涂覆层界面结合的类型、原理和特点

覆层的冶金结合

覆材与基材的熔化冶金结合

原理

是将覆层材料(覆材)和基体材料(基材)表面加热至熔化状态，通过液-固相作用后，再冷却结晶形成覆层。电弧堆焊是这类结合的典型代表。堆焊时，堆焊材料与基体材料受电弧加热进行熔池冶炼，电弧移开后，熔池冷却结晶形成堆焊层(覆层或焊缝)

特点

焊缝的结晶属于外延结晶。这种由外延结晶形成的覆层的冶金结合，其本质是靠形成的金属键的价键力而结合，具有很高的结合强度。一些拉伸试验表明，覆材与基材的结合强度常会大于覆层的强度

等离子堆焊由于采用温度高、热量集中的等离子弧为热源，可控制基材的熔深，降低稀释率

激光合金化是用高能激光束辐照，使基材表面和覆层合金熔化，凝固后形成新的合金表层

激光熔敷只将基材熔到刚刚足以确保覆层能很好地结合，即激光束使工件上非常薄的表层熔化，该薄液层与液态熔敷合金相混合，并伴随着扩散作用冷凝成合金覆层

电火花熔敷是利用电极与工件之间的电火花放电，使电极和工件材料局部产生熔化，并相互作用而形成合金覆层

上述工艺在熔敷过程中，基材表面的熔化程度和范围有着较大的差别，但其覆层与基体的结合都属于异种材料的冶金结合，都遵循覆材与基材受热熔化与冷却结晶的规律。因为基材的熔化是局部的，所以合金覆层与基材之间都存在一定的半熔化(过渡)区和热影响区，其大小和结构随材料成分、加热方法和速度等而异。它们的工件表面冷却速度变化范围很大。加大冷却速度，可细化晶粒，改变显微组织，形成特殊结构的硬化层。在足够快的冷却速度下(一般为10⁶℃/s以上)，将抑制熔化材料的结晶过程，内部原子冻结在接近熔点的液体状态，从而形成类似于玻璃结构的非晶态硬化层。用激光束使金属表层快速熔化并离开，造成与基体间足够大的温度梯度，可形成超细化晶体结构或非晶态金属玻璃

属这类的

表面技术

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、激光熔敷、电火花涂覆等

熔融覆材和基材的扩散冶金结合

原理

熔结喷涂时，覆材熔化，基材基本不熔化，两者间产生液-固相之间的相互作用，即充分的相互溶解与扩散，形成覆层。其中的主要过程是界面区扩散

特点

氧-乙炔火焰喷熔和真空熔结等熔结技术中，熔融的合金涂料与固态基材表面经历了较为充分的相互溶解与扩散，界面区扩散是其中的主要过程，其结合称为扩散冶金结合。由于也可形成金属键，因而覆层结合牢固。熔结过程一般包括喷涂和熔结两个步骤

所用涂料通常为含有硅和硼的自熔性合金，因此，合金的熔点比大多数钢的熔点低370～430℃。在熔结时，熔融涂料与基材表面之间在热作用下，形成一条狭窄的扩散互溶区，产生类似硬钎焊的扩散冶金结合。与其相近，热浸镀也可得到类似软钎焊的带有冶金结合的覆层

热喷涂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。某些涂料，如Al/Ni、Ni/Al合金，熔滴到达基材表面后，放热反应还可持续数微秒，可得到一定程度的扩散冶金结合，但多数涂层是以机械嵌合为主的。故热喷涂层的结合强度约比堆焊、熔结涂层低一个数量级

属这类的

表面技术

各种熔结技术和多种热喷涂技术

采用不同的工艺方法和加热热源可以得到各种不同结合性质的表面覆层。目前常用的热源在正常规范下的温度和能量密度如下表所示。其中激光束等高密度热源可方便地进行上述各种熔敷工艺

几种热源

的温度和

能量密度

热源种类

氧-乙炔焰

手工电弧焊(埋弧焊)

钨极氩弧

等离子弧

电子束

激光束

正常规范下的温度/K

3500

6000(6400)

8000

15000～30000

最大能量密度/W·cm^-2

2×10³

10⁴(2×10⁴)

1.5×10⁴

10⁵～10⁶

10⁸～10⁹

(聚焦)

10⁷～10⁹

(聚焦)

化学溶液沉积镀层结合

原理

是在化学溶液中利用电极反应或化学物质的相互作用，在制件表面沉积成镀层的

特点

电镀、电刷镀、特种电镀如复合电镀、珩磨镀、非金属上电镀是当电流通过电解液时，在阴极基材上沉积金属的过程；阳极氧化是当电流通过电解液时，在阳极基材上形成氧化膜的过程，如铝及铝合金的氧化；化学镀是含有镀膜金属离子的溶液在还原剂的作用下，在具有催化作用的基材表面上沉积成膜的过程；化学转化膜处理是基材表面原子与溶液中阴离子反应，在基材表面形成化合物膜的过程，如氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜等。化学镀和转化膜处理都是在无外电流通过的情况下进行的。与熔池(熔滴)凝固过程相似，电镀等溶液沉积过程，也遵循形核和晶体长大规律，形成具有晶体结构的沉积膜。所不同的是，前者以过冷度为形核生长的动力学条件，后者以阴极极化等为动力学条件。化学溶液沉积在某些条件下亦可形成非晶态沉积膜。一定沉积条件下的镀层不仅可以和基材金属形成金属键连接，而且可以顺着基材金属的晶粒生长，形成外延结晶。因而理想的沉积镀层具有较高的结合强度

属这类的

表面技术

电镀、电刷镀、特种电镀、化学镀、阳极氧化、化学转化膜处理等

气相沉积膜层结合

原理

是在真空条件下镀制薄膜的技术。其中真空蒸镀是将膜材加热蒸发成气体后，在基材表面沉积成膜；溅射镀是利用荷能粒子轰击靶材表面，使溅射出来的粒子在附近的基材上沉积成膜；离子镀是在气体离子或蒸发物离子的轰击作用下进行蒸发镀膜的

CVD是一种化学气相生长法。它把含有构成元素的一种或几种化合物、单质元素供给基材，借助气体作用或在基材表面上的化学反应生成要求的薄膜

特点

真空蒸镀沉积粒子的能量仅为0��1eV左右，其沉积的薄膜附着能力和密度一般。溅射镀和离子镀是借助电磁场的作用，在气体放电形成的等离子体环境中激活沉积粒子，使其以几电子伏至几百电子伏的能量轰击基体，这样形成的薄膜，其结合性能等得到了明显提高。PVD技术的处理温度较低，基体一般无受热变形或材料变质问题

CVD的反应有热分解、还原、置换等类型，其反应温度多在1000℃左右。许多基材由于难以经受其高温，使其应用大受限制。因为存在着反应气体、反应产物和基材的相互扩散，CVD镀膜可以获得好的附着强度。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)近年来发展很快，它借助于气体辉光放电产生的低温等离子体增强反应物质的活性，促进气体间的化学反应，从而在较低温度下也能沉积出具有好的结合性能的均匀而致密的薄膜

气相沉积成膜过程与熔池凝固过程相似，也遵循形核与晶体长大的结晶规律，沉积成具有晶体结构的薄膜。改变工艺方法和生成条件，可制备出各种单晶、多晶和非晶态固体膜

属这类的

表面技术

物理气相沉积(PVD，包括真空蒸镀、溅射镀和离子镀三种基本方法)、化学气相沉积(CVD)等

高分子涂层结合

原理

利用胶黏剂对被粘物进行连接的技术称为粘接(胶接)技术。表面粘涂技术是粘接技术的一个新的分支。它是将特殊功能胶黏剂(在胶黏剂中加入特殊的填料)直接涂敷于零件表面上，使其具有所需功能的一种表面强化技术

粘接(粘涂)层是通过高分子材料的固化反应而形成的。粘接过程是一个复杂的物理化学过程。目前，有关胶黏剂与被粘物界面产生结合力的理论，有机械结合、吸附、化学键、扩散等理论

涂装层(涂膜)是有机高分子涂料涂敷于基材表面后，干燥而成的膜层

从涂料与胶黏剂的组成来看，粘接层和涂装层与基体的连接是具有共同本质的

特点

胶黏剂大多由黏料、固化剂等多组分组成。合成高分子化合物是量最多、性能最好的黏料。固化剂用于使胶黏剂固化，并可改变黏料的自身结构

涂料由成膜物质(基料)、分散介质(溶剂和水)、填料(功能填料和着色填料)和助剂等组成

环氧树脂、酚醛树脂、有机硅等树脂作为主要成膜物质(黏料或基料)已在两种涂层(粘涂和涂装)中得到广泛应用。在主要成膜物质中加入不同功能填料形成的耐磨、耐蚀及其他功能性涂层已使粘涂层和涂装层难以区分

胶黏涂层与基体的结合强度与热喷涂层的结合强度大致相近，其抗拉强度一般为30～80MPa

属这类的

表面技术

普遍采用的涂装(涂料)层、胶黏涂层、黏结固体润滑层(干膜)及一些特殊功能高分子涂层等。这类涂层包含的范围很广