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表面工程技术与缓蚀剂

李金柱

中航一集团

北京航空材料研究院

引言

■表面技术的应用可以追溯到远古：

■三千多年前的大漆的发现及其应用；

■二千多年前秦始皇墓地使用的青铜剑；■1742年出现，1836年投入生产的热浸镀；二次大战研究和发展的无几富锌涂层；

■20世纪60年代合成树脂引发的现代涂料工业时代；

■20世纪70～90年三束技术引发的表面工程的大发展以及表面工程学的出现。

涡轮喷气发动机失事

是由九级压气机加燃烧室加二级涡轮为主体构成的，其中压

气机九级盘后，有一个后轴颈，内有两个小弹簧片发生镉熔

化，导致九级盘镉脆断裂

電

電耗

压气机转子，镀镉弹簧片位置示意图

激国玲施其般火疑

激国玲施

般吡

弹簧七

二级压气机业充级意后轴颈

(九权应么机瑟)

图：压气机转子，嬷铜弹簧片位置示意图

爆裂的九级压气机盘

美国“哥伦比亚号”航天飞机

起飞时遭到外力撞击，导致防热瓦上出现裂缝，2003年2月

1日返回地面时使得超高温气流乘虚而入，机体材料瞬间熔

化，飞机解体，机上7名航天员全部遇难

“哥伦比亚号”防热瓦

■飞船在快速与空气剧烈摩擦时，外壳温度达到几千摄氏度。外壳表面安装了20000多快防热瓦，实际上它是一些疏松、轻质而呈脆性的陶瓷材料，碳一碳复合材料，它耐高温、隔热好、质量轻，高温下不发生物理和化学性能的破坏并可重复使用。但是，航天飞机在重复使用过程中，防热瓦

的气动外形必然会受到程度不同的损害，

随着使用次数的增加，隐患就越大。

航天飞机首次复飞如履薄冰

经过2万多人近30个月的不懈努力，包括对航天飞机进行约50项、300多处改进；经过几百万次计算机模拟试验，并在风洞试验中检测不同碎片撞击

方式会造成的后果；经过反复研究和不断创新；

又经过多次发射推迟，在投入几百万个工时和约15亿美元之后，发现号航天飞机终于在2005年7月26日晚10时39分(北京时间)率先进行了哥伦比亚号失事后美国航天飞机的第一次发射，并在8月

9日晚8时12分(北京时间)安全落地。

神六表面的烧蚀涂层

神六隔热方式采用烧蚀材料，不会遇到导致美国哥伦比亚号航天飞机事故的防热瓦问题

烧蚀涂层在高温高压气流冲刷的条件下，

发生热解、气化、升华、辐射等作用，通过材料表面的物质损耗而带走大量的热量，从而达到耐高温和保护飞船内部人员存活

和设备的正常运行的目的

表面工程技术应用的启示

金属(例如钢铁)材料制成的零部件，只要表面保持良好的“合适的保护”,这些零部件可以永久的使用下去；

金属表面的保护层如果选用不当；施加工艺不合适；或储存、运输、使用不当，则会引起种种麻烦，甚至重大事故；

■如果不是有意识的利用表面，获得所希望具有的性能，就是无意识的被动的破坏表面的性能，遭受损失。

第1章

表面工程定义

是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用表面改性转化技术、薄膜技术和涂镀层技术，

使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。它是近代技术与经典表面工艺相结合、繁衍、发展起来的；它拥有坚实的科学理论基础，像表面界面理论、表面失效理论、腐蚀科学、摩擦科学等；它包括表面转化改性、薄膜、涂镀层材料与制备工艺、施涂与检测技术、表面组成与结构分析技术、表面性能测试技术、检验方法、标准、评价和质量保证与工艺过程控制等为形成新型表面和表面层工程化生产的成套技术。它可有效地改善和提高材料和产品的性能(耐蚀、耐磨、装饰性能),确保产品使用可靠和安全，延长使用寿命，或赋予材料和器件特殊的物理和化学性能，例如声光磁电的转换和存储性能，使电子器件多功能化和超小型化，有效地节约有限的资源和能源，减少环境污染，维护可持续发展。引自《国防科技名询大典》

表面形变强化

表面热流强化

表面转化技术表面合金化

表面转化技术

化学转化

电化学转化

离子注入

电子学薄膜

光学薄膜

光电子学薄膜

表面工程技术薄膜技术

集成光学薄膜

金刚石薄膜

防护用薄膜

电化学沉积技术

有机涂层技术

涂层技术无机涂层技术

涂层技术

热浸镀技术

防锈技术

表面上的行为

■腐蚀从表面开始

■磨损在表面进行

■装饰美化在表面

■疲劳因表面损伤显著加速

■表面上进行功能转换

表面工程技术的功能与作用

■提高耐腐蚀能力

■调整摩擦磨损特性

■赋予表面特种功能进行表面装饰

提高耐腐蚀能力

■抗均匀腐蚀

■防晶间腐蚀与剥蚀

■防电偶腐蚀

■抗点砂业、耐磨蚀

■抗高温氧化与热腐蚀延缓腐蚀疲劳

抗应力腐蚀和氢脆

提高耐磨与减磨能力

■抗摩擦