理化分析在表面工程技術方面的應用與發(fā)展

來源：塑膠五金網發(fā)布時間：2007-12-16 17:02:14點擊率：

    1．概述
    機械零部件、工程構件發(fā)生的失效破壞，所導致的經濟損失非常巨大，而磨損、腐蝕和斷裂是機械構件的三大主要破壞形式。這些破壞絕大部分都產生于構件表面。因此提高表面質量和采用表面防護措施延緩和控制表面的破壞，成為解決上述問題的有效方法，這樣就促進了表面工程科學和表面技術的形成與發(fā)展。
    表面工程技術將會成為二十一世紀在材料學科中一個非常重要的領域。技術的發(fā)展離不開試驗和分析，理化分析一直在表面工程技術分析中起著重要的作用，表面層的狀況和質量都需要通過理化分析來檢驗和判定。理化分析作為一個傳統(tǒng)的分析領域，其分析的重點也將隨著新技術發(fā)展而轉變，分析技術也在不斷的發(fā)展提高，表面工程技術不斷的發(fā)展，領域不斷的擴展，也將使理化分析領域不斷的擴展和發(fā)展。
2．表面工程技術簡述
    隨著工程應用發(fā)展的需要，表面工程技術已成為目前重點發(fā)展的關鍵技術之一，并且已形成了一門新興學科——表面工程學。
    2.1傳統(tǒng)表面技術及發(fā)展
    傳統(tǒng)的表面強化技術如表面淬火、表面滲碳、氮化等屬于熱處理工藝的一部分，是比較古老的表面強化工藝。但是這些工藝仍在發(fā)展。如表面化學熱處理從液體法發(fā)展到氣體法，目前又發(fā)展了真空化學熱處理和離子轟擊化學熱處理；表面淬火由傳統(tǒng)的中頻淬火、高頻淬火又發(fā)展了激光加熱表面淬火；傳統(tǒng)電鍍工藝與近代激光技術結合形成了激光電鍍等等。
    2.2表面工程技術分類
    通常將表面工程技術分為表面涂鍍技術、表面擴滲技術和表面熱處理三個領域。表面涂鍍技術是將液態(tài)涂料敷在材料表面，或者是將鍍料原子沉積在材料表面，從而獲得晶體結構、化學成分和性能有益于基體材料的涂層或鍍層。此類技術有有機涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學鍍和氣相沉積等：表面擴滲技術是將原子滲入(或離子注入)基體材料的表面，改變基體表面的化學成分，從而達到改變其性能的目的，它主要包括化學處理、陽極氧化、表面合金化和離子注入等。表面熱處理技術是通過加熱或機械處理，在不改變材料表層化學成分的情況下，使其結構發(fā)生變化，從而改變其性能。常用的表面處理技術包括表面淬火、激光重熔和噴丸等。
    2.3一些新興發(fā)展的表面工程技術
    2.3.1熱噴涂技術
    熱噴涂是采用專用設備利用熱源將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，用高速氣流將其吹成微小顆粒并噴射到機件表面，形成覆蓋層。初發(fā)展的是線材噴涂，而后出現(xiàn)了火焰粉末噴涂技術，火焰噴焊工藝：20世紀50年代發(fā)展了爆炸噴涂和等離子噴涂，近年又有了超音速噴涂和激光噴涂。目前各種熱噴涂技術均已成熟，不僅能噴涂金屬、復合陶瓷與金屬陶瓷，還能噴涂塑料及復合材料，應用范圍逐漸擴大。加熱噴涂技術是一個涉及金屬學、陶瓷學、高分子化學、表面物理、表面化學、流體力學、傳熱學、等離子物理等學科的交叉邊緣科學。
    2.3.2氣相沉積
    氣相沉積按機理分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)。物理氣相沉積是利用真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍等方法沉積成膜；化學氣相沉積是利用鍍層材料的揮發(fā)性使化合物氣體分解或化合反應后沉積成膜。其中真空蒸鍍是在真空環(huán)境中把材料加熱熔化后蒸發(fā)，使其大量原子、分子、原子團離開熔體表面，凝結在被鍍件表面上形成鍍膜；濺射鍍膜是用高能粒子(通常是由電場加速的正離子)沖擊固體表面時使固體表面的原子、分子飛濺出來沉積凝聚在被鍍件表面形成薄膜：離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質離子化，在氣體離子或被蒸發(fā)物離子轟擊作用的同時，把蒸汽物或其反應物蒸鍍在基體上。此外，還有等離子輔助化學氣相沉積(PACVD)和等離子增強化學氣相沉積(PCVD)。
    2.3.3激光技術
    激光表面處理是近二十年發(fā)展起來的新技術，主要有：激光涂鍍，包括激光蒸鍍、化學熱處理、噴涂、電鍍等；激光熱處理；激光熔融等。利用激光可獲得極高的加熱和冷卻速度，從而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)態(tài)合金，從而賦予材料表面以特殊的性能。
    2.3.4離子注入
   離子于注入是把工件放在離子注入機的真空靶室中，在幾十至幾百伏的電壓下，把所需元素的離子注入到工件表面的一種工藝。金屬經離子注入后，在其零點幾微米的表面層增加注入元素和輻照損傷，從而使物理、化學性能發(fā)生顯著的變化。離子注入有如下特征：a.原則上任何元素都可以注入任何基體金屬中；b.注入一般是在常溫真空中進行，表面無變形、無氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，c.注入原子與基體金屬之間沒有界面，因而注入層不會有剝落問題。
    2.3.5  復合技術
    在各種表面技術發(fā)展的基礎上，相互滲透、揚長避短，出現(xiàn)了一批復合技術。在金屬材料領域中，復合技術大多是為涂鍍耐磨層而開發(fā)的。例如有滲碳+液體滲鉻、滲釩、滲硼等；液體滲硼+液體滲鉻加化學氣相沉積氮化鈦：電鍍鉻牛離子注入氮：熱噴涂牛激光重熔，電鍍+熱噴涂：熱噴涂+電鍍等等。
3．理化分析在金屬表面分析的應用實踐
    3.1機加工表現(xiàn)狀況檢驗與研究
    對于各種機械加工，如：車、銑、刨、磨、鉆等方法產生的表面研究在生產實踐中主要是對表面完整性狀況判定，經過加工的金屬零件表面宏觀上似乎很平整、光滑，但在顯微鏡下觀察就可發(fā)現(xiàn)很粗糙，呈現(xiàn)凸凹不平的波峰和波谷，同時加工后表面金屬有一定損傷，如組織發(fā)生變形、晶格發(fā)生畸變。表面完整性主要是對加工后表面的損傷情況如表面凸凹度、晶格畸變程度進行判定，這些檢查通常以金相剖面檢查為主，通常是取樣件試樣進行鑲嵌后在500倍光學顯微鏡下檢查。
    這些檢查在國內尚未普遍開展，但在國外一些重要零件如發(fā)動機盤、葉片、軸類等關鍵零件中已普遍應用在機加工工藝參數(shù)確定中，已做為一種主要的判定依據。并且在越來越多的零件表面質量判定中已成為一種主要檢驗方法。這些研究方法為我們理化分析人員提出了新的思路，拓展了我們的研究范同。
    這些研究也使我們對一些產品壽命長短的判定，有了新的思路，在失效分析判定更增加一些分析的思路和方法。
    3.2各種電加工層的表面檢驗
    隨著工業(yè)的發(fā)展，各種電加工工藝也在不斷發(fā)展，目前主要的電加廠方法有：電解加工、電火花加工、電子束加工和激光束加工等，這些方法廣泛應用于各種具有型面要求的零件、零件的內腔、有各類小孔洞的零件等，這些加工方法是使金屬有一個快速熔化的或電力的過程。這些非機械加工所形成表面的質量狀況，通常是通過對樣件的金相檢查確定，這些檢查已成為工藝參數(shù)確定、工藝定型的重要依據。金相檢查是將樣件剖面鑲嵌后在顯微鏡下檢查其表面有無缺陷和缺陷程度，主要有表面重熔層厚度、重熔層裂紋、電弧燒傷、晶間腐蝕、基體金屬腐蝕、基體金屬裂紋，表面不規(guī)則性、熱影響區(qū)深度等項目。
    3.3各種涂層
    大家熟知的滲層如滲碳層、滲氮層的檢驗已有很多標準方法，如金相法、硬度法、斷口法等等，在此不再敘述。有很多新種類的滲層如滲鉻層、滲鋁層、滲鋁-磚層、滲鋁-鈦層、滲氧層、滲硼層等等。通常檢查滲層的深度、均勻性及滲層擴散后的狀況。常用的檢驗方法是金相方法。
    由于滲層元素的特殊性，金相樣品制備和腐蝕的很多細節(jié)必須嚴格控制，否則有的滲層將無法顯現(xiàn)。滲層的硬度也是需要檢驗的，這類滲層通常較薄，硬度檢驗以顯微硬度和努氏硬度為主。
    對于滲層元素變化情況，常用方法是電子探針、能譜儀、俄歇電子等儀器測定。近年來發(fā)展的輝光光譜儀在滲層檢驗中有很好的應用，例如用輝光光譜儀測定滲鉻層。
    3.4熱噴涂涂層
    熱噴涂涂層是一種發(fā)展迅速的涂層技術，其應用范圍主要有滑動碰撞磨損涂層，微振磨損涂層、磨蝕涂層、隔熱涂層、尺寸修變涂層等等。由于涂層的特殊性，涂層金相檢驗己發(fā)展成專門的一類檢驗學科一熱噴涂涂層金相學。熱噴涂涂層在金相過程中的變化是相當敏感的，因此了解噴涂涂層的特性對于得到一種真實的涂層顯微結構是非常重要的。我們通常接觸的金屬材料是由晶粒構成的，是均勻的。而形成涂層的材料(特別是等離子涂層)是由粉末構成的。大的顆粒與小的顆粒不同，圓的顆粒與長的或不規(guī)則的顆粒不同。涂層組成的實質是每個顆粒的混合體。由于涂層是由熔化和半熔化顆粒組成的特性，在熱過程中顆粒表面產生金屬氧化物和氮化物，同時顆粒也有一些空隙產生。
    在涂層樣

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