表面技术

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孙建波, 靳亚鹏, 孙冲, 蒋涛, 程相坤, 刘慧枫

表面技术. 2016, 45(2): 1-7. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.001

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目的评价 90SS 和 90SS-3Cr 油管钢在 H2S-CO2 环境下的硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)行为,并分析其断裂机理。方法利用四点弯曲实验和慢应变速率拉伸实验,结合显微组织分析、扫描电子显微镜分析技术,研究 90SS 和 90SS-3Cr 两种钢材在 H2S-CO2 环境下的应力腐蚀开裂行为和断口形貌特征。结果 90SS-3Cr 钢的显微组织中存在更多的非金属夹杂物。经过 720 h 四点弯曲实验后,90SS 和 90SS-3Cr 试样表面均未出现宏观及微观裂纹,表现出良好的抗硫化物应力腐蚀开裂能力。在慢应变速率拉伸实验中,当 H2S 浓度由 0 增加至 6 mol/ L 时,90SS-3Cr 试样的断后伸长率 δ、断面收缩率 φ 及断裂时间 t分别下降了 71. 6% ,69. 6% ,61. 4% ,远高于 90SS 钢的塑性损失(分别下降 2. 9% ,52. 5% ,10. 3% )。断口形貌分析表明,90SS-3Cr 钢在较低浓度 H2S 时就由塑性断裂向脆性断裂转变。结论随着 H2S 浓度的升高,90SS 和 90SS-3Cr 钢的塑性损失增加,抗 SSCC 能力均下降。相比 90SS 钢,90SS-3Cr 钢对应力腐蚀开裂更为敏感。

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金属表面 Ni-P 化学镀层研究现状

张冠军, 来维亚, 尹成先, 徐秀清

表面技术. 2016, 45(2): 8-16. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.002

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从力学和耐蚀性能方面,综述了 Ni-P 二元化学镀层、三元化学镀层和化学复合镀层的研究现状。对于不同基材上的二元镀层,表面钝化剂、络合剂和热处理影响碳钢二元镀层的力学与耐蚀性能;表面阳极化、激光表面合金化和热处理影响铝合金二元镀层的附着力、耐蚀性与硬度;表面阳极活化和热处理影响不锈钢二元镀层的结合力与硬度。对于三元镀层,热处理和激光晶化影响 Ni-W-P 三元镀层的耐磨性与耐蚀性;含 Mo 元素的 Ni-Mo-P 三元镀层在不同温度下热处理后,均表现出良好的耐蚀性;稀土金属氧化物可改变三元化学镀层的镀速、表面质量、晶体结构与耐蚀性能。对于复合镀层,由于添加了 SiC,SiO2,WC 和 PTFE 等不溶性粒子,因此硬度、耐磨性、耐蚀性和自润滑性得到提高。三元化学镀层与化学复合镀层的力学和耐蚀性能明显优于二元化学镀层,是 Ni-P 化学镀研究和发展的方向。

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天然气井油管有机涂层的失效分析

何淼, 张鑫柱, 刘伟, 李琼玮

表面技术. 2016, 45(2): 17-21,27. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.003

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目的研究有机涂层在天然气井高温、高压环境下的失效特征和失效原因,为天然气井井筒有机涂层应用提供建议。方法模拟含 CO2,H2S 等介质的气井井下环境,通过 9 轮次、1914 h 的长周期浸泡试验,对比测试某种有机涂层试样的厚度、冲击韧性等物理、机械性能参数,分析涂层宏、微观形貌变化。结果经过反复升、降压的苛刻室内浸泡实验后,有机涂层逐步老化。耐磨值由最初的 3. 28 L/ μm下降到 2 L/ μm 左右;硬度值由最初的 125 下降到 95 左右;冲击韧性值由最初的 37. 6 J 下降到浸泡 890 h时的 23. 5 J 左右,之后趋于平稳。 1914 h 后,涂层与碳钢基体界面结合性能变差,表面出现明显的局部腐蚀坑点。结论室内涂层试验与气井油管涂层现场生产中发生的失效特征类似,存在失重、减薄—鼓泡—膜下腐蚀、脱落的失效过程。为避免油管内涂层失效,提高防腐效果,建议:在油管生产加工过程中控制固化度,避免因固化度不足导致涂层缺陷;在工程作业中应避免钢丝作业、快速泄压等对涂层的潜在损伤;定期进行缓蚀剂加注,减轻腐蚀。

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南朗段埋地天然气管道杂散电流检测与治理

符耀庆, 王秀通, 陈胜利

表面技术. 2016, 45(2): 22-27. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.004

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目的减小杂散电流对南朗段天然气管道的干扰,消除杂散电流腐蚀隐患。方法利用沿线阴极保护电位测试、SCM 检测等技术对南朗段管道的杂散电流干扰情况进行检测,并根据检测结果实施排流设计与改造。在 009—019 测试桩中设计 6 个排流点,用固态去耦合器排流技术实施排流改造。改造完成后,对排流效果进行验证。结果检测表明,杂散电流最大干扰值达 16. 839 V,杂散电流密度达 393A/ m2,干扰长度为 8 km。杂散电流干扰来源于电气化铁路,在铁路运行时间段存在杂散电流干扰,在铁路停运时间段无杂散电流干扰。改造完成后,杂散电流干扰电压降至了 4 V 以下。结论该排流技术的应用有效减小了南朗段埋地管道的杂散电流干扰,使其达到了国家规定标准,消除了杂散电流腐蚀的隐患,保障了南朗段天然气管线的安全运行。杂散电流干扰的检测与排流技术可以用于消除铁路等对埋地管道杂散电流腐蚀的影响,对受到新建带电结构影响的管道的防护工作具有示范作用。

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不锈钢截止阀波纹管组件腐蚀开裂失效分析

明卫平, 张怡悦, 王传志, 许元, 刘欣芳, 熊金平

表面技术. 2016, 45(2): 28-33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.005

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目的针对某炼油厂波纹管截止阀中双层不锈钢 304 波纹管组件发生开裂,造成截止阀失效的现况,通过失效分析,寻找腐蚀开裂的原因。方法对失效开裂的不锈钢截止阀双层波纹管组件进行外观检查,采用金相显微镜和直读光谱仪分别对失效组件的金相组织和化学成分进行分析,用电子显微镜观察组件断口形貌与特征。结果波纹管组件外层管壁断口上可以观察到解理面和解理台阶,并且能看到腐蚀产物的存在,这是奥氏体不锈钢发生应力腐蚀断裂的典型特征;内层管壁断口上有韧窝存在,属于机械断裂。金相组织和化学成分分析表明,波纹管组件使用的不锈钢材质合乎设计与使用要求。导热油介质检测结果显示,导热油中含氯 55 mg/ kg, 总硫含量 350 mg/ kg,有害离子含量较高。结论双层波纹管组件的内层管壁和外层管壁的失效机制不同:外层管壁是由 Cl-导致的应力腐蚀开裂;内层管壁是由于外层管壁失效引起波纹管组件失稳,造成抗压强度和寿命急剧降低,在应力的作用下出现韧性断裂。建议降低导热油中有害离子含量,使用耐蚀性更好的材质。

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缓蚀型天然气减阻剂 Mannich 碱-苯甲酸盐的合成及其成膜性能

赵巍, 王晓霖, 陈建磊

表面技术. 2016, 45(2): 34-39. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.006

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目的合成一种缓蚀型天然气减阻剂,满足新旧天然气管道增大输气量、季节性调峰和安全稳定运行的需求。方法通过亲核加成反应,合成缓蚀型天然气减阻剂— — —1,4-双(苯基亚甲基-N,N‘-二正丁基胺)哌嗪四苯甲酸盐(BPDBPB)。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、1H 核磁共振波谱(NMR)和元素分析(ELA)对化合物进行结构表征,应用扫描电子显微镜(SEM)、电化学阻抗法和极化法对其成膜性能和稳定性进行测试。结果 FTIR,1H NMR 和 ELA 测试证实,所得到的产品为设计的目标化合物。减阻剂 BPDBPB 喷涂在钢片表面后形成了一层致密的保护膜,使钢片表面粗糙程度大大降低。电化学阻抗测试中,BPDBPB 在铁电极表面成膜后,自高频区向低频区形成了两个连续的容抗弧,高频区形成的容抗弧较小,低频区形成的容抗弧较大。电化学极化测试中,与空白电极相比,BPDBPB 成膜后的阳极极化曲线略变陡,自腐蚀电位值增大了 0. 092 V,自腐蚀电流减小了 0. 71×10-5 A。结论所合成的减阻剂具有较好的成膜性,可大幅度降低钢片表面的粗糙度,且所形成的膜结构具有较好的稳定性。

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天然气减阻剂研究进展

王剑波, 王晓霖, 陈建磊, 赵巍

表面技术. 2016, 45(2): 40-49. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.007

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减阻剂加注是一种重要的天然气管道增输技术,加注减阻剂克服了管道内涂层使用寿命短、易脱落、不可再次涂覆、无法应用于旧管道和施工复杂等缺点,可有效提高输送量,并能保证管线的安全运行。综述了天然气减阻剂的减阻机理及国内外关于减阻剂发展的技术现状,详细叙述了天然气管道实施减阻的原因、减阻剂的室内成膜性和稳定性评价以及环道评?馐宰爸煤筒馐怨獭?依据合成方法,将减阻剂分为 Mannich 碱类、咪唑啉类、酰胺类、磷酸酯类和聚合物类,并分别对其进行了论述和举例。同时还指出了天然气减阻剂的适用范围,从减阻机理、分子结构设计、评价方法和现场应用技术等方面提出了目前研究中存在的问题,对于深入研究减阻剂减阻机理、合成、评价方法和在大口径管线的应用提出了一些建议。

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氢气输送管线开裂原因分析

孙杰文, 湛小琳, 姚飞, 刘德宇, 蒋卫东, 赵彦修

表面技术. 2016, 45(2): 50-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.008

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目的对氢气管道内表面开裂原因进行分析,为同类型管道的失效提供参考。方法针对设计压力 4. 8 MPa、设计温度 50 ℃并在 1998 年投用的氢气管道,观察其宏观形貌,通过拉伸试验和硬度测试分析其力学性能,并对其进行金相组织分析和扫描电子显微镜??通过能谱测试分析其腐蚀产物成分。结果管壁没有明显的腐蚀减薄。管壁整体力学性能符合标准,被测试样韧性较好,未发生材质劣化。基体微观组织为正常的铁素体+珠光体,组织分布均匀,三通及弯管处的焊缝区出现了部分马氏体组织,容易诱发硫化物应力腐蚀开裂的发生。管道内壁存在裂纹及点蚀坑,裂纹扩展较深,且存在分叉,是典型的应力腐蚀特征;点蚀坑有聚集现象,有形成微裂纹的趋势。管道内壁存在腐蚀产物,说明输送的介质不纯净;腐蚀产物中含硫元素,说明介质中含有硫化物等杂质。结论管道操作压力较高,结合其他应力与介质的共同作用,导致管道内壁发生了硫化氢应力腐蚀开裂。

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塔河油田苛刻环境下集输管线腐蚀防治技术应用

羊东明, 葛鹏莉, 朱原原

表面技术. 2016, 45(2): 57-64. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.009

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目的提升苛刻环境下油气集输管线的腐蚀防护能力,降低腐蚀速率,降低腐蚀穿孔造成的环境污染和人员伤害风险。方法针对塔河油田高 H2S、高 CO2、高 H2O、高 Cl-、高矿化度、低 pH 值的苛刻内腐蚀环境,通过科研攻关,揭示腐蚀机理,明确腐蚀规律特征,在借鉴国内外防腐技术的基础上,研发出集输管线内挂片法腐蚀监测装置,建立数据、形貌、位置的点腐蚀定量评价方法,以提高腐蚀监测的准确率与评价精度。结果研发出针对 H2O-H2S-CO2-Cl-共存腐蚀环境体系的 BX245-1Cr 耐蚀钢种管材,其力学性能优异,耐蚀性好,现场试验中点腐蚀速率降低了 37. 8% ,均匀腐蚀速率降低了 11. 0% 。优化改进了非金属管材结构,提升了其耐强冲刷腐蚀性能,并通过添加碳黑与玻璃纤维同缠绕制管消除静电腐蚀。含高 H2S 和高 CO2 伴生气集输管线采用“预膜+连续加注+批处理冶缓蚀剂防护技术,控制均匀腐蚀速率为 0. 001 mm/ a,点腐蚀速率为 0. 0299 mm/ a。含水原油集输管线采用涂层风送挤涂施工进行内涂层防护,解决了 60 mm≤DN≤100 mm 小口径管线内涂层补口的难题;应用 PE 管内穿插修复、涂层风送挤涂修复技术对腐蚀集输管线进行治理。结论形成了安全可靠、经济高效、节能降耗且实用的腐蚀防治关键技术系列,现场应用效果显著,为国内油田的腐蚀防治提供了技术借鉴与应用经验。

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油田污水系统硫化氢的危害及其治理

李景全, 石丽华, 杨彬, 康杰

表面技术. 2016, 45(2): 65-72,78. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.010

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油田地面系统因硫酸盐还原菌繁殖导致硫化氢不断增长,是长期注污水开发的油田所面临的普遍问题。简述了油田污水中硫化氢的危害以及常用的硫化氢去除和增长控制技术,并重点介绍了河南油田的三个应用实例:其一,采用两级普通曝气处理聚合物配制污水,在气水比(V / V)= 1 : 2 时,残留硫化氢含量小于 1 mg/ L;其二,普通曝气与缓蚀杀菌剂结合控制腐蚀,单级曝气气水比(V / V)= 1 : (7 ~10)的条件下,硫化氢含量从 50 ~60 mg/ L 下降到 5 ~10 mg/ L,再添加 FH-8 型缓蚀杀菌剂 25 mg/ L,腐蚀率从 1mm/ a 下降到 0. 2 mm/ a;其三,固相催化曝气氧化与生物抑制技术相结合,实现硫化氢的彻底去除和控制,用于高温聚合物驱油的污水配制聚合物,在气水比(V / V)= 1 : 1 时,硫化氢含量从 25 mg/ L 下降到0. 5 mg/ L 以下,生物抑制剂则使沿程硫化氢增长量不超过 0. 5 mg/ L。催化曝气氧化除硫与普通曝气除硫相比,具有曝气量小、除硫迅速彻底的优点。对于对硫化氢含量要求严格的系统,固相催化曝气氧化与生物抑制技术结合,在技术和经济可行性方面具有明显的优势。

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喷涂工艺对超音速火焰喷涂 Al-Cu-Fe-Si 准晶合金涂层性能的影响

蔡明伟, 曲寿江, 魏先顺, 沈军

表面技术. 2016, 45(2): 73-78. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.011

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目的使用活性燃烧高速燃气喷涂(AC-HVAF)方法制备高质量的 Al-Cu-Fe-Si 准晶涂层,研究喷涂工艺对涂层性能的影响。方法采用气雾化 Al-Cu-Fe-Si 准晶合金粉末,利用 AK02T 型 AC-HVAF喷涂系统制备 Al-Cu-Fe-Si 准晶涂层材料。通过 X 射线衍射及扫描电镜?旆治鲎季Ш辖鸱勰┖屯坎愕淖橹虢峁?通过电化学工作站、显微硬度计和接触角测试仪等手段分析准晶合金涂层的耐蚀性、显微硬度及抗粘性能。结果对气雾化准晶 Al-Cu-Fe-Si 合金粉末的研究发现,冷却速率显著影响准晶合金粉末的组织,在冷却速率较快的粉末中形成胞状晶组织,准晶 I 相含量较高。对准晶合金涂层进行热处理,高温退火显著提高了涂层的硬度,950 ℃退火 12 h 后,硬度值达到(724±153)HV0. 1。分别对准晶合金涂层和基体 45#钢的接触角进行测量,准晶合金涂层的接触角最大为 95°,而 45#钢的仅为 79°。通过电化学工作站测试比较涂层的耐蚀性,发现在 3. 5% (质量分数)的 NaCl 溶液中,喷涂在 45#钢和 5052 铝合金基体上的涂层腐蚀电流密度 Jcorr分别为 6. 8×10-6,2. 0×10-7 A/ cm2。结论不同粒径的气雾化准晶合金粉末的相组成不同,选择合适的粒径是保证铝基准晶合金涂层质量的前提。对涂层进行合适的热处理可以有效地提高涂层的显微硬度,铝基准晶合金涂层的接触角较 45#钢的高,提高了基体的抗粘性。不同基体上制备的准晶合金涂层的耐蚀性有很大差异,5052 铝合金基体上的准晶涂层耐蚀性优于喷涂在 45#钢基体上的涂层。

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梯度基体负偏压真空多弧离子镀沉积 TiN 涂层及其力学性能

曾华智, 王海, 沈军

表面技术. 2016, 45(2): 79-83. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.012

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目的通过梯度基体负偏压沉积工艺,获得综合性能优良的 TiN 涂层。方法采用多弧离子镀工艺,在 0 ~ -180 V 连续变化的梯度基体负偏压参数下沉积梯度 TiN 涂层。通过 X 射线衍射仪和扫描电子显微镜对涂层的物相结构和形貌进行分析,通过纳米压痕和纳米划痕对涂层的力学性能进行系统研究。结果与无梯度沉积的涂层相比,梯度基体负偏压沉积 TiN 涂层的(111)晶面衍射峰减小,厚度增加,表明涂层的沉积速率增大。经测试,梯度涂层的断裂临界载荷 Lc2 =215. 21 mN,硬度值 H=31. 2 GPa,弹性模量 E=498 GPa,塑性变形临界载荷 Ly = 81. 65 mN;无梯度沉积涂层的 Lc2 = 248. 63 mN,H = 29. 6GPa,E=452 GPa,Ly =23. 39 mN。二者相比之下,梯度涂层虽然断裂临界载荷有所减小,但硬度值和弹性模量均有所增大,并且塑性增大,塑性变形临界载荷大幅增加,综合力学性能提高。结论梯度基体负偏压沉积工艺改变了常规的单一参数设置,在沉积过程中,基体负偏压对涂层生长的影响不断改变,获得的涂层具有结构上的梯度变化,从而力学性能得到了改善。

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纤维种类对 C / C 复合材料摩擦磨损性能的影响

吴世国, 罗瑞盈

表面技术. 2016, 45(2): 84-89. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.013

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目的为了降低 C/ C 复合材料制造成本,扩展 C/ C 复合材料应用领域,选用低成本预氧丝纤维取代碳纤维,制备出 C/ C 复合材料,并研究纤维种类对 C/ C 复合材料摩擦磨损性能的影响。方法以两种纤维为原材料,采用 CVI 工艺制备出 C/ C 复合材料,用 MM-2000 摩擦试验机进行摩擦磨损试验,采用扫描电镜对摩擦面进行形貌分析。结果随着载荷的增大,预氧丝基 C/ C 复合材料在与金属摩擦时摩擦因数保持在 0. 22 左右,平均磨损量为 0. 82 mg/ min,而碳纤维基 C/ C 复合材料与金属配副相对摩擦因数较小(0. 15 ~0. 20),平均磨损量为 1. 17 mg/ min。三种碳与碳配副中,预氧丝基 C/ C 复合材料同预氧丝基 C/ C 复合材料配副之间的摩擦因数随载荷波动的范围为 0. 28 ~ 0. 33,较稳定,平均磨损量为 1. 76mg/ min。碳纤维基复合材料与碳纤维复合材料配副时,随着载荷的增大,摩擦因数变化范围较大(0. 15 ~0. 33),平均磨损量为2. 35 mg/ min。预氧丝基复合材料与碳纤维基复合材料之间相互配副,其磨损最大,平均磨损量为 2. 95 mg/ min。结论 C/ C 复合材料的摩擦磨损性能与纤维种类有很大关系,采用预氧丝纤维制备出的 C/ C 复合材料,无论与金属相互摩擦,还是与自身材料摩擦,均易形成较为稳定的润滑膜。随着载荷的增加,摩擦因数变化较小,磨损量和摩擦功也最低,表现出比碳纤维基 C/ C 复合材料更优异的摩擦性能。

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等离子喷涂灰铸铁涂层的研究进展

邢亚哲, 王强, 李文鹏, 马旭

表面技术. 2016, 45(2): 90-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.014

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在汽车上使用轻质铝合金发动机可以有效减少燃油消耗和环境污染,但铝合金的耐磨损性能较差,从而造成发动机工作过程中气缸壁面容易磨损。利用表面改性技术对铝合金表面进行强化处理,可以满足其作为滑动部件在高载荷条件下的使用要求。灰铸铁较低的成本和其中石墨的自润滑作用,使其成为铝合金发动机气缸表面保护涂层材料的首选。等离子喷涂技术以其高效率和灵活性在表面强化领域受到广泛应用。因此,利用等离子喷涂制备灰铸铁涂层成为改善铝合金发动机气缸表面耐磨性的有效方法之一。但是,由于等离子喷涂过程中熔滴冷却速度极快,等离子喷涂很难得到含大量石墨组织的灰铸铁涂层。以调控灰铸铁涂层中的石墨含量为目的,总结了等离子喷涂灰铸铁涂层的研究现状,以及基体温度、颗粒尺寸、添加合金元素等对熔滴冷却速度的影响,并以此为基础,结合凝固理论分析了在涂层中保留灰铸铁粉末中的石墨组织的可行性,同时分析了在铸铁涂层中保留石墨所面临的主要问题,并提出了解决这些问题的主要措施。最后就在等离子喷涂灰铸铁涂层中保留石墨的研究方向进行了展望。

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填料粒度对汽车制动摩擦材料性能的影响

罗玲, 姚冠新, 陶飞

表面技术. 2016, 45(2): 97-102. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.015

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目的研究填料粒度对树脂基汽车制动摩擦材料性能的影响。方法选取硅酸锆、氧化铝、石墨和蛭石作为填料,树脂基摩擦材料采用热压成型法制成,在 X-DM 摩擦试验机上进行摩擦磨损试验。采用正交试验法,对填料粒度不同的树脂基摩擦材料的摩擦因数标准差和高温磨损率进行极差分析,以获得填料粒度组合最佳的摩擦材料配方。采用扫描电子显微镜对该材料和未经过粒度优化材料在不同温度下的磨损表面形貌进行对比分析。结果随着硅酸锆和氧化铝颗粒尺寸的增大,摩擦因数和高温磨损率均增大,但硅酸锆和氧化铝颗粒尺寸过大或过小都会造成摩擦因数的稳定性变差;石墨粒度变化对摩擦因数的稳定性影响不大,随着石墨颗粒尺寸的增大,高温磨损率减小;随着蛭石颗粒尺寸的增大,摩擦因数的稳定性变差,且高温磨损率增大。结论硅酸锆和氧化铝粒度在 320 ~ 400 目之间,石墨粒度在100 ~200 目之间,蛭石颗粒尺寸小于 80 目为最佳的粒度组合,制成的摩擦材料的摩擦磨损性能最佳,试样的摩擦因数稳定,高温磨损率较低,抗热衰退性能好。

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NiCrAlYSi / h-BN 高温可磨耗封严涂层摩擦磨损性能研究

运广涛, 李其连, 程旭东

表面技术. 2016, 45(2): 103-108,174. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.016

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目的加入 h-BN 和团聚聚苯酯分别作为固体润滑剂和造孔剂,以提高 NiCrAlYSi 基封严涂层的高温摩擦磨损性能。方法采用真空熔炼雾化造粒和料浆喷雾造粒技术制备 NiCrAlYSi/ h-BN 聚苯酯复合粉体,再利用大气等离子喷涂技术制备高温可磨耗封严涂层,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、CSM 摩擦磨损试验机和三维轮廓仪等手段,研究 NiCrAlYSi/ h-BN 封严涂层显微结构、元素组成以及室温和 800 ℃下的摩擦磨损性能,探究涂层在室温和 800 ℃ 下的磨损机理。结果等离子喷涂NiCrAlYSi/ h-BN封严涂层组织比较均匀,涂层结合强度可达 15 MPa,孔隙率约为 32% 。室温下封严涂层与 DD6 镍基单晶高温合金球间的平均摩擦因数为 0. 897,涂层磨损体积为 2. 09×108 μm3;800 ℃ 高温下平均摩擦因数为 0. 425,涂层磨损体积为 3. 22×108 μm3;封严涂层 800 ℃下有良好的可磨耗性,相应对偶件的磨损较轻;高温下,封严涂层金属基相软化、h-BN 的润滑作用和部分金属基相高温下生成自润滑性氧化物,是摩擦因数降低和对偶件磨损较轻的主要原因。 NiCrAlYSi/ h-BN 封严涂层室温的主要磨损机理为涂抹、磨粒磨损和轻微氧化,高温下的主要磨损机理为切削、塑性变形、氧化和粘着磨损。结论等离子喷涂 NiCrAlYSi/ h-BN 高温封严涂层在高温下的可磨耗性能较好。

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热喷涂 NiCrBSi 基耐磨涂层的研究进展

徐海峰, 肖金坤, 张嘎, 张超

表面技术. 2016, 45(2): 109-117,174. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.017

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磨损失效是工业生产及材料使用寿命最主要的消耗方式之一,通过热喷涂表面涂层技术提高摩擦副表面摩擦磨损性能受到越来越多的关注。作为一种重要的表面处理技术,热喷涂在防腐、耐磨等方面均有出色的表现。 NiCrBSi 是以 Ni、Cr 为主要组元的 Ni 基自熔性合金,近年来,NiCrBSi 基涂层在制备方法、性能表征和应用推广等方面都取得了重要进展。本文主要论述了热喷涂 NiCrBSi 和 NiCrBSi-Mo 涂层的自润滑性能、NiCrBSi-碳化物涂层的硬质相增强效果、NiCrBSi-氧化物涂层综合性能等方向的研究现状,分别对火焰重熔、激光重熔、炉内重熔及感应重熔 NiCrBSi 基涂层的原理、特点及相关应用实例进行了阐述,分析了这四种后处理重熔态涂层结构与磨损性能,着重比较添加组元和重熔工艺对涂层的组织结构、力学性能和耐磨损性能等方面的影响规律,并阐明了各自在机理上的异同。最后总结了 NiCrBSi基耐磨涂层研究面临的主要问题,并针对这些问题,从材料、工艺和后处理方面提出了三点展望性建议。

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微弧火花渗碳对一种定向凝固高温合金表面再结晶的影响

谢光, 邬蕾, 郑伟, 彭建强, 张少华, 卢玉章, 申健, 谢玉江

表面技术. 2016, 45(2): 118-123,161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.018

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目的研究微弧火花渗碳对定向凝固高温合金 DZ125L 表面再结晶的控制效果。方法对DZ125L 合金进行吹沙变形处理,以石墨棒为碳的来源,通过微弧火花渗碳工艺在吹沙表面进行渗碳处理后,与直接吹沙的试样一起进行热处理,通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)等手段表征组织结构。结果与合金直接吹沙产生的表面再结晶相比,经过微弧火花渗碳+吹沙处理的样品,表面再结晶深度只有直接吹沙处理样品的 60% 。 XRD 分析表明,微弧火花渗碳处理后,合金表层产生了 TiC 和(Cr,Mo)23C6 等碳化物。能谱分析表明,渗碳样品截面外表层富集 Ti、Mo、W、Cr、C等元素,产生了大量碳化物,进一步阻碍了再结晶晶界的迁移。微弧火花渗碳强化了合金表层,使合金在吹沙处理时产生的变形层较浅,抑制了再结晶表面形核。结论通过微弧火花渗碳工艺可以有效抑制定向凝固高温合金的再结晶。

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超薄四面体非晶碳膜光学常数的精确测定

许世鹏, 李玉宏, 陈维铅, 林莉, 李江, 薛仰全

表面技术. 2016, 45(2): 124-128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.019

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目的联合使用光谱型椭偏仪(SE)和分光光度计,精确测定超薄四面体非晶碳薄膜(ta-C)的光学常数。方法由于该薄膜的厚度对折射率、消光系数有很大的影响,仅采用椭偏参数拟合,难以准确得到该薄膜的光学常数,椭偏法测定的未知参数数量大于方程数,椭偏方程无唯一解。因此,加入透过率与椭偏参数同时进行拟合(以下简称 SE+T 法),以简单、快速、准确地得到该薄膜的光学常数。结果薄膜具有典型的非晶碳膜特征,SE 和 SE+T 两种拟合方法得到的光学常数具有明显的差异,消光系数 k 在可见以及红外区最大差值可达 0. 020,紫外区最大的偏差约为 0. 005;折射率 n 在 500 nm 波长以上最大差值为 0. 04,在紫外光区和可见光区两种方法得到的 n 趋于一致。联用时的拟合结果具有更好的唯一性,而且拟合得到的光学常数变得平滑。结论椭偏与分光光度计联用适合精确测定测量范围内的超薄四面体非晶薄膜的光学常数。

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AlCoCrCu0.5 NiFe 高熵合金氧化物薄膜光学特性的研究

黄元盛, 蔡铭洪, 叶均蔚

表面技术. 2016, 45(2): 129-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.020

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目的制备 AlCoCrCu0. 5NiFe 高熵合金氧化物薄膜,并对其光学性能进行表征。方法使用磁控溅射设备在单晶硅片和玻璃上制备 AlCoCrCu0. 5NiFe 高熵合金氧化物薄膜,并对膜进行退火处理。使用椭圆偏振光谱仪对薄膜的光学特性进行分析。结果随着氧含量的增加,折射系数减小。当光波长为633 nm 时,折射系数为 1. 69 ~2. 40。当氧分压为 10% ,折射率色散曲线在 475 nm 和 600 nm 处出现拐点,在 600 nm 之后折射率随着波长的增大而逐渐减小。当氧分压为 30% 时,折射率曲线在 500 nm 和600 nm 处出现拐点,在 600 nm 后折射率趋于稳定。当氧分压为 50% 时,折射率曲线在 525 nm 处出现拐点,之后折射率随波长的增大而逐渐增大。在 450 ~ 550 nm 波段内,AlCoCrCu0. 5FeNi 氧化物薄膜的吸收系数随氧分压的增加而增加。在 550 ~850 nm 波段内,薄膜的吸收系数随工作气压的变化趋势不明显。随着氧分压的增加膜的颜色逐渐变深。经过退火处理后,膜的颜色进一步加深。在相同工艺参数的情况下,氧的分压增加,膜厚减小。结论适当减小氧分压,能获得具有高折射率的 AlCoCrCu0. 5FeNi 氧化物薄膜。不同的分压下,AlCoCrCu0. 5FeNi 氧化物薄膜的吸收系数随波长的增加均存在一个拐点,并且随氧分压的增加,拐点的波长减小。氧含量增加导致氧化物薄膜厚度减小,颜色加深。

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喷丸强化 AZ91D 镁合金残余应力场的数值模拟及实验研究

陈光忠, 何志坚, 杨岳

表面技术. 2016, 45(2): 134-138,187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.021

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目的研究喷丸工艺对 AZ91D 镁合金表面残余应力场的影响。方法基于有限元平台建立喷丸强化 AZ91D 镁合金的有限元模型,从残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度等方面探讨弹丸速度、弹丸直径和弹丸入射角对 AZ91D 镁合金表面残余应力场的影响,并通过喷丸强化 AZ91D 镁合金的实验与有限元模拟结果进行对比。结果增大弹丸速度对残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值提高效果明显,但对残余压应力峰值的深度影响不大;增加弹丸直径,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度均有明显提高;增大入射角,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值有明显提高,但是残余压应力峰值的深度基本不变。有限元模拟结果中,残余压应力层的厚度比实验值小 7% ,残余压应力的峰值比实验值大 5% ,残余压应力峰值的深度比实验值小 11% 。结论残余应力的实验结果与有限元模拟结果具有较好的一致性,模型合理。

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冷颜料在红外隐身涂料中的应用

叶圣天, 成声月, 刘朝辉, 王飞, 贾艺凡

表面技术. 2016, 45(2): 139-143,180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.022

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目的通过冷颜料降低目标的表面温度,起到红外隐身的作用。方法采用 XRD 衍射仪和紫外/ 可见光/ 近红外分光光度计等,分析颜料的相结构及近红外光谱特性。采用红外辐射率测量仪、紫外 /可见光 / 近红外分光光度计和红外灯模拟太阳光照射,分析涂层的红外发射率及反射隔热性能。结果与炭黑颜料相比,铁铬黑颜料的近红外平均反射率为 57% ,且反射光谱与叶绿素基本一致;当填料质量分数为 10% 时,铁铬黑涂层的近红外反射率最大,平均反射率为 39. 2% ,红外发射率为 0. 91;20% (质量分数)炭黑涂层和 10% (质量分数)铁铬黑涂层相比,铁铬黑涂层的反射隔热效果明显,其平衡温度较普通炭黑涂层低 8. 8 ℃ 。结论红外隐身材料应考虑颜料对涂层红外发射率的影响,在满足涂层颜色的条件下尽量控制颜料的添加量,实际应用中以颜料添加 10% (质量分数)为宜,在满足涂层反射隔热要求的同时,保证了涂层的红外发射率。

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SiO2 气凝胶保温隔热材料在建筑节能技术中的应用

王飞, 刘朝辉, 叶圣天, 贾艺凡, 丁逸栋, 班国东, 林锐

表面技术. 2016, 45(2): 144-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.023

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SiO2 气凝胶是一种三维空间网络结构固体材料,具有低密度、低热导率、高光透过率、高孔隙率以及高比表面积等特性,同时还兼有防火、防水等优良性能,是一种不可多得的轻质、环保、多功能材料,在建筑保温隔热领域有着广阔的应用前景。以建筑节能为目标,简要叙述了对 SiO2 气凝胶的研究,从制备原材料种类的多样化,以及原材料和干燥成本降低等方面论述了其大规模生产应用的可能性,重点阐述了 SiO2 气凝胶玻璃、SiO2 气凝胶隔热涂料、SiO2 气凝胶纤维复合材料以及 SiO2 气凝胶混凝土和砂浆等在建筑保温隔热方面的应用研究进展;然后,从其所具备的优良特性出发,提出了一种由 SiO2 气凝胶材料在建筑节能技术中的应用设想,主要从 SiO2 气凝胶材料在保温隔热、防水、防火以及简化施工工艺等方面的优势,构建了全部由 SiO2 气凝胶材料替代当前保温隔热材料在建筑节能中的应用体系,最后对SiO2 气凝胶材料在建筑保温隔热中的应用前景做了展望。

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超声掺 Bi 二氧化铅电极电氧化降解 2-氯苯酚研究

李晓乐, 马科友, 苏小莉, 张晓杰, 张琳

表面技术. 2016, 45(2): 151-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.024

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目的提高 PbO2 / Ti 的使用寿命、对目标反应物的电氧化催化活性及选择性。方法以覆有SnO2+Sb2O3 的 Ti 网为阳极,分别在 Pb(NO3 )2、NaF 混合溶液及 Pb(NO3 )2、NaF、Bi(NO3 )3 组成的掺 Bi混合溶液中,在电沉积液 pH=2、60 ℃ 、电沉积电流密度为 0. 04 A/ cm2 的条件下,进行常规电沉积及超声电沉积 1 h,制备出 PbO2 / SnO2 +Sb2O3 / Ti,Bi-PbO2 / SnO2 +Sb2O3 / Ti,PbO2 (ultrasonic) / SnO2 +Sb2O3 / Ti,Bi-PbO2(ultrasonic) / SnO2+Sb2O3 / Ti 4 类二氧化铅电极。在硫酸溶液中测定其加速寿命,用稳态极化曲线分析电催化性及选择性,以 2-氯苯酚的电氧化降解反应为模型反应,考察电解 2-氯苯酚废水的处理效果,用 X 射线衍射仪和电子扫描电镜表征沉积层晶相和形貌。结果 Bi-PbO2(ultrasonic) / SnO2 +Sb2O3 /Ti 的加速寿命比 PbO2 / SnO2+Sb2O3 / Ti 提高了 54% 。电氧化降解 2-氯苯酚溶液 4 h 后,以掺 Bi 二氧化铅电极为阳极,相比于二氧化铅电极,对 2-氯苯酚的脱除率提高了 19% ,槽压降低了 7% ,稳态极化曲线和电氧化降解 2-氯苯酚溶液试验反映了相同的结论。结论超声波环境和 Bi 掺杂显著提升电极的性能,掺 Bi 的二氧化铅沉积层表现出较高的电催化性和电氧化 2-氯苯酚的选择性,超声电沉积二氧化铅能增大电极比表面积,提高电极的表观催化活性和电极加速寿命。

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应用灰色系统理论预测沥青涂层在土壤模拟液中的寿命

李瑞超, 梁成浩, 姚竟迪, 黄乃宝, 吴建华

表面技术. 2016, 45(2): 156-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.025

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目的基于灰色系统理论预测模型建立涂层腐蚀寿命的预测模型,利用该模型计算不同厚度的无溶剂环氧煤焦沥青涂层在滨海氯盐土模拟液中的涂层寿命。方法采用电化学方法,测定不同厚度无溶剂环氧煤焦沥青涂层涂覆的碳钢在滨海氯盐土模拟液中的交流阻抗值。基于灰色系统理论 GM(1,1)模型将滨海氯盐土模拟液中测试的无溶剂环氧煤焦沥青涂料的低频阻抗模值和浸φ时间关系,建立涂层腐蚀寿命的预测模型。结果三种不同厚度无溶剂环氧煤焦沥涂层试样在侵蚀性溶液中浸泡 240 d 时,低频阻抗模值仍保持在 8. 3×108 Ω·cm2 以上,应用预测公式计算的滨海氯盐土模拟液中三种无溶剂环氧煤焦沥涂层低频阻抗模值的实测值与预测值的相对误差小于 6. 0% ,C<0. 35,P =1,该模型的预测精度好。涂层厚度为 200 μm 的无溶剂环氧煤焦沥青层预测寿命 t = 781 d,涂层从浸泡初期阶段进入中期阶段。随着涂层厚度的增加,涂层寿命愈长,当涂层厚度为 600 μm 时,其预测寿命达到 2926 d。结论所建涂层腐蚀寿命的预测模型表现出较好的拟合精度和预测可靠度。

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盐酸介质中 N,N‘-二(二苯基膦基)-1-苯乙胺对碳钢的缓蚀性能研究

魏健, 谢斌, 赖川, 李玉龙, 邹立科, 樊义康

表面技术. 2016, 45(2): 162-168. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.026

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目的对 N,N‘-二(二苯基膦基)-1-苯乙胺(NPM)的合成、结构表征及其在盐酸介质中对碳钢的缓蚀性能进行研究。方法用红外光谱、元素分析和熔点测试等方法对 NPM 的结构进行表征,采用静态失重法、动电位极化曲线法和电化学阻抗法研究 NPM 在盐酸介质中对碳钢的缓蚀作用,研究腐蚀体系温度、HCl 浓度、NPM 浓度和腐蚀体系静置时间对 NPM 缓蚀率的影响,探讨 NPM 在碳钢表面上的吸附机理。结果动电位极化曲线法研究结果表明 NPM 是一种混合型缓蚀剂。 NPM 的缓蚀率随 NPM 浓度的增加而增大,当 NPM 的质量浓度为 140 mg/ L 时,NPM 在 25 ℃ 的 1. 0 mol/ L HCl 溶液中的缓蚀率达到94. 71% ;NPM 的缓蚀率随腐蚀体系温度的升高而降低,随 HCl 浓度的增大而减小,但随腐蚀体系静置时间的延长缓蚀率逐渐增大。 NPM 在碳钢表面的吸附符合 Langmuir 吸附等温方程式,属于自发进行的物理和化学吸附。结论所合成的化合物 NPM 是一种高效的混合型有机缓蚀剂。

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陕北气田气井腐蚀速率影响因素及规律

薛丹, 胡敏

表面技术. 2016, 45(2): 169-174. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.027

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目的选择恰当、高效防腐对策以提高气田开发经济效℃,保证气井安全生产。方法对陕北某气田的水质进行全面分析,并以通入饱和 CO2 的气田气井产出水作为腐蚀介质,通过静态失重法探讨温度、矿化度、体系酸碱度、水介质中 CO2 含量、H2S 含量、溶解氧含量、HCO3含量、Cl-含量对设备管道腐蚀性的影响及其腐蚀规律。结果陕北某气田的气井产出水矿化度约为 50 000 mg/ L,且 Cl-、HCO3 -含量偏高,水样呈弱酸性,pH 值约 6. 5;腐蚀速率随水介质中 CO2 含量、H2S 含量、溶解氧含量、HCO3 -含量、Cl-含量增加均呈增加趋势,在50 ℃时最大达到0. 352 mm/ a,pH 值为7 时最小为0. 250 mm/ a。结论陕北某气田设备管道的腐蚀主要表现为 O2 腐蚀和 CO2 腐蚀。

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多因素综合海洋气候模拟加速试验技术在紧固件表面处理工艺筛选中的应用

王俊芳, 李希, 殷宗莲, 杨晓然

表面技术. 2016, 45(2): 175-180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.028

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目的进行表面处理工艺筛选。方法采用海洋气候多因素综合模拟加速试验技术,对镀锌三价铬钝化、镀锌六价铬钝化、镀锌镍合金、无铬锌铝涂层、拉孚铼工艺和石墨烯涂层 6 种汽车紧固件表面处理工艺进行试验。测定保护层初期腐蚀、保护层腐蚀 10% (面积)和基体金属腐蚀 10% (面积)的时间,根据检测数据评价上述工艺的保护性能并进行优劣排序。与万宁站户外暴露试验结果对比分析,验证筛选结果的正确性,同时评价海洋气候多因素综合模拟加速试验技术的加速性和相关性。结果 6 种表面处理工艺出现保护层初期腐蚀的时间分别为 24、48、48、48、144、72 h;保护层腐蚀 10% (面积)的时间分别为 48、72、72、72、216、144 h;基体金属腐蚀的时间分别为 216、168、432、432、432、216 h。腐蚀外观形貌变化过程与户外暴露试验相似,平均加速倍率为 21。结论上述工艺保护性能优劣排序为拉孚铼工艺、无铬锌铝涂层、锌镍合金镀层、石墨烯、镀锌三价铬钝化和镀锌六价铬钝化。海洋气候多因素综合模拟加速试验技术与户外暴露试验结果相比具有高加速性和良好相关性,筛选结果正确。

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300M 超高强钢车削加工表面质量

张慧萍, 张校雷, 张洪霞, 任毅, 刘国梁

表面技术. 2016, 45(2): 181-187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.029

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目的研究切削参数对 300M 超高强度钢加工表面质量的影响。方法选用硬质合金刀具车削加工 300M 超高强度钢,研究切削参数对表面加工硬化、残余应力及表面粗糙度的影响。通过 HXD-1000显微硬度检测仪、X-350A 型 X 射线应力测试系统、TR240 表面粗糙度测量仪对实验过程进行检测分析。通过单因素试验研究影响表面粗糙度的主次因素,并通过正交试验,以进给量 f、切削速度 v、刀尖圆弧半径 rε、背吃刀量 ap 为变量建立表面粗糙度的预测模型。结果背吃刀量 ap =0. 2 mm,切削速度 v 为 60 ~120 m/ min,进给量 f 为 0. 1 ~0. 25 mm/ r 时,300M 钢经切削加工后,维氏硬度在 467 ~ 550HV 范围内变化。切削速度从 60 m/ min 增大至 200 m/ min 时,表面残余应力从压应力-59. 13 MPa 变为拉应力 257. 33MPa,次表层残余应力的最大残余压应力从-147. 46 MPa 增大到-422. 65 MPa,并且层深至 50 μm 左右处,工件材料的加工变质层结束。结论表面硬度随ε进给量和切削速度的增大而减小,并且越往里层,硬度越低,直至达到基体的硬度。影响表面粗糙度的最主要因素为进给量,其次是刀尖圆弧半径,再次为切削速度,背吃刀量对表面粗糙度的影响最小。建立的表面粗糙度预测模型通过了试验验证,具有很高的加工精度。

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圆柱表面声波辅助剪切增稠抛光优化实验研究

戴伟涛, 吕冰海, 翁海舟, 邵琦

表面技术. 2016, 45(2): 188-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.030

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目的获得声波辅助剪切增稠抛光方法抛光轴承钢圆柱表面的最佳工艺参数。方法应用田口法,对声波辅助剪切增稠抛光过程中影响工件材料去除率,以及表面粗糙度的声波频率、声波功率、声波波形等参数进行实验与优化分析,以材料去除率、表面粗糙度为评价条件,得到最优抛光参数,并在最优参数条件下做多组重复性实验以验证结果的可靠性。利用金相显微镜、光学轮廓仪等测试手段对加工后的工件进行表面形貌检测。结果以材料去除率为评价指标,声波频率影响最为显著,声波功率影响次之,声波波形影响最小;以表面粗糙度为评价指标时,声波波形影响最为显著,声波频率影响次之,声波功率影响最小。结论在声波频率为 20 Hz、声波功率为 25 W、正弦波形条件下,工件材料去除率最高,材料去除率达到了 11. 32 μm/ h;在声波频率为 60 Hz、声波功率 25 W、正弦波形条件下,工件表面质量最佳,抛光 1 h 后工件平均表面粗糙度 Ra 由 100 nm 下降至 7 nm 以内,最低达到了 4. 48 nm。

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基于遗传算法的板坯连铸凝固模型表面喷雾冷却优化研究

王海霞, 王军

表面技术. 2016, 45(2): 194-198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.02.031

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目的对连续铸造过程中凝固模型表面喷雾冷却进行优化,实现表面温度的最优冷却。方法分析板坯的连铸工艺过程,推导板坯连铸的凝固模型,获得热传递方程式,对冷却过程的边界条件进行约束。对凝固模型进行仿真验证,与基准温度变化曲线进行比较。结合具体实例确定冷却过程中需要优化的目标对象,采取遗传算法搜索最优解,对相关参数进行仿真。结果和优化前相比,优化后板坯凝固过程中单位时间内温度变化波动较小,水流量密度最大值约为 35 L/ (m2 ·s)。结论优化后的板坯连铸过程中单位时间内喷雾冷却温度变化均匀,喷水量较少,能避免板坯连铸凝固模型表面裂纹的产生,提高产品的质量,效果较好。

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2016年, 第45卷, 第2期　
刊出日期：2016-02-20

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