材料先进表面处理与测试技术

表面技术是建立在表面（界面）科学基础上，材料、机械、物理、化学等多学科相互复合、渗透而成的一门交叉学科，也是在材料、机械、化工、能源、建筑、宇航、交通等诸多领域得到广泛应用的工程技术之一。 
近几十年来，随着科学技术的飞速发展，人们对材料在高温、高压、高速、高度自动化和恶劣工况下长期稳定运转的性能，尤其是材料的表面性能（如耐磨、耐蚀、耐热、电磁及光学等）的要求不断提高，使得传统的材料表面改性技术及手段已无法满足需要；与此同时，人们也普遍希望通过对材料表面进行改性，以达到用普通材料替代昂贵材料的目的。因而，表面技术迅速成为一门极具研究和应用价值的学科，许多新的表面技术不断涌现，传统的表面技术不断得到改进、完善、交叉和复合，从而大大丰富和发展了原有的表面工程学。 
本书基于目前材料表面处理和测试技术现状及发展趋势，总结了编者及团队多年在激光表面熔覆、热喷涂、化学镀等领域取得的研究成果，并结合国内外最新相关研究进展，就材料表面与界面基础理论、激光熔覆、化学镀、涂（膜）层测试技术进行了论述；附录给出了国际标准化组织（ISO）、美国材料与试验协会（ASTM）、日本工业协会（JIS）、中国国家标准（GB）等有关材料表面处理和测试技术的标准目录，以便读者参考。本书编写注重通用性、可行性和易操作性，通俗易懂，简便实用，可供从事材料表面处理的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校材料工程及相关专业师生参阅。 
本书由付明、田保红和齐建涛等编著，卞贵学、刘群、王勇、胡娜、王寒冰等参与了本书的编写工作。付明负责全书的规划及统筹，并对本书进行了统稿和定稿。 
本书编写过程中参考了众多专家研究成果及各类国内外标准，在此表示衷心感谢！同时，感谢国家自然科学基金资助项目“镁合金表面功能性转化膜材料的多尺度表征及可控制备研究（51701239）”对本书出版的支持！ 
限于编者水平及编写时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请读者提出修改建议。 

编者 
2023年1月

本书结合编者及团队多年在激光表面熔覆、热喷涂、化学镀等领域取得的研究成果，以及国内外该领域新的研究进展等编写而成。全书共5章，在阐述材料表面工程相关基础理论的基础上，详细介绍了激光表面处理技术（概念、理论基础、特征与应用分析）、化学镀技术（概念、理论、发展情况、特点、应用）、涂（膜）层测试技术（概念、种类、测试评价）等内容。另外，书后附有国际标准化组织（ISO）、美国材料与试验协会（ASTM）、日本工业协会（JIS）、中国国家标准（GB）等有关材料表面处理和测试技术的标准目录，以便读者参考。本书具有较强的专业性与技术应用性，可供从事材料表面处理的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校材料工程及相关专业师生参阅。

付明，研究员，中国空空导弹研究院腐蚀与防护专业资深主任 ，全国表面工程协会常务理事，全国表面工程协会电镀分会常务理事，全国表面工程协会转化膜分会常务理事，河南省热处理行业协同创新基地特聘专家，洛阳市腐蚀与防护学会常务理事，洛阳市电镀协会常务理事兼副秘书长。从事金属材料腐蚀与防护、表面处理及“三废”治理技术研究30余年，具有较高的表面处理专业理论知识与实战经验。在国内外核心专业期刊及各类学术会议上发表各类专业论文100余篇，获得专利5项，参与编写专业教材3本；获得中国空空导弹研究院级科技成果奖项数十项，河南省科技进步2等奖。每年都参与中航工业、航天系统、中船重工及中国兵器工业、中国电科等军工企业的表面处理产线建设、课题评审等工作，解决了多项产品零部件腐蚀与防护方面的关键技术难题、提高了产品的各项功能性需求等。

第1章绪论1 
1.1材料表面处理2 
1.2表面和界面结构2 
1.2.1固体表面的结构2 
1.2.2固体的理想表面和清洁表面3 
1.2.3实际表面结构7 
1.3表面和界面热力学——表面能和界面能12 
1.3.1液体的表面张力与表面自由能12 
1.3.2固体的表面张力与表面自由能13 
1.4表面和界面的吸附和润湿16 
1.4.1表面和界面吸附现象16 
1.4.2润湿现象18 
1.4.3表面吸附热力学18 
1.5表面扩散20 
1.5.1表面缺陷及其能量20 
1.5.2表面扩散系数23 
1.5.3表面扩散的实验研究和唯象理论26 
参考文献28 

第2章激光表面处理技术29 
2.1激光的产生、特点及其与材料表面的相互作用30 
2.1.1激光的产生30 
2.1.2激光的特性33 
2.1.3激光与材料表面的相互作用35 
2.2激光表面处理的原理、特点及基本概念38 
2.2.1激光表面处理的原理及特点38 
2.2.2激光表面处理的基本概念39 
2.3激光快速凝固的理论基础40 
2.3.1快速凝固过程40 
2.3.2界面形态41 
2.3.3凝固界面的长大42 
2.3.4激光凝固条件的匹配45 
2.4激光表面热处理技术47 
2.4.1激光表面热处理的工艺特点47 
2.4.2激光处理层的组织、性能及工程应用分析48 
2.5激光表面熔凝技术50 
2.5.1表面处理条件50 
2.5.2表面处理层51 
2.5.3激光表面熔凝的工程应用分析52 
2.6激光表面合金化技术56 
2.6.1原理56 
2.6.2工艺过程57 
2.6.3添加合金种类58 
2.6.4预合金层的制备方法59 
2.6.5合金层的特性63 
2.6.6工程应用分析66 
2.7激光表面熔覆技术70 
2.7.1激光表面熔覆材料70 
2.7.2激光表面熔覆工艺参数选择和优化72 
2.7.3激光熔覆层冶金质量及影响因素88 
2.7.4激光熔覆层组织93 
2.7.5激光熔覆层性能94 
2.7.6工程应用分析110 
2.7.7发展与展望113 
参考文献115 

第3章化学镀技术117 
3.1概论118 
3.1.1化学镀概念118 
3.1.2化学镀发展简史119 
3.1.3化学镀特点119 
3.1.4化学镀用途120 
3.2化学镀成膜理论122 
3.2.1化学镀镍热力学与动力学122 
3.2.2化学镀Ni-P机理124 
3.2.3化学镀Ni-B机理128 
3.2.4肼做还原剂化学镀镍130 
3.2.5化学镀机理的进展131 
3.3化学镀镍132 
3.3.1化学镀镍溶液及其影响因素132 
3.3.2化学镀镍工艺147 
3.4化学镀镍层结构和性能156 
3.4.1镀层外观156 
3.4.2镀层组织结构156 
3.4.3镀层物理性质157 
3.4.4镀层力学性质158 
3.4.5镀层均镀能力及厚度159 
3.4.6镀层结合力及内应力159 
3.4.7镀层硬度与热处理160 
3.4.8镀层腐蚀行为162 
3.5化学镀镍的工程应用分析162 
3.5.1航空航天工业162 
3.5.2汽车工业163 
3.5.3化学工业164 
3.5.4石油和天然气工业165 
3.5.5食品加工业165 
3.5.6采矿工业165 
3.5.7军事工业166 
3.5.8其他工业166 
3.6化学镀其他金属167 
3.6.1化学镀铜167 
3.6.2化学镀锡187 
3.6.3化学镀镍基合金189 
3.6.4化学复合镀200 
3.7化学镀废液处理204 
3.7.1化学镀镍废液的处理204 
3.7.2化学镀铜废液的处理206 
参考文献207 

第4章涂（膜）层测试技术210 
4.1涂（膜）层测试种类211 
4.1.1表面分析的一般概念211 
4.1.2表面分析方法概述211 
4.1.3探针与材料表面的相互作用213 
4.1.4表面成分分析技术214 
4.1.5表面结构分析技术220 
4.2涂 (膜) 层性能测试和评价222 
4.2.1涂层质量222 
4.2.2力学性能231 
4.2.3化学和电化学性能234 
4.2.4物理性能236 
4.3工程应用分析244 
4.3.1镁及镁合金腐蚀与防护特点244 
4.3.2试验方案设计247 
4.3.3试验过程251 
4.3.4试验结果及分析253 
参考文献263 

第5章结论与趋势分析264 
5.1结论265 
5.2趋势分析265 

附录有关表面处理和测试技术标准目录一览267

本书结合编者及团队多年在激光表面熔覆、热喷涂、化学镀等领域取得的研究成果，以及国内外该领域新的研究进展等编写而成。全书共5章，在阐述材料表面工程相关基础理论的基础上，详细介绍了激光表面处理技术（概念、理论基础、特征与应用分析）、化学镀技术（概念、理论、发展情况、特点、应用）、涂（膜）层测试技术（概念、种类、测试评价）等内容。另外，书后附有国际标准化组织（ISO）、美国材料与试验协会（ASTM）、日本工业协会（JIS）、中国国家标准（GB）等有关材料表面处理和测试技术的标准目录，以便读者参考。本书具有较强的专业性与技术应用性，可供从事材料表面处理的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校材料工程及相关专业师生参阅。

付明，研究员，中国空空导弹研究院腐蚀与防护专业资深主任 ，全国表面工程协会常务理事，全国表面工程协会电镀分会常务理事，全国表面工程协会转化膜分会常务理事，河南省热处理行业协同创新基地特聘专家，洛阳市腐蚀与防护学会常务理事，洛阳市电镀协会常务理事兼副秘书长。从事金属材料腐蚀与防护、表面处理及“三废”治理技术研究30余年，具有较高的表面处理专业理论知识与实战经验。在国内外核心专业期刊及各类学术会议上发表各类专业论文100余篇，获得专利5项，参与编写专业教材3本；获得中国空空导弹研究院级科技成果奖项数十项，河南省科技进步2等奖。每年都参与中航工业、航天系统、中船重工及中国兵器工业、中国电科等军工企业的表面处理产线建设、课题评审等工作，解决了多项产品零部件腐蚀与防护方面的关键技术难题、提高了产品的各项功能性需求等。