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第二讲-表面覆层的形成与结合机理-PPT.ppt
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1、第二讲 表面覆层的形成与结合机理表面工程技术的分类表面工程技术的分类表面工程技术表面改性:改变基质材料成分,达到改善性能,不附加膜层。表面改性:改变基质材料成分,达到改善性能,不附加膜层。表面涂覆表面涂覆:在基质上制备涂覆层,涂覆层的材料成分组织应力在基质上制备涂覆层,涂覆层的材料成分组织应力 按照需要制备。按照需要制备。复合表面技术复合表面技术:综合运用多种表面工程技术,通过各技术间的综合运用多种表面工程技术,通过各技术间的 协同效应改善表面性能。协同效应改善表面性能。纳米表面工程技术纳米表面工程技术:以传统表面技术为基础,纳米材料,纳米以传统表面技术为基础,纳米材料,纳米 技术改进表面性能
2、。技术改进表面性能。表面成分及表面成分及结构变化发结构变化发生在基体的生在基体的表面,无结表面,无结合问题合问题表面与基体表面与基体物理化学成物理化学成分差异大,分差异大,结合问题成结合问题成为关键为关键表面工程技术的分类表面工程技术的分类表面涂覆技术电化学沉积电化学沉积气相沉积气相沉积物理气相沉积物理气相沉积化学气相沉积化学气相沉积真空蒸发真空蒸发离子镀离子镀溅射溅射电镀电镀电刷镀电刷镀化学沉积化学沉积化学镀化学镀熔覆熔覆热浸镀热浸镀粘涂粘涂涂装涂装热喷涂热喷涂火焰喷涂火焰喷涂电弧喷涂电弧喷涂等离子喷涂等离子喷涂特种喷涂特种喷涂堆焊堆焊氧乙炔火焰堆焊氧乙炔火焰堆焊手工电弧堆焊手工电弧堆焊等离
3、子弧堆焊等离子弧堆焊气保护焊堆焊气保护焊堆焊n2.1 表面覆层界面结合概述n2.2 堆焊层的形成与结合n2.3 热熔融涂层的形成与结合第二讲第二讲 表面覆层的形成与结合机理表面覆层的形成与结合机理2.1 表面覆层界面结合概述n不均匀体系中至少存在两个性质不同的相,各相并存必然有界面。两相之间的界面是一个具有一定厚度和复杂结构的准三维区域。可以认为界面是一个相到另一相的过渡区域。表面就是两相之间的界面。n界面:把固-液、液-液、固-固之间的过渡区域称为界面。n表面:习惯上把气-固、气-液界面称为表面。2.材料表面的基本特性表面表面Si原子与体相原子与体相Si原子区别?原子区别?u表面的表面的Si
4、原子原子配位数减少;原子原子配位数减少;u表面上存在不饱和的化学键,即悬挂键。表面上存在不饱和的化学键,即悬挂键。2.材料表面的基本特性表表1 体心立方体心立方(bcc)晶体表面原子配位数晶体表面原子配位数表表2 Ge不同晶面上自由键密度不同晶面上自由键密度u表面的表面的Si原子原子配位数减少;原子原子配位数减少;u表面上存在不饱和的化学键,即悬挂键。表面上存在不饱和的化学键,即悬挂键。大家有疑问的,可以询问和交流大家有疑问的,可以询问和交流可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点2.材料表面的基本特性(1)表面上的原子由于配位数
5、少)表面上的原子由于配位数少,所以它们缺少相邻的原子所以它们缺少相邻的原子,会会失去三维结构状态下原子之间作用力的平衡。表面的原子必然失去三维结构状态下原子之间作用力的平衡。表面的原子必然存在弛豫、重构等现象。存在弛豫、重构等现象。(2)表面上的原子由于配位数少)表面上的原子由于配位数少,最顶层原子有剩余价键。表最顶层原子有剩余价键。表面原子化学上比较活泼面原子化学上比较活泼,具有特殊反应能力。具有特殊反应能力。弛豫弛豫重构重构微观缺陷微观缺陷;XRD;LEED(低能电子衍射低能电子衍射)原子的迁移及扩散容易原子的迁移及扩散容易;悬挂键:特殊电子结构悬挂键:特殊电子结构;光、电吸收发射;光、电
6、吸收发射;不饱和键:化学催化不饱和键:化学催化一、表面晶体学n1.表面类型u理想表面u洁净表面u实际表面n1.理想表面 典型的固体表面理想表面:无限晶体中插入一个平面,分成两部分后形成的表面。自然界很难获得理想表面。特点:表面原子近邻原子数少,表面原子能量升高,表面能,引起吸附。理想表面无限晶体n2.洁净表面典型的固体表面洁净表面:材料表层原子结构的周期性不同于体内,但化学成分与体内相同,这种表面称为洁净表面。相对于表面受污染表面和理想表面而言的。允许有吸附物,只有经过特殊处理方法得到,如高温处理。清洁表面(定义):一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。清洁表面易于实现,只要经过常规的
7、清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。洁净表面存在着:弛豫、重构、台阶化、偏析和吸附等表面现象。典型的固体表面3.实际表面实际表面实际表面:暴露在未加控制的大气环境中的固体表面,或者经过一定加工处理(如切割、研磨、抛光、清洗等),保持在常温和常压(也可能在低真空或高温)下的表面。特点:表面粗糙度,表面组织,表面化学成分n覆层的冶金结合n熔融覆材与基体的扩散结合n化学溶液沉积镀层结合n气相沉积膜层结合n高分子涂层结合2.1 表面覆层界面结合概述覆层界面结合的类型1.覆层的冶金结合n属于这一类的有堆焊(手工电弧堆焊,埋弧自动堆焊,二氧化碳保护堆焊,等离子堆焊)、激光合金化、激光熔覆、电
8、火花涂覆等。n机理:将覆层材料和基材表面加热至熔化状态,通过液-固相作用,而后再冷却结晶形成覆层。n例如:n堆焊:焊缝结晶属于外延结晶。由外延结晶形成的覆层的冶金结合,本质是靠金属键的价健力而结合,强度很高。n激光合金化:使基材表面和覆层合金熔化,基材熔化表层极薄。2.熔融覆材与基体的扩散结合n属于这一类的有熔结技术和热喷涂技术。n熔结时,覆材熔化,基材不熔化,两者产生液-固相之间的相互作用,界面区扩散是主要过程。n热喷涂涂层是以高速气流将熔融涂料雾化后喷到工件表面并迅速冷凝而成的。可以得到一定程度的扩散冶金结合,但主要以机械嵌合为主。结合强度低堆焊一个数量级。3.化学溶液沉积镀层结合n这一类
9、方法有电镀、电刷镀、化学镀、阳极氧化、化学转化膜处理。n与熔池凝固类似,形成晶体结构的沉积膜。前者过冷度为形核驱动力,后者阴极极化等为动力学条件。镀层可以与基材金属形成金属键连接。结合强度高。4.气相沉积膜层结合n属于这一类的有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)。n气相沉积成膜过程也遵循形核与晶体长大的结晶规律,得到有晶体结构的薄膜。可制备单晶、多晶、非晶态固体膜。5.高分子涂层结合n这一类的有涂装、胶粘、粘结。n粘结胶接涂层与基体的结合理论比较复杂,有机械结合、吸附、扩散、化学键等。胶粘涂层与基体的结合强度与热喷涂涂层结合强度相近,抗拉强度为30-80MPa。覆层界面的结合性能及
10、影响因素n主价健力:主价健力:又称为化学键力,存在于原子或离子间,包括离子键力,共价键力,金属键力。n次价健力:次价健力:又称为分子间作用力,包括取向力,诱导力,色散力,合成为范德华力。1.覆层界面的结合力色散力:所有原子分子都存在,是分子间瞬时偶极间作用力。由于电子运动,色散力:所有原子分子都存在,是分子间瞬时偶极间作用力。由于电子运动,瞬时电子与原子核不对称产生的瞬时偶极。瞬时电子与原子核不对称产生的瞬时偶极。取向力:发生在极性与极性分子间,极性分子间电性分布不均匀,一端正电,取向力:发生在极性与极性分子间,极性分子间电性分布不均匀,一端正电,一端负电,在斥力和引力作用下发生转动,这种由于
11、极性分子的取向而产生的一端负电,在斥力和引力作用下发生转动,这种由于极性分子的取向而产生的分子间的作用力,叫做取向力。分子间的作用力,叫做取向力。诱导力:极性与极性分子,或极性与非极性分子间,极性分子偶极产生的电场诱导力:极性与极性分子,或极性与非极性分子间,极性分子偶极产生的电场对非极性分子的电子云产生变形。电子云与原子核偏移,正负电荷不重合,非对非极性分子的电子云产生变形。电子云与原子核偏移,正负电荷不重合,非极性分子产生偶极,称作诱导偶极,诱导偶极与极性分子的固有偶极相互吸引,极性分子产生偶极,称作诱导偶极,诱导偶极与极性分子的固有偶极相互吸引,由诱导偶极产生的作用力称为诱导力。由诱导偶
12、极产生的作用力称为诱导力。1)覆材与基材成分、结构及其匹配性;(晶格常数,晶型)覆材与基材成分、结构及其匹配性;(晶格常数,晶型)覆层界面的结合性能及影响因素2.覆层界面的结合性能的影响因素3)界面元素的扩散情况;(固溶体、低熔共晶、金属键化)界面元素的扩散情况;(固溶体、低熔共晶、金属键化合物、扩散系统本性、温度时间)合物、扩散系统本性、温度时间)4)基材的表面状态;(吸附层,表面清理,表面粗糙度)基材的表面状态;(吸附层,表面清理,表面粗糙度)5)覆层的应力状态。(拉应力,压应力,界面剪应力)覆层的应力状态。(拉应力,压应力,界面剪应力)2)材料的润湿性;(润湿定义)材料的润湿性;(润湿定
13、义)n润湿液态钎料与母材接触后,自动铺展的行为润湿决定于母材表面、液态钎料表面和固液界面的能量变化润湿润湿润湿的定量描述-Young方程润湿润湿润湿:Young方程,润湿角90,不润湿。参数指标:润湿角固体的润湿性与接触角润湿的本质:液态钎料排开固体表面之上的气体,固-气界面被固-液界面取代。润湿润湿2.2 堆焊层的形成与结合n1.堆焊覆层与基体的结合n2.熔合区的性能特点n3.堆焊覆层的质量控制1.堆焊覆层与基体的结合n堆焊是指为了增大或恢复工件尺寸,或使工件表面获得特殊性能的熔覆金属而进行的焊接。n堆焊是用焊接而且是用熔化焊的方法在工件表面熔覆耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺方法。n
14、用途:1)修复和强化失效零件。n 2)制造新零件。1)堆焊概述n堆焊覆层形成的实质:异种金属的液相冶金过程,即在液相条件下构成金属键而形成堆焊金属与基体金属的可靠链接。(固相,原子距离,液相条件)n异种金属形成冶金结合:相溶性。n良好冶金结合:无脆性金属间化合物。2)堆焊覆层的冶金接合1.堆焊覆层与基体的结合n覆层金属的结晶:属于非自发形核。依附在熔合区附近加热到熔化温度而还没有熔化的基体金属的晶粒表面。1.堆焊覆层与基体的结合2)堆焊覆层的冶金接合覆层凝固组织特点:各种形态的柱状晶组织。(胞状晶、胞状树枝晶、柱状树枝晶)2.熔合区的性能特点n熔合区:半熔化区与不完全混合区构成的覆层与基材之间
15、的过渡区。(区域5)n半熔化区:基材中各点溶质不均匀形成熔化温度偏差,造成同时存在局部熔化部位与局部不熔化部位,这种固液两相共存的部位成为“半熔化区”。(区域3)n不完全混合区:此区域(区域2)已经经历了熔化和凝固过程。过渡区域基材成分与填充金属成分未能完全均匀混合,称为“不完全混合区”熔合区的构成1:覆层,2:不完全混合区,3:半熔化区,4:热影响区,5:熔合区。WM:焊缝;HAZ:焊缝热影响区;WI:覆层与基材的界面,即熔合线熔合区最大的特征:具有明显的化学不均匀性,从而引起组织的不均匀性。n1)熔合区成分的变化n2)碳迁移过渡层的形成n3)晶界液化现象n4)物理不均匀性n5)残余应力的形
16、成2.熔合区的性能特点n1)熔合区成分的变化稀释率与合金过度系数的影响n稀释率:覆层中局部熔化的基材所占的比例称为稀释率,其表达式:d=B/(B+f)nd稀释率(熔合比)nB为基材在覆层截面中所占的面积nf 为堆焊填充金属在截面中所占面积nd具有熔透的意义,d值越大,表示基材熔入覆层的数量越大,所以d又叫熔合比或冲淡率。对于堆焊,d值大好还是小好?2.熔合区的性能特点n覆层中某一成分X的质量分数设为Xwo,其值为:Xwo=dXB+(1-d)XfXwo覆层中某元素X应具有的质量分数XB 某元素X在基材中的质量分数Xf 某元素X在堆焊填充金属中的原始质量分数。2.熔合区的性能特点n1)熔合区成分的
17、变化n合金过渡系数:在熔焊条件下,不论采用何种具体焊接工艺方法,堆焊材料的合金成分均会有一定程度的烧损,为比较不同合金元素的烧损程度,定义“过渡系数”如下:f=Xd/XfXd 实际熔覆金属中某元素的质量分数。Xf 某元素X在堆焊填充金属中的原始质量分数。2.熔合区的性能特点堆焊填充金属成分的影响n钢中元素可分为铁素体化元素和奥氏体化元素。铁素体元素以Cr为代表,其他元素折算为Cr当量,Crieq。奥氏体化元素以Ni为代表,其他奥氏体元素折算为Ni当量Niieq。nCrieq=Cr+1.37Mo+1.5Si+2Nb+3TinNiieq=Ni+0.31Mn+Cu+14.2N+22C2.熔合区的性能
18、特点n已知:基体为低碳钢,其成分wc=0.25%,wMn=0.6%,wSi=0.5%。堆焊材料为E308焊条,其熔覆金属组成为:wCr=19%,wNi=10%,wMn=1.5%,wsi=0.8%,wc=0.08%。稀释率为d=0.3。n问:利用Schaeffler图求解该堆焊覆层的组织为何?典型例题2.熔合区的性能特点典型例题Xwo=dXB+(1-d)Xf基材中的Cr、Ni元素含量Crieq=1.50.5%=0.75%Niieq=0.310.6%+220.25%=5.7%焊材中的Cr、Ni元素含量Crieq=19%+1.50.8%=20.2%Niieq=10%+0.311.5%+220.08%
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