不容许的变形。

清洁度：CVD工艺对进入反应器工件的清洁要求比PVD工艺低一些，因为附着在工件表面的一些脏东西很容易在高温下烧掉。

此外，高温下得到的镀层结合强度要更好些。

镀层厚度：CVD镀层往往比各种PVD镀层略厚一些，前者厚度在7.5μm左右，后者通常不到2.5μm厚。

绕镀性：CVD具有很好的绕镀性，除去支承点之外，全部表面都能完全镀好，甚至深孔、内壁也可镀上。

PVD由于气压较低，绕镀性较差，因此工件背面和侧面的镀制效果不理想。

安全性：PVD是一种完全没有污染的工序。

而CVD的反应气体、反应尾气都可能具有一定的腐蚀性，可燃性及毒性，因此对设备、环境、操作人员都必须采取一定的措施加以防范。

11.什么是分子束外延？它与真空蒸发镀膜相比有什么不同？分子束外延一种制备单晶薄膜的新技术，在适当的衬底上，合适的条件下，沿衬底原来的结晶轴向生成一层晶格结构完整的新单晶层的制膜方法。

不同：分字束外延是将真空蒸发镀膜加以改变和提高形成的成膜技术，超高真空，能生长单晶并能准确地控制膜厚、组分和掺杂。

12.分子束外延的优缺点？优点：可严格控制生长过程和生长速率，实现了原位实时监测；生长速率低；膜的组分和掺杂浓度可随着源的变化而迅速调整；外延薄膜质量好，面积大而均匀；晶体的生长温度较低；可以生长用热平衡生长方法难以得到的薄膜。