表面工程與其在船舶機械中應用

表面工程與其在船舶機械中應用表面工程與其在船舶機械中應用2表面工程及其在船舶機械中的應用表面工程概述熱噴涂技術及其應用表面工程技術在船機零件中的應用表面工程與其在船舶機械中應用3表面工程概論機械設備的失效方式表面工程的概念表面工程的特點表面工程的意義表面工程技術的發(fā)展表面工程技術的分類表面工程與其在船舶機械中應用4機械設備的失效方式腐蝕：氣、水及化學介質的作用使零部件表面產生腐蝕。磨損：工件之間的相互運動產生磨損。氧化：零部件工作在高溫中表面會產生氧化。侵蝕：工件因接觸高溫金屬熔體或其它熔體而被侵蝕。疲勞斷裂：工件承受扭轉或彎曲等交變載荷作用而產生疲勞斷裂。各種機電產品的失效中約70%是由腐蝕和磨損造成的。我國每年因腐蝕所造成的經濟損失至少達8000億元，占國民生產總值(GNP)的2~4%。表面工程與其在船舶機械中應用5表面工程的概念1.表面工程是將固體材料表面預處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理，改變固體材料表面的形態(tài)、化學成分和組織結構，以獲得所需要的表面性能的系統(tǒng)工程。表面工程的學科體系包括：表面工程基礎理論、表面工程技術及復合表面技術、表面加工技術、表面質量檢測與控制、表面工程技術設計等。2.表面工程基礎理論：表面失效分析、表面摩擦與磨損、表面腐蝕與防護、表面界面結合與復合。表面工程與其在船舶機械中應用6表面工程的概念3.表面工程技術：表面改性技術：物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、離子注入、激光熱處理、電子束技術、電鍍、刷鍍、化學鍍、熱噴涂技術、堆焊、粘涂技術等。表面加工技術：即能夠在材料表面加工或制作各種功能結構元器件的有關技術，如：光刻技術、離子刻蝕技術。表面合成材料技術：如離子注入。表面加工三維合成技術。表面工程與其在船舶機械中應用7表面工程的特點

1.表面工程技術是傳統(tǒng)技術和高新技術的結合和貫通。如：化學熱處理、熱噴涂技術、“三束”表面強化。2．表面工程技術兼有基礎和實用性，它涵蓋理論和應用，融合水平和效益。3．表面工程技術的特色是多種表面技術的復合和綜合。如：熱噴涂與激光重熔的復合、化學處理與電鍍的復合、表面強化與固體潤滑膜的復合，金屬材料基體與非金屬材料涂層的復合等。表面工程與其在船舶機械中應用8表面工程的意義

1.滿足社會生產及人民生活的需要表面工程技術應用在鐘表、手飾、燈具、餐具、家具及仿古建筑等方面。2.通過表面處理大幅度提高產品質量1)拉絲輪：國產壽命半年，而日本進口的是五年。2)風機葉輪：表面處理后提高壽命三倍以上。3.節(jié)約貴重材料：許多零件可以采用復合結構如氣閥、高級模具。4.實現材料表面復合化，解決單一材料無法解決的問題。如：切削刀具：CVD鍍TiN、TiC薄膜。5.良好的節(jié)能、節(jié)材效果。如：發(fā)熱元件表面的遠紅外輻射涂層，能提高熱效率；汽車發(fā)動機全鋁化、鋁合金氣缸套的耐磨涂層使用。

表面工程與其在船舶機械中應用9表面工程的意義6.

促進了新興工業(yè)的發(fā)展。1)熱障涂層：ZrO2·Y2O3、ZrO2·MgO、ZrO2·CeO2等。2)燒蝕涂層：有機材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。3)超大規(guī)模集成電路中的金剛石薄膜（CVD技術）、絕緣膜、導電涂層等。4)非晶態(tài)薄膜：氣相沉積、電鍍、刷鍍、激光等方法制造。5)原子核反應器中的高溫抗氧化涂層。6)納米涂層：納米結構ZrO2?Y2O3涂層、Al2O3涂層及Co/WC涂層。表面工程與其在船舶機械中應用10表面工程的意義7.表面工程促進了機械維修創(chuàng)新1984年美國“技術評論”提倡舊品翻新或再生并稱為“重新制造”，2005年美國再制造產值已超過1000億美元，100萬人就業(yè)。21世紀七大關鍵技術：表面工程技術、計算機科學、生命科學、新能源技術、新材料技術、信息技術、先進制造技術。日本提出了“再生工廠技術”的概念。再制造目前已在我國得到了廣泛的重視。表面工程與其在船舶機械中應用11表面工程技術的發(fā)展

1.傳統(tǒng)的表面工程技術：表面熱處理、表面滲碳及油漆技術。秦兵馬俑寶劍表面是采用鉻鹽氧化工藝處理；“唐三彩”的處理工藝。高分子涂裝技術：50年代油性涂料、天然樹脂涂料→合成樹脂→水系涂料。傳統(tǒng)的表面淬火：火焰加熱→高頻加熱→激光束、電子束淬火。表面工程與其在船舶機械中應用12表面工程技術的發(fā)展?jié)B碳工藝：自動控制、離子滲碳改善滲碳質量和速度。電鍍及電刷鍍技術：純金屬鍍Zn、Cr、Ni、Cu→鍍覆多種合金→復合金屬陶瓷鍍層→納米刷鍍層。熱噴涂技術：裝飾性和防護性涂層到制備各種功能性涂層，如：氣閥涂層、活塞環(huán)涂層等。由單一涂層發(fā)展到產品失效分析、表面預處理、噴涂材料和設備的選擇、涂層系統(tǒng)設計和涂層后加工在內的熱噴涂系統(tǒng)工程。表面工程與其在船舶機械中應用13表面工程技術的發(fā)展2.新的表面工程技術激光表面處理:激光表面淬火、激光熔敷、激光表面合金化及激光熔凝。電子束表面處理：電子束淬火、電子束表面合金化、電子束熔敷、電子束非晶化及熔凝。離子注入：可獲得過飽和固溶體、非晶態(tài)和某些化合物。化學氣相沉積（CVD）。物理氣相沉積（PVD）法：真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法沉積成膜。表面工程與其在船舶機械中應用14表面工程技術的發(fā)展3.表面工程概念的提出和發(fā)展的重要標志表面工程概念的提出始于20世紀80年代；重要標志：1983英國伯明翰大學表面工程研究所的建立；1985年《表面工程》國際刊物的發(fā)行。1985年召開了第一屆國際表面工程會議。1986年10月在布達佩斯召開的國際熱處理聯合會決定接受表面工程學科，并改名為國際熱處理及表面工程聯合會。1987年中國機械工程學會表面工程研究所成立。1988年中國《表面工程》創(chuàng)刊發(fā)行，1998年改名為《中國表面工程》。1993年中國機械工程學會表面工程分會成立。表面工程與其在船舶機械中應用15表面工程技術的分類

1.按工藝特點進行分類：電鍍、化學鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學轉化膜、涂裝、表面彩色、氣相沉積、“三束”改性及表面熱處理，形變強化及襯里。2.按學科特點分類表面合金化技術：噴熔、堆焊、離子注入、激光熔敷、熱滲鍍等。表面覆層與覆膜技術：熱噴涂、電鍍、化學鍍、化學轉化處理、氣相沉積、涂裝、堆焊、金屬染色、熱滲鍍等。表面組織轉化技術：激光、電子束熱處理以及噴丸、輥壓等表面加工硬化技術。表面工程與其在船舶機械中應用16表面工程技術的分類3.按作用原理分類：1)原子沉積：電鍍、化學鍍、PVD用CVD等。2)顆粒沉積：熱噴涂、搪瓷涂敷等。3)整體涂層：包箔、貼片、熱浸鍍、涂刷、堆焊等。4)表面改性：噴丸、化學熱處理、激光表面處理、電子束表面處理、離子注入等。表面工程與其在船舶機械中應用17表面工程技術的分類4.按表面改性的目的或性質分類1)表面減摩和耐磨技術2)表面耐蝕抗氧化技術3)表面強化（提高疲勞強度）技術4)表面裝飾技術5)功能表面技術6)表面修復技術表面工程與其在船舶機械中應用18表面工程技術的分類5.按表面工程技術的特點1)表面改性技術：激光淬火、感應加熱淬火、噴丸、PVD、CVD、化學溶液沉積法、熱噴涂與噴熔、堆焊等。2)表面微細加工技術：光刻和腐蝕、離子束刻蝕。3)表面加工三維成型技術：快速原型制造、無?？焖僦圃旒夹g。4)表面合成新材料技術。表面工程與其在船舶機械中應用19表面工程技術的分類6.按表面改性的機制分類：表面相變改性、合金化改性、覆蓋層改性及形變改性。1)表面合金化：離子轟擊熱處理、電化學熱處理、激光化學熱處理、離子注入、離子混合或重熔。2)表面相變改性：激光束加熱、電子束加熱、感應加熱、火焰加熱。3)表面覆蓋層改性：物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍、化學鍍、熱噴涂、有機無機涂層4)表面形變改性：噴丸、噴砂、碾（滾）壓。表面工程與其在船舶機械中應用20熱噴涂技術及應用1.熱噴涂原理2.涂層結構及特性3.涂層的結合機理4.熱噴涂分類熱噴涂的特點熱噴涂的應用熱噴涂技術發(fā)展概況表面工程與其在船舶機械中應用21熱噴涂原理

熱噴涂是利用熱源將噴涂材料加熱到熔化或熔融狀態(tài)，借助于焰流或外加的推力使粒子沉積到一種經過制備的表面形成某種功能的沉積層。在噴涂過程中或涂層形成后，對基體金屬和涂層加熱，使涂層在基體表面熔融，并和基體產生擴散或互熔，形成與基材冶金結合的噴熔層，稱為熱噴熔（簡稱噴熔）。表面工程與其在船舶機械中應用22熱噴涂原理表面工程與其在船舶機械中應用23熱噴涂過程1）噴涂材料被加熱熔化：噴涂材料在不同的熱源作用下加熱熔化；2）熔滴霧化：在焰流或壓縮空氣的作用下熔滴破碎和霧化；3）高速飛行：在焰流和其它氣體作用下加速；4)碰撞變形及淬冷凝固：在產生碰撞瞬間，顆粒的動能轉化成熱能付給基材，并沿預處理的凹凸不平表面產生變形，變形的顆粒迅速冷凝并產生收縮，呈扁平狀粘結在基材表面。表面工程與其在船舶機械中應用24熱噴涂過程表面工程與其在船舶機械中應用25涂層的結構與特性

1.涂層層狀結構：由大量相互平行的碟形粒子互相粘結而成；2.涂層的多孔結構：粒子碰撞、變形和冷凝等過程的時間極短；3.涂層中存在氧化物夾雜：其數量取決于熱源，材料和噴涂條件；4.涂層的各向導性：層狀結構→各向異性。5.涂層殘余應力。表面工程與其在船舶機械中應用26涂層的結構與特性表面工程與其在船舶機械中應用27涂層的結構與特性1.涂層的結構是被微細氧化物和孔洞層錯分隔的系列薄片材料的堆積層。2.涂層經過適當的處理后，其結構會發(fā)生變化。例如：涂層經過重熔處理，就消除了涂層中的氧化物夾雜和孔隙，層狀結構成為均質結構，涂層與基體表面的結合狀態(tài)也發(fā)生了變化。表面工程與其在船舶機械中應用28涂層的結合機理1.機械結合：熔融狀態(tài)的噴涂粒子在與基本表面碰撞時，其變形粒子與基體表面的凹凸粗糙面機械地咬合→“拋錨效應”。2.物理結合：涂層與基體表面的粘附是由范德瓦耳斯力所引起的，范德瓦耳斯力是中性原子或分子之間的結合力，又稱為金屬鍵結合力。3.化學或顯微冶金結合：當基體表面被高溫微粒熔化和與它們發(fā)生反應而形成金屬間化合物時，其涂層和基體表面的結合為化學結合，當噴涂粒子與基體表面原子形成互相擴散時，就稱為顯微冶金結合。

表面工程與其在船舶機械中應用29熱噴涂分類

線材火焰噴涂、棒材火焰噴涂

氣體燃燒火焰法粉末火焰噴涂、爆炸噴涂超音速火焰噴涂、粉末火焰噴熔電弧噴涂大氣等離子噴涂熱真空等離子噴涂噴

氣體放電法等離子噴涂

保護氣體等離子噴涂涂水穩(wěn)等離子噴涂超音速等離子噴涂等離子噴熔電熱法：高頻噴涂、線材電爆噴涂激光熱源：激光噴涂、激光噴熔

表面工程與其在船舶機械中應用30熱噴涂的優(yōu)點

1.噴涂材料的選擇范圍廣泛，它幾乎包括所有的固體材料。如：金屬及其合金、陶瓷及金屬陶瓷、塑料及各種復合材料；2.選擇合適的工藝方法幾乎能在任何固體材料表面上進行噴涂；3.一般不受施工場所的限制，既可以在室內噴涂，又可以現場施工；4.一般不受工件尺寸及形狀限制，既能噴涂薄及小的工件，又能對大工件進行施工；5.涂層厚度可以在幾十微米到幾毫米范圍內控制；表面工程與其在船舶機械中應用31熱噴涂的優(yōu)點6.除噴熔外，工件的受熱程度??；7.能使涂層具有耐磨、耐蝕、耐氧化、耐高溫、隔熱、導電、絕緣、密封、減磨、輻射及電子發(fā)射等不同功能或使涂層具有復合功能；8.噴涂生產效率高，一般的生產效率為每小時數公斤，有的工藝可達每小時數十公斤；9.與其它堆焊方法相比，火焰噴熔和等離子噴熔層的沖淡率較低，而且表面成型平整、光滑、加工余量小、節(jié)省合金材料；10.廢舊件修復后，還能比新件具有更高的性能和更長的使用壽命。表面工程與其在船舶機械中應用32熱噴涂的局限性

1.一般的熱噴涂涂層，涂層結合強度及密度受到一定限制(10N/mm2~100N/mm2)；

2.對于噴涂面積小的工件，沉積效率低，不經濟；

3.一般噴涂方法操作環(huán)境較惡劣，要求采取勞動保護和環(huán)境保護措施；

4.難以對涂層質量進行非破壞性檢查。表面工程與其在船舶機械中應用33熱噴涂的應用領域

航天航空、機械、電子、冶金、能源、交通、石油、化工、食品、輕紡等，并在高科技領域得到了應用。表面工程與其在船舶機械中應用34涂層應用分類

1.腐蝕/氧化涂層1)抗化學腐蝕涂層：Ni、NiCr、NiAl、Al2O3、TiO2、Y2O3、Ta、Mo、塑料等；2)抗大氣/電化學腐蝕涂層：Al、Zn、AlZn、青銅、不銹鋼、蒙乃爾合金、鎳基合金；3)抗氧化涂層：NiCr、MCrAlY、Mo、鎳基合金和鋁化物等；2.抗磨損涂層：1)抗滑動磨損、抗磨料磨損、抗沖蝕磨損、抗微動磨損、抗氣蝕磨損等；2)涂層材料有：Al2O3/TiO2、Cr2O3、WC/Co、TiC/NiCr、高碳鋼、不銹鋼、NiCrBSi、CoCrW、Cr3C2/NiCr、Mo等。表面工程與其在船舶機械中應用35涂層應用分類3.熱障涂層：ZrO2·Y2O3、ZrO2·MgO、

ZrO2·CeO2、MCrAlY、NiAl等；4.可磨耗及密封涂層：Al/聚酯、Ni/膨潤土、Ni/石墨、NiCr/Al2O3、NiCr/TiC、NiCr/TiC、NiCr/SiC、ZrO2等；5.修復/裝飾涂層：Ni、Al、Cu、鋁青銅、不銹鋼、碳鋼、NiAl、NiCr、Mo等；表面工程與其在船舶機械中應用36涂層應用分類6.電/磁/光涂層：絕緣涂層、導電涂層、半導體與超導體涂層、壓電涂層、電致伸縮涂層、輻射、吸收及反射涂層、光-電涂層等；7.特殊功能涂層：它應用于生物種植、梯度功能材料、復合材料制造、防滑表面和模具制造中。表面工程與其在船舶機械中應用37熱噴涂技術發(fā)展概況

1910年：瑞士工學博士發(fā)明了第一個金屬噴涂裝置，即：金屬熔液式噴涂。

1912年：Schoop制造了線材火焰噴槍。

1913年：Schoop提出了電弧噴涂的設計

1916年制成了實用性電弧噴槍。30年代，美國Metco公司相繼研制用空氣渦輪送絲的E-型系列和馬達送絲的K-型系噴槍，噴鋁、噴鋅開始應用。30年代英國研制Schort粉末火焰噴槍→METCO-P型粉末火焰噴槍。表面工程與其在船舶機械中應用38熱噴涂技術發(fā)展概況40年代末期以后熱噴涂有了長足的進展。50年代初期研制出自熔性合金粉末，隨后出現了粉末火焰噴熔。50年代末期，美國聯合碳化物公司研制出，燃氣爆炸噴涂Plasmadyne公司開始研制等離子噴涂設備，56年第一屆ITSC在英召開。60年代中期等離子噴熔技術研制成功，等離子噴涂應用于工業(yè)領域。表面工程與其在船舶機械中應用39熱噴涂技術發(fā)展概況70年代熱噴涂向著高能、高速、高效發(fā)展：80KW高能等離子噴涂設備，低壓電弧噴涂較普遍采用了封閉式噴咀。日本研制成功線爆噴涂裝置：噴涂內孔。

80年代末超音速火焰噴涂研制成功，計算機控制熱噴涂。

90年代超音速火焰噴涂應用，各種復合涂層制備方法被開發(fā)。

90年代末冷噴涂的出現。表面工程與其在船舶機械中應用40熱噴涂技術在船舶機械零件中的應用熱噴涂技術在柴油機氣閥中的應用。熱噴涂技術在曲軸等軸類零件中的應用。熱噴涂技術在柴油機氣缸蓋閥座中的應用。熱噴涂技術在尾軸耐磨襯套中的應用。熱噴涂技術在柴油機燃燒室中的應用。熱噴涂技術在船舶鋼構件防腐中的應用。熱噴涂技術在巴氏合金薄壁軸瓦中的應用。熱噴涂技術在船舶其它機械零件中的應用。

表面工程與其在船舶機械中應用41熱噴涂技術在柴油機氣閥中的應用涂層功能：恢復尺寸、高溫耐磨及腐蝕涂層材料：Ni、Co基合金工藝方法：等離子弧堆焊、激光熔敷、火焰噴熔、真空熔燒表面工程與其在船舶機械中應用42熱噴涂技術在柴油機氣閥中的應用表面工程與其在船舶機械中應用43熱噴涂技術在柴油機氣閥中的應用表面工程與其在船舶機械中應用44熱噴涂技術在曲軸等軸類零件中的應用

涂層功能：恢復尺寸、耐磨涂層材料：Ni、Fe基合金工藝方法：火焰噴涂、電弧噴涂、等離子弧噴涂、超音速火焰噴涂表面工程與其在船舶機械中應用45熱噴涂技術在曲軸等軸類零件中的應用表面工程與其在船舶機械中應用46熱噴涂技術在曲軸等軸類零件中的應用表面工程與其在船舶機械中應用47熱噴涂技術在曲軸等軸類零件中的應用表面工程與其在船舶機械中應用48熱噴涂技術在曲軸等軸類零件中的應用表面工程與其在船舶機械中應用49熱噴涂技術在曲軸等軸類零件中的