理化分析在表面工程技术方面的应用与发展

         1．概述  
    机械零部件、工程构件发生的失效破坏，所导致的经济损失非常巨大，而磨损、腐蚀和断裂是机械构件的三大主要破坏形式。这些破坏绝大部分都产生于构件表面。因此提高表面质量和采用表面防护措施延缓和控制表面的破坏，成为解决上述问题的有效方法，这样就促进了表面工程科学和表面技术的形成与发展。  
    表面工程技术将会成为二十一世纪在材料学科中一个非常重要的领域。技术的发展离不开试验和分析，理化分析一直在表面工程技术分析中起着重要的作用，表面层的状况和质量都需要通过理化分析来检验和判定。理化分析作为一个传统的分析领域，其分析的重点也将随着新技术发展而转变，分析技术也在不断的发展提高，表面工程技术不断的发展，领域不断的扩展，也将使理化分析领域不断的扩展和发展。  
2．表面工程技术简述  
    随着工程应用发展的需要，表面工程技术已成为目前重点发展的关键技术之一，并且已形成了一门新兴学科——表面工程学。      
    2.1传统表面技术及发展  
    传统的表面强化技术如表面淬火、表面渗碳、氮化等属于热处理工艺的一部分，是比较古老的表面强化工艺。但是这些工艺仍在发展。如表面化学热处理从液体法发展到气体法，目前又发展了真空化学热处理和离子轰击化学热处理；表面淬火由传统的中频淬火、高频淬火又发展了激光加热表面淬火；传统电镀工艺与近代激光技术结合形成了激光电镀等等。  
    2.2表面工程技术分类  
    通常将表面工程技术分为表面涂镀技术、表面扩渗技术和表面热处理三个领域。表面涂镀技术是将液态涂料敷在材料表面，或者是将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有益于基体材料的涂层或镀层。此类技术有有机涂装、热浸镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等：表面扩渗技术是将原子渗入(或离子注入)基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而达到改变其性能的目的，它主要包括化学处理、阳极氧化、表面合金化和离子注入等。表面热处理技术是通过加热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下，使其结构发生变化，从而改变其性能。常用的表面处理技术包括表面淬火、激光重熔和喷丸等。  
    2.3一些新兴发展的表面工程技术  
    2.3.1热喷涂技术  
    热喷涂是采用专用设备利用热源将金属或非金属材料加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其吹成微小颗粒并喷射到机件表面，形成覆盖层。最初发展的是线材喷涂，而后出现了火焰粉末喷涂技术，火焰喷焊工艺：20世纪50年代发展了爆炸喷涂和等离子喷涂，近年又有了超音速喷涂和激光喷涂。目前各种热喷涂技术均已成熟，不仅能喷涂金属、复合陶瓷与金属陶瓷，还能喷涂塑料及复合材料，应用范围逐渐扩大。加热喷涂技术是一个涉及金属学、陶瓷学、高分子化学、表面物理、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理等学科的交叉边缘科学。  
    2.3.2气相沉积  
    气相沉积按机理分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。物理气相沉积是利用真空蒸发、溅射、离子镀等方法沉积成膜；化学气相沉积是利用镀层材料的挥发性使化合物气体分解或化合反应后沉积成膜。其中真空蒸镀是在真空环境中把材料加热熔化后蒸发，使其大量原子、分子、原子团离开熔体表面，凝结在被镀件表面上形成镀膜；溅射镀膜是用高能粒子(通常是由电场加速的正离子)冲击固体表面时使固体表面的原子、分子飞溅出来沉积凝聚在被镀件表面形成薄膜：离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，在气体离子或被蒸发物离子轰击作用的同时，把蒸汽物或其反应物蒸镀在基体上。此外，还有等离子辅助化学气相沉积(PACVD)和等离子增强化学气相沉积(PCVD)。   #p#分页标题#e#
    2.3.3激光技术  
    激光表面处理是近二十年发展起来的新技术，主要有：激光涂镀，包括激光蒸镀、化学热处理、喷涂、电镀等；激光热处理；激光熔融等。利用激光可获得极高的加热和冷却速度，从而可制成微晶、非晶及其它一些奇特的、平衡相图上不存在的亚稳态合金，从而赋予材料表面以特殊的性能。  
    2.3.4离子注入  
   离子于注入是把工件放在离子注入机的真空靶室中，在几十至几百伏的电压下，把所需元素的离子注入到工件表面的一种工艺。金属经离子注入后，在其零点几微米的表面层增加注入元素和辐照损伤，从而使物理、化学性能发生显著的变化。离子注入有如下特征：a.原则上任何元素都可以注入任何基体金属中；b.注入一般是在常温真空中进行，表面无变形、无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，c.注入原子与基体金属之间没有界面，因而注入层不会有剥落问题。  
    2.3.5  复合技术     
    在各种表面技术发展的基础上，相互渗透、扬长避短，出现了一批复合技术。在金属材料领域中，复合技术大多是为涂镀耐磨层而开发的。例如有渗碳+液体渗铬、渗钒、渗硼等；液体渗硼+液体渗铬加化学气相沉积氮化钛：电镀铬牛离子注入氮：热喷涂牛激光重熔，电镀+热喷涂：热喷涂+电镀等等。  
3．理化分析在金属表面分析的应用实践  
    3.1机加工表现状况检验与研究  
    对于各种机械加工，如：车、铣、刨、磨、钻等方法产生的表面研究在生产实践中主要是对表面完整性状况判定，经过加工的金属零件表面宏观上似乎很平整、光滑，但在显微镜下观察就可发现很粗糙，呈现凸凹不平的波峰和波谷，同时加工后表面金属有一定损伤，如组织发生变形、晶格发生畸变。表面完整性主要是对加工后表面的损伤情况如表面凸凹度、晶格畸变程度进行判定，这些检查通常以金相剖面检查为主，通常是取样件试样进行镶嵌后在500倍光学显微镜下检查。  
    这些检查在国内尚未普遍开展，但在国外一些重要零件如发动机盘、叶片、轴类等关键零件中已普遍应用在机加工工艺参数确定中，已做为一种主要的判定依据。并且在越来越多的零件表面质量判定中已成为一种主要检验方法。这些研究方法为我们理化分析人员提出了新的思路，拓展了我们的研究范同。  
    这些研究也使我们对一些产品寿命长短的判定，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各种电加工层的表面检验  
    随着工业的发展，各种电加工工艺也在不断发展，目前主要的电加厂方法有：电解加工、电火花加工、电子束加工和激光束加工等，这些方法广泛应用于各种具有型面要求的零件、零件的内腔、有各类小孔洞的零件等，这些加工方法是使金属有一个快速熔化的或电力的过程。这些非机械加工所形成表面的质量状况，通常是通过对样件的金相检查确定，这些检查已成为工艺参数确定、工艺定型的重要依据。金相检查是将样件剖面镶嵌后在显微镜下检查其表面有无缺陷和缺陷程度，主要有表面重熔层厚度、重熔层裂纹、电弧烧伤、晶间腐蚀、基体金属腐蚀、基体金属裂纹，表面不规则性、热影响区深度等项目。  
    3.3各种涂层  
    大家熟知的渗层如渗碳层、渗氮层的检验已有很多标准方法，如金相法、硬度法、断口法等等，在此不再叙述。有很多新种类的渗层如渗铬层、渗铝层、渗铝-砖层、渗铝-钛层、渗氧层、渗硼层等等。通常检查渗层的深度、均匀性及渗层扩散后的状况。最常用的检验方法是金相方法。   #p#分页标题#e#
    由于渗层元素的特殊性，金相样品制备和腐蚀的很多细节必须严格控制，否则有的渗层将无法显现。渗层的硬度也是需要检验的，这类渗层通常较薄，硬度检验以显微硬度和努氏硬度为主。  
    对于渗层元素变化情况，常用方法是电子探针、能谱仪、俄歇电子等仪器测定。近年来发展的辉光光谱仪在渗层检验中有很好的应用，例如用辉光光谱仪测定渗铬层。    
    3.4热喷涂涂层      
    热喷涂涂层是一种发展迅速的涂层技术，其应用范围主要有滑动碰撞磨损涂层，微振磨损涂层、磨蚀涂层、隔热涂层、尺寸修变涂层等等。由于涂层的特殊性，涂层金相检验己发展成专门的一类检验学科一热喷涂涂层金相学。热喷涂涂层在金相过程中的变化是相当敏感的，因此了解喷涂涂层的特性对于得到一种真实的涂层显微结构是非常重要的。我们通常接触的金属材料是由晶粒构成的，是均匀的。而形成涂层的材料(特别是等离子涂层)是由粉末构成的。大的颗粒与小的颗粒不同，圆的颗粒与长的或不规则的颗粒不同。涂层组成的实质是每个颗粒的混合体。由于涂层是由熔化和半熔化颗粒组成的特性，在热过程中颗粒表面产生金属氧化物和氮化物，同时颗粒也有一些空隙产生。  
    在涂层样品制备中每一步骤的选择和应用都必须有严格的工艺控制程序。如切割涂层试样时要考虑切割不会使表面涂层结构受到损伤，要选择合适的切割方法，要确定切割工具尺寸的薄厚和切割材料的选用。在镶嵌试样时要有确定方法、确定的镶样料、磨光和抛光时设备必须有固定的程序，并要求是唯一性的。对每一种涂层都要求有各自相适应的过程程序。  
    不同涂罢有不同的检验要求和评定规则。评定项目较多，要求评定细节很严格。我们通过一两个例子来说明：如WC／Co涂层，这种涂层要评定WC颗粒的百分比和分布的均匀程度、涂层与基体界面的结合情况、孔隙的人小和数量、油污裂纹和分层情况等，同时在评定时还要分辨在制备试样过程中碳化物被拔出造成孔隙增加的假象情况。  
    再如，Ni——AL／氧化铝涂层，其中Ni——AL层是做为一种粘接底层，是一种较软的涂层，而氧化铝是一种较硬的陶瓷涂层，两层涂层不仅要评定各自涂层结构还要评定两者的结合情况。评定项目主要有分层裂纹和拔出情况、孔隙率、界面污染情况，氧化物分布和形态以及末熔颗粒的大小和数量等。  
    3.5气相沉积  
    气相沉积的检验常见的是金相显微分析和硬度检验。从图片可以得到各层表面的深度、分布的均匀性及扩散的情况。近年来发展起来的辉光光谱仪也越来越多地应用在沉积层的分析中。辉光光谱仪可以对沉积层进行逐层剥层分析，分析精度高，准确性好，可以自动建立完整的深度-成分曲线。  4结束语：  
    表面工程技术做为一门涉及多学科的边缘学科技术已成为材料科学领域中最具有广泛发展前景的学科，在制造行业中所处的地位也将越来越重要。新技术的发展将促进理化分析检验技术的不断发展：同时完备的理化试验数据和结果，是新技术发展的基础和重要的依据。新技术发展为理化分析提供了广泛的应用前景，要求理化检测人员不仅要更好地学习掌握更多的理化分析技术，还要了解各种新工艺方法。只有这样才能紧跟新技术、新工艺的发展步伐，提高理化分析检测的作用。