等离子喷焊
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2023年2月22日发(作者：牛津杯法抑菌试验)1/8
《材料表面工程》考试要点
二、简答题
1、表面工程技术的特点与意义；
（1）主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以制备
表面性能与基材性能相差很大的复合材料。
（2）采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特
殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提
高劳动生产率，降低生产成本。
（3）可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。
（4）表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、光导
纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。
（5）二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅度降低
了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。
（6）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难以做
到的特殊性能合金等。
5.写出方程，并用图示法说明“润湿”与“不润湿”；
4、写出方程，并用图示法说明“润湿”与“不润湿”；
方程：
润湿的定义：
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7、金属材料腐蚀控制及防护方法；
1）、产品合理设计与正确选材；
2）、电化学保护；
3）、表面覆层和表面处理；
4）、加入缓蚀剂。
8.表面预处理的工序包括哪些
答：表面预处理是表面工程技术能否成功实施的关键因素。主要工序包括：机械性清理，
脱脂，化学浸蚀、抛光和电化学抛光，脱脂—浸蚀综合处理等。
9、形成热扩渗层的基本条件及机理；
基本条件：
（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属件化合物；
（2）欲渗元素与基体之间必须有直接接触；
（3）被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度；
对靠化学反应提供活性原子的热扩渗：
（4）该反应必须满足热力学条件。
机理：
（1）产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面；
（2）渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表
面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度；
（3）渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩散层增
厚。
10.常见的电镀方式、金属镀层及其用途、分类。
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11.铝合金阳极氧化的工艺流程，其氧化膜的形成过程、结构特点及性能特点；
答：工艺流程：预处理——氧化——阳极氧化的封闭
形成过程：将铝制件作为阳极，其他材料作为阴极置于电解池中，通上直流电，阳极析
出氧气，阴极析出氢气，阳极上的氧气大部分与铝形成了2O3（包括电化学和化学过程）其
具体过程如下
：
结构特点：结构致密和氧化膜厚度较大；
性能特点：1、膜的厚度在不同的电解液中的厚度极限不一样；
2、孔隙度与金属表面的光滑度有关，表面越光滑，孔隙度越小；
3、硬度非常高和好的耐磨性；
4,、结合力非常强。
5、柔韧性在不同的温度阶段不一样；
6、耐蚀性可以通过增加膜厚的、降低电流密度和降低阳极氧化温度及减低酸浓度等来
改善；
7、阳极氧化膜的耐热性非常好；
12.对比和法中薄膜的生成过程。
答：：
①气相粒子的产生：利用物理方法产生气相粒子；
②输运过程：气体粒子传输到基片；
③沉积成膜过程：气相粒子入射并沉积在基片表面上并凝聚成膜（凝聚、成核、核生长、
形成连续薄膜）。
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：
①、反应气体向基片扩散；
②、反应气体吸附于基片的表面；
③、反应气体在基体表面发生化学反应；
④、反应产生的气相副产物被排掉，产生的固体物质沉积下来成为不蒸发的固体膜；
13、化学镀的原理与特点；
原理：化学镀是一个在催化条件下发生的氧化一还原反应过程。
特点：优点：
镀层致密，孔隙少、硬度高，具有极好的化学和物理性能；
可镀制形状复杂的工件，且镀层厚度均匀；
可镀基材广泛(对非金属等材料需经过适当的预处理)；
设备简单(不需要外加直流电源)。
缺点：
可镀制的金属(合金体系)有限；
镀液昂贵，稳定性差，镀制成本高。
14.什么是转化膜技术？其主要用途有哪些？
答：转化膜技术是通过化学或电化学方法，使金属表面形成稳定的化合物膜层而不改变
期金属外观的一类技术。
主要用途：用于防护和装饰；提高涂膜与基体的结合力；耐磨减摩；适用于冷成形加工；
电绝缘性.
15.在蒸发镀膜中，为什么必须精确控制蒸发源的温度？
答：因为蒸发速率是影响蒸镀过程的因素，而蒸发速率直接受蒸发源的温度的影响，因
此必须精确控制蒸发源的温度来保证蒸镀的精度。
三、阐述题及论述题
1、表面工程技术中，改性层与基体的结合界面的主要类型有哪些？其形成过程(形成机理)
及结合强度的特点如何？各种结合界面一般出现在哪些常用的表面技术中？并针对某一种
结合界面，说明可采取哪些主要措施来提高其结合强度？
类型形成过程结合强度表面技术
冶金结合表
面
处于熔融状态的覆层材料
沿处于半熔化状态下的固
体基材表面向外凝固结晶
而形成
很高激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等
扩散结合表
面
两个固相直接接触，通过
抽真空、加热、加压、界
面扩散和反应等途径所形
成
高热扩渗工艺、离子注入工艺
外延生长界
面
当工艺条件合适时，在单
晶衬底表面沿原来的结晶
轴向生成一层完整的新单
晶层
理论上应有较好的结
合强度，取决于单晶
层与衬底的结合键类
型
气相外延（化学气相沉积技术等）、液
相外延（电镀技术等）
化学键结合
界面
覆层材料与基材之间发生
化学反应，形成成分固定
的化合物
较高，但韧性较差物理和化学气相沉积技术、离子注入
技术、热扩渗技术、化学转化膜技术、
阳极氧化和化学氧化技术等
分子键结合物理气相沉积、涂装技术较低部分（低温）物理气相技术、涂装技
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界面中有机粘结涂层与基材的
结合等
术等
机械结合界
面
覆层与基材的结合界面主
要通过两种材料相互镶嵌
不高热喷涂与包镀技术等
3、常用表面淬火技术（感应加热、火焰加热、激光）的基本工作原理及特点；
感应加热淬火技术
基本工作原理：
将工件放在有足够功率输出的感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，
并由于集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热到钢的相变临界温度3或之上，
然后再冷却介质中快速冷却，使工件表层获得马氏体。
特点：
(优点)：1）加热迅速、热效率高、过渡区较窄、淬火层压应力大；
2）可大幅度提高材料表面硬度、耐磨性和疲劳强度。
(缺点)：1）设备成本较高；
2）尖角效应；
3）一般只适合形状简单的零件。
火焰加热淬火技术
基本工作原理：将高温火焰或燃烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，
然后在一定淬火介质中冷却。
特点：
(优点)设备费用低，方法灵活，简便易行，可对大型零件局部实现表面淬火。
(缺点)生产效率低，淬硬层的均匀性较差，质量控制比较困难。
激光加热淬火技术
基本工作原理：利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，
当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变
点以下，获得淬硬层。
特点：
(1)优点
淬火硬度高，能量密度高，加热速度快，不需要淬火介质，工件变形小，加热层深度和加热
轨迹易于控制(淬火部位可控)，无氧化、无污染，易于实现自动化。
(2)缺点
硬度分布不均匀，单道激光淬火区域小，大面积淬火时容易产生回火软带。
设备成本高、生产成本较高（能量转换效率低）。
4．对比分析热喷涂、热喷焊、堆焊在基本工作原理、结合强度、稀释率、主要应用等方面
的不同；
1）工作原理：
A、热喷涂是采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体
使涂层材料加热细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程
B、热喷焊是采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或半熔化，
实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术
C、堆焊是在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金的技术。
2）结合强度方面：热喷涂涂层与基体结合强度较差；热喷焊组织致密，冶金缺陷很少，
与
基材为冶金结合，结合强度高；堆焊结合强度也比较高
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3）稀释率方面：a、热喷涂稀释率较低；b、喷焊层会被稀释，稀释率相对比较高；c、
堆焊的稀释率比热喷焊大得多；4）应用方面：
热喷涂主要用于a、喷涂耐腐蚀涂层；b、喷涂耐磨涂层；c、喷涂耐高温涂层；d、喷
涂功能涂层；e、喷涂成型；
热喷焊主要用于：a、重载零件的表面强化与修复；b、只适合特定金属材料，不能用于
形状复杂，易热变形的零件；堆焊可用于零件修复或制造特殊表面性能的新零件。
热喷涂热喷焊堆焊
基本工作
原理
采用各种热源使涂层材料加热熔化或
半熔化，然后用高速气体使涂层材料分
散细化并高速撞击到基体表面形成涂
层的工艺过程
采用热源使涂层材料在基体表
面重新熔化或部分熔化，实现
涂层与基体之间、涂层内颗粒
之间的冶金结合，消除孔隙的
表面处理技术
在零件表面熔
敷上一层耐磨、
耐蚀、耐热等具
有特殊性能合
金层的技术
结合强度火
焰
电弧等离
子
爆炸超音速
火焰
高高
>7>10>35>85>70
稀释率几乎为零约5％～10％大于热喷焊
主要应用1、喷涂耐腐蚀涂层
2、喷涂耐磨涂层
3、喷涂耐高温涂层
4、喷涂功能涂层
5、喷涂成型
氧—乙炔火
焰喷焊
等离子喷焊零件修复或制
造特殊表面性
能的新零件
1、各类工
模具修
复
2、风机叶
片等工
件表面
强化
1、大批量零
件的表面
强化处理
2、内燃机排
气门表面
喷焊耐磨
涂层
5、等离子体技术应用在了哪些表面工程技术中？并分析说明等离子体在这些技术中的具体
作用。
等离子体热扩渗：利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面，使金属表面成分、
组织结构及性能发生变化的工艺过程。
等离子喷涂工艺：利用热能(等离子火焰)将具有特殊性能的涂层材料熔化后涂敷在工件上形
成涂层的技术。
等离子喷焊工艺：采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末材
料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，
充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层。
等离子弧堆焊：热源
离子镀膜：
1、接通高压电源，在蒸发源与工件之间建立等离子区。基片为阴极(负高压)，离子轰击基
片表面，溅射清洗
2、加热蒸发源使镀料气化蒸发，蒸发后的镀料原子进入放电形成的等离子区中，其中一部
分被电离，在电场加速下轰击工件表面并沉积成膜；一部分镀料原子则处于激发态(高能原
子)。
3、镀料离子和气体离子以较高能量轰击基片/镀层表面（可产生离子注入、溅射剥离等）。
等离子体增强化学气相沉积()：等离子体的作用：激活、加速、溅射、碰撞
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二、填空题：
（1）表面工程技术的内涵包括：(表面改性技术)、(表面涂镀技术)、(表面合金化和渗杂技
术)、(表面微细加工技术)、(表面加工三维成型技术)、(表面合成新材料技术)。
表面工程技术的特点和意义：()、()、()、()、
()。
按照表面工程技术的特点可以将其分为（表面改性）、（表面加工）、（表面加工三维成型）
和（表面合成新材料）等几大类。
（2）实际上，原子的扩散途径除了最基本的体扩散过程外，还有（表面）扩散、（晶界）扩
散、和（位错）扩散，后三种扩散都比第一种扩散快，又称短路扩散。在扩散传质中，固体
表面的原子的活动能力最高，其次为（晶界）原子，再次为位错原子，体内原子活动能力最
低。
（3）严格意义上表面能应是指材料表面的（内能）它包括（原子的动能）、（原子的势能）
以及原子中原子核和电子的动能和势能。表面张力和表面自由能是从不同角度反映了物质表
面分子受力不平衡的特性。
（4）润湿角θ为0°和180°时，相应地称为（完全）润湿和（完全不）润湿。
（5）固体表面吸附可分为（物理吸附）和（化学吸附）两类。
（7）按腐蚀形态可把腐蚀分为（局部腐蚀）和（全面腐蚀）两大类。
（8）关于钝化的机理目前主要有（成相膜理论）和（吸附理论）两种。
（9）溶液中至少有两个组成部分，即，溶剂和溶质，它们都可能被固体吸附，但被吸附的
程度不同，如果吸附层内溶质的浓度比体相大，称为（正）吸附，反之称为（反）吸附。
（10）按磨损的机理的不同，可以将磨损分为（）、（）、（）、（）、（）、
（）和（）七大类。最基本的是、（粘着磨损）（磨粒磨损）、（疲劳磨损）和（腐
蚀磨损）。
（12）按腐蚀机理可把腐蚀分为（化学腐蚀）和（电化学腐蚀）两大类。
（13）激光淬火的不足之处在于单道淬火的激光区域宽度有限，通过多道搭接，实现大面积
淬火，容易产生（回火软带）。因此多采用螺旋扫描避免之。为了提高钢铁对激光束的吸收
率，应该对钢铁工件进行表面（黑化）处理。
（14）喷丸强化技术，是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件表面，使表层材料
在再结晶温度下产生（弹塑性变形），并呈现较大的残余应力，从而提高工件（表面强度）、
（疲劳强度）和（抗应力腐蚀能力）的表面工程技术。
（15）通过辉光放电获得的（等离子体），实际上是正离子、负离子、分子、中性原子、电
子、光子等各种粒子的复合体。是与固、液、气态不同的第四态。
（16）热喷涂涂层间主要依靠（机械结合），结合强度较低，而且存在孔隙。采用热源使涂
层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的（冶金结
合），消除孔隙，这就是热喷焊技术。
（17）等离子喷涂采用（等离子火焰）作为热源对喷涂材料进行加热的。
（18）喷焊过程包括预热、喷粉和重熔。预热目的是（使工件表面湿气蒸发，产生一定的
热膨胀，减少焊层应力，提高喷粉沉积效率。）
（19）对工件进行焊前（预热）和焊后（缓冷）以及采用堆焊底层的方法可以减少堆焊层内
应力。（20）不同溶液和工艺参数下得到的镀层，性能和用途也不同。按镀层的性能可将其
分为（）、（）和（）三类。
（21）电镀指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以（被镀基体金属）为阴
极，以（欲镀金属或其他惰性导体）为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的
金属膜的表面工程技术。
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（22）转化膜按其形成机理可分为（化学转换膜）和（电化学转换膜），按其成分，有（氧
化膜）、（磷酸盐膜）、（铬酸盐膜）和（草酸盐膜）；按用途可分为功能性膜、防护性、装饰
性膜；
（23）电化学氧化指在电解质溶液中，在直流电的作用下，以（惰性导体材料）为阴极，
以（工件）为阳极，通过电解作用，在基体表面上获得结合牢固的氧化膜的表面工程技术。
（24）铝和铝合金是最容易着色的金属，其主要着色方法以下三类。
A（自然显色）B（吸附着色）C（电解显色）
（25）将有机涂料涂覆于物体表面并干燥成膜的过程称之为（涂装技术）。一般涂料主要
是由成膜物质、（颜料）、（溶剂）、（助剂）四部分组成。
（26）成膜物质分为两大类，其中一类称为非转化型成膜物质，它们在涂装成膜过程中组成
结构不发生变化，即成膜物质与涂膜的组成相同。另一类成膜物质称为转化型成膜物质，它
们在成膜过程中组成结构发生变化，形成与其原来组成结构完全不同的涂膜。
（27）气相沉积可分为（物理气相沉积）和（化学气相沉积）两大类。