材料表面與界面綜述.pdf

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1、材料表面與界面綜述表面技術(shù)是通過物理、化學(xué)工藝方法使材料表面具有與基體材料不同的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和物理狀態(tài)，使表面具有與基體材料不同的性能的技術(shù)。材料表面技術(shù)的目的與作用有：（1）提高材料的表面損傷失效抗力。磨損和腐蝕是最重要的表面損傷失效形式，據(jù)統(tǒng)計，因磨損、腐蝕失效造成的經(jīng)濟(jì)損失分別可達(dá)國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的1%～2%和4%～5%。絕大多數(shù)疲勞斷裂也主要是從表面開始而逐漸向內(nèi)部發(fā)展的。由于磨損、腐蝕和疲勞斷裂是產(chǎn)品（零件）的最主要失效形式，而它們又主要是發(fā)生在材料表面或開始于材料表面，因此，通過表面技術(shù)，提高材料表面的耐磨性、

2、耐蝕性和抗疲勞性能，可有效地保護(hù)或強(qiáng)化零件表面，防止失效現(xiàn)象。（2）賦予材料表面某種（或多種）功能特性。這些功能包括電性能（如導(dǎo)電性、絕緣性），熱學(xué)性能（如耐熱性、熱障性），光學(xué)性能（如反光性、吸光性及光致效應(yīng)），電磁特性（如磁性、屏蔽性），聲學(xué)性能及吸附、分離等各種物理性能和化學(xué)性能。（3）實施特定的表面加工來制造（或修復(fù)）零部件。如采用熱噴涂、堆焊等表面技術(shù)修復(fù)已磨損或腐蝕的零件，用表面蝕刻、擴(kuò)散等工藝制作晶體管及集成電路等。表面技術(shù)的分類有：（1）表面覆層技術(shù)。按工藝特點，表面覆層技術(shù)包括各種鍍層技術(shù)（電鍍、化學(xué)鍍等）、

3、熱噴涂技術(shù)、涂料涂裝技術(shù)、陶瓷涂敷技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)、堆焊技術(shù)、氣相沉積技術(shù)、著色染色技術(shù)等。其中電鍍鍍層材料可以是金屬、合金、半導(dǎo)體等，基體材料也由金屬擴(kuò)大到陶瓷、高分子材料；電鍍覆層廣泛用于耐蝕、耐磨、裝飾及其它功能性鍍層（如磁性膜、光學(xué)膜）。而化學(xué)鍍是在無外加電場的情況下，鍍液中的金屬離子在還原劑的作用下，通過催化在鍍件（金屬件或非金屬件）表面上的還原沉積過程。從本質(zhì)上講，化學(xué)鍍?nèi)匀皇莻€電化學(xué)過程?；瘜W(xué)鍍在電子、石油、化學(xué)化工、航天航空、機(jī)械、汽車及核能等工業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。多元合金鍍層如Ni-Cu-P、Ni-Mo-

4、P等，具有更好的綜合性能和特殊功能。Ni-Cu-P鍍層可作為高耐蝕表面保護(hù)層和電磁波屏蔽層；Ni-Mo-P（或Ni-W-P）鍍層可作為醫(yī)療器械和人工器官保護(hù)層、薄膜電阻材料等?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)是通過化學(xué)或電化學(xué)手段，使金屬表面形成穩(wěn)定的化合物膜層的方法。它主要應(yīng)用于防銹耐蝕（由于化學(xué)轉(zhuǎn)化膜降低了金屬表面活性且將金屬與環(huán)境介質(zhì)隔離，故對一般防銹要求的零件可直接作為耐蝕層使用）、作為涂料層、搪瓷層、熱浸鍍、金屬熱噴涂及粘結(jié)前的底層，可提高涂鍍層的結(jié)合強(qiáng)度、可減輕滑動摩擦表面的摩擦作用，可用于某些耐磨零件或改善塑性加工的工藝性能。（2

5、）表面合金化技術(shù)。包括表面擴(kuò)滲技術(shù)、噴焊堆焊、激光合金化、離子注入技術(shù)等。采用激光束、電子束和離子束（合稱“三束”）對材料表面進(jìn)行改性或合金化技術(shù)，是近幾十年來迅速發(fā)展起來的材料表面新技術(shù)，是材料科學(xué)的最新領(lǐng)域之一。束流技術(shù)對材料表面的改性是通過改變材料表面的成分（即表面合金化）和結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的，由于這些束流具有極高的能量密度，可對材料表面進(jìn)行快速加熱，其后冷卻速度也極快，故表層結(jié)構(gòu)和成分的改變幅度極大（如出現(xiàn)微晶、納米晶、非晶、亞穩(wěn)成分固溶體或化合物），因而性能改變的程度也相當(dāng)大。此外快速加熱對整體材料的影響不大，故工件在處理

6、過程中基本不變形。激光束具有高能量密度性、高方向性和高相干性，當(dāng)其照射到金屬表面時，其能量幾乎全被表面層吸收轉(zhuǎn)變成熱能，可在極短時間內(nèi)將工件表層快速加熱或熔化，而心部溫度基本不變；當(dāng)激光束移去后，表層向心部的迅速傳熱，又可實現(xiàn)快速的“自冷卻”過程。激光束表面技術(shù)的應(yīng)用主要包括以下幾方面：1）激光表面熱處理又稱激光表面淬火強(qiáng)化，具有高硬度（比普通淬火高15%～20%）、高疲勞性能和微變形的基本特點，耐磨性可提高幾倍，已成功用于汽車發(fā)動機(jī)缸體和缸套、滾動軸承圈、柴油機(jī)缸套、機(jī)床導(dǎo)軌、冷作模具等。2）激光表面合金化是預(yù)先用鍍膜或噴涂

7、等技術(shù)把所需合金元素涂敷到工件表面（即預(yù)沉積法），然后通過激光束照射，使表面膜與基體材料淺表層熔化、混合并迅速凝固，形成成分與結(jié)構(gòu)均不同于基體的、具有特殊性能的合金化表層，主要用于提高基體材料表面的耐磨性、耐蝕性和耐熱性，并可降低材料成本。激光束表面技術(shù)還可用于激光涂敷，以克服熱噴涂涂層的氣孔、夾渣和微裂紋缺陷；激光束表面技術(shù)用于氣相沉積技術(shù)，可提高沉積層與基體的結(jié)合力，并減小基體的熱變形。（3）表面組織轉(zhuǎn)變技術(shù)。這種表面技術(shù)不改變材料表面成分而僅改變其表面組織，包括各種表面淬火（感應(yīng)加熱、激光加熱、電子束加熱）、表面形變強(qiáng)化

8、（如噴丸、滾壓）等[1]。表面覆層技術(shù)的應(yīng)用在材料加工領(lǐng)域甚為廣泛，具體事例也比比皆是。為了抑制合金元素的互擴(kuò)散，在涂層和基體間加入阻擴(kuò)散層是行之有效的方法。采用電弧離子鍍技術(shù)在NiCrAIY包覆涂層和DSM11基體間加入了CrN阻擴(kuò)散層。由1100℃下恒溫氧化10h,50h