热喷涂技术

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

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

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

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%。

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。

表面工程的概念

3. 表面工程技术：

1)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。

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。

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。

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。

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。

表面工程的意义

7. 表面工程促进了机械维修创新

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)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。

3)日本提出了“再生工厂技术”的概念。

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。

1)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。

2)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。3)传统的表面淬火：火焰加热→高频加热→激光束、电子束淬火。

表面工程技术的发展

4)渗碳工艺：自动控制、离子渗碳改善渗碳质

量和速度。

5)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。

6)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。

表面工程技术的发展

2.新的表面工程技术

1)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。

2)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。

3)离子注入：可获得过饱和固溶体、非晶态和某些化合

物。

4)化学气相沉积（CVD）。

5)物理气相沉积（PVD）法：真空蒸发、溅射、离子镀

等方法沉积成膜。