2025年高性能制造《表面工程》模擬試卷考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、單項選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填寫在題干后的括號內(nèi)。）1.表面自由能是指（）。A.液體表面的總能量B.固體表面的總能量C.表面層分子比內(nèi)部分子具有的額外能量D.表面層與內(nèi)部之間的能量差2.下列哪種現(xiàn)象不是吸附作用的結(jié)果？（）A.氣體在固體表面凝聚B.液體在固體表面鋪展C.涂料在基材上的附著D.液體表面的張力降低3.在電鍍過程中，作為待鍍金屬的工件應(yīng)連接到（）。A.陽極B.陰極C.電源正極D.電源負(fù)極4.熱噴涂技術(shù)中，等離子弧噴槍的等離子氣體通常采用（）。A.氮氣或氬氣B.氧氣或空氣C.氫氣或氦氣D.氮氣或氦氣5.PVD（物理氣相沉積）技術(shù)通常在（）壓力下進(jìn)行。A.高真空B.大氣壓C.低壓D.氣壓6.CVD（化學(xué)氣相沉積）技術(shù)的核心是（）。A.高溫加熱B.高速氣流C.等離子體激發(fā)D.化學(xué)反應(yīng)7.激光表面改性主要利用激光與材料相互作用產(chǎn)生的（）效應(yīng)。A.熱熔化與快速冷卻B.離子轟擊C.化學(xué)反應(yīng)D.輻射壓8.離子注入技術(shù)中，注入離子的動能主要取決于（）。A.離子種類B.加速電壓C.注入時間D.基材厚度9.表面硬度是指材料表面抵抗局部（）的能力。A.壓縮變形B.磨損C.腐蝕D.塑性變形10.選擇表面工程技術(shù)時，首要考慮的因素通常是（）。A.技術(shù)成本B.基材材料C.表面性能要求D.工廠現(xiàn)有設(shè)備二、填空題（每空2分，共10分。請將正確答案填寫在橫線上。）1.表面能與體積之比稱為______。2.能量比表面能低的相向能量高的相遷移的過程稱為______。3.電鍍液中，提供金屬離子的物質(zhì)稱為______。4.氣體分子在固體表面停留并擴(kuò)散進(jìn)入基材的過程是______的主要步驟。5.表面工程中，通過改變材料表面化學(xué)成分來提高性能的技術(shù)包括______和離子注入等。三、名詞解釋題（每題4分，共12分。請給出每個名詞的準(zhǔn)確定義。）1.表面能2.吸附3.熱噴涂四、簡答題（每題6分，共24分。請簡要回答下列問題。）1.簡述楊氏方程在解釋固體潤濕性中的作用。2.與化學(xué)鍍相比，電鍍具有哪些主要特點？3.簡述激光表面改性技術(shù)提高材料耐磨性的基本原理。4.為了提高鋼件的耐腐蝕性能，可以選擇哪些表面工程技術(shù)？請至少列舉兩種并簡述其原理。五、計算或論述題（共34分。請根據(jù)要求作答。）1.（計算題，16分）某零件需要通過等離子體氮化工藝提高表面硬度。已知氮化溫度為950°C，氮氣流量為50L/h，工藝時間plannedfor4hours.假設(shè)氮化層深度與工藝時間的平方根成正比，且在上述條件下，4小時后氮化層深度約為0.3mm。請計算：a.該零件在上述條件下8小時后的氮化層深度預(yù)計為多少？b.如果要求氮化層深度達(dá)到0.6mm，理論上需要多長的工藝時間？（假設(shè)其他條件不變）2.（論述題，18分）論述表面工程在航空航天領(lǐng)域提高材料性能、延長構(gòu)件壽命方面的重要作用。請結(jié)合至少兩種具體的表面工程技術(shù)，說明其如何解決航空航天應(yīng)用中遇到的特定挑戰(zhàn)（如高溫、高速、疲勞、腐蝕等），并分析其應(yīng)用的優(yōu)勢與局限性。試卷答案一、單項選擇題1.C2.B3.B4.D5.A6.D7.A8.B9.D10.C二、填空題1.比表面能2.浸潤3.電解質(zhì)4.離子注入5.化學(xué)氣相沉積三、名詞解釋題1.表面能：單位表面積的表面層所具有的比內(nèi)部分子更多的能量，或表面層分子比內(nèi)部分子具有的額外能量。2.吸附：氣體、液體或固體分子從氣相、液相或固相主體中來到固體表面聚集的現(xiàn)象。3.熱噴涂：將熔融或半熔融的涂層材料，或處于熔融狀態(tài)的金屬粉末，或加熱到熔融或接近熔融狀態(tài)的熔渣，用高速氣流（等離子體、壓縮空氣等）霧化，然后噴射到基材表面形成涂層的技術(shù)。四、簡答題1.楊氏方程描述了液體在固體表面達(dá)到平衡時的接觸角與固體表面能、液體表面能以及固-液界面能之間的關(guān)系。通過該方程，可以判斷液滴在固體表面是潤濕還是不潤濕（即接觸角的大?。瑥亩A(yù)測涂層材料在基材上的附著能力。2.電鍍與化學(xué)鍍的主要區(qū)別在于：電鍍是利用電流在陰極上沉積金屬，電流效率高，速度快，鍍層厚度可控性好，但鍍層成分單一（與陽極材料相同），且對基材有要求（需導(dǎo)電）；化學(xué)鍍不需要外加電流，利用金屬離子在溶液中發(fā)生還原反應(yīng)沉積，電流效率低，速度慢，鍍層均勻，可沉積在多種基材上（包括非導(dǎo)電材料），但工藝控制較復(fù)雜，成本較高。3.激光表面改性提高耐磨性的原理主要是利用高能量密度的激光束照射材料表面，使表層材料快速熔化甚至熔化-氣化，在激光束移開后，熔融區(qū)域迅速冷卻收縮，形成致密的硬化層或發(fā)生相變，從而顯著提高表面的硬度和耐磨性。常見的機(jī)制包括相變硬化、表面熔化-快速冷卻硬化、晶粒細(xì)化等。4.為了提高鋼件的耐腐蝕性能，可以選擇的表面工程技術(shù)有：a.陽極氧化：利用化學(xué)或電化學(xué)方法使鋼表面形成一層致密的氧化物保護(hù)膜，阻止腐蝕介質(zhì)接觸基體。例如，鋁及鋁合金的陽極氧化。b.熱浸鍍鋅：將鋼件浸入熔融的鋅液中，使鋅層附著在鋼件表面，形成合金層，提供犧牲陽極保護(hù)和物理屏蔽雙重作用。c.涂裝：在鋼件表面涂覆油漆、涂料等，形成隔離層，隔絕腐蝕介質(zhì)。五、計算或論述題1.（計算題，16分）a.氮化層深度與工藝時間平方根成正比，設(shè)比例為k。則d=k*sqrt(t)。已知t1=4h,d1=0.3mm,t2=8h,求d2。k=d1/sqrt(t1)=0.3mm/sqrt(4h)=0.15mm/sqrt(h)。d2=k*sqrt(t2)=0.15mm/sqrt(h)*sqrt(8h)=0.15mm*sqrt(8)=0.15mm*2sqrt(2)≈0.42mm。預(yù)計8小時后氮化層深度為0.42mm。b.設(shè)目標(biāo)氮化層深度為d3=0.6mm,求對應(yīng)時間t3。d3=k*sqrt(t3)。0.6mm=0.15mm/sqrt(h)*sqrt(t3)。sqrt(t3)=0.6mm/(0.15mm/sqrt(h))=4*sqrt(h)。t3=(4*sqrt(h))^2=16h。理論上需要16小時。2.（論述題，18分）表面工程在航空航天領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，通過改善材料表面性能，顯著提高了航空航天器的性能、可靠性和使用壽命。a.物理氣相沉積（PVD）技術(shù)：PVD技術(shù)（如真空蒸鍍、濺射等）能夠在材料表面沉積薄而均勻的涂層，如硬質(zhì)涂層（如TiN、CrN）或耐磨涂層。在航空航天中，PVD涂層可顯著提高發(fā)動機(jī)葉片、渦輪葉片、密封件等零件的耐磨性、耐腐蝕性和抗高溫氧化性能，延長其工作壽命，減少維護(hù)成本。例如，TiN涂層可提高渦輪葉片的耐熱性和抗沖刷能力。b.化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)：CVD技術(shù)（如等離子體增強(qiáng)CVD,PECVD）能夠沉積致密、附著力好、成分可控的涂層，如金剛石涂層、類金剛石涂層（DLC）或氮化物涂層。這些涂層具有超硬、低摩擦系數(shù)、良好的抗磨損和抗輻照性能。在航空航天領(lǐng)域，CVD涂層可用于制造耐磨損、低摩擦的軸承、齒輪、密封件，以及抗空間輻射的電子器件表面。例如，DLC涂層可應(yīng)用于衛(wèi)星部件，提高其表面性能并減輕重量。c.激光表面改性：激光表面改性技術(shù)（如激光熔化淬火、激光相變硬化、激光沖擊硬化等）利用激光能量改變材料表層相結(jié)構(gòu)或組織，從而提高表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性等。該技術(shù)處理深度可控，效率高，可現(xiàn)場加工。在航空航天中，可用于提高發(fā)動機(jī)葉片、火箭噴管等關(guān)鍵部件的表面性能，以應(yīng)對極端的工作環(huán)境（高溫、高速沖刷、疲勞載荷等）。d.離子注入：離子注入將特定元素的離子注入材料表面，改變表面化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得表面改性效果，如提高硬度、耐磨性、耐腐蝕性或改變表面潤濕性。在航空航天領(lǐng)域，離子注入可用于處理高溫合金、鈦合金等，提高其表面抗高溫氧化和抗熱腐蝕能力，或改善與涂層材料的結(jié)合性能。e.表面處理（如噴丸、滾壓）：雖然不屬于涂層技術(shù)，但也是重要的表面工程手段。噴丸、滾壓等可以通過引入壓應(yīng)力，提高材料表面的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕能力，這對于長期服