2013-材料表面工程.ppt

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1、材料表面工程 浙江大學金屬材料研究所 凌國平 第一講：本課程的進行方式 5.7 獲取 知識 的方法 生而知之、 學而知之 、 困而知之 學而知之 間接經(jīng)驗 知道、理解 會用才算真知 困而知之 直接經(jīng)驗 創(chuàng)造的源泉 從哪里獲取專業(yè)知識？ 學校、教師 自學 專業(yè)知識的載體及知識的新鮮度 書本（幾年） 期刊（半年） 會議論文（ 3個月） 實驗室之間的直接交流（最新知識） 網(wǎng)絡(luò) （更快、更方便、更高效） 可信度？ 網(wǎng)絡(luò)中的哪個資源？ 浙江大學圖書館 本課程的教學安排 教師講解 七次 表面失效機理、表面工程技術(shù)、表面分析測試 學生分組講解 16組，九次（包括講評和總結(jié)） 每組 24人，自由組合 自由選

2、題（每組一個主題，組員內(nèi)容不同） 每組一節(jié)課的講解，每人 10分鐘 每個同學都要上臺講解 學生對感興趣的內(nèi)容提問 教師對內(nèi)容及 ppt等進行講評 以往學生綜述選題例 06年夏季 03級論文標題 07年夏季 04級論文標題 08年夏季 05級論文標題 以往學生的 ppt 05學生優(yōu)秀 ppt 06學生優(yōu)秀 ppt 冷凍出來的陶瓷 -陳翼 挑戰(zhàn)肉眼極限 -徐旻 表面色彩的產(chǎn)生 -曾偉 07學生優(yōu)秀 ppt 08學生優(yōu)秀 ppt 本課的結(jié)束形式 交一篇綜述性文章，考核以下內(nèi)容： 知識的收集 帶著問題去看資料 如何從信息海洋中找到我們需要的知識 如何總結(jié)？ 國內(nèi)、國外現(xiàn)狀 研究了什么？得到了些什么結(jié)果

3、？ 還存在哪些問題？ 解決問題的方法設(shè)想 提出實驗方案證實或證偽 本課的結(jié)束形式 知識的表達 知識表達出來才能與人共享，成為知識 表達是一個重新思考的過程 表達是創(chuàng)造 “想說未說” 表達的方式 口頭表達 文字表達 藝術(shù) 如何更好的表達 首先要有表達的強烈愿望 本課的結(jié)束形式 考核成績由三部分組成 平時成績 口頭表達成績 綜述文章成績 綜述文章要求 自由選擇題目 內(nèi)容包括該內(nèi)容的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 符合綜述論文的規(guī)范寫法（參考文獻等） 最好能指出所存在的問題（ 90以上） 進一步提供解決該問題的實驗方案（加分） 可參考期刊中類似的論文 本課程的教材 材料表面工程 王兆華 , 2011 各種期刊 中國

4、表面工程 腐蝕及防護 材料保護 表面技術(shù) Sicence， Nature Thin Film Surface and Coatings Technology 同學講解的時間安排 5月 30日：學生第 1組及講評 6月 4日 學生第 2組、第 3組 6月 6日：學生第 4組、第 5組 6月 9日 學生第 6組、第 7組 6月 13日：學生第 8組、第 9組 6月 18日， 學生第 10組、第 11組 6月 20日：學生第 12組、第 13組 6月 25日 學生第 14組、第 15組 6月 27日：學生第 16組，總結(jié)點評 表面工程歷史 英國 T. Bell(英國伯明翰大學教授 ) 氮化 氮化 P

5、VD法 TiN Surface Engineering（ 1984） 1985年，英國第一屆表面工程國際會議 1986年，國際熱處理與表面工程聯(lián)合會 1987年，英國第二屆國際會議 1988年，日本第三屆國際會議 中國， 1987年 12月在北京成立表面工程研究所 88年 11月全國首屆表面工程現(xiàn)狀與未來研討會 浙江大學， 89年開課 The 20th Congress of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering October 23-25, 2012 Beijing China 表面工程的內(nèi)容

6、對表面的要求 表面 分析技術(shù) 表面失效及機理 表面 處理技術(shù) 對表面的要求 耐磨、耐蝕、功能（光電磁熱） 美觀 表面失效機理 磨損、疲勞 腐蝕 表面分析測試 形貌方面：粗糙度、孔隙率、厚度 成分結(jié)構(gòu)： EDS、 XRD、 XPS 組織方面： OM， SEM 性能方面：結(jié)合力、耐蝕性、硬度、耐磨性、物性 表面處理技術(shù) 表面預(yù)處理 粗化、脫脂、酸洗、特殊預(yù)處理 濕法鍍技術(shù) 電鍍、化學鍍、轉(zhuǎn)化膜 干法鍍技術(shù) CVD、 PVD、離子鍍 化學熱處理 激光表面處理 涂覆、熱噴涂、熱浸鍍 表面覆層 覆層性能 表面改性 成分、組織 第二講：表面失效機理：磨損 何謂磨損？ 固體表面相對運動，機械或化學作用 材料

7、損失 磨損種類及機理 粘著磨損： 磨粒磨損： 疲勞磨損： 沖蝕磨損： 微動磨損： 腐蝕磨損： 耐磨損表面處理技術(shù) 高硬度涂層 Fe3C， Cr 金剛石鍍膜 TiN（滲氮 +TiN） 減摩涂層 抗粘著磨損 MoS2 Ni-P-PTFE 涂層的制備方法 滲碳 鍍 Cr、化學鍍 Ni-P PVD、 CVD 表面失效機理：疲勞 交變應(yīng)力引起材料低應(yīng)力斷裂 大多數(shù)情況下，疲勞裂紋起源于表面 夾雜物、網(wǎng)狀碳化物、偏析等均不利 抗疲勞方法 表面形成 壓應(yīng)力 （噴丸） 趙振業(yè)院士 -抗疲勞制造 各種表面處理會產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài) 酸性化學鍍鎳：壓應(yīng)力 堿性化學鍍鎳：拉應(yīng)力 鋼鐵表面脫碳：拉應(yīng)力 5.9 復(fù)習 課

8、程的進行方式 課程的教學安排 課程的結(jié)束形式 5月 30日：學生第 1組及講評 6月 4日 學生第 2組、第 3組 6月 6日：學生第 4組、第 5組 6月 9日 學生第 6組、第 7組 6月 13日：學生第 8組、第 9組 6月 18日， 學生第 10組、第 11組 6月 20日：學生第 12組、第 13組 6月 25日 學生第 14組、第 15組 6月 27日：學生第 16組，總結(jié)點評 徐吉健 /徐晨霄 : 5組 (6月 6日 ) 傅鐵錚 /張浩 /賈郁 /陳星： 8組 樓子瑞 /唐清 /俞劍： 9組 徐秉政 : 12組 表面工程歷史 表面工程內(nèi)容 對表面的要求 表面失效機理 表面處理技術(shù)

9、 表面分析技術(shù) 表面失效機理 磨損及抗磨表面處理 疲勞及抗疲勞表面處理 表面失效機理：腐蝕 材料三大失效之一 外觀的喪失 功能的喪失 為什么會腐蝕？ 是什么樣的腐蝕？ 外觀？ 材質(zhì)？ 環(huán)境？ 奧迪鋁合金發(fā)動機上的白斑 腐蝕類型（外觀） 全面腐蝕 均勻腐蝕、不均勻腐蝕 局部腐蝕 點蝕 、縫隙、選擇性腐蝕、應(yīng)力腐蝕 黃銅選擇性腐蝕 不銹鋼點蝕 鉆井平臺的水線腐蝕 腐蝕外觀 按機理 化學腐蝕 電化學腐蝕 理論 氧化熱力學與動力學 吉布斯自由能 瓦格納 拋物線規(guī)律 電化學熱力學與動力學 能斯特方程等 腐蝕理論 氧化（硫化） 火力發(fā)電 超超臨界發(fā)電機組的抗水蒸汽腐蝕 液態(tài)金屬腐蝕 熔融 Zn Al（熱浸

10、鍍、鋁壓鑄） 熔融 Na（核電站） 熔融 Pb-Li腐蝕（ ITER計劃 ） 熔融鹽腐蝕 燃料電池 熔融碳酸鹽 鋅鍋腐蝕 化學腐蝕 （ MCFC中電極材料的腐蝕 -傅曉建 ） 電化學腐蝕 熱力學：腐蝕電池 陽極、陰極、電解液、短路 陽極： Me-ne=Men+，金屬溶解腐蝕 能斯特方程： E E0 RT/nF ln a n+ 宏觀腐蝕電池 電偶腐蝕：異種金屬接觸 溫差電池：熱交換器 濃差電池： 水線腐蝕 微觀腐蝕電池 成分不同：黃銅 CuZn合金，選擇性腐蝕 組織不同 晶界 /晶內(nèi)電位差 ：硝酸酒精腐蝕 應(yīng)力不均勻 水線腐蝕： 氧濃差 腐蝕動力學：腐蝕速度 關(guān)鍵詞：極化 電極上有電流流過時，電

11、極電勢偏離其平衡值的現(xiàn)象 腐蝕電池有電流，電子流動速度大于電極反應(yīng)速度。陽極電子流走， 離子化反應(yīng)趕不上補充；陰極電子流入快，得電子的陰極反應(yīng)慢，導(dǎo) 致陽極電位向正移，陰極電位向負移，從而縮小電位差，減緩了腐蝕 電化學反應(yīng) 控制速度 ：活化極化 傳質(zhì)控制速度：濃差極化 表面覆蓋膜控制速度：電阻極化 析氫腐蝕與吸氧腐蝕 腐蝕：金屬失去電子 , 陽極 陰極呢？ 2H+2e=H2，控制速度 2H2O+O2+4e=4OH-，控制速度 鈍化 形成膜阻止腐蝕 自然鈍化 Al、不銹鋼耐蝕原因之一 人工鈍化 點蝕 小陽極大陰極，加速基體的腐蝕 覆層的 孔隙率 影響極大 Cl-破壞鈍化膜造成點蝕 ZPP 白色膜

12、 接著劑 FPP MG 點蝕： SUS304不銹鋼小黃色斑點 耐腐蝕表面處理 隔離腐蝕介質(zhì) -斷開介質(zhì) /腐蝕原電池 油漆，高分子涂料 線路板腐蝕與防護 飛船表面的抗高溫氧化涂料 陰極保護層 用電位更正的金屬鍍層 鋼鐵表面鍍 Cr、 Cu、 Ni 化學鍍 Ni 化學熱處理 氮化 -“真不銹鐵鍋” 存在的問題 鍍層孔隙率 小陽極大陰極：孔蝕、點蝕 油田注水管：化學鍍鎳、氮化 陽極保護層 用電位更負，但腐蝕速度慢的金屬 鍍 Zn、鍍 Cd防大氣腐蝕 熱浸鍍 Zn、電鍍 Zn、機械鍍 Zn、達克羅技術(shù) 航空件的鍍 Cd，高強度，潛在的氫脆危險 存在的問題 鍍 Zn的氫脆問題（高強螺栓） Cd的環(huán)保問

13、題 軟，不耐磨 怎么辦？ 有無高硬度的同時， 低電位、腐蝕速度低 的鍍層？ 鎂合金的電化學腐蝕 鎂的活性 組織： Mg+Mg17Al12 防護：化學鍍、微弧氧化、轉(zhuǎn)化膜 +涂料 離子液體電沉積 鎂合金組織 幾個腐蝕研究例 Bajin Xu, Jing Chen, and Guoping Ling, Viscous Layer Formed in the Anodic Electrolytic Etching of Reactive Metals in Ionic Liquid, Electrochemical and Solid-State Letters, 15 (1) D1-D3 (201

14、2) 前處理后組織 鍍層與基體界面 NdFeB的電化學腐蝕 Nd的活性 組織： Nd2Fe14B，富 Nd相 Nd97Fe3 防護：鍍鎳、鍍鋅、化學鍍 幾個腐蝕研究例 NdFeB上 Al-Mn非晶層 Jing Chen, Bajin Xu, Guoping Ling, Amorphous Al-Mn coating on NdFeB magnets Electrodeposition from AlCl3- EMIC-MnCl2 ionic liquid and its corrosion behavior, Materials Chemistry and Physics 134 (2012)

15、 1067e1071 第三講：固體表面 表面 微觀凹凸不平 （物理） 用粗糙度表征 與表面處理層的結(jié)合力密切相關(guān) 易產(chǎn)生疲勞裂紋源 對潤濕性的影響 疏水：越粗糙，越疏水 微納結(jié)構(gòu)的表面：雙親雙疏 有序的粗糙表面 反光路標，廣告牌 硅片的腐蝕表面 其他？仿生的有序表面 硅片的腐蝕表面 表面 不清潔 （化學）： 吸附了各種物質(zhì)，含氧化膜 Al、不銹鋼表面氧化膜 氧化膜使鍍層結(jié)合力下降 Mg、 NdFeB等易氧化金屬表面處理的關(guān)鍵問題之一 U（ 鈾的腐蝕與防腐蝕技術(shù)研究 ,材料導(dǎo)報 ,2005） 必須進行清洗 脫脂：油污、手印 酸洗：去除氧化膜 脫脂、酸洗是表面處理前必須的前處理步驟 清潔度的檢測？

16、 表面 有應(yīng)力 （力學） 各種表面處理后的應(yīng)力？ -壓應(yīng)力、拉應(yīng)力 表面存在 塑性變形層 （組織） 機加工表面 強烈噴丸使組織納米化 納米顆粒的表面？ 極高的表面能 納米顆粒表面及性質(zhì)的研究現(xiàn)狀？ 納米顆粒的分散 凹凸不平的 臟的 組織與內(nèi)部不一樣的 有應(yīng)力的 5.14 復(fù)習 腐蝕理論 化學腐蝕 氧化、硫化，熔融金屬腐蝕，熔融鹽腐蝕 反應(yīng)自由能，反應(yīng)速度及擴散速度 電化學腐蝕 腐蝕熱力學（腐蝕電池）。宏觀電池、微觀電磁。均勻腐蝕， 局部腐蝕（點蝕、縫隙腐蝕、水線腐蝕 ）。 腐蝕動力學（極化）。析氫腐蝕、吸氧腐蝕，鈍化。 腐蝕防護 絕緣涂層 陰極涂層保護（問題：小陽極大陰極） 陽極涂層保護 其他

17、腐蝕？ 失效分析案例 -空泡腐蝕 固體表面 凹凸不平 不干凈（吸附，氧化膜） 組織與心部不同 應(yīng)力與心部不同 表面預(yù)處理 脫脂 堿洗，除油 堿性溶液：肥皂，洗潔精， NaOH 不同基體，選用不同的溶液 有機溶劑（酒精、汽油、 CCl4） 酸洗 去除氧化膜，活化表面 HCl、 H2SO4、 HNO3、 H3PO4等 王水 HF（玻璃前處理） 酸洗液產(chǎn)品 表面預(yù)處理的影響 清洗的強化 電化學輔助清洗：強化除油與酸洗過程 原理？ 產(chǎn)生氣體： 2H+2e=H2, 4OH-+4e=2H2O+O2 大件與小件的預(yù)處理 ? 超聲波輔助清洗 空化作用 微小器件的清洗，小孔等 噴丸 大件 粉末冶金件 的預(yù)處理

18、NdFeB 特殊的預(yù)處理 激光前處理 黑化吸光，如何黑化？ 發(fā)黑、黑磷化 粗化 提高結(jié)合力等 如何粗化？ 車螺紋、電火花、噴砂 塑料電鍍 導(dǎo)電 怎么辦？ 化學鍍 Ni、 Cu 塑料的粗化方法 化學腐蝕、等離子放電 Science-塑料接觸電鍍 第四講：各種表面處理技術(shù) -電鍍 原理：電化學 金屬離子得到電子 Ag2+ + e = Ag 析出速度要控制 CN-絡(luò)合 電鍍特點 可得到相圖中不存在的相 電位 -溫度 脈沖電鍍，制備納米晶鍍層 納米銅的超塑性 鍍液種類 水溶液、有機溶液、熔鹽 第四講：各種表面處理技術(shù) -電鍍 水溶液電鍍：應(yīng)用最廣泛 金屬 Ag、 Au（電子元器件，導(dǎo)電耐蝕） Zn、

19、Cd（陽極保護） Cr、 Ni、 Cu（ Cu/Ni/Cr） Cr6+的環(huán)保問題： Cr3+ Fe（ FeS） -孟亮老師 合金 Pb-Sn合金減摩鍍層 Cu-Zn-Sn仿金鍍層 其他 羥基磷灰石的制備 -王小祥老師 5.16 復(fù)習 表面預(yù)處理 堿洗、酸洗 堿洗、酸洗的強化：電化學輔助、超聲 特殊零部件的預(yù)處理：超大，超小 特殊目的的預(yù)處理：黑化、粗化 電鍍 金屬離子得到電子 水溶液電鍍：成熟，大量應(yīng)用。問題：陰極有 H2產(chǎn)生 有機溶劑電鍍 熔融鹽電鍍 Zn 2+ + 2e = Zn Cr6+ + 6e = Cr 2H+ + 2e = H2 有機溶液電鍍 水溶液中無法鍍覆的金屬 著火危險，有機

20、排放 基本無工業(yè)應(yīng)用 熔鹽電鍍 無 H2O，無 H2析出 可得到水溶液中難以電鍍的金屬及合金 Al、 Li、 Mg等活潑金屬， Nb、 Ti、 W、 Mo等難熔金屬 可提高水溶液中可電鍍金屬（ Cr）鍍層的組織及性能 常見熔鹽：無機鹽： NaCl-AlCl3；高溫 離子液體（室溫熔鹽） 離子液體 歷史 1979年， Osteryoung， AlCl3-氯化正丁基吡啶 (BPC) 1982年， Hussey， AlCl3-氯化 1-甲基 -3-乙基咪唑 (EMIC) 1992年 -至今，水、氧不敏感的離子液體 特點 大陽離子，小陰離子 熔點極低 應(yīng)用 化工：綠色溶劑、催化、合成 材料：納米材料，

21、半導(dǎo)體材料 鋰離子電池電解液 電沉積 離子液體電鍍的應(yīng)用 -表面工程實驗室 ITER計劃中阻氚涂層的制備 富鋁涂層 /Al2O3，自愈合能力 現(xiàn)狀 德國：熱浸鍍鋁 法國：包埋滲鋁， CVD 意大利：噴涂鍍鋁 存在的問題 現(xiàn)有方法存在的問題 幾何形狀對阻氚效果的影響 板材符合要求 管材：難以達到要求 涂層制備工藝的適應(yīng)性和穩(wěn)定性 HAD法管狀試樣制備涂層，涂層有脫落 CVD法不行（ g-Al2O3？） 涂層質(zhì)量 開裂、孔洞 阻氚涂層及制備的發(fā)展趨勢 新涂層體系： ErO2, Al-Cr-O1 新涂層制備方法： ECA2 No further process development to achi

22、eve a better and more reliable coating quality was done at CEA or FZK during the last years. A more technological-oriented research is still needed before e.g. being successfully tested in ITER. -2005報告 1D. Levchuk, et al., AlCrO thin films as an efficient hydrogen barrier, Surface & Coatings Techno

23、logy, 202(2008)5043-5047 德國，瑞士 離子液體電鍍的應(yīng)用 -表面工程實驗室 ITER計劃中阻氚涂層的制備 富鋁涂層 /Al2O3，自愈合能力 新方法 :離子液體鍍鋁 不銹鋼鍍鋁，低溫熱處理 氧化和阻氚研究 Al-Cr涂層的制備研究 Al-Cr-Fe涂層的制備研究 合金化 低溫氧化獲得 a-Al2O3 降低 相變溫度 德國 2010年論文也采用 “ 室溫熔鹽鍍鋁 ” 稱為 “ ECX”， EC代表電化學 X代表可選擇的各種鍍層 仍然為高溫熱處理 問題：界面孔洞 pores 活潑金屬耐磨抗蝕保護 Mg合金鍍鋁研究 NdFeB永磁鍍鋁 NdFeB永磁鍍非晶 Al-Mn：犧牲陽

24、極 稀土超磁致伸縮材料的耐蝕保護 核材料的耐蝕保護？ 活性金屬在離子液體中陽極溶解行為及機理 粘性膜 氧化膜的完全去除 極高的結(jié)合力 國家自然科學基金，理論研究 其他電鍍技術(shù) 電刷鍍 修復(fù) 大件的表面處理 電泳鍍 非金屬粉體沉積 在金屬表面 羥基磷灰石 YBaCuO超導(dǎo)體 電泳漆 電鑄 極薄件（模具） 第四講：各種表面處理技術(shù) -化學鍍 應(yīng)用 塑料、 線路板電鍍 前處理： Cu 鏡子： Ag 芯片中的線路！ 耐腐蝕：非晶 Ni-P 耐磨損： Ni-P+熱處理 相關(guān)研究 航空鋁合金接插件 WC-Co與金屬焊接 碳納米管化學鍍（張孝彬） NdFeB化學鍍（嚴密） 方法 化學鍍?nèi)芤海褐鼷}，還原劑、絡(luò)

25、合劑、添加劑 溫度、 pH值 時間 特點 無需電源 非金屬表面金屬化 陶瓷焊接 塑料電鍍 仿型性極好 各種形狀鍍覆均勻 電鍍：尖角效應(yīng)、內(nèi)孔、盲孔 第四講：各種表面處理技術(shù) -化學鍍 表 鍍液主要成分及其作用 成分 含量 作用 硫酸鎳（ NiSO46H2O） 30 g /l 主鹽 次亞磷酸鈉（ NaH2PO2H 2O） 1540 g /l 還原劑 檸檬酸鈉（ Na3C6H5O72H2O） 17 g /l 絡(luò)合劑 醋酸鈉（ CH3COONa） 15 g /l 絡(luò)合劑 硫脲 （ CS(NH2)2） 2.5ppm 穩(wěn)定劑 第四講：各種表面處理技術(shù) -化學鍍 機理：自催化 待鍍件是催化劑 鍍層金屬也是

26、催化劑 與置換反應(yīng)的區(qū)別 化學鍍鎳機理 硫酸鎳 +次亞磷酸鈉 H-角被吸附、 H-H邊被吸附 催化 脫氫： H2PO2- + H2O H2PO32- + 2H+ +H Ni2+ + 2H Ni + 2H+ H2PO2- + H H2O + OH- + P 塑料、陶瓷催化功能？ SnCl2-HCl：敏化（ Sn2+吸附） PdCl2-HCl：活化（ Pd2+與 Sn2+發(fā)生氧化還原反應(yīng)） 先粗化（提供吸附位置，塑料粗化 CrO3） 特別注意事項 耐蝕：孔隙率 耐磨：硬度 Hv500， 400度熱處理后 Hv1000 基體強度 超硬鋁合金 140度時效 鋼鐵低溫回火 基體 2h 3h 4h HV

27、140 86 80.1 79.6 表 熱處理時間對基體的影響（ 350 ） 化學鍍銅： 硫酸銅 +EDTA-2Na+甲醛 堿性溶液 65度左右 化學鍍銀： 硝酸銀 +氨水 +甲醛 室溫 進展 復(fù)合鍍（ Ni-P-PTFE，超疏水表面） 進展 芯片中線路（ 45nm） 墻狀生長： 形核長大的控制 硅片的催化活性 ? 二維生長 ? 設(shè)備 吊掛 滾鍍 鍍覆流程 堿洗、酸洗 （敏化、活化等） 化學鍍 后處理 鍍覆參數(shù)（化學鍍鎳為例） 鍍液溫度 8595度 pH=4.24.8（酸性鍍液） 裝載量： 1dm2/L 鍍速： 10微米 /小時 進展 閉孔泡沫金屬的制備 高分子球 化學鍍鎳 進展 顆粒的復(fù)合鍍

28、殼 -核結(jié)構(gòu)、微 -納結(jié)構(gòu) 吸波、隱身 低密度磁性、導(dǎo)電粉末 Co-空心微珠 Ag-空心微珠 進展 顆粒復(fù)合鍍 殼 -核結(jié)構(gòu)、微 -納結(jié)構(gòu) 金屬基復(fù)合材料 電觸點材料 顆粒增強 Al合金 提高潤濕性 改善分布均勻性 陶瓷基復(fù)合材料 金屬納米雙重增韌 Ag-SnO2 Cu-SiC Ni-金剛石 進展 納米顆粒表面化學鍍 Ni-P、 Co-納米碳管 為什么要鍍金屬？ 納米顆粒化學鍍的特點 如何控制厚度？ 如何鍍覆均勻？ 表 低溫化學鍍鎳鍍液組成及其工藝條件 成分 含量 作用 硫酸鎳（ NiSO46H2O） 530 g /l 主鹽 次亞磷酸鈉（ NaH2PO2H2O） 225 g /l 還原劑 檸檬

29、酸鈉（ Na3C6H5O72H2O） 17 g /l 絡(luò)合劑 醋酸鈉（ CH3COONa） 15 g /l 絡(luò)合劑 pH 4.0-6.0 溫度 30-35度 進展 殼 -核結(jié)構(gòu)、微 -納結(jié)構(gòu) 光子晶體 SiO2鍍銀 先鍍銅后鍍銀 Ni粉鍍銀？ 表面濕法處理 電鍍 化學鍍 化學轉(zhuǎn)化膜 氧化、磷化、鉻酸鹽鈍化 陽極氧化 納米模板 微弧氧化 熱浸鍍 熱鍍鋅 熱鍍鋁 5.21 復(fù)習 電鍍 外加直流電源，金屬離子得到電子 水溶液 Cu, Ni, Cr-耐蝕，美觀 -電位高于基體 Zn, Cd-耐蝕，電位低于基體，犧牲陽極 Au-電子信息，航空 難點：鎂合金等活潑基體的電鍍 離子液體： Al, Ni, 化

30、學鍍 自催化 無需外加電源，仿形性好 Ni-P， Cu， Ag， Co-P 表面覆層 基體不參 與反應(yīng) 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 轉(zhuǎn)化膜處理 基體材料參與反應(yīng) 表面由基體與溶液的反應(yīng)產(chǎn)物構(gòu)成 發(fā)黑 磷化 鉻酸鹽鈍化 陽極氧化 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 發(fā)黑（發(fā)蘭） 作用：防腐蝕、美觀、特殊預(yù)處理 機理：形成 Fe3O4膜（膜薄時稱發(fā)蘭） 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 發(fā)黑、發(fā)蘭 方法 1： NaOH+NaNO2溶液， 140度 3Fe+NaNO2+5NaOH3Na2FeO2+H2O+NH3 8Fe+3NaNO2+5NaOH+2H2O4Na2Fe2O4+3NH3 Na2

31、FeO2+Na2Fe2O4+2H2OFe3O4+4NaOH 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 發(fā)黑、發(fā)蘭 方法 2： 鹽浴發(fā)黑 熔融的亞硝酸鹽和堿 350400度 QPQ處理氮化、拋光、發(fā)黑 高硬度 +耐蝕 +美觀 照相機器材的發(fā)黑 火車頭曲軸的發(fā)黑 鐵鍋的發(fā)黑 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 發(fā)黑、發(fā)蘭 方法 3： 高溫發(fā)黑 水蒸汽 560度 A s s e s s e d F e - O p h a s e d i a g r a m . C o n d e n s e d s y s t e m , 0 .1 M P a . 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 發(fā)黑、發(fā)蘭 發(fā)展：室

32、溫發(fā)黑（ Cu， Se化合物黑色） 節(jié)能 銅鹽、亞硒酸 Cu2+ + Se2- - CuSe(黑 ) 硫酸銅 3 7g/L 亞硒酸 4 5g/L 硫酸鎳 2 3g/L 乙二胺四乙酸二鈉 4 5g/L 磷酸鹽 2 3g/L 時間 30 60s pH值 2 3 耐蝕性 3%硫酸銅浸泡不變色 60s 3%氯化鈉 2h 耐磨性 軟布用力擦拭 50來回 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 磷化 作用 潤滑 涂料前處理 防蝕 +美觀處理 方法 磷酸錳、磷酸鋅等； 高溫 (85-95度 )、中溫 (55-65度 ) 機理 反應(yīng)形成 磷酸鋅鐵鹽；磷酸錳鐵鹽 Fe十 2H3PO4 Fe(H2PO4)2+H2 Z

33、n(H2PO4) ZnHPO4+H3PO4 3ZnHOP4 Zn3(PO4)2+H3OP4 一般的磷化膜 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 磷化 發(fā)展 室溫磷化 磷酸鋅 +促進劑 亞硝酸鈉 稀土 黑磷化： Zn-Ca 表調(diào)：預(yù)先在表面形成細密黑色晶核 含 Ti化合物等 鑄鐵黑磷化？ 鐵鍋黑磷化？ 發(fā)黑是氧化物，遇酸退色 含鈣膜 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 鉻酸鹽鈍化 CrO3+H2SO4溶液 金屬： Zn、 Cu、 Mg Zn：鉻酸鋅（ ZnCrO4）和鉻酸鉻（ CrO3Cr2O3nH2O） 作用：優(yōu)異的耐腐蝕性 特殊點： 自修復(fù)性 機理： Cr3+ - 3e = Cr6+ 發(fā)展 低

34、鉻 無鉻鈍化 ？ 含 Mo、 Mn等多價金屬 稀土鈍化 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 陽極氧化膜（ Al為例） 應(yīng)用 防蝕、耐磨、 著色 絕緣 : LED路燈 方法 H2SO4溶液，低溫 陽極，通直流電 結(jié)構(gòu) 多孔膜， g-Al2O3 可著色 ，再封閉 硬質(zhì)陽極氧化 孔小 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 發(fā)展 納米 膜板 納米線的制備：金屬、納米碳管、硅 超疏水表面的制備 機理：？ 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 發(fā)展 微弧氧化 : 機理 陽極 高電壓 陽極 陰極 第四講：各種表面處理技術(shù) -轉(zhuǎn)化膜 發(fā)展 微弧氧化：性能 高溫 更高的硬度 Al：外層 g-Al2O3，內(nèi)層 a-A

35、l2O3 基體低溫態(tài) Al、 Mg、 Ti 第五講：表面處理技術(shù) -熱浸鍍 熱浸鍍 熱浸鍍 Al、熱浸鍍 Zn 方法：工件浸入熔融金屬液體（ Al, Zn），一定時間取出。 用于耐腐蝕、抗高溫氧化 為什么具有這些性能？ 耐蝕機理？ 抗氧化機理？ 熱浸鍍鋅 作用：大氣腐蝕防護 護欄板、鐵塔 為何不是電鍍 Zn，而是熱浸鍍？ 方法： 460480度鋅液，數(shù)秒中浸漬 原理？ Fe-Al相圖 組織？ SEM 后處理 鈍化（鉻酸鹽鈍化及替代）、涂料 注意：高強螺栓不能熱浸鍍鋅 為什么？ 怎么辦？ 機械鍍鋅、達克羅技術(shù) 熱浸鍍鋅機理 F e - Z n p h a s e d i a g r a m .

36、熱浸鍍鋅的發(fā)展 REZnAl合金 Galfan合金 三峽工程 彩色鍍 Zn 鍍鋅后著色處理 鍍鋅后涂料 鍍鋅合金（ Zn-Mn合金） ZAM Zn-Al-Mg 第五講：表面處理技術(shù) -熱浸鍍 熱浸鍍鋁 作用 金屬構(gòu)件防大氣腐蝕 耐高溫：汽車排氣管 阻氚涂層 -Fe-Al涂層 方法 680750度鋁液 保護氣氛環(huán)境 機理？ Fe-Al相圖 組織？ Al/Fe2Al5/ OM 耐高溫 需要高溫擴散處理 得到 Fe-Al合金 A s s e s s e d F e - A l p h a s e d i a g r a m . 熱浸鍍鋁機理 熱浸鍍 Al后的組織 是 Fe向 Al擴散， 還是 Al向

37、 Fe擴散？ 為什么 Fe2Al5? Fe2Al5為斜方晶系 C軸方向空位多， 擴散快。 第五講：表面處理技術(shù) -涂料 涂料 作用 防腐 美觀 功能涂料 種類 聚乙烯 丙烯酸樹脂 聚氨脂 環(huán)氧樹脂 含有機溶劑 涂料 施涂方法 噴涂、浸涂 電泳涂 有機溶劑中分散粉末涂料，并使其帶電 電沉積 靜電噴涂 空氣中粉末涂料帶電 靜電發(fā)生器， 電暈放電 浙大無線電 -德清 流態(tài)床噴涂 懸浮的粉末 零件加熱后放入 涂料 發(fā)展 環(huán)保 型涂料 有機溶劑 VOA排放 水溶性 粉末涂料 納米改性涂料 納米抗菌 雙親雙疏 功能涂料 導(dǎo)電涂料（導(dǎo)電膠） 隱身涂料 偽裝涂料 變色涂料 功能性粉末 +高分子 導(dǎo)電：銀粉、鎳

38、粉、銅粉、銀包銅粉 隱身：磁性粉末、磁損耗、電損耗 偽裝：各種輻射率粉末構(gòu)成圖案 工程碩士：劉安心 水性金屬閃光底色漆的涂裝工藝研究 鋁粉：閃光、耐蝕 納米改性涂料與金屬的結(jié)合 未改性聚乙烯涂料 納米改性聚乙烯涂料 高分子涂料與金屬基體界面 第五講：表面處理技術(shù) -熱噴涂 熱噴涂 方法：將熔融的材料噴涂到金屬表面 如何實現(xiàn)？ 熔化 +力： 氧乙炔、 等離子 、超音速、電弧等 材料： Zn、 Al、 Ni基合金、陶瓷、高分子，線材、粉末 作用：防腐、抗磨、 生物 、抗高溫、隔熱層，修復(fù) 關(guān)鍵問題：結(jié)合力與致密性 熱噴涂應(yīng)用實例 纜車支架熱噴鋅： Zn絲 火力發(fā)電耐高溫磨損 高速電弧噴涂 FeMn

39、CrAl碳化物 系涂層組織與性能及機理研究 電弧噴涂。碳化物顆粒強化耐磨性能 顆粒怎么辦？ 粉芯絲材 熱噴涂應(yīng)用實例 注塑機螺桿耐腐蝕磨損 原氣體氮化耐蝕，一定的耐磨性 塑膠，無機非金屬顆粒，磨粒磨損 +腐蝕 怎么辦？ 熱噴涂制備雙金屬（ Ni基合金 +顆粒相）螺桿 發(fā)展方向 等離子 +納米粉末 其他 如何實現(xiàn)管道內(nèi)壁噴涂？ 如何在海底實施噴涂？ 熱浸鍍 熱浸鍍鋁 涂料 熱噴涂 噴砂 第五講：表面處理技術(shù) -噴砂 噴砂（ 拋丸 ） 作用 清理氧化皮 抗疲勞 表面粗化 美觀（消光） 方法 壓縮空氣（或液體） +固體顆粒 設(shè)備 噴槍（立式、轉(zhuǎn)盤） 拋丸機（轉(zhuǎn)筒、履帶式） 噴砂（ 拋丸 ） 材料 砂

40、子：石英砂 鋼丸、鋼砂、鑄鐵 不銹鋼 玻璃珠 不同形狀（銳角、圓形） 不同尺寸（粒徑） 發(fā)展 作為 加工手段 考慮 研究速度、角度等參數(shù)的影響 不同粒徑的分布 楊青林：鑄件表面粗糙度研究 顆粒級配 第六講：表面處理技術(shù) -化學熱處理 滲碳、滲氮、軟氮化、 滲硫、滲金屬 特點 化學鍍是鍍層本身的性能 化學轉(zhuǎn)化膜是基體參與化學反應(yīng) 化學熱處理是改變基體表面成分 應(yīng)用 表面耐磨：滲碳、滲氮、滲鉻 表面減磨：滲硫 表面耐蝕：滲氮、軟氮化 表面抗高溫氧化：滲鋁、滲鉻 （與熱浸鍍鋁不同） 原理：滲碳為例 滲碳：齒輪（ 20CrMnTi， 20CrNiMo） 低碳塑性好，但不耐磨 碳的滲入，硬度提高 如何滲

41、？ Fe-C相圖 組織 滲碳方法 固體 最早 碳粉 氣體 CH4，煤油 CH4=C+2H2 2C+O2=2CO CO+H2 = C+H2O 液體 鹽浴 BaCl2+NaCl+碳粉 滲碳方法 等離子體 低真空 300-500V電壓 輝光放電，離子轟擊工件 加熱，滲入 真空滲碳 丙烷 無氧化 可實現(xiàn)更高溫度滲碳 滲金屬（鋁） 固體 鋁源 Al+活化劑 NH4Cl+填充劑 Al2O3， 9501050度， 1-3h 機理： NH4Cl=HCl+NH3， 6HCl+2Al=2AlCl3+3H2 低溫行不行？ 形成 Fe2Al5 脆性大 怎么辦？ 氣體（ CVD） AlCl3 一些具體實例及發(fā)展動向 鏈

42、條銷軸滲金屬 滲 Cr 高濃度滲碳 碳化物網(wǎng)狀析出，脆 表面都是碳化物呢？ 高硬度、高耐磨 真空脈沖滲氮 盲孔、小孔 改變擴散層濃度梯度 雙重輝光滲金屬 滲鋁（徐重工藝） 表面處理的復(fù)合 滲氮 +PVD法沉積 TiC 第六講：表面處理技術(shù) -化學熱處理 第七講：表面處理技術(shù) -三束處理 三束熱處理：激光束、離子束、電子束 高能態(tài) 快速加熱、依靠基體冷卻 只改變表面組織獲得所需性能 相變 固態(tài)相變 固液相變：熔化凝固 三束輔助合金化 激光熔覆 合金化 離子注入 高能束離子幾十幾百 Kev 與表面發(fā)生非平衡作用 第七講：表面處理技術(shù) -CVD 化學氣相沉 積（ CVD） 真空、 高溫 化學反應(yīng) T

43、iC： TiCl4 CH4 TiC 4HCl 其他：金剛石、 Al2O3、 SiO2 高溫優(yōu)缺點 優(yōu)點：結(jié)合力高 基體強度下降 發(fā)展： MOCVD（采用中溫可分解的金屬有機化合物） (C5H5) 2TiCl2 H2 TiC 825 (CH3)3N TiCl4 Ti(NC) 560 第七講：表面處理技術(shù) -PVD 物理氣相沉積（ PVD） 加熱蒸發(fā)靶材，自重沉積 熱蒸發(fā) 鏡子、 Al箔，電子工業(yè)應(yīng)用廣泛 問題？ 磁控濺射 電磁場中加速的離子轟擊靶材、磁控濺射槍 非平衡場磁控濺射 射頻 -Al2O3等 磁性材料？ 離子鍍 轟擊沉積 偏壓離子鍍 第七講：表面處理技術(shù) -PVD 物理氣相沉積（ PVD

44、） 優(yōu)點 溫度低，基體強度得到保持 刀具表面 TiN沉積、 Al2O3 缺點 結(jié)合力 視線效應(yīng)！ 新發(fā)展 激光 LPVD 浸沒式等離子體 第八講：表面處理層的性能及檢測 表面粗糙度 粗糙度儀 輪廓線 取樣長 Ln， 輪廓中線 m 評定表面粗糙度數(shù)值的基準線 輪廓算術(shù)平均偏差 Ra 微觀不平度十點高度 Rz 五個最高與五個最低平均值之和 輪廓最大高度 Ry Ln內(nèi)最高與最低之間的和 手持式粗糙度儀 臺式粗糙度儀 第八講：表面處理層的性能及檢測 厚度 千分尺 超聲波測厚儀 界面 磁性測厚儀 磁性基體 稱重法： g/cm2 金相法：最準確 要保證垂直！ 滲層深度 金相 顯微硬度 超聲波測厚儀 磁性測

45、厚儀 第八講：表面處理層的性能及檢測 表面硬度 顯微硬度 表面洛氏硬度 納米壓痕儀 耐磨性 磨粒磨損 滑動磨損 沖蝕磨損 橡膠輪磨損機 滑動磨損試驗機 動載磨損試驗機 第八講：表面處理層的性能及檢測 耐蝕性 浸泡 增重、失重 鹽霧： 3%NaCl SO2加速腐蝕 電極電位 極化曲線 耐蝕機理 交流阻抗圖譜 鹽霧試驗機 - 1 . 8 - 1 . 7 - 1 . 6 - 1 . 5 - 1 . 4 - 1 . 3 - 1 . 2 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Log(current/A) Potential/V a 未處理鎂基體 b 10% H 3 PO 4 酸浸蝕后的鎂

46、c 鍍鋁層 a b c 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 400 200 0 - 2 0 0 - 4 0 0 - 6 0 0 - 8 0 0 - 1 0 0 0 - 1 2 0 0 鍍鋁層 未處理鎂基體 Z ohm Z /ohm 1 0 % 磷 酸浸蝕后的鎂 第八講：表面處理層的性能及檢測 孔隙率 非常重要（認識不足） 陰極性保護層 貼濾紙法 CuSO4溶液 亞鐵氰化鉀氯化鈉 Al試劑 NaCl 溶液與基體作用、顯色 數(shù)數(shù)，個 /cm2 有無合適的定量檢測方法？ 第八講：表面處理層的性能及檢測 結(jié)合力（附著力） 金屬鍍層：彎曲試驗

47、陶瓷涂層：壓痕法 高分子層（涂料、粘結(jié)劑） 劃格法（半定量） 拉伸法（定量） 顯微硬度壓痕法 裂紋 納米劃痕儀 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 50 60 70 Norm al L oad, N Frictio n Fo rc e, N 第八講：表面處理層的性能及檢測 表面形貌及成分 SEM 襯度？ EDS 相結(jié)構(gòu) X射線 原理？ 掠角 XRD 表面成分及化學價態(tài) XPS 教師講解結(jié)束！ Mg1s Al2p F1s O1s C1s 5月 30日：學生第 1組及講評 6月 4日 學生第 2組、第 3組 6月 6日：學生第 4組、第 5組 6月 9日

48、學生第 6組、第 7組 6月 13日：學生第 8組、第 9組 6月 18日， 學生第 10組、第 11組 6月 20日：學生第 12組、第 13組 6月 25日 學生第 14組、第 15組 6月 27日：學生第 16組，總結(jié)點評 1組：楊瑩 /吳瑜 /葛慧姝 /楊夢琦 2組：葛相麟 /時新昊 /龔照東 /路喬 3組：隋強 4組：韓達新 /丁國根 /孫思祥 /李振隆 5組：徐吉健 /徐晨霄 /徐晨陽 /龍劍文 6組：卜克軍 /徐雷 /潘鍺航 7組：呂慧朋 /徐諾晨 /康達 /項博 8組：傅鐵錚 /張浩 /賈郁 /陳星 9組：樓子瑞 /唐清 /俞劍 10組：黃琨 /顏聿聰 /王亦镠 11組： 阮悠揚 /鄒年年 /朱一烽 12組：趙燁 /呂容愷 /張騰劍 /高震博 13組：狄銳 /張洪偉 /姚睿 /徐秉政 14組：吳沙莉 /邢歡 /韓子琪 15組：杜子健 /賈英強 /林梓愿 /朱泓伊 16組：劉暢 /王開平 /楊子建 /何樺浚 ITER計劃 核聚變能的利用 核裂變 -核反應(yīng)堆 核聚變 -更清潔、無限 核聚變計劃 ITER 人造太陽 實驗包層模塊（ TBM） 面對等離子體：氚增值、能量轉(zhuǎn)換、輻射屏蔽 液態(tài)鉛鋰（ Pb-17%Li）增殖劑包層 阻氚涂層 TBM中的阻氚涂層 與 Pb-Li液接觸的結(jié)構(gòu)件（低活化馬氏體鋼） 液相中氚穿透結(jié)構(gòu)件向外擴散 DEMO中的阻氚涂層 關(guān)于 ITER計劃