2018年, 第47卷, 第11期　
刊出日期：2018-11-20

  

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表面强化及功能化
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  弧光离子源耦合轴向磁场等离子体渗氮处理奥氏体不锈钢

  刘兴龙, 赵彦辉, 蔺增, 史文博, 巴德纯, 于宝海, V. E. Ovcharenko

  表面技术. 2018, 47(11): 1-8. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.001

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  目的 提高奥氏体不锈钢的硬度、抗磨损性能。方法 利用弧光离子源耦合轴向磁场，对奥氏体不锈钢表面进行等离子体渗氮处理。通过场发射扫描电子显微镜对渗氮层表面形貌及厚度进行分析。利用球盘式摩擦磨损试验机、维氏显微硬度测试仪对渗氮试样的耐磨损性能及硬度进行分析。使用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪对渗氮层表面的相结构及成分进行分析。结果 当磁场强度低于80 Gs时，渗氮层主要以扩张奥氏体相（γN相）为主。随着磁场强度的增加，渗氮层中逐渐析出铁氮化物及氮化铬相，渗氮层厚度出现增加—减小—增加的变化趋势；渗氮层表面显微硬度先增加，当磁场强度为80 Gs时达到最大值1100 HV0.05，而后略有降低。与未渗氮样品相比，渗氮样品的磨损率明显降低，磁场强度为80 Gs的样品磨损率达到最低值。结论 弧光离子源耦合到轴向磁场后，不仅大大提高了渗氮效率，对渗氮样品的表面显微硬度及耐磨性也都有明显提高。
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  低碳钢气体氮碳共渗及后续淬火研究

  李楠, 洪悦, 伍翠兰, 徐强

  表面技术. 2018, 47(11): 9-16. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.002

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  目的 减少传统氮碳共渗及后续淬火形成的马氏体层中大量孔洞及其性能差的缺陷，寻求优化的工艺参数，在低碳钢表面获得少孔、高强、高韧的强化层。方法 采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜及显微硬度计对不同工艺参数条件下制备的强化层的微观组织结构和性能进行表征。结果 氮碳共渗化合物层经850 ℃加热油淬后转变成多孔马氏体，降低淬火温度、缩短共渗时间、减少共渗气氛中的NH3流量、增加CO流量均可减少淬火试样表面孔洞的数量。经680 ℃加热淬火后，氮碳共渗化合物层转变成马氏体加残余奥氏体的复相强化层，这种复相强化层的硬度可达到1000HV，且具有很好的韧性。经过120 ℃低温回火后，复相强化层仍保持高硬度和良好韧性。相对于增加CO流量而言，降低NH3流量不仅能减少表面的孔洞，也可保持680 ℃淬火强化层的高硬度和良好韧性，同时也可缩短氮碳共渗时间，节约成本。结论 优化的氮碳共渗淬火工艺能获得由马氏体和奥氏体组成的复相强化层，并显著减少表面孔洞。强化层中广泛分布的奥氏体能显著改善复相强化层的韧性。因此，复相强化层具有高强高韧且少孔的优点。
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  微观结构与降解温度对掺硼金刚石薄膜电极电氧化降解活性橙X-GN染料废水的影响

  胡靖源, 马莉, 朱成武, 梅瑞琼, 李伟, 周科朝, 余志明, 魏秋平

  表面技术. 2018, 47(11): 17-25. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.003

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  目的 探究电极微观结构与降解温度对掺硼金刚石（BDD）薄膜电极电化学降解活性橙X-GN染料废水的影响。方法 通过HFCVD技术，在铌基体上分别沉积6、12、18 h的BDD薄膜，得到6-BDD/Nb、12-BDD/Nb、18-BDD/Nb电极，将三种电极作为阳极，调控降解温度，分别对活性橙X-GN染料废水进行模拟电化学氧化降解实验。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、电化学工作站分析电极性能，用紫外可见光分光光度计测量废水的吸光度。结果 随着沉积时间的延长，BDD薄膜电极表面微观结构改变，晶粒尺寸、表面粗糙度、掺硼量增加，sp3/sp2相比例升高。12-BDD/Nb、18-BDD/Nb电极的有效电极催化活性面积分别是6-BDD/Nb电极的2.6和2.8倍；常温下的降解效率分别提高1.3和1.5倍；能耗分别降低了10.8和22.6 kWh/m3。温度升高，电极的降解速率加快，能耗降低且逐渐趋于一致，最终都低至5.5 kWh/m3。结论 沉积时间增加，可以改变BDD电极微观结构，提高其电化学和氧化降解性能，降解温度升高有利于提升电极的降解速率，并降低能耗。然而升高温度可以有效提升低效电极的降解效率，却对高效电极作用甚微。
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  碳纳米管和镍共修饰BDD电极及其在非酶葡萄糖电化学传感器中的应用

  赵婷, 郑匡治, 郑棋文, 魏秋平, 马莉, 余志明, 周科朝

  表面技术. 2018, 47(11): 26-33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.004

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  目的 制备碳纳米管-镍/掺硼金刚石复合电极（CNTs-Ni/BDD），并用于非酶葡萄糖电化学检测。方法 采用热丝化学气相沉积（HFCVD）在硅基体上沉积BDD，然后采用物理气相沉积（PVD）技术在BDD上沉积Ni薄膜，最后在管式炉中对Ni/BDD样品进行900 ℃热催化处理，调控热处理时间分别为30、90 min，得到不同微观结构的CNTs-Ni/BDD复合电极。采用扫描电子显微镜（SEM）、Raman光谱和电化学工作站分别表征电极的表面形貌、成分和电化学性能。结果 在Ni的高温催化作用下，BDD作为基体和唯一碳源，在其表面直接生长出CNTs，实现Ni纳米颗粒和CNTs共修饰BDD。热处理时间由30 min增加到90 min，CNTs长度明显增加，对BDD的覆盖程度增加，且顶端的Ni颗粒消失。CNTs和Ni的共修饰作用极大地提升了葡萄糖的电化学检测性能，且30 min-CNTs-Ni/BDD复合电极性能更优异，其灵敏度在葡萄糖浓度0.005~0.02 mmol/L、0.02~1 mmol/L、1.0~5.5 mmol/L线性范围内分别为475、42、19 μA/((mmol/L)?cm2)，检测限为0.42 μmol/L（S/N=3）。结论 热催化处理可以简单高效地实现CNTs、Ni共修饰BDD，该复合电极能够有效地提升葡萄糖电化学检测性能。
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  超疏水表面微结构的设计及其注射成型

  赖俊, 翁灿, 王飞, 杨冬娇

  表面技术. 2018, 47(11): 34-40. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.005

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  目的 从超疏水表面的功能设计出发，主动设计三种深宽比的微结构阵列并洞察其在不同润湿接触状态下的疏水性能。方法 首先，采用热力学分析方法，建立三种深宽比微结构的系统自由能与其接触角、结构几何参数之间的函数关系，探明自主设计微结构表面的润湿性能。继而，在热力学分析的基础上，采用紫外光刻、电铸和注射成型技术相结合的方法实现三种深宽比微结构聚丙烯（PP）超疏水表面的制备。最后，进一步测量与分析聚丙烯（PP）微结构表面的润湿性能。结果 三种深宽比微结构表面的静态接触角测量值均大于150?，滚动角分别为12?、14?和15?，基本达到设计目标；同时，微结构表面的表观接触角测量值与理论计算值基本符合。表面的接触角滞后分别为15?、21?、22?，且接触角滞后随着深宽比的增加而变大，使液滴在PP表面的流动性也变差。结论 在设计微结构超疏水表面的过程中，可以适当降低微结构的深宽比，以获取更好的超疏水特性。自主设计的微结构表面基本实现超疏水性，为高聚物超疏水表面的功能设计与高效制备提供了理论依据与技术支撑。
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  铝合金喷丸应力-变形的仿真分析与实验

  陈家伟, 廖凯, 车兴飞, 钟利萍, 龚海

  表面技术. 2018, 47(11): 41-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.006

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  目的 揭示喷丸处理对7075-T651铝合金材料表面应力场和形貌改变的作用机制。方法 首先利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件分别建立单颗弹丸和多颗弹丸撞击铝合金靶材的有限元模型，并在符合实验外场边界条件的前提下，获得材料表面200 μm深度的内应力分布和不同撞击次数后的表面变形情况。然后通过实验所测结果修正模型丸粒撞击参数，包括网格划分密度、丸粒撞击次数、接触速度等，并结合仿真计算结果阐述喷丸表面应力分布和变形强化层的形成机理。结果 计算与实验结果对比表明，喷丸仿真模型的计算结果与实验吻合较好。一方面，表面逐层应力分布规律与喷丸实际接近，表面应力最大偏差小于25 MPa，这说明模型中设置的喷丸强度正确。另一方面，6次弹丸撞击造成的强化层变形率小于6%，并逐步趋于稳定，这与实验中采用多次喷丸表面覆盖导致的材料硬化现象一致，从而间接说明靶材模型单元与参数设置的准确性。结论 分析认为，喷丸建模方法能够快速准确地计算出材料表面应力-变形状况，为揭示喷丸工艺对材料表面的强化规律发挥积极作用。
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  H13热冲压模具无化合物层抗冲击抗热疲劳离子渗氮技术研究与应用

  唐磊, 陈尧, 彭甜甜, 李冬, 顾晓明, 胡静

  表面技术. 2018, 47(11): 48-53. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.007

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  目的 以H13热冲压模具钢为研究材料，探索不形成化合物层的低温创新离子渗氮工艺，旨在提高H13钢热冲压模具的抗冲击性和抗疲劳性，延长服役寿命。方法 将H13钢试样放在LD-8CL型直流离子渗氮炉内进行离子渗氮处理，渗氮温度分别为470、490、510 ℃，保温时间为8 h。利用光学显微镜、X射线衍射仪、压痕检测法及自行设计的热疲劳实验，对渗氮后的H13钢显微组织、物相组成、渗层脆性和热疲劳性进行了测试与分析。结果 与普通离子渗氮相比，H13钢经470 ℃低温离子渗氮处理后，表层无化合物层生成；渗层脆性显著降低，在较大检测载荷下压痕周围无裂纹产生；同时，抗热疲劳性提高3倍以上。将470 ℃低温无化合物层创新离子渗氮技术应用到汽车板件热冲压模具中，使模具冲压能力由之前18 000~20 000件提升到80 000~100 000件，即服役寿命提高到5倍左右。结论 H13钢经470 ℃低温离子渗氮处理后，表面无化合物层产生，具有良好的韧性，与常规离子渗氮相比，该技术能够显著提高表面抗热疲劳性以及模具的服役寿命。
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  爆炸加载下AISI304不锈钢板表面硬化和数值模拟

  王呼和, 史志铭, 佟铮

  表面技术. 2018, 47(11): 54-59. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.008

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  目的 提高AISI304不锈钢板表面硬度。方法 利用爆炸加载表面硬化方法对3 mm厚的AISI304不锈钢板进行了表面硬化处理，通过HXD-1000YM型显微硬度计和JEM-2010型透射电子显微镜对爆炸加载处理后试样的不同部位横截面进行了硬度测量和微观组织表征。采用大型有限元数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA对爆炸加载表面硬化过程进行了数值模拟，计算了撞击面平均压力和速度。通过对比数值模拟结果与理论计算结果，分析了特征点碰撞压力和速度对爆炸加载处理后表面硬度的影响。结果 数值模拟结果表明，撞击面压力平均值为5.5 GPa，撞击面平均速度达到了178 m/s，撞击面压力和速度的理论计算值与数值模拟值误差不超过5%。试验结果与数值模拟结果具有一致性。爆炸加载后，试样近起爆端和爆轰末端的撞击压力和撞击速度小于稳定爆轰阶段，导致前者表面硬度小于后者。横截面硬度分布表明撞击表面硬度大于炸药接触面硬度，撞击表面硬度值从210HV提高至450HV，炸药接触面硬度值从210HV提高至390HV。结论 爆炸表面硬化过程中存在边界效应。爆炸表面硬化方法能够显著提高板材表面硬度，同时可以提高板材整体硬度，且硬度提高与变形带和位错阵列形成有关。
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  TiO2/CNTs复合粒子的制备及其对高氯酸铵热分解性能的影响

  孟胜皓, 杜仕国, 鲁彦玲, 王建华

  表面技术. 2018, 47(11): 60-65. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.009

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  目的 制备一种TiO2/CNTs复合粒子，并研究它对高氯酸铵热分解的催化作用。方法 以钛酸丁酯为钛源、乙酰丙酮为稳定剂，在常温下制备了钛溶胶，之后又以浓酸处理后的碳纳米管为载体，在常压和80 ℃下，用溶胶回流法制备了TiO2/CNTs纳米复合粒子。采用X射线衍射仪测定了复合粒子的晶体组成，采用透射电镜观察了复合粒子的表面形貌，采用红外光谱和X射线光电子能谱对复合粒子的表面官能团和元素组成进行了表征，并利用热分析仪考察了其对高氯酸铵热分解的催化作用。结果 经浓酸处理后，碳纳米管表面增加了羟基、羧基等活性官能团，生成的TiO2呈颗粒状包覆在碳纳米管表面，厚度约为2~4 nm，复合粒子中TiO2晶型为锐钛矿和金红石的混晶。TiO2/CNTs复合粒子对高氯酸铵的热分解具有显著的催化作用，使高氯酸铵的高温分解峰温度降低了52.5 ℃，并由吸热状态转变为放热状态，低温分解峰几乎消失。结论 制备的TiO2/CNTs复合粒子能促进高氯酸铵的热分解，且其催化效果明显优于纳米TiO2、CNTs以及二者的简单混合物。
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  含氟低表面能修饰的超双疏涂层制备及其性能

  王静, 孔庆刚, 张龙, 钱海燕

  表面技术. 2018, 47(11): 66-72. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.010

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  目的 制备具有良好机械稳定性和化学稳定性的超双疏涂层材料。方法 采用三种尺寸的微纳米二氧化硅和环氧树脂制成微纳米凹凸结构，在此基础上修饰低表面能的氟碳单分子层，制备超疏水超疏油涂层。分别利用扫描电子显微镜、原子力显微镜和X射线光电子能谱，对涂层表面的形貌和成分进行分析。通过接触角测量仪测试涂层表面的接触角和滚动角。经过砂纸摩擦、耐化学腐蚀和耐溶剂性能测试，分别评价超双疏涂层材料的耐磨损性和化学稳定性。结果 涂层对水、乙二醇和花生油等表面张力在34~72 mN/m范围内的液体具有超疏特性。砂纸上机械摩擦5次循环后，对花生油的接触角保持在155?以上，滚动角保持在5?以下；摩擦10次循环后，对水和乙二醇的接触角均保持在154°以上，滚动角保持在2.5?以下。涂层经pH=14的碱溶液和正庚烷浸泡，168 h后，对水和乙二醇仍保持超疏性能；96 h后，与花生油接触角在153?以上，滚动角在10?~20?之间。结论 该涂层具有良好的超疏水超疏油性能及良好的耐磨损性和化学稳定性，在工业领域具有较大的潜在应用价值。
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  SiO2空心球闭孔减反膜的制备及性能研究

  段婷婷, 牛玉超, 高英, 杜勇, 姜言森, 任现坤

  表面技术. 2018, 47(11): 73-79. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.011

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  目的 在获得光伏/光热用SiO2减反膜高透过率的同时，提高其抗划伤性能和耐候性。方法 以聚丙烯酸（PAA, Mw~3000）为模板制备具有核壳结构的SiO2，离心水洗去除PAA模板，形成SiO2空心球，接着将空心球分散于无水乙醇中形成溶胶，然后将该溶胶与酸催化溶胶混合，形成复合溶胶，最后经浸渍提拉成膜、烧结后，在载玻片上制得SiO2空心球闭孔减反膜。用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）分别表征了空心球的微观结构和减反膜的表面形貌，利用紫外-可见分光光度计测试了减反膜的透过率，采用铅笔硬度测试和耐湿热测试（HAST）试验，分别检测了减反膜的抗划伤性能和耐候性。结果 TEM测试结果显示，制备的SiO2空心球结构完整，壁厚均匀。SEM图显示减反膜表面平坦。当SiO2空心球溶胶与酸催化溶胶的用量比例为9∶1时，减反膜透过率的峰值为98.1%，抗划伤硬度为5 H，经HAST试验后，其透过率为初始值的98.1%。结论 用离心水洗法去除PAA模板制备的空心球比烧结去除模板法的空心占比高，与酸催化溶胶混合后制得的SiO2空心球减反膜空隙率高、折射率低，从而其透过率得到提高。同时，减反膜闭孔结构使其表面致密平整，比开孔结构减反膜具有更高的抗划伤性能和耐候性，在户外太阳能光伏/光热玻璃表面减反方面具有重要的应用价值。
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  激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

  曹子文, 张杰, 车志刚, 邹世坤

  表面技术. 2018, 47(11): 80-84. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.012

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  目的 分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法 采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化，利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布，并分别在25、400 ℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果 激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600 ~ -800 MPa，残余压应力幅值沿深度不断递减，压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大，其分布特征主要受控于喷丸工艺，而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小，其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论 激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响，对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性，在400 ℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。
表面摩擦磨损与润滑
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  激光离散淬火对球墨铸铁磨损与损伤性能的影响

  苏超然, 吕长乐, 师陆冰, 张勇强, 王文健, 刘启跃

  表面技术. 2018, 47(11): 85-90. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.013

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  目的 利用不同激光表面离散淬火方式，改善球墨铸铁材料摩擦磨损性能。方法 采用Nd:YAG激光器对球墨铸铁圆盘试样表面分别进行激光环形淬火、条形淬火、点状淬火以及全淬处理，分析处理后球墨铸铁材料的显微组织结构、表面硬度分布状况，利用销-盘式摩擦磨损试验机研究不同激光淬火方式下球墨铸铁磨损与损伤的情况。结果 激光离散淬火球墨铸铁后，其表面生成马氏体白层，表面硬度提高约62.7%~93.8%，不同的处理方式硬化层深度相近，约55 μm。球墨铸铁试样经过激光离散淬火处理后，磨损量降低99%以上。未处理试样表面出现破坏性材料去除，损伤严重；激光离散淬火试样表面损伤轻微，以小块剥落与疲劳损伤为主。处理后的球墨铸铁材料抵抗裂纹萌生的能力增强，剖面裂纹的长度明显减小。结论 球墨铸铁材料经过不同方式的激光表面离散淬火处理后，表面硬度都得到显著增强，耐磨性能和抗损伤能力明显改善。不同的淬火方式改善效果不同，激光点状淬火效果最好，磨损量小，且剖面裂纹较小，不易向材料内部扩展。
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  阶梯槽织构对水润滑止推轴承静态特性的影响

  冯慧慧, 蒋书运, 姬翠翠

  表面技术. 2018, 47(11): 91-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.014

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  目的 研究非对称性阶梯槽织构对水润滑止推轴承静态特性的影响。方法 首先建立考虑表面织构、紊流以及JFO空化模型的Reynolds方程，再采用有限差分法求解方程，得到织构化轴承的压力分布以及剪应力；然后对压力以及剪应力沿轴承表面积分，求得轴承的承载力及摩擦力；最后研究不同转速以及结构参数下阶梯槽织构对水润滑止推轴承承载力及摩擦力的影响规律。结果 若阶梯槽织构为前槽深、后槽浅，且当前、后槽槽宽相等时，承载力存在最大值；对于前槽浅、后槽深的织构，当前、后槽槽宽相等时，承载力最小。当前槽槽深小于水膜间隙，后槽槽深约为0.67倍的前槽槽深时，轴承承载力最大；当前槽槽深大于水膜间隙，后槽槽深约为0.33倍的前槽槽深时，轴承承载力最大。当前槽槽深不大于水膜间隙（15 μm）时，存在使摩擦力最小的最佳槽深比；当前槽槽深大于15 μm时，随着前后槽深比从0.33增大至1.68，轴承摩擦力逐渐减小。结论 阶梯槽织构起到了减小水润滑止推轴承摩擦力的效果。将阶梯槽设计为沿水流方向前槽深、后槽浅，且前、后槽槽宽相等，可以得到较大的承载力。合适的阶梯槽表面织构参数能够实现大承载、低摩擦。
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  医用NiTi合金在Hank’s模拟体液中的微磨损行为

  薛燕, 王振国

  表面技术. 2018, 47(11): 97-101. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.015

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  目的 研究医用NiTi合金在Hank’s模拟人体生理溶液中的微磨损行为。方法 采用TE66微磨粒磨损试验机对医用NiTi合金进行微磨损测试，计算合金磨损率，采用SEM观察合金磨损后的表面形貌来分析磨损机制。在测试过程中考虑加载载荷、磨损颗粒浓度、磨损颗粒类型及尺寸对合金微磨损行为的影响。结果 NiTi合金的磨损率随载荷的增加而降低。当载荷小于1.0 N时，合金的磨损率受磨损颗粒浓度的影响不大；当载荷大于1.0 N时，合金的磨损率随磨损颗粒浓度的增加而增加。在同一尺寸下，由于SiC颗粒具有较高的硬度和较大的切削力，所导致的NiTi合金的磨损率比Al2O3颗粒造成的磨损率要大。当磨损颗粒为SiC时，NiTi合金的磨损率随磨损颗粒尺寸的变化无明显规律性。在所涉实验条件下，当磨损颗粒为SiC F1200，摩擦配偶为ZrO2，加载载荷为2.0 N，磨损颗粒质量浓度为0.05 g/cm3时，所获得NiTi合金的磨损率最低，为2.3×10?5 mm3/(N?m)。结论 在同一磨损颗粒浓度下，合金的磨损率随加载载荷的增加而降低。在较低载荷时，磨损颗粒的浓度对合金的磨损率影响不大；在较高载荷下，随磨损颗粒浓度的增加，合金的磨损率增加。磨损机制以磨粒磨损为主。
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  超疏水结构对AZ91D镁合金微摩擦磨损性能的影响

  张倩倩, 漆雪莲, 张会臣

  表面技术. 2018, 47(11): 102-108. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.016

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  目的 研究微/纳米复合超疏水结构的摩擦磨损机制，提高镁合金微摩擦磨损性能。方法 首先采用激光刻蚀获得微米结构，然后表面涂覆SiO2纳米颗粒，获得微/纳米复合结构，最后涂覆低表面能物质获得超疏水表面。用接触角测量仪测量超疏水表面的静态接触角，使用微摩擦磨损实验机分析超疏水表面的摩擦磨损性能，使用扫描电子显微镜观察表面磨痕形貌。结果 当载荷为1 N时，超疏水表面的摩擦系数约为0.04，基体表面约为0.06。随着载荷的增加，超疏水表面的摩擦系数逐渐与基体相近，并逐渐超过基体。随着时间的增加，超疏水表面的摩擦系数呈增加趋势，由0.04逐渐增加到0.08，基体试样没有明显的上升趋势。相同条件下，超疏水表面的磨痕宽度大于基体表面，但磨痕宽度的增大趋势小于基体表面。结论 微/纳米复合结构超疏水表面的摩擦磨损过程不同于光滑基体。超疏水表面的磨损首先发生于微/纳米凸起结构，之后发生于被微/纳米凸起填平的微米凹坑区，然后发生于激光加工热影响区表面，最后发生于镁合金基体。在所受载荷低于1~3 N时，超疏水表面微凸起结构能延缓超疏水表面摩擦磨损的发生，改善耐磨性能。
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  刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响

  逄明华, 聂永芳, 申福猴, 马利杰

  表面技术. 2018, 47(11): 109-118. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.017

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  刀具快速磨损限制了金属切削的进一步发展，表面织构技术的提出为改善刀-屑界面摩擦提供了新思路，也是目前降低刀具表面磨损的有效方法之一。从刀-屑界面切削液存储与润滑、微/纳织构、织构方向、织构类型及形状、织构位置等五个方面，概述了现有刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响，总结了刀具表面织构的共性作用机理，并进行了分类归纳。相应分析结果表明，刀具表面织构改变了刀-屑界面内空体集团的数量及微通道分布，增加了界面内切削液的渗入存储，同时捕捉存储了界面内的磨屑颗粒，改善了刀-屑界面润滑摩擦；且在此过程中，润湿性因素对界面内切削液的渗入、存储及润滑油膜的形成等均存在影响。最后对刀具表面织构技术的发展进行了总结与展望，为刀具表面磨损的调控提供了参考。
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  不同表面技术对挺柱组织及耐磨性的影响

  程祥军, 黄国龙, 刘军, 魏涛, 张吉贤

  表面技术. 2018, 47(11): 119-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.018

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  目的 为解决挺住可靠性不足的问题，研究不同表面技术对提高可靠性的效果。方法 采用软氮化、感应淬火和复合技术三种表面处理方法制备挺柱。利用显微硬度计、金相显微镜等对三种挺柱的组织、硬度进行了分析。利用SRV摩擦磨损试验机测试不同挺柱在干摩擦、富油、贫油条件下的摩擦系数，并通过体视显微镜和轮廓仪对磨损后的形貌和深度进行了分析。最后在发动机台架上进行1000 h负载循环耐久试验，验证挺柱可靠性。结果 氮化挺柱表层组织由0.006 mm厚的白亮层和0.2 mm厚的扩散层构成，硬化层薄，硬度过渡不平缓，且白亮层中含有大量疏松缺陷。感应淬火挺柱表层为2 mm厚的普通马氏体，硬化层深且硬度过渡平缓。复合强化挺柱表层由0.04 mm厚的含氮马氏体层和2 mm厚的普通马氏体组成，硬度过渡平缓且硬化层深。氮化与复合强化挺柱干摩擦和富油摩擦系数随磨损时间基本保持不变，干摩擦系数分别为0.56、0.54，富油摩擦系数均为0.174，表明两种挺柱都具有优良的抗粘着磨损与磨粒磨损性能。感应淬火挺柱干摩擦系数随磨损时间急剧增加，最大达0.95，此时因粘着抱死导致试验过早终止，富油摩擦系数稳定在0.164，表明其具有优良的抗磨粒磨损性能，但抗粘着磨损性能极差。此外，复合技术挺柱在台架耐久中的表现远优于氮化挺柱，表面未出现异常磨损及剥落，而氮化件表面剥落严重。结论 复合技术可有效提升挺柱可靠性。
表面失效及防护
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  不同热处理态的304和321奥氏体不锈钢在氯化铵环境中的应力腐蚀行为对比研究

  马宏驰, 吴伟, 周霄骋, 王亮

  表面技术. 2018, 47(11): 126-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.019

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  目的 对比研究原始、固溶和敏化态的304和321奥氏体不锈钢在模拟加氢催化氯化铵环境中的应力腐蚀（SCC）行为及机理。方法 将304和321奥氏体不锈钢经过热处理制备成固溶和敏化态试样，采用U形弯试样在模拟加氢催化氯化铵环境中浸泡的应力腐蚀试验方法对其进行研究，通过观察U形弯弧顶的腐蚀形貌和开裂时间，并结合腐蚀及裂纹的SEM照片和电化学测试结果进行分析。结果 原始和固溶状态304不锈钢U形弯试样在氯化铵溶液环境中开裂时间为25 d左右，断口形貌分别为穿晶断口和沿晶断口；敏化态试样18 d后发生开裂，断口形貌为穿晶和沿晶的混合断口。原始和固溶态321不锈钢U形弯试样在该环境中经过39 d均无应力腐蚀裂纹；敏化试样经30 d后产生宏观开裂。电化学测试结果显示，不同热处理态的304不锈钢在氯化铵溶液中均具有明显的点蚀敏感性，321不锈钢在该环境中耐点蚀和应力腐蚀的能力优于304不锈钢。结论 不同状态的304不锈钢在高温氯化铵环境中具有较强的应力腐蚀倾向，特别是敏化态试样；321不锈钢在该环境中的应力腐蚀敏感性相对较小，但敏化处理显著增加了其沿晶应力腐蚀倾向，而固溶态试样具有明显的沿晶腐蚀特征。
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  南海东部某油田隔水导管腐蚀失效分析

  殷启帅, 杨进, 施山山, 卢岩, 孙挺, 李振坤, 王俊翔, 杨育铭

  表面技术. 2018, 47(11): 134-141. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.020

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  目的 分析南海东部某油田隔水导管腐蚀失效行为，便于确定该海上油田隔水导管腐蚀类型，分析其腐蚀特点，指导其防腐处理，从而改善海上油井生产现状，延长油井生产年限，提高油井产能。方法 基于废弃隔水导管宏观分析的初步判断，对隔水导管的材质、腐蚀形貌、腐蚀程度与产物成分进行分析。 结果 该海上油田隔水导管力学性能、化学成分及金相组织均符合API Spec 5L标准。SEM及体式照片显示，外壁比内壁腐蚀更严重。内壁发生了轻微腐蚀，以均匀腐蚀为主；外壁发生了局部腐蚀，点蚀坑深度在115 μm左右，且出现了微裂纹，裂纹宽度在150 μm左右，表明X56隔水导管具有一定的SCC倾向。EDS分析显示腐蚀产物主要元素为Fe和O，二者质量总和超过75%。XRD分析确定腐蚀产物的主要成分为γ-FeO(OH)。对比防腐涂装和未涂装挂片腐蚀形貌，合金和有机防腐涂层具有良好的防腐蚀效果，可有效地隔绝腐蚀介质与金属本体的接触，阻止腐蚀反应发生。结论 海上油田隔水导管的腐蚀过程以吸氧腐蚀为主。内壁以均匀腐蚀为主，腐蚀较轻微；外壁发生了局部腐蚀，且出现了微裂纹。合金和有机防腐涂层具有良好的防腐蚀效果，可推广至现场，有效延长油井生产年限。
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  交流杂散电流对X70管线钢3PE防腐层下腐蚀及剥离行为的影响

  王新华, 王祖全, 陈迎春, 宋旭婷, 徐成

  表面技术. 2018, 47(11): 142-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.021

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  目的 明确交流杂散电流对埋地管线防腐层剥离和破损处防腐层下腐蚀的影响规律及其导致防腐层剥离的作用机理。方法 通过基于COMSOL Multiphysics有限元仿真、交流阻抗谱分析及三维体式显微镜观测等方法，研究在格尔木土壤模拟溶液中，交流杂散电流干扰下，X70钢表面3PE防腐层剥离处的防腐层下腐蚀及剥离机理。结果 由于防腐层破损点和剥离区域的存在，使得防腐层的防护性能明显降低，交流杂散电流在初始预留剥离处的X70钢表面呈不均匀分布，破损点处所分布电流密度明显高于剥离区边缘处。杂散电流引起的腐蚀反应主要集中在防腐层破损点处，而处于预留剥离区域下方的X70钢表现出缝隙腐蚀的现象。防腐层破损点处的腐蚀坑深度随电流密度的增加而逐渐变深，而当交流电流密度由0 A/m2增加到100 A/m2时，防腐层剥离面积明显增大，此后，当电流密度继续增大，剥离面积基本保持不变。当施加的交流电流密度相同时，随着防腐层剥离面积的减小，杂散电流造成的防腐层剥离面积增大，X70钢试样上的最大腐蚀坑略微加深。结论 造成防腐层剥离的交流杂散电流存在临界电流密度值，使得防腐层剥离面积达到最大且之后保持不变。防腐层初始剥离面积较小时，交流电所造成的X70钢腐蚀及防腐层剥离行为更为严重。
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  考虑塑性的钢轨表面疲劳微裂纹分析

  昝晓东, 王强胜, 生月, 江晓禹

  表面技术. 2018, 47(11): 151-156. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.022

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  目的 研究塑性条件下受重复轮轨荷载的钢轨表面的初始疲劳裂纹行为。方法 建立含表面微裂纹的钢轨二维有限元模型，通过耦合裂纹面对应节点达到无裂纹的效果。经过几次循环加载后取消节点耦合设置，达到出现裂纹的效果。分析随着轮轨循环加载钢轨的响应，计算残余应力强度因子，并利用渐进状态（随着循环次数的增加，裂纹尖端区新产生的塑性越来越小，裂尖小范围内塑性不再增加）下的应力强度因子计算初始疲劳裂纹扩展速率。结果 有限元模拟中，轮轨荷载循环加载在钢轨上表面，使其产生拉伸残余应力，且随着深度增加，拉伸残余应力越来越小。裂纹萌生后，不同角度的裂纹残余（KI）都随循环次数的增加而减小，但残余（KII）都随循环次数的增加而增大。受残余应力的影响，渐进状态下的钢轨表面初始微裂纹应力强度因子随裂纹角度（θ）的增加而增加。结论 钢轨表面的残余应力加快了初始微裂纹的扩展速率，降低了钢轨的使用寿命。
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  GH80A经强流脉冲电子束改性后的高温氧化行为研究

  刘迪, 高潘, 蔡杰, 张凌燕, 吕鹏, 关庆丰

  表面技术. 2018, 47(11): 157-165. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.023

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  目的 提高燃气轮机叶片材料镍基高温合金GH80A的抗高温氧化性能。方法 利用强流脉冲电子束（High-Current Pulsed Electron Beam, HCPEB）技术对GH80A合金进行表面处理。研究HCPEB辐照前后GH80A的微观结构变化及在850 ℃恒温氧化后的氧化动力学行为及氧化机制。利用光学显微镜、X射线衍射仪和扫描电子显微镜对HCPEB诱发的微观结构和氧化产物进行了表征。结果 HCPEB辐照后，GH80A合金表面发生熔化，形成厚约3 μm的重熔层，重熔层内形成大量的位错滑移，且晶粒明显得到细化。850 ℃高温氧化实验结果表明，氧化100 h后，原始样品氧化增重最大，生成的氧化膜较厚，且存在大量裂纹，所生成的Cr2O3发生了挥发，导致氧化膜疏松多孔，基体发生了严重的内氧化。HCPEB辐照20次后，样品氧化增重最小，100 h氧化后形成的氧化膜主要由外层TiO2和内层Cr2O3构成。外层连续致密的TiO2抑制了保护性氧化膜Cr2O3的挥发，因此生成的Cr2O3氧化膜连续、致密、无剥落，对基体起保护作用。结论 HCPEB辐照后，GH80A合金的抗高温氧化性能明显提升，20次辐照样品的抗高温氧化性能最佳。
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  含硫代硫酸根铝酸钠溶液中时间对Q345钢腐蚀的影响

  付慧, 陈朝轶, 李军旗, 兰苑培, 张湘黔, 苑京久

  表面技术. 2018, 47(11): 166-172. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.024

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  目的 在含4 g/L S2O32?的铝酸钠溶液中，研究腐蚀时间对Q345钢腐蚀行为的影响，探索腐蚀规律，明确腐蚀机理。方法 采用盐雾腐蚀和电化学腐蚀实验，通过腐蚀失重法、极化曲线、阻抗谱、SEM、EDS等手段，研究Q345钢的腐蚀行为。结果 当腐蚀时间从3 d延长至7 d时，腐蚀失重从2.4505 g/m2增大至2.6420 g/m2，点蚀深度从3.3 μm升高至4.6 μm，超过7 d以后，趋于稳定。腐蚀速率方程为V =2.426t?0.975，1~3 d范围内，腐蚀速率急剧下降。初期腐蚀电流密度较大，由3 d增至5 d时，腐蚀电流密度由6.538 μA/cm2迅速降低至0.785 μA/cm2，之后逐渐降低至0.308 μA/cm2（9 d），容抗半径和电荷转移电阻Rct均随腐蚀时间的增加而增加。腐蚀时间延长，产物中O、Al、S等元素的含量增加，Fe元素含量降低。结论 腐蚀初期，OH?优先吸附，生成较致密的Fe3O4与FeOOH；腐蚀中期，S2O32?与基体反应形成粘附力弱的FeS，使得Fe3O4结构不稳定而脱落，产物结构疏松；腐蚀后期，Al(OH)3转变为Al2O3，AlO2?与Fe3O4形成尖晶石FeAl2O4，结构较为致密，覆盖基体表面，阻碍了腐蚀介质与基体的接触，腐蚀速率降低。
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  基于KPCA-BAS-GRNN的埋地管道外腐蚀速率预测

  骆正山, 姚梦月, 骆济豪, 王小完

  表面技术. 2018, 47(11): 173-180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.025

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  目的 提高埋地管道外腐蚀速率的预测精度。方法 建立基于核主成分分析法（KPCA）和天牛须搜索（BAS）算法优化的广义回归神经网络（GRNN）腐蚀速率预测模型，通过KPCA对原始数据进行预处理，提取影响管道外腐蚀的主要因素，应用GRNN建立埋地管道外腐蚀速率预测的数学模型，并采用BAS算法对模型进行优化，减小了人为设置参数的影响。以川气东送埋地管段为例，分析选取出12种关键影响因素，建立了埋地管道外腐蚀指标体系，借助MATLAB-R2014a编写程序进行仿真，并与实际值进行对比。结果 模型的预测结果与实际值基本一致，KPCA可有效降低指标体系的维度，提取出包含原始信息97.9%的3个主因素—土壤电阻率、氧化还原电位、氯离子含量，简化了运算过程。采用的BAS-GRNN模型将预测精度提高到7.83%以内，平均相对误差5.21%，决定系数取值0.93。与其他模型相比，该模型性能较好，预测精度更高。结论 采用KPCA提取的主要影响因素符合工程实际，建立的BAS-GRNN模型预测精度高，有较好的适应性，为埋地管道外腐蚀速率预测提供了新思路，对管道的维护更新工作提供了参考依据。
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  SA-210C和15CrMoG在给水加氧处理工况下的氧化特性研究

  查方林, 刘凯, 杨漫兮, 袁新民, 王凌

  表面技术. 2018, 47(11): 181-188. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.026

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  目的 研究给水加氧工况下溶解氧浓度对锅炉金属氧化行为的影响，获取给水加氧处理的最佳溶解氧浓度。方法 以高压釜模拟发电厂高温高压水汽环境，在不同氧浓度下对SA-210C和15CrMoG试片进行高温氧化，分别绘制两种材料的时间-增重曲线，并拟合氧化动力学方程，研究了加氧处理对材料氧化动力学规律的影响。通过电化学阻抗法测试得到极化阻抗Rp和氧化膜电容Qf，结合SEM结果分析了氧化膜的结构。通过伏安扫描得到了氧化膜中Fe(II)和Fe(III)的还原峰高，结合XRD测试分析了氧化膜的物相组成。结果 SA-210C和15CrMoG在50 μg/L溶解氧下氧化30 d后的增重分别为1.714 g/m2和1.804 g/m2，加氧处理时，两种材料的极化电阻均达到了106 Ω?cm2量级，比无氧时高1个数量级，氧化膜结构更加致密。加氧处理时，SA-210C氧化膜为Fe3O4，15CrMoG氧化膜为Fe3O4+Fe2O3。结论 SA-210C和15CrMoG的高温氧化行为符合?m=kta规律，加氧处理显著加速了SA-210C初期氧化膜的生长，但抑制了后期的氧化速率。加氧处理主要影响15CrMoG氧化膜的初期生长速率，对后期氧化动力学行为的影响较小。SA-210C和15CrMoG的最佳加氧浓度均为50 μg/L。
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  壳聚糖对钛锆转化膜组织结构及耐蚀性的影响

  陈文, 苏文男, 李欣琳, 崔秀芳, 谢恩雨, 王一丹, 金国

  表面技术. 2018, 47(11): 189-194. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.027

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  目的 研究壳聚糖对铝合金表面天冬氨酸-钛锆转化膜组织结构及耐蚀性能的影响。方法 在5083船用铝合金表面分别制备添加不同含量壳聚糖的天冬氨酸-钛锆转化膜，采用SEM、EDS、FT-IR、XPS等表征手段，对转化膜的组织结构以及成分进行分析。通过电化学工作站对添加不同含量壳聚糖转化膜的开路电位-时间曲线及极化曲线进行分析。结果 成功制备了添加不同含量壳聚糖的天冬氨酸-钛锆转化膜，添加壳聚糖后，转化膜的裂纹减少，并在红外光谱结果中存在较强的氢键，出现与天冬氨酸及壳聚糖相对应的特征峰。XPS结果表明，转化膜中的Zr以ZrO2及Zr的有机络合物形式存在，转化膜中的Ti以TiO2形式存在，同时也存在天冬氨酸自身结构以及壳聚糖自身结构的峰位。腐蚀电流密度由未添加壳聚糖时的3.966×10-6 A/cm2降低至3.274×10-7A/cm2，耐蚀性具有明显提升。结论 添加壳聚糖能够与传统天冬氨酸-钛锆转化膜结合形成络合物转化膜。适量添加壳聚糖能够改善钛锆转化膜的裂纹情况及耐蚀性，当壳聚糖添加量为15 mL/L时，膜层裂纹最少，同时转化膜的耐蚀性最优。
膜层材料与技术
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  单晶金刚石外延层生长工艺研究

  安康, 刘金龙, 林亮珍, 张博弈, 赵云, 郭彦召, Tomasz Ochalski, 陈良贤, 魏俊俊, 李成明

  表面技术. 2018, 47(11): 195-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.028

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  目的 研究高质量单晶金刚石外延生长工艺。方法 使用X射线白光形貌束分析了等离子体表面刻蚀处理前后单晶金刚石位错密度的变化，随后使用等离子体刻蚀预处理工艺，通过改变沉积温度研究了其对金刚石质量的影响。为了表征温度对单晶金刚石质量的影响程度，使用拉曼光谱和X射线衍射摇摆曲线等方法分析了单晶金刚石质量以及位错密度的变化情况，进而确定沉积高质量单晶金刚石最佳的沉积温度。结果 X射线白光形貌束结果显示，未进行氢氧等离子体表面刻蚀的籽晶生长之后，由于表面微加工、抛光引入的位错或者微裂纹，导致生长层位错增多；同时，氢氧等离子体表面刻蚀实验结果显示，刻蚀时间并非越长越好；使用刻蚀处理过的单晶金刚石籽晶进行不同温度外延生长实验，籽晶刻蚀后生长的金刚石拉曼峰位均在1332.5 cm?1附近，半高宽为2~3 cm?1之间。在900 ℃沉积之后，X射线摇摆曲线半高宽仅为0.009。结论 使用氢氧微波等离子体刻蚀单晶金刚石，800 ℃刻蚀40 min，可以基本消除因微加工或者抛光引入的位错或者缺陷。经过刻蚀处理的籽晶在900 ℃制备出的单晶金刚石质量最高，位错最少，可以满足高质量单晶金刚石的制备。
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  甲烷与氢气的流量比在高功率下对金刚石膜生长的影响

  翁俊, 周程, 刘繁, 汪建华

  表面技术. 2018, 47(11): 202-209. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.029

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  目的 在实验室自制的10 kW微波等离子体化学气相沉积装置中，系统分析甲烷与氢气的流量比在高功率微波等离子体环境中对金刚石膜生长的影响。方法 利用等离子体发射光谱诊断分析高功率微波等离子体放电环境的特征，同时利用SEM及Raman光谱对不同沉积条件下获得的金刚石膜的形貌及质量进行表征，以确定高功率微波馈入情况下甲烷流量的调控原则。结果 微波功率的提高可以有效地增加等离子体中的电子密度，产生更多活性H原子以及CH和C2等有利于金刚石膜生长的含碳气团。在保持微波功率为5000 W、氢气流量为300 mL/min、腔体气压为13 kPa和基片温度为(950±20) ℃的实验条件下，当Q(CH4)/Q(H2)<1.0%时，金刚石膜中二次形核现象明显，晶粒尺寸较小；当1.0%≤Q(CH4)/Q(H2)≤2.0%时，可获得晶粒完整且质量较高的金刚石膜；当Q(CH4)/Q(H2)>2.0%，金刚石膜可获得较大的晶粒，但易产生孪晶。结论 提高微波功率利于活性氢原子的产生，可更充分地活化含碳大分子气体。在本实验条件下，当1.0%≤Q(CH4)/Q(H2)≤ 2.0%时，所制备的金刚石膜具有较高的质量。
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  N2流量比对复合磁控溅射Zr-B-N薄膜结构和性能的影响

  王铁钢, 郭玉垚, 唐宽瑜, 刘艳梅, 林伟, 姜肃猛

  表面技术. 2018, 47(11): 210-217. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.030

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  目的 在反应沉积时补充金属离子，增加薄膜中金属氮化物硬质相的数量，优化复合磁控溅射Zr-B-N薄膜的制备工艺，揭示N2流量比（N2/(N2+Ar)）对Zr-B-N薄膜结构和性能的影响规律，进一步强化Zr-B-N纳米复合薄膜。方法 采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术沉积Zr-B-N薄膜，借助X射线衍射仪、能谱仪、扫描电镜、纳米压痕仪、划痕测试仪和摩擦试验机，研究N2流量比对Zr-B-N薄膜成分、微观结构、力学性能和摩擦性能的影响。结果 Zr-B-N薄膜具有典型的纳米复合结构，即BN非晶层包裹着ZrB2、Zr3N4、Zr2N、ZrN等纳米晶，所有Zr-B-N薄膜均沿（100）晶面择优生长。随着N2流量的增加，（100）晶面的衍射峰宽化加剧；薄膜硬度由36.2 GPa下降到21.0 GPa；膜/基结合力逐渐增强，临界载荷从34.8 N增加到55.8 N；摩擦系数逐渐增大。当N2流量比为42.9%时，摩擦系数相对较低，约为0.48，归因于薄膜内形成了沿（220）晶面生长的ZrN相，从而起到了良好的减摩作用。结论 当N2流量比为42.9%时，Zr-B-N薄膜具有纳米复合结构和良好的各项性能。
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  原位合成AlN-Fe3Al增强铁基等离子熔覆层结构及性能

  唐明奇, 李刚, 冯在强, 王文, 闫镇威, 上官林建, 张瑞珠

  表面技术. 2018, 47(11): 218-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.031

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  目的 采用等离子熔覆技术，制备性能优良的AlN-Fe3Al增强Fe基熔覆层。方法 采用Al粉和Fe基合金粉为熔覆材料，利用等离子熔覆技术，以氮气为保护气体和反应气体，在Q235基体上制备Fe基熔覆层。采用X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度计、磨损试验机和电化学工作站，研究了Al对Fe基熔覆层的相组成、组织形貌、硬度、耐磨性和耐腐蚀性的影响。结果 以Fe基合金粉为熔覆材料时制备的熔覆层主要由α-Fe和Cr组成，Al（质量分数为6%）的加入使熔覆层中出现AlN、Fe3Al及Cr5Al8相。两种情况下制备的熔覆层均成形良好，且与基体呈冶金结合。含Al熔覆层中原位合成的AlN颗粒弥散分布于熔覆层中，尺寸小于5 μm。Al的加入使熔覆层的最高硬度由之前的340HV0.5增加至1350HV0.5，使熔覆层的耐磨性提高4.6倍。并使熔覆层表面形成钝化膜，显著提高了其耐腐蚀性。结论 采用等离子熔覆技术制备出的AlN-Fe3Al增强Fe基熔覆层，其耐磨性和耐腐蚀性得到显著提高。
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  曲面光斑面积变化模型及其对熔覆质量的影响

  崔权维, 孙文磊, 黄勇

  表面技术. 2018, 47(11): 225-232. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.032

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  目的 建立一种计算曲面工件激光光斑面积变化的数学模型，研究光斑面积在多大范围内变化对熔覆质量的影响最小。方法 采用高斯曲率的倒数作为曲率球的半径，利用曲率球代替NURBS曲面微小单元，通过圆柱体与球体相贯的数学分析方法求取截交面积，进而推导出NURBS曲面光斑面积的数学模型，采用CATIA软件作对比，进行验证。结果 该数学模型得出的结果与CATIA计算的结果相对误差不超过0.2%，满足工程应用。对模型中影响光斑面积大小的三个因素（离焦量、光束姿态、曲率）进行分析表明，影响光斑面积大小的最主要因素是光束姿态。在此基础上，以Q235为母材，KF310粉末为熔覆材料，调整光束姿态分别以0?、10?、20?、30?、40?为入射角进行激光熔覆，测试和分析得出，在0?、10?、20?时，单道熔覆层宽度随空间夹角及光斑面积的增大而增大，熔覆高度随光斑面积增大而减小，熔覆层与基体之间存在亮白色界面，这是凝固初期界面处生长出的平面晶，说明形成了冶金结合。而30?、40?时的单道熔覆层宽度变化不明显，在熔覆道边缘出现粘粉现象，冶合质量不高。结论 光斑面积变化在增加8%的范围内可以保证激光熔覆沉积层的质量，通过该算法的应用可以满足激光再制造快速响应的要求。
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  硫酸根对甲基磺酸体系镀锡液性能的影响

  黎德育, 李曜, 沈鹏杰, 王振文, 王熙禹, 孔德龙, 李宁, WU Gang

  表面技术. 2018, 47(11): 233-238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.033

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  目的 从镀层的耐蚀性能、电化学行为、镀液稳定性三个层面分析硫酸根对甲基磺酸体系镀锡的影响，探究在不影响镀液性能的条件下，硫酸根在甲基磺酸镀锡液中的最大浓度范围。方法 通过盐雾实验和电化学测试探究硫酸根对镀锡板耐蚀性能的影响，通过电化学测试研究了硫酸根在甲基磺酸镀锡过程中的电化学行为，通过可见光分光光度计和zeta电位仪分析硫酸根对镀液稳定性的影响。结果 镀液中硫酸根质量浓度在5 g/L时，镀层的耐蚀性能最好，但硫酸根质量浓度高于10 g/L时，镀层耐蚀性呈下降趋势。在锡沉积过程中，硫酸根离子的存在会增大锡沉积的阴极极化，当镀液中的硫酸根质量浓度达到60 g/L时，阴极极化不再显著增加。透过率随时间变化的曲线表明，当MSA和甲基磺酸混合溶液中不存在硫酸根时，溶液的氧化速度较慢，溶液透光率经过196 h后由99%下降为86%。硫酸根的加入会使镀液的氧化速率加快，当溶液中硫酸根质量浓度分别为20、40、60、80 g/L时，196 h后，透光率分别下降至15%、66%、63%、20%。硫酸根的加入，也会改变溶液的zeta电位，使胶粒由荷正电变为荷负电。结论 当镀液中硫酸根质量浓度超过10 g/L时，镀锡层的耐蚀性能下降。硫酸根能够增大锡沉积的阴极极化，加速锡离子的氧化；此外，硫酸根还会吸附在锡胶粒表面，使添加剂浊点降低。
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  高速赫尔槽在高速镀锡液中的研究应用

  黎德育, 赵子微, 孔德龙, 李宁, WU Gang

  表面技术. 2018, 47(11): 239-244. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.034

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  目的 方便快捷地研究高速电镀锡工艺，有效实现赫尔槽在高速镀锡液中的研究应用。方法 开发一种高速赫尔槽装置，以研究MSA高速镀锡工艺条件（温度、电流密度和流速）。采用增重法对不同电流密度下的镀液电流效率进行试验。通过扫描电镜和X射线衍射仪对镀层的微观形貌和结晶取向进行分析。结果 提高MSA镀锡电解液平行液流流速，工作电流密度可提高到40 A/dm2，电流效率仍达90%以上。MSA高速镀锡的电镀工艺为：流速>146 cm/s，温度40~60 ℃，电流密度20~40 A/dm2。经实验验证，平板电极中镀液流速与阴极极限电流密度存在正比关系，与旋转圆盘电极极限扩散电流密度公式相似。高速下沉积厚度相同的锡镀层，随着沉积电流密度的增加，镀层晶面择优取向由（220）晶面转变为（321）晶面。 结论 相较于在静态赫尔槽试验中研究电镀工艺对镀液性能的影响，该设计可更好地反映实际生产的真实情况，可应用于电镀试验和工厂生产的质量管理。
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  ChCl-EG低共熔溶剂体系中镍沉积的电化学行为研究

  谭勇, 张久凌, 孙杰

  表面技术. 2018, 47(11): 245-250. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.035

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  目的 研究镍在低共熔溶剂体系中的电沉积、电化学行为及形核方式。方法 使用循环伏安法和计时电流法，研究在氯化胆碱-乙二醇（ChCl-EG）低共熔溶剂体系中镍沉积的电化学行为及其形核理论。 采用SEM测试手段对镍电沉积层的微观形貌进行观察和分析，同时采用EDS分析镍镀层的元素组成。 结果 ChCl-EG低共熔溶剂的电化学窗口为2.63 V，镍在ChCl-EG低共熔溶剂体系中的氧化、还原电位分别为0.79 V和-0.34 V。不同扫描速度的循环伏安曲线表明，在扫速为10~50 mV/s时，Ep与v无关，呈现出可逆反应的特性；而当扫速增加到50~90 mV/s时，Ep随v的增加而呈现负移的趋势，符合不可逆反应的特性。可以判断镍（Ⅱ）在ChCl-EG低共熔溶剂中属于准可逆反应。在“电流滞环”-1.00 ~ -1.08 V下测定计时电流曲线，通过拟合计时电流曲线与理论模型对比发现，镍（Ⅱ）在ChCl-EG体系中的电结晶过程符合Scharifker-Hill三维形核模型。镍电沉积层在铜基体上分布均匀，镀层中只含有镍元素。结论 镍（Ⅱ）在氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂中的电沉积过程是准可逆反应且形核机制为三维瞬时成核，通过ChCl-EG低共熔溶剂体系可以得到纯度高并且分布均匀的镍镀层，且镍镀层的颗粒尺寸为22.1 nm。
表面质量控制及检测
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  主轴式滚磨光整加工中介质流场的数值模拟及作用机理分析

  王程伟, 李秀红, 李文辉, 王娜, 杨胜强

  表面技术. 2018, 47(11): 251-258. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.036

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  目的 研究主轴式滚磨光整加工中介质流场的作用机理和工艺参数对加工能力的影响规律。方法 基于多相流Mixture模型、标准k-ε湍流模型和压力速度耦合SIMPLEC算法，对主轴式滚磨光整加工中介质流场构成的固液两相湍流进行数值模拟。通过改变滚筒转速和工件轴心距筒壁距离等工艺参数，分析在不同参数下滚抛磨块的速度矢量和工件表面压力的分布规律，并通过测试实验验证模拟的有效性。结果 0?处静压值在32 MPa，为静压最大点；90?和270?处动压在35 MPa左右，为动压最大点。尾流区域总压力大幅削减为0°处的33%。工件表面的总压和滚筒转速成指数函数关系，且滚筒转速大于50 r/min时，0?和270?处总压值达到32 MPa，并迅速增大。工件轴心和筒壁的距离为65 mm的区域，工件表面的总压均值最大为19 MPa，且距离为30 mm时，270?处滚抛磨块受筒壁影响，总压变为负值。数值模拟和实验结果的压力平均误差为5.25%。结论 工件上正对滚抛磨块处为碰撞和挤压作用，两侧主要为滑擦作用。滚筒转速大于50 r/min且工件轴心和筒壁的距离为65 mm时，滚抛磨块对工件的加工能力较强。
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  磁粒复合研磨SUS304不锈钢孔道的机理与试验研究

  张龙龙, 焦安源, 陈燕, 韩冰

  表面技术. 2018, 47(11): 259-266. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.037

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  目的 为探究磁粒研磨法对SUS304不锈钢孔道表面质量的影响，优化磁粒研磨工件内表面的工艺方案。方法 首先，基于磁极单轨迹运动和复合轨迹运动两种不同形式，分别对磁粒研磨孔道内表面的基本原理和运动轨迹进行了理论分析；其次，利用ANSYS软件对孔道内壁的磁场强度进行了有限元分析；最后，通过磁粒研磨法对孔道内壁进行试验验证。利用超景深3D显微镜和触针式表面粗糙度测量仪，分别测取孔道表面微观形貌和表面粗糙度。结果 研磨加工时间均为15 min，磁极为单轨迹运动时，工件表面材料去除量为662 mg，孔道内壁的表面粗糙度值由原始的2.0 μm降至0.48 μm；磁极为复合轨迹运动时，工件表面材料去除量高达892 mg，孔道内壁的粗糙度值下降至0.24 μm。结论 磁极为复合轨迹运动时，相对于传统的磁极单轨迹运动，磁粒研磨效率进一步提高，工件表面微观形貌以及表面粗糙度都有明显改善，研磨后的工件内表面质量更佳。
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  石英玻璃管内表面的复合光整试验研究

  刘顺, 韩冰, 马学冬, 陈永君, 解志文, 许召宽, 陈燕

  表面技术. 2018, 47(11): 267-273. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.038

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  目的 探究超声磁粒复合研磨与超声振动复合抛光两个试验阶段对石英玻璃管内表面加工的可能性，寻求最优的工艺参数组合。方法 在石英玻璃管内添加柱形径向充磁辅助磁极，并添加超声振动，组成复合光整装置。在辅助磁极表面包裹一层研磨粒子，构成超声磁粒研磨装置，在辅助磁极外表面包裹一层聚氨酯，构成超声振动抛光装置。结果 对上述的超声磁粒复合研磨阶段进行响应面优化，在主轴转速、振动频率、粒径三个变量中，保持其中一个变量不变，另外两个变量组合，使表面粗糙度值达到最低。选用最优的工艺参数组合作为第一阶段主要参数，经40 min研磨，表面粗糙度值从原始的4.40 μm下降到0.19 μm。在第一阶段基础上进行第二阶段抛光，经5 min抛光，表面粗糙度值从0.19 μm进一步下降到0.07 μm。结论 通过响应面优化得到最优超声磁粒复合研磨组合为：主轴转速1000 r/min、粒径250 μm、振动频率20 kHz。经超声磁粒复合研磨与超声振动复合抛光两个阶段加工后，玻璃管内表面存在的凹坑、突起及划痕均得到有效去除，表面更加均匀、平整。
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  旋转超声辅助磁力研磨镍基合金参数优化设计及分析

  曾加恒, 陈燕, 张科丙, 刘新龙, 陈宇辉

  表面技术. 2018, 47(11): 274-280. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.039

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  目的 针对镍基高温合金进行旋转超声磁力研磨加工试验，通过响应面法分析主轴转速、超声频率、超声振幅、粒径交互作用对工件表面的影响。方法 在磁力研磨基础上添加旋转超声高频轴向机械振动，通过磁性研磨粒子对工件表面的垂直冲击，增加研磨压力以及磁性研磨粒子的翻滚动作，完成旋转超声辅助磁力研磨，测定表面粗糙度、表面残余应力等性能参数。采用响应面法分析主轴转速、磁性研磨粒子粒径和超声频率的交互作用对试验的影响规律，拟合出最佳工艺参数条件。结果 在试验条件下得出，主轴转速1000 r/min、磁性研磨粒子粒径250 μm、超声频率19 kHz、超声振幅19 μm的加工工艺组合效果最佳，并与响应面法优化参数后的结果相一致。根据优化参数进行试验，经过40 min研磨加工后，Ra从加工前的3.2 μm降至0.072 μm，工件表面各位置粗糙度均匀，表面质量较好。工件内部残余拉应力从+51 MPa转变为残余压应力-121 MPa。结论 旋转超声辅助磁力研磨加工后，工件表面均匀性提高，原始工件表面的凹坑、凸起、表面微裂纹等缺陷被完全去除，表面形貌和表面质量较好。该工艺加工效率较高，工件内部可得到良好的应力状态。
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  低频交变磁场超精密平面磁力研磨加工研究

  吴金忠, 邢百军, 邹艳华, 郑菲

  表面技术. 2018, 47(11): 281-289. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.040

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  目的 通过利用低频交变磁场下产生的变动磁力，改善传统磁力研磨加工中磁力刷变形、磨料结块、磨料利用率低等问题，实现平面超光滑、纳米级加工。方法 在电磁线圈中通入频率为3 Hz的交流电流，产生低频交变磁场。利用磁通密度测量仪（EMIC Gauss Meter GM 4002）对加工区域磁感应强度进行测定，考察低频交变磁场的磁场强度分布状况。设计组装一套研磨压力测量系统，利用数据记录处理软件对比分析低频交变磁场和直流磁场所产生的研磨压力，深入研究研磨工具（磁簇）在低频交变磁场作用下的变化规律。研制一套低频交变磁场平面磁力研磨加工装置，以SUS304不锈钢板为加工对象，并与直流磁场进行对比实验，验证利用低频交变磁场进行磁力研磨的可行性及加工性能。结果 低频交变磁场中各点磁感应强度均在峰值与谷值之间不断变化，其变化规律近似于正弦分布。在磁极边缘（R=7.5 mm），产生最大峰谷值；从磁极半径（R=6 mm）到磁极中心（R=2 mm），磁场强度逐步减弱。低频交变磁场下研磨压力值呈周期性变化，且研磨压力的平均值大于直流磁场下的值。磁簇在低频交变磁场作用下产生周期性振动。磁簇呈收缩状态时，磁性粒子带动磨料上浮于磁簇前端。当磁场方向改变时，磁簇先呈发散状态，然后收缩，此过程中磨料颗粒与磁性粒子再次混合。如此循环更新，不仅解决磁簇与工件接触后产生的变形问题，而且提高了磨料的利用率，保证研磨工具稳定。分别使用低频交变磁场和直流磁场对SUS304不锈钢板进行研磨，使用油基研磨液，主轴转数为350 rad/min，交流电流有效值为1.9 A，频率为3 Hz。第一阶段选择平均粒径为30 μm的电解铁粉和WA#10000的磨料颗粒，经过60 min研磨，表面粗糙度值分别为35.28 nm和81.36 nm；第二阶段选择平均粒径6 μm的羰基铁粉和1 μm的金刚石粉，研磨时间60 min，最终表面粗糙度值分别达到4.51 nm和17.58 nm。结论 利用低频交变磁场能够实现研磨工具（磁簇）的循环更新，提高磨料利用率。与直流磁场相比，利用低频交流磁场磁力研磨法所获得的加工表面均匀、无划痕，实现了平面超光滑纳米级加工。
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  基于灰度均衡模型联合Gabor滤波器的钢轨表面缺陷检测方法

  刘琴琴, 周慧云, 王兴洲

  表面技术. 2018, 47(11): 290-294. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.041

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  目的 设计一种钢轨表面缺陷检测方法，对钢轨表面存在的缺陷进行快速、准确地检测。方法 首先，利用图像的灰度均值构造灰度均衡模型，对钢轨表面图像中像素点的灰度值进行修正，以克服光照不均的影响。然后，利用图像的谱残差模型与相位谱增强钢轨表面图像中的缺陷部分，引入ostu阈值分割法对增强后的图像进行二值化，对图像中的缺陷区域进行准确地分割提取。最后，利用Gabor滤波器，将二值化图像中的噪声进行滤除，并保留缺陷区域的边缘等细节特征。结果 与对照组方法相比，所提方法的检测效果较好，精确率以及召回率都有所提高。直观测试结果显示，所提方法能够较为完整地检测出钢轨表面缺陷。客观测试实验结果显示，所提方法的精确率为90.11%，召回率为93.41%，且平均耗时为45.17 ms，相对对照组方法而言，耗时最少。结论 所提钢轨表面缺陷方法不仅能够准确地对钢轨表面缺陷进行检测，而且还具有较高的检测效率。
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  砂带磨削表面粗糙度理论预测及灵敏度分析

  高超, 王生, 王会, 刘广照, 吴国荣

  表面技术. 2018, 47(11): 295-305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.11.042

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  目的 以钢化玻璃磨边为研究对象，建立金刚石砂带磨削表面粗糙度理论预测模型，并分析粗糙度对各工艺因素的灵敏度。方法 首先，采用多因素线性回归分析建立了关于磨削工艺参数的粗糙度理论预测模型；其次，通过正交试验研究了磨削压力、砂带线速度和砂带张紧力对粗糙度和材料去除率的影响大小，并得到了工艺参数的优水平组合；再次，根据正交试验结果计算了粗糙度理论预测模型的数学表达式，同时，建立了灵敏度模型来进行工艺因素的灵敏度分析和工艺参数的区间优化；最后，利用随机试验验证了粗糙度理论预测模型的准确性。结果 极差分析可知，RA（0.137）?RC（0.068）?RB（0.016），MC（6.828）?MA（5.228）?MB（1.784），磨削工艺参数的优水平组合为A2B3C3。电镀金刚石砂带磨削表面粗糙度理论预测模型的表达式为 。各工艺参数的优选区间为：磨削压力10~20 N，线速度15~30 m/s，张紧力40~60 N。随机试验可得，粗糙度理论预测模型的相对误差大小维持在5.5%~10%。结论 关于工艺因素对磨削质量的影响，磨削压力最大，砂带张紧力次之，砂带线速度最小。关于工艺因素对材料去除率的影响，砂带张紧力最大，磨削压力次之，砂带线速度最小。磨削压力为18 N、砂带线速度为30 m/s、砂带张紧力为55 N时，磨削表面质量最好，且材料去除率较高。试验参数范围内，粗糙度对磨削压力的灵敏度随磨削压力的增加而下降，对砂带线速度和砂带张紧力的灵敏度随着二者的增加而增加。15组随机试验表明，粗糙度理论预测模型具有较高的可靠性和准确性。