2018年, 第47卷, 第6期　
刊出日期：2018-06-20

  

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专题-能源材料表面工程
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  一种新型的咪唑啉类缓蚀剂CPA-1对N80钢在CO2环境下的缓蚀性能评价

  王锦昌, 林元华, 孙志鹏, 符伟兵, 曾德智

  表面技术. 2018, 47(6): 1-7. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.001

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  目的 考察一种新型的咪唑啉类缓蚀剂CPA-1对N80钢在CO2环境下的缓蚀性能。方法 通过失重法、电化学阻抗谱和极化曲线，研究了在不同温度下缓蚀率和缓蚀剂浓度之间的关系，利用扫描电子显微镜和扫描电化学显微镜对表面形貌进行了观察分析，根据等温吸附模型研究了咪唑啉缓蚀剂在N80钢表面的吸附类型。结果 失重结果表明，缓蚀剂的缓蚀效率随浓度的增大而升高，当温度为40 ℃、缓蚀剂质量浓度为250 mg/L时，缓蚀率达到95%；温度升高至80 ℃时，缓蚀率下降至87%。电化学试验表明，咪唑啉类缓蚀剂对阴极和阳极反应均有抑制作用。表面形貌分析表明，缓蚀剂能有效改善金属表面的腐蚀程度。结论 咪唑啉类缓蚀剂CPA-1属于混合型缓蚀剂，对N80钢具有较好的缓蚀性能。缓蚀机理为通过吸附方式在金属表面形成一层吸附膜抑制金属腐蚀，吸附方式遵循Langmuir吸附等温模型，物理吸附和化学吸附均会在金属表面发生。
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  4种先进超超临界电站锅炉用高温合金高温腐蚀性能实验研究

  于淼, 梁志远, 桂雍, 王云刚, 赵钦新

  表面技术. 2018, 47(6): 8-16. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.002

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  目的 研究Haynes 625、Haynes 617、Haynes 120和Inconel 740H四种先进超超临界电站锅炉用高温合金在高温模拟煤灰环境下的腐蚀行为及机理。方法 利用XRD、SEM、EDS等分析手段对样品表面腐蚀产物进行微观分析。结果 四种高温合金均具备一定的抗高温模拟煤灰腐蚀能力。未涂抹煤灰样品的腐蚀动力学遵循抛物线规律，说明所选高温合金在750 ℃的高温腐蚀行为主要受离子扩散控制。在涂抹模拟煤灰环境下，材料的氧化增重依次为：Haynes 617 > Haynes 625 > Inconel 740H > Haynes 120。Haynes 625与Haynes 617腐蚀产物为双层结构的氧化物，氧化内层主要为富Cr氧化膜，氧化外层主要成分为(Ni,Mn)Cr2O4；Inconel 740H与Haynes 120表面未见双层结构氧化物。结论 氧化物结构与合金中铬元素含量有关，同时与合金中附加元素（如钴元素）的含量和行为有一定联系。四种高温合金抗高温腐蚀性能从大到小依次为：Haynes 120 > Inconel 740H > Haynes 625 > Haynes 617。与以往研究相比，并未发现腐蚀产物中存在S，表明腐蚀过程中腐蚀产物中的S来自于SO2气氛，而非煤灰中的硫酸盐。
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  高温高压H2S/CO2腐蚀产物膜对低铬钢氢渗透行为的影响

  孙建波, 苏鑫, 张勇

  表面技术. 2018, 47(6): 17-23. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.003

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  目的 探讨含Cr腐蚀产物膜对油管钢氢渗透行为的影响。方法 对80SS、P110-3Cr和P110-7Cr油管钢试样进行高温高压H2S/CO2腐蚀模拟实验，并利用双电解池技术测量试样腐蚀前、后的氢渗透电流密度。通过扫描电子显微镜、能谱分析仪和X射线衍射仪对腐蚀产物膜的微观形貌、成分和物相组成进行分析。结果 三种材料的腐蚀产物主要由亚稳态的马基诺矿型硫铁化合物构成，没有发现典型的CO2腐蚀产物FeCO3晶体，在P110-3Cr（7.4%Cr）和P110-7Cr（14.75%Cr）钢的腐蚀产物膜中有Cr元素富集。随着钢中Cr含量的提高，120 ℃腐蚀后，试样的表观扩散系数减小。80SS、P110-3Cr和P110-7Cr油管钢试样表面无腐蚀膜时，吸附氢浓度分别为0.98×10?5、9.54×10?5、9.3×10?5 mol/cm3。120 ℃腐蚀后，带有腐蚀膜试样的膜层/基体界面钢基体侧的吸附氢浓度分别为0.93×10?5、5.17×10?5、8.52×10?5 mol/cm3。结论 三种油管钢的腐蚀过程均由H2S控制。腐蚀产物膜中Cr元素富集有助于降低带有腐蚀膜试样的表观扩散系数。与不带腐蚀膜的试样相比，三种带腐蚀膜试样的膜层/基体界面钢基体侧的吸附氢浓度降低，腐蚀产物膜对氢渗透具有明显的阻碍作用。
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  Fe3+对双曼尼希碱（DM）缓蚀性能及吸附行为的影响

  王霞, 蒋欢, 侯丽, 周雯洁, 王辉, 任帅飞

  表面技术. 2018, 47(6): 24-30. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.004

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  目的 针对曼尼希碱类缓蚀剂使用工况恶劣、影响因素复杂的情况，以单曼尼希碱为中间体，合成双曼尼希碱缓蚀剂（DM）。方法 采用失重法、电化学方法研究Fe3+对DM缓蚀性能的影响，计算DM在N80钢片表面的吸附热力学与动力学，并探讨Fe3+对DM吸附行为的影响。结果 在60 ℃、腐蚀介质总体积250 mL、缓蚀剂（DM）质量分数1%、盐酸质量分数20%、浸泡时间4 h的条件下，当Fe3+质量浓度小于900 mg/L时，其腐蚀速率小于4 g/(m2?h)，满足SY/T 5405—1996对盐酸酸化缓蚀剂一级品的评价指标；当Fe3+质量浓度大于900 mg/L时，其腐蚀速率仍然小于5 g/(m2?h)，满足盐酸酸化缓蚀剂二级品的评价指标。在1%DM的缓蚀溶液中，ΔGads=－44.86 kJ/mol，当溶液中存在Fe3+时，ΔGads=－42.56 kJ/mol，与未加Fe3+的相比，ΔGads更趋向于－40 kJ/mol。N80钢在20%盐酸溶液中的Ea值为7.10 kJ/mol，加入1%DM和1%DM+600 mg/L Fe3+时的Ea值分别为25.45、23.90 kJ/mol。加入1%DM时，ΔEcorr=50 mV；加入1%DM+600 mg/L Fe3+时，ΔEcorr=30 mV。结论 N80钢在60 ℃、20%HCl条件下，DM缓蚀效率高达99.8%，是一种混合型缓蚀剂。在N80钢表面的吸附为混合型吸附，且吸附过程是一个自发、放热的过程，吸附规律服从Langrauir吸附等温式。加入Fe3+后，对DM缓蚀性能起抑制作用，Fe3+并没有改变DM的缓蚀剂类型，且Fe3+通过破坏DM在N80钢表面的化学吸附来降低其缓蚀效率。
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  基于有限元的20#钢冲蚀磨损行为模拟

  吕东莉, 练章华, 张涛

  表面技术. 2018, 47(6): 31-37. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.005

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  目的 研究固体颗粒对油气井管柱或地面油气输送管道材料的冲蚀磨损规律。方法 通过对石英砂颗粒形状特征抽提了颗粒模型，采用有限元方法模拟了其对20#钢的冲击磨损动力学行为。在不同冲击角度、不同颗粒粒径和不同冲击速度的条件下，分析材料表面冲击破坏应力特征和材料堆积形态。结果 在给定的参数条件下，随着冲击角度的增大，最大等效应力先上升后下降，在40?时达到最大值1370 MPa。高角度冲蚀时，表现为凿坑和塑性挤出；低角度冲蚀时，以微切削和犁沟形唇为主，在冲蚀坑两侧及前端有材料堆积，冲蚀坑前端的变形唇高度逐渐增加，在40?时达到最大值0.019 85 mm。随着冲击速度的增大，最大等效应力单调增大，冲击坑深度变化不大，但冲击粒子前端的堆积材料明显增多，变形唇片高度增大。当粒径小于0.15 mm时，最大等效应力随粒径的增加而增大，粒径为0.15 mm时达到最大值1410 MPa。当粒径超过0.15 mm时，最大等效应力随粒径的增加而减小。随粒径的增加，冲蚀坑深度缓慢增加，粒子前端的变形唇片高度明显增加。结论 采用有限元方法对石英砂冲击20#钢的动力学行为进行了成功的模拟，获得了冲击角度、冲击速度以及颗粒粒径的变化对20#钢冲击过程中应力分布、冲蚀形貌变化的影响规律。
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  不同搅拌方式对Ni-Fe-Co镀层组织结构和电催化析氢性能的影响

  秦海森, 王书亮, 景阳钟, 宁渊程, 刘丽

  表面技术. 2018, 47(6): 38-43. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.006

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  目的 得到具有更高电催化析氢活性的Ni-Fe-Co镀层电极。方法 采用不同的搅拌方式电沉积制备了Ni-Fe-Co镀层，通过SEM、EDS和XRD等分析手段研究了其微观形貌、成分及物相组成，并利用电化学测试分析技术探究了不同搅拌方式对其电催化析氢活性的影响。结果 三种镀层电极均为简单固溶体BCC结构，其中磁力搅拌条件下制得的镀层电极的表面组织更致密均匀，具有更大的真实表面积，分别为不搅拌和超声搅拌下的6倍和2倍。在电位为?1.6 V时，磁力搅拌条件下制得的镀层电极析氢电流密度达到173 mA/cm2，明显高于另外两种镀层电极，其交流电流密度为45.9 μA/cm2，分别是不搅拌和超声搅拌条件下的2倍和3倍。结论 磁力搅拌有效地增大了镀层的比表面积，进而提高了镀层的电催化析氢活性。
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  高温高压气井管柱腐蚀现状及未来研究展望

  赵密锋, 付安庆, 秦宏德, 谢俊峰, 谢刚, 龙岩, 李岩, 王华

  表面技术. 2018, 47(6): 44-50. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.007

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  高温、高压、高腐蚀性介质引起的管柱腐蚀问题已成为国内外高温高压气井井筒完整性的巨大威胁和挑战。首先分析了我国塔里木盆地高温高压气井管柱服役工况环境、作业生产工艺、管柱受力情况以及腐蚀现状，重点回顾了国内外高温高压气井增产改造阶段酸化液引起的腐蚀、氯离子/硫化氢/环空保护液引起的应力腐蚀开裂、管柱接头缝隙腐蚀3种主要的失效形式，同时结合文献研究和现场失效案例分析总结了管柱腐蚀机理和规律。最后总结了高温高压气井管柱未来5大研究方向：基于生命全周期选材评价、15Cr和17Cr新管材、特殊管材酸化缓蚀剂、环空保护液应力腐蚀开裂敏感性、全尺寸管柱腐蚀实验方法。
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  表面缺欠对超级13Cr油管在气井酸化过程中的腐蚀行为影响研究

  谢俊峰, 付安庆, 秦宏德, 谢刚, 赵密锋, 李岩, 王华

  表面技术. 2018, 47(6): 51-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.008

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  目的 研究光滑表面、无缺欠原始表面和带缺欠原始表面13Cr油管试样在气井酸化增产改造过程中的腐蚀行为，明确不同表面状态对超级13Cr油管腐蚀行为及机理的影响。方法 采用高温高压腐蚀模拟实验，研究了三种表面状态的超级13Cr油管在气井酸化过程中鲜酸和残酸环境下的腐蚀行为。分别通过宏观观察、扫描电镜、三维共聚焦显微镜分析了试样在鲜酸和残酸中腐蚀后的宏观、微观和三维形貌。结果 在鲜酸溶液中，无缺欠原始表面试样和带缺欠原始表面试样腐蚀速率相当，但均明显高于光滑表面试样。在残酸溶液中，缺欠导致超级13Cr油管腐蚀速率显著增大，带缺欠原始表面试样的腐蚀速率是，是无缺欠原始表面试样的2倍，光滑试样的7.3倍。结论 超级13Cr油管表面状态对其在气井酸化过程中的平均腐蚀速率和局部腐蚀有显著的影响，内表面缺欠会降低其在酸化过程中的耐蚀性能，且此类缺欠对残酸介质更为敏感。
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  VN复合渗层的制备及对45#耐磨性能的影响

  黄玲, 张进, 孙才沅, 蒲帅

  表面技术. 2018, 47(6): 57-62. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.009

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  目的 对45#强化处理，提高其强韧性和耐磨性。方法 采用热反应扩散法（TRD）对45#基体进行了3种不同的处理，分别为单渗钒、先渗氮后渗钒及先渗钒后渗氮处理。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪进行了微观形貌和物相组成的分析，采用维氏硬度计和旋转摩擦仪对渗层的硬度及耐磨性能进行分析。结果 TRD法处理后，在45#表面形成一层均匀致密的渗层，其中单渗钒层的厚度为3.86 μm，先渗氮后渗钒渗层（先渗氮层）厚度为6.02 μm，先渗钒后渗氮渗层（先渗钒层）厚度为8.44 μm。单渗钒层的硬度值在1306.6HV左右，而氮化钒渗层的硬度在1549.2~1710.4HV左右，均比处理前试样的硬度（295HV）有明显提高。单渗钒层是由α-Fe和VC相组成，而复合渗层是由VN、α-Fe、Fe3N和Fe2C相组成。渗层与基体之间的界面明显，且存在过渡层。单渗钒层试样的平均摩擦系数为0.22，先渗氮层的平均摩擦系数为0.18，先渗钒层的平均摩擦系数为0.20，均小于45#基体的摩擦系数（为0.29）。结论 TRD法处理后形成的VC、VN渗层能提高钢基体的表面硬度和耐磨性，且钒元素和氮元素渗入的先后顺序对渗层的力学性能有影响。先渗氮层试样效果最佳，往复摩擦实验表明，试样的耐磨性顺序为：先渗氮层>先渗钒层>单渗钒层>45#基体。
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  SiC微粉添加剂对铝合金钻杆材料微弧氧化膜层性能的影响

  王平, 曹文洁, 蒲俊, 龚泽宇, 胡杰, 肖佑涛

  表面技术. 2018, 47(6): 63-67. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.010

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  目的 提高铝合金钻杆材料微弧氧化膜层的性能。方法 在电解液中加入0~4 g/L的SiC微粉，对7E04铝合金钻杆材料表面生成的微弧氧化膜层进行改性，研究了微弧氧化膜层的氧化电压-时间曲线、厚度、显微硬度、表面形貌、膜层元素含量、相组成和耐蚀性。结果 随着SiC微粉质量浓度的增加（0、1、2、3、4 g/L），氧化电压不断增加，在4 g/L时几乎达到550 V。微弧氧化膜层的厚度和显微硬度增加，各浓度下的膜层厚度分别为42.3、43.6、45.0、45.3、50.0 μm，膜层显微硬度分别为341.8、375.2、394.4、405.1、436.8 MPa。同时，放电孔的孔径和烧结盘的尺寸也逐渐增加。在微弧氧化过程中，SiC被氧化成SiO2，基体中的Al被氧化成α-Al2O3和γ-Al2O3，膜层中的相组成主要有α-Al2O3、γ-Al2O3、SiO2和莫来石。同时，随着SiC微粉浓度的增加，膜层中的C、Si元素含量增加，Al元素和O元素的含量降低。膜层的腐蚀速率分别为1.11×10?1、3.598×10?2、5.223×10?2、6.762×10?2、1.323×10?1 mm/a，呈现出先减小后增加的趋势，耐蚀性先增加后降低。结论 SiC微粉的添加增加了膜层的厚度，改变了膜层的表面形貌，同时提高了微弧氧化膜层的显微硬度、耐蚀性等性能。
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  纳米SiO2对Ni-W-P镀层耐高温高压腐蚀性能的影响

  胡静, 王斌, 胡金铜, 徐颖超, 蒲德林, 周椤

  表面技术. 2018, 47(6): 68-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.011

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  目的 提高金属材料在高温、高压、高氯离子腐蚀环境下的耐蚀性。方法 采用化学镀法在L245表面制备Ni-W-P镀层和Ni-W-P-nSiO2复合镀层，利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、显微硬度仪及贴滤纸法对镀层结构、形貌、硬度及孔隙率进行表征。采用高温高压腐釜模拟现场工况进行72 h均匀腐蚀试验，设置温度为150 ℃、压力为35 MPa，利用失重法计算腐蚀速率。结果 Ni-W-P镀层和Ni-W-P-nSiO2复合镀层均为非晶态结构，扫描电镜形貌观察表明三种镀层表面均为胞状组织，吸附在基体表面的纳米二氧化硅作为形核核心，使Ni-W-P-nSiO2复合镀层的组织更细小。添加纳米二氧化硅的复合镀层的孔隙率从添加前的1.24减小到0.83。磁力搅拌和超声辅助Ni-W-P-nSiO2复合镀层的硬度分别为491.6HV和421.7HV，较Ni-W-P镀层的384.5HV分别增加了107.1和37.2HV；磁力搅拌及超声辅助Ni-W-P-nSiO2复合镀层的腐蚀速率分别为0.0552 mm/a和0.0371 mm/a，是Ni-W-P镀层腐蚀速率（0.1075 mm/a）的1/2和1/3。腐蚀后表面成分分析表明，超声辅助Ni-W-P-nSiO2复合镀层的表面腐蚀产物为Ni3S2，能有效保护基体。结论 超声辅助Ni-W-P-nSiO2复合镀层的耐蚀性相比Ni-W-P镀层显著提高。
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  TiB2含量对Ni基感应熔覆涂层组织与性能的影响

  黄本生, 李天宁, 熊万能, 明柯宇, 高钰枭

  表面技术. 2018, 47(6): 75-82. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.012

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  目的 采用高频感应熔覆技术，在35CrMo钢表面制备TiB2增强Ni基涂层，并研究TiB2添加量对Ni基涂层的组织、硬度以及耐磨性的影响规律。方法 利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察Ni基涂层的微观组织形貌。利用EDS能谱分析仪对熔覆层不同区域的显微组织进行成分分析，并结合X射线衍射仪对涂层进行物相分析。利用HXD-2000TM/LCD显微硬度计对试样的截面进行硬度测试。在MDW-100型磨损实验机上进行销盘副磨损实验，评价涂层的耐磨性。结果 感应熔覆Ni基涂层无裂缝、气孔等缺陷，与基体形成冶金结合。涂层的主要物相为γ-Ni、Ni2B、CrB、Cr23C6等。添加TiB2颗粒后，熔覆过程中TiB2颗粒并未发生分解。随着TiB2添加量的增加，Ni基涂层的硬度逐渐增大，耐磨性逐渐增强，添加15%TiB2颗粒的涂层硬度最大，摩擦系数最小。与不添加TiB2的涂层相比，在相同的磨损条件下，添加15%TiB2的涂层硬度提高了15.88%，摩擦系数降低了16.5%，磨损量减少了43.15%。结论 TiB2颗粒的添加使得涂层的硬度增大，耐磨性增强。与此同时，添加15%TiB2颗粒的涂层性能最为优异。
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  热处理对Inconel625/X90堆焊层组织及性能的影响

  刘伟, 康全, 李阳, 刘俐超, 周志民, 张军磊, 杨眉

  表面技术. 2018, 47(6): 83-88. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.013

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  目的 研究不同固溶温度对堆焊层组织及力学性能的影响规律。方法 对Inconel625堆焊层分别进行850、910、980 ℃的固溶处理，采用金相显微镜、SEM、EDS进行显微组织观察及堆焊层元素分析，并测试其硬度。结果 堆焊熔合线附近出现魏氏组织和马氏体层，且合金元素含量迥异，在基材和熔敷金属之间形成较高的浓度差，使硬度分布极不均匀，经不同热处理后，魏氏组织得以消除，马氏体层也随着温度的增加而逐渐消失，合金元素的分布变均匀。850 ℃固溶处理后，敷材扩散区的Ni、Cr和Fe质量分数分别为36.14%、28.31%和18.27%，相比于堆焊态，合金元素发生了较大扩散；980 ℃固溶处理时，合金元素的分布最均匀，相对于堆焊态合金元素的含量，Ni含量下降约16.27%，Cr含量下降约8.32%，Fe含量上升约37.76%。未处理时的硬度从敷材至基材呈先下降、后升高的V型趋势，经850 ℃和980 ℃固溶处理后，试样硬度趋于均匀，热影响区硬度比未处理的有明显提高，分别提高24HV和32HV。结论 热处理后，堆焊层的组织及元素分布变均匀，硬度分布曲线趋于直线，并随固溶温度的升高，各区元素含量的波动逐渐减小，元素分析曲线过渡平滑，晶粒度逐渐增大。
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  某天然气管道内腐蚀原因及防控措施

  王冰, 刘晓娟, 熊哲, 程静静, 杨勃, 于长海

  表面技术. 2018, 47(6): 89-94. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.014

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  目的 分析某天然气管线典型管段的腐蚀特性，明确管线的腐蚀原因及机理。方法 采用扫描电镜对管道内壁不同方位的腐蚀形貌进行表面和截面微观观察。采用X射线衍射和EDS方法进行成分定量分析。结合天然气管道输送天然气成分、清管记录等服役状况进行天然气管线的内腐蚀特性研究。结果 CO2腐蚀是造成该天然气管道内腐蚀的主要原因，管段12点钟方向腐蚀坑深度约为0.18 mm，3点钟和6点钟方向腐蚀坑深度均约为0.1 mm，腐蚀产物以Fe2O3和FeCO3为主，6点钟方位的腐蚀产物厚度最大，3点钟方位的腐蚀产物厚度最小，3点钟和6点钟方位的腐蚀产物主要以Fe、O、C为主，12点钟方位的腐蚀产物含有S元素，同时可能存在细菌腐蚀。SiO2是管线内残余的污泥本身所含，该管道在投入工作前可能已经发生了腐蚀。针对性地提出了相关腐蚀防控措施，采取措施后换管频率降低了56%。结论 天然气管线存在的内腐蚀多为局部腐蚀，运行过程中应尽可能地避免腐蚀的发生，及时采取相应的防控措施，以免造成不必要的损失。
专题-2020 年国家自然科技基金研究进展
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  元素掺杂类金刚石碳膜降内应力研究综述

  孙德恩, Sam Zhang (新加坡)

  表面技术. 2018, 47(6): 95-103. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.015

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  我国汽车行业与国际同行的差距主要在于发动机关键零部件的摩擦磨损。类金刚石（DLC）碳膜技术是解决发动机关键零部件摩擦磨损问题的有效途径，但传统的DLC碳膜在制备过程中会产生较高的内应力（可达10GPa）,从而导致薄膜失效。首先分析了DLC碳膜在汽车零部件领域的应用背景，探讨了薄膜内应力的来源，重点综述了异质元素掺杂降低类金刚石碳膜内应力的研究现状。常用掺杂元素按化学性质可分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素，不同于其他分类方法，笔者按掺杂元素的组元多少进行划分，从单元掺杂、二元或多元掺杂入手，系统分析了各种掺杂方式、掺杂元素的优缺点。在此基础上，指出元素掺杂降低类金刚石碳膜内应力的研究从最初的单一元素掺杂，逐步发展到了二元或多元元素掺杂；从碳化物形成元素掺杂、非碳化物形成元素掺杂，逐步发展到碳化物形成元素与非碳化物形成元素的多元共掺杂；所研究的类金刚石碳膜的显微结构也从最初的非晶态结构向多元、多相结构发展，以期获得良好的综合机械性能。
专题-2026 年国家自然科技基金研究进展
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  热喷涂高温自润滑涂层研究现状

  表面技术. 2018, 47(6): 104-111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.016

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  鉴于现代高技术装备用高温润滑涂层的服役温度越来越高、条件越来越复杂，且对高可靠性及长寿命等方面的要求日益苛刻，亟需研究新型高温自适应润滑涂层材料在其服役条件下的环境适应性和稳定性。综述了目前国内外对该类涂层的组分设计和相关制备技术，重点分析了利用热喷涂技术制备高温自润滑涂层的研究现状，并从制备工艺和涂层组分调控方面阐述了该类涂层研究取得的成果和存在的问题。提出未来针对热喷涂高温自润滑涂层的制备应利用先进的喷涂设备，选用物相组分相近的喷涂粉末，并结合组分设计调控，以涂层具有良好的涂基力学性能、耐腐蚀性能、抗高温氧化性能为前提，使涂层在高温环境下可借助摩擦物理或摩擦化学过程，来赋予其良好的高温自润滑性能，重点研究涂层的组分构效关系和综合应用性能。运用材料氧化热力学-动力学理论，从涂层“高温力学-高温摩擦学-耐高温稳定性”三方面来考核材料的综合使役性能，并探讨其高温润滑摩擦机理。
专题-2031 年国家自然科技基金研究进展
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  仿生取向结构表界面及其摩擦各向异性研究进展

  表面技术. 2018, 47(6): 112-121. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.017

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  在长期的进化和生存竞争中，自然界生物表界面形成了优异的取向结构来执行传播、攀爬、移动与粘附等诸多行为，而基于形态结构的摩擦各向异性在其中扮演了重要角色。研究自然界取向结构表界面，从而揭示其摩擦各向异性行为和规律，并从中获得灵感，采用物理、化学手段进行仿生构筑和研究，对现代许多科技领域发展新型仿生功能性表界面材料具有重要意义。以露珠草和猪殃殃的倒刺结构、蛇腹部鳞片微结构、壁虎脚掌刚毛微结构为例，详细阐述了具有代表性的自然生物表界面的取向微结构形态及其功能，并对生物表界面产生摩擦各向异性行为的两种机理做了解释。在此基础上，简介了模板法、增材制造等几种仿生取向结构的制备方法，以及基于仿生取向结构的表界面摩擦各向异性研究成果。最后，列举了以蛇的蠕动行进、壁虎的高粘附为仿生对象，构筑具有摩擦各向异性的取向结构表界面，及其在仿生驱动、攀爬和定向输运等方面的应用实例，并展望了仿生摩擦各向异性领域未来的研究重点和发展方向。
专题-2034 年国家自然科技基金研究进展
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  离子液体和ZDDP的摩擦学性能及协同效应研究

  表面技术. 2018, 47(6): 122-130. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.018

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  目的 研究离子液体和ZDDP添加剂的摩擦学性能以及协同作用机制，以降低ZDDP在工业润滑油中的用量或开发新添加剂。方法 选用聚α烯烃（PAO-4和PAO-8）为基础油，二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）和季膦盐油酸离子液体（Ionic Liquid，IL）为添加剂，在四球试验机上考察了添加剂对基础油摩擦磨损性能的影响及协同作用机制。采用扫描电子显微镜SEM和EDS对磨斑表面进行形貌和化学组分分析，利用表面粗糙度轮廓仪对磨斑进行了三维扫描并测量了其粗糙度，利用球盘式光干涉测量装置研究了添加剂对成膜特性的影响。结果 40 ℃时， ZDDP和IL复配物的摩擦系数介于ZDDP和IL之间。100 ℃时，基础油PAO4失效，添加ZDDP和IL复配物后，其摩擦系数降低至0.085，低于单独添加IL和ZDDP时的摩擦系数。基础油PAO8的摩擦系数约为0.11，单独添加IL与添加ZDDP和IL复配物后的摩擦系数非常接近（约为0.09）。 SEM图像显示，在40 ℃和100 ℃时向基础油中添加ZDDP和IL复配物，工况下对应的磨斑直径最小，且表面粗糙度值均小于基础油和基础油中添加ZDDP。卷吸速度为300 mm/s和450 mm/s时，单独添加IL或添加ZDDP和IL复配物，可提高润滑油的中心膜厚，有效缓解乏油状况。结论 与基础油相比，尤其是在高温环境下，ZDDP和离子液体复配时具有很好的减摩抗磨协同效应；混合润滑条件下，向基础油PAO中单独添加IL或ZDDP和IL复配物时，可有效减缓接触区内的乏油状况。
专题-2044 年国家自然科技基金研究进展
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  含水量与直流干扰电流密度对紫铜在宝鸡土壤中初期腐蚀行为的影响

  刘智勇, 张黎

  表面技术. 2018, 47(6): 131-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.019

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  目的 研究直流干扰下紫铜在宝鸡实地取土中的腐蚀行为，讨论含水量和电流密度对紫铜土壤腐蚀行为的影响，为不同工作环境下紫铜接地材料的适用性提供相应的数据支持。方法 采用动电位扫描的快速评价方法与埋片失重试验相结合，测试了不同含水量与直流干扰条件下紫铜在宝鸡土壤中的腐蚀速率，采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜与拉曼光谱对腐蚀产物及其形貌进行了表征。结果 随着土壤含水量的增加，Cu的腐蚀速率增大，并且在含水量为25%时达到最大，之后腐蚀速率逐渐降低；在含水量为15%的土壤介质中，铜会发生局部腐蚀，含水量高于20%时发生非均匀的全面腐蚀。随着直流干扰电流密度的增大，Cu的腐蚀程度逐渐增强，点蚀坑密度逐渐增大并分布越来越均匀，当电流密度增大到3 mA/cm2时，Cu表面点蚀坑深度增大逐渐减缓，并相互连接成片；在较低电流密度下，Cu试样表面的腐蚀产物为Cu2O和Cu2(OH) 2CO3，随着电流密度的增大，Cu2(OH)2CO3逐渐减少，腐蚀产物主要为Cu2O和CuO。结论 土壤含水量会极大地影响Cu的腐蚀形态和腐蚀程度，在含水量为某一临界值时，Cu的腐蚀速率达到最大。直流干扰促进了紫铜在宝鸡土壤中的腐蚀，并且会影响腐蚀产物的组成。
专题-2050 年国家自然科技基金研究进展
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  硅烷改性椰壳粉对热塑性弹性体表面性能的影响及应用

  程帅

  表面技术. 2018, 47(6): 138-144. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.020

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  目的 研究经硅烷（GPTMS）改性后的椰壳粉（G-CSP）作为添加剂对热塑性弹性体（TPE）表面性能的影响及其潜在应用。方法 通过热压法制备G-CSP质量分数为0%、5%、10%和15%的G-CSP-TPE样品，采用Alpha红外光谱仪对GPTMS、CSP和G-CSP进行红外光谱试验。用MFP-D三维形貌仪观测G-CSP-TPE样品的表面形貌，在JC2000CS接触角测量仪上测试不同液体在G-CSP-TPE表面的静态接触角。基于陶瓷球与G-CSP-TPE组成的摩擦副，在MFT-5000摩擦磨损试验机上研究不同载荷和滑动速度下液体介质的摩擦性能。结果 红外光谱显示，GPTMS中的某些官能团成功地接枝到CSP中。随着G-CSP质量分数的增加，试样表面粗糙度和接触角均呈增加趋势。去离子水和葵花油的平均摩擦系数与滑动速度和载荷有关，当滑动速度超过2 mm/s时，其平均摩擦系数总体上与载荷呈负相关，在0.8 N和4 mm/s的条件下，去离子水和葵花油的平均摩擦系数差值最大。与其他样品相比，含10%G-CSP的G-CSP-TPE样品区别去离子水和葵花油平均摩擦系数的能力更强，基于该样品，脂肪含量为3.6 g和4.4 g的100 mL两种牛奶的平均摩擦系数分别为0.68和0.576。结论 经GPTMS改性后的CSP能够改善TPE的表面性能，含10%G-CSP的G-CSP-TPE样品最有可能被应用于食品口感评价和功能食品的研发。
专题-2055 年国家自然科技基金研究进展
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  自配副铜的离子液体-化学镀银膜复合润滑

  表面技术. 2018, 47(6): 145-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.021

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  目的 考察高接触应力下自配副铜在离子液体-银膜（化学镀银膜和电镀银膜）复合润滑下的摩擦学性能，比较化学镀银膜与电镀银膜的差别。方法 在T2铜表面分别制备了化学镀银膜和电镀银膜，采用栓盘接触式往复滑动摩擦磨损试验机，在平均赫兹接触应力为0.77 GPa和滑动速率为0.76 mm/s的条件下，评价了两种银膜（盘）与铜（栓）在离子液体LP108润滑下的摩擦学性能。结果 在无润滑条件下，自配副铜出现高摩擦系数（2.5）、严重粘着磨损。相同条件下，在含磷氟的LP108润滑下，自配副铜发生中等程度的粘着磨损。银膜和离子液体复合润滑可有效改善自配副铜的摩擦学性能，电镀银膜的稳态摩擦系数为0.5左右，而化学镀银膜抗粘着性能更佳，其摩擦系数为0.3左右。结论 离子液体-银膜复合润滑有效降低了自配副铜在高接触应力下的粘着，从而改善了摩擦学性能。在离子液体润滑下，化学镀银膜在摩擦界面形成数十纳米厚的转移膜（栓）和摩擦层（盘），从而有良好的抗粘着性能。
专题-2061 年国家自然科技基金研究进展
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  热喷涂热障涂层孔隙与涂层性能关系研究进展

  表面技术. 2018, 47(6): 151-160. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.022

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  孔隙在热障涂层中较为常见，孔隙对热障涂层的性能有利有弊。对热障涂层陶瓷层中孔隙的形成机理进行了综合分析，总结了热障涂层孔隙结构的调控方法，讨论了孔隙结构特征对热障涂层隔热性能和力学性能的影响。孔隙结构的引入将引起力学性能的下降，同时降低热障涂层的热导率，提高隔热效果。孔隙结构特征参数包括孔隙形状、孔隙间距、孔隙倾斜角、孔隙高宽比等，其中孔隙的倾斜角和高宽比对涂层导热性能的影响尤为重要，是孔隙结构的关键特征参数。通过原始粉末孔隙结构的保留、造孔剂（有机造孔剂、无机造孔剂）的搭配造孔、制备工艺（临界等离子喷涂参数、粒子扁平率等）的调节以及后续的孔隙处理，可实现热障涂层孔隙结构的调控。在实际应用过程中应同时兼顾力学性能和隔热性能，最重要的是保证热障涂层的有效寿命，需要综合考虑力学性能与导热性能的匹配。通过热障涂层孔隙结构特征的设计及分布控制，可实现孔隙结构高性能、高可靠性热障涂层的制备。
专题-2068 年国家自然科技基金研究进展
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  柴油发动机活塞用铝基材料研究进展及失效分析

  杨忠

  表面技术. 2018, 47(6): 161-168. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.023

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  活塞作为柴油发动机的核心部件之一，恶劣的服役工况对其材料有特殊的要求。概述了活塞用铝基材料的发展状况，包括合金系（Al-Cu-Si系、Al-Cu-Ni-Mg系、共晶型Al-Si-Cu-Mg系和过共晶型A1-Si-Cu-Mg系）与复合材料系（SiC/Al基复合材料、Al2O3/Al基复合材料和TiC、TiB2/Al基复合材料等），并介绍了不同材料的适用范围。同时，归纳了常见活塞铝基材料的失效机制，包括磨损、机械损伤以及顶部开裂等。其中，活塞因磨损造成的失效在统计活塞失效机制中所占比例较大，具体可分为粘着磨损失效和磨粒磨损失效。针对活塞磨损失效提出了相关改善措施，如材料成分选取和制备方法选取等。此外，针对柴油发动机在实际运行工况中，因活塞所处部位存在润滑油不完全燃烧造成的含硫、氮等腐蚀性气氛而加速磨损的问题，可依托该气氛与相应增强相的反应，使其接触表面生成自润滑膜而减少甚至抑制磨损，进而延长柴油发动机活塞的使用寿命。
表面强化及功能化
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  舰船甲板用耐烧蚀涂层结构与性能的研究

  张巍, 马磊, 赵许群, 王晓东, 张涛

  表面技术. 2018, 47(6): 169-173. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.024

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  目的 通过双层涂层材料结构，获得性能优良的适用于舰船甲板的耐烧蚀涂层。方法 以环氧树脂为底层基体材料，加入不同的助剂和填料，再以莫来石为表层基体材料，加入不同的耐火原料，制备出一种适用于舰船甲板的耐烧蚀涂层。通过附着力和剪切力测试对耐烧蚀涂层的底层进行性能研究，通过常温抗折强度、常温耐压强度、耐火度、导热系数、热膨胀系数测试对耐烧蚀涂层的表层进行性能研究，通过耐盐雾性能、老化性能、耐冲击性能、隔热性能和耐烧蚀性能测试对耐烧蚀复合涂层进行性能研究。最后，考察了耐烧蚀涂层的涂抹工艺。结果 该耐烧蚀涂层材料底层附着力为24.03 MPa，剪切力为7.8 MPa，表层耐火度为1580 ℃，常温抗折强度为9.1 MPa，耐压强度为65.7 MPa，导热系数为0.762 W/(m?K)。涂层具有良好的耐盐雾性能、老化性能、耐冲击性能、隔热性能和耐烧蚀性能。结论 该耐烧蚀涂层材料可用于舰船甲板表面的外防护，并且具有良好的涂抹施工性。
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  铁镍磁性涂层碳纤维软磁性能及电磁屏蔽效能的研究

  王畅, 纪长松, 岳建岭, 黄小忠, 杜作娟, 唐秀之

  表面技术. 2018, 47(6): 174-180. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.025

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  目的 制备兼具良好电磁屏蔽效能和软磁性能的新型屏蔽材料。方法 采用化学镀的方法在碳纤维表面制备FeNi合金涂层和Ni涂层。运用SEM、EDS、XRD分析涂层碳纤维的形貌、成分和镀层结构。通过VSM研究其软磁性能。采用万用表测量其电阻并计算电导率。利用网络矢量分析仪测量其电磁参数并计算其电磁屏蔽效能，进而对FeNi合金涂层碳纤维和Ni涂层碳纤维的上述性能进行对比。结果 金属镀层均匀且晶粒细小。FeNi合金涂层碳纤维的矫顽力为29.25 Oe，饱和磁化强度为25.61 emu/g。在7.92~18 GHz频率范围内，FeNi合金涂层碳纤维的电磁屏蔽效能均在30 dB以上，峰值为40.79 dB。结论 金属涂层能使碳纤维具有软磁性能，并能有效地调整其电磁参数，进而显著提高其电磁屏蔽效能。与Ni涂层碳纤维相比，FeNi合金涂层碳纤维的上述性能更加优异。该研究为兼具良好电磁屏蔽效能和软磁性能的新型屏蔽材料的制备提供了新方案。
表面摩擦磨损与润滑
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  CrAlSiN涂层与不同材料配副时的摩擦学特性

  韦春贝, 唐明, 林松盛, 代明江, 侯惠君, 李洪

  表面技术. 2018, 47(6): 181-187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.026

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  目的 研究CrAlSiN涂层分别与304不锈钢、TC4钛合金、Al2O3陶瓷和GCr15钢四种不同材料配副时的摩擦学特性。方法 采用阴极电弧离子镀技术在M35高速钢上制备了CrAlSiN涂层，采用扫描电镜（SEM）、显微硬度计、划痕仪、球-盘式摩擦磨损试验仪和3D轮廓仪分别测试了涂层的结构和性能。结果 CrAlSiN涂层与304不锈钢、TC4钛合金和GCr15钢配副时的磨损形式为粘着磨损和磨粒磨损，其中与亲和性高的304不锈钢、TC4钛合金粘着磨损严重。CrAlSiN涂层与不锈钢对磨时，摩擦系数最高，达到0.71；与GCr15钢对磨时，摩擦系数最低，但摩擦系数波动大；与钛合金对磨时，摩擦系数介于两者之间。CrAlSiN涂层与亲和性较差的Al2O3陶瓷之间的磨损形式为磨粒磨损，随着磨损的进行，摩擦系数逐渐降低。结论 CrAlSiN涂层与亲和性较高的材料对磨时，磨损形式为粘着磨损和磨粒磨损，与亲和性较差的Al2O3对磨时为磨粒磨损。
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  氧化时间对微弧氧化膜电接触微动磨损行为的影响

  崔叶, 蔡振兵, 刘新龙, 李正阳, 朱旻昊

  表面技术. 2018, 47(6): 188-194. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.027

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  目的 研究不同氧化时间的铝合金表面微弧氧化涂层在电接触条件下的微动磨损行为，并探讨其磨损机理。方法 通过控制氧化时间（10、20、30、40、50、60、70 min），在铝合金表面制备不同表面状态的微弧氧化涂层，并利用四线接触法研究其在电接触条件下接触电阻的变化，通过分析摩擦系数、F-D曲线、磨损形貌、三维轮廓及磨痕化学成分来揭示其微动磨损机理。结果 电接触微动磨损下，氧化不同时间形成的微弧氧化涂层在相同电接触微动磨损条件下的耐磨性存在明显差异，进而影响其电接触行为。氧化10 min时，涂层磨损最严重，磨损区域的涂层迅速失效，从而导致铝合金基体外露，接触电阻骤降至零；氧化50 min时，涂层厚度最大，具有良好的耐磨性，缓减了接触电阻的衰减，接触电阻曲线在衰减过程中受到磨斑表面裂纹的影响而产生波动。结论 氧化时间会影响微弧氧化膜表面形貌、粗糙度以及厚度，对其在电接触条件下的微动磨损行为影响较大。
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  活塞环表面织构化镀层的摩擦性能研究

  万轶, 李建亮, 熊党生

  表面技术. 2018, 47(6): 195-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.028

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  目的 以缸套/活塞环为试验对象，研究激光织构化与固体润滑镀层的协同减摩作用。方法 采用脉冲激光在活塞环表面进行微孔化处理，利用电脉冲沉积法在微孔内制备具有不同MoS2微粒浓度的Ni-MoS2复合镀层，通过往复式摩擦试验研究织构化表面沉积固体润滑剂对活塞环-缸套的影响机制。结果 镀液中MoS2微粒浓度对镀层的硬度和摩擦学性能影响较大，相同电流密度下，电镀液中MoS2微粒的质量浓度为5 g/L时的镀层硬度最高，该浓度下Ni-MoS2复合镀层在干摩擦下具有最佳的摩擦系数和最低的磨损率。织构化复合镀层可以显著改善接触面间的摩擦性能，相比未织构化摩擦配副，摩擦系数降低约0.2，磨损率下降50%。结论 干摩擦条件下，表面织构可以有效地储存摩擦副之间的固体润滑剂和磨粒，在接触表面形成连续润滑膜，减少磨粒磨损。
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  直齿圆锥齿轮的时变弹流润滑分析

  魏聪, 周亚博, 王优强, 龙慎文

  表面技术. 2018, 47(6): 202-209. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.029

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  目的 研究直齿圆锥齿轮传动过程中稳态和非稳态下的压力和膜厚，为降低直齿圆锥齿轮的表面磨损及齿轮设计提供理论指导。方法 将一对直齿圆锥齿轮等效为一对圆锥滚子模型，运用无限长线接触理论，建立直齿圆锥齿轮啮合过程中的弹流润滑计算模型，先对直齿圆锥齿轮进行等温稳态弹流润滑分析，计算并分析了直齿圆锥齿轮大端和小端啮入、啮出点的油膜压力及油膜厚度，求解并分析了小端啮合区间五个特殊点的油膜压力和膜厚。考虑瞬态时变效应的影响，计算并分析了直齿圆锥齿轮在三个特殊瞬时点的油膜压力和油膜厚度。最后研究齿面在高斯分布粗糙度函数和余弦粗糙度函数作用下的弹流润滑数值解，在此基础上计算了不同幅值和波长下的油膜压力和油膜厚度。压力求解采用多重网格法，弹性变形采用多重网格积分法。结果 稳态等温条件下，小端啮入点和啮出点的出口油膜厚度略小于大端，小端啮合区间的最小油膜厚度从啮入点到啮出点逐渐增大。在瞬态时变效应下，啮入点的油膜压力大于节点和啮出点的油膜压力，其油膜厚度较其他两个瞬时点的油膜厚度小。高斯分布粗糙度函数作用下的油膜压力在赫兹接触区有明显的局部压力峰，油膜厚度在赫兹接触区有局部波动；余弦粗糙度函数作用下的油膜压力和油膜厚度在赫兹接触区有波动，且粗糙度幅值和波长越大，波动程度越明显。结论 采用高斯分布粗糙度函数时，油膜压力的变化相对比较缓和，采用余弦粗糙度函数的最大油膜压力小于采用高斯分布粗糙度函数的最大油膜压力，和高斯分布粗糙度函数相比，余弦粗糙度函数下的油膜厚度在赫兹接触区呈现周期性波动。
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  铜基自润滑材料及其摩擦学性能研究

  杜平, 张伟, 刘志兰, 林丽, 张向军, 周鹏飞

  表面技术. 2018, 47(6): 210-217. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.030

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  目的 对比研究铜基石墨复合材料耐磨层（SY-01）以及铜基聚四氟乙烯复合材料耐磨层（SY-02）的各种性能，以期选择最佳耐磨板材料。方法 利用扫描电镜及配套的能谱分析仪分析两种耐磨层的微观结构及化学成分，利用压汞法测试耐磨层的孔隙分布以及孔隙率值，并分析两种耐磨层的显微硬度及抗冲击性能。此外，还采用SRV-4高温摩擦磨损试验机测试两种耐磨层的摩擦学性能。结果 SY-01试样耐磨层的孔隙率为28.04%，SY-02试样耐磨层的孔隙率为7.43%。SY-01耐磨层的显微硬度分布比较均匀，平均硬度为52.75HV0.5；SY-02耐磨层不同位置的显微硬度值相差较大，共混区的硬度在32HV0.5左右。相同摩擦工况下，SY-01试样磨痕深度为3.50 μm，SY-02试样磨痕深度为11.0 μm，约为SY-01试样磨痕深度的3倍。结论 SY-01耐磨层的显微硬度、抗冲击性能以及摩擦学性能均优于SY-02耐磨层。SY-01耐磨层的摩擦磨损机制表现为磨粒磨损和粘着磨损，SY-02耐磨层的摩擦磨损机制主要为磨粒磨损。
表面失效与防护
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  X65和X80管线钢在大港模拟土壤溶液中的阴极保护参数研究

  陈迎春, 王新华, 王翠, 王祖全, 郑刚

  表面技术. 2018, 47(6): 218-223. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.031

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  目的 为管道安全运行提供支撑。方法 通过搭建室内实验系统，基于极化曲线法和电化学阻抗谱法（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS），对X65和X80管线钢在大港模拟土壤溶液中的阴极保护参数进行系统的实验及理论研究。结果 通过分析X65和X80管线钢的极化曲线，发现在大港模拟土壤溶液中，X65管线钢的阴极保护电位范围为－400～－1200 mV，而X80管线钢的阴极保护电位范围为－400～－1150 mV。基于X65和X80管线钢的EIS结果，通过研究电荷转移电阻Rt随阴极极化电位Ee,c的变化趋势，进一步探明在大港模拟土壤溶液中，X65管线钢的析氢电位为－970 mV，最佳保护电位为－850 mV，而X80管线钢的析氢电位为－960 mV，最佳保护电位为－800 mV，从而明确了在大港模拟土壤溶液中，X65管线钢析氢电位小于X80管线钢的析氢电位。结论 探明了X65和X80管线钢在大港模拟土壤溶液中的阴极保护参数，发现X65管线钢的析氢电位及最佳保护电位均小于X80管线钢，为X65和X80管线钢的阴极保护提供了一定理论依据。
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  某油田316L/L360NB机械式双金属复合管失效行为及原因分析

  李磊, 邝献任, 姬蕊, 丁晗, 付安庆, 白真权

  表面技术. 2018, 47(6): 224-231. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.032

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  目的 针对某油田316L/L360NB机械式双金属复合管的穿孔问题，开展失效行为及原因分析，为此类管道的失效控制提供理论依据。方法 基于此失效管样的生产标准和服役工况，通过宏观检查、无损检测、化学成分分析、金相组织分析、硬度分析、扫描电镜及能谱分析等方法，结合焊接工艺规范，综合分析其穿孔失效原因。结果 该失效管样的316L衬管和L360NB基管外径、壁厚、化学成分和硬度均符合相关标准要求，金相组织未见异常。其封焊已焊穿衬管，金相组织为马氏体，未见其他焊接缺陷。点蚀均发生在封焊，腐蚀产物的主要化学元素为C、O、Fe，并含有少量的Cl。316L衬管未见腐蚀，封焊区的耐蚀性最差。结论 该双金属复合管的失效行为是局部内腐蚀穿孔，失效原因是由于不当的封焊操作致使封焊焊穿衬管，导致耐蚀性较低的封焊在高Cl?腐蚀环境中发生点蚀。封焊腐蚀穿透后，衬管与基管构成电偶腐蚀，使得耐蚀性差的碳钢基管迅速腐蚀穿孔。建议对机械式双金属复合管采用堆焊耐蚀性更好的焊材进行管端封口，以有效防止失效的再次发生。
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  模拟地热水环境中Ni-P-ZrO2纳米复合涂层的防腐性能研究

  蔡永伟, 全学军

  表面技术. 2018, 47(6): 232-239. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.033

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  目的 研究Ni-P-ZrO2纳米复合涂层在地热水中的抗腐蚀性能。方法 通过超声分散结合表面活性剂等方式在Ni-P化学镀溶液中添加纳米ZrO2颗粒，在不锈钢基底上制备出Ni-P-ZrO2复合涂层。用SEM和EDS分析涂层的表面形貌和元素组成，并在50 ℃的模拟地热水中使用Tafel和EIS等电化学测试技术分析涂层的抗腐蚀性能。结果 制备出的Ni-P-ZrO2复合涂层致密无孔。Ni-P-ZrO2纳米复合涂层在地热水中的年腐蚀速率相比不锈钢基底下降80%以上，相比Ni-P涂层下降20%以上。Ni-P-ZrO2纳米复合涂层在地热水中腐蚀15 d后，低频处的阻抗|Z|f=0.01 Hz急剧下降，涂层电阻Rct也下降了近两个数量级。结论 相比Ni-P涂层及不锈钢基底，Ni-P-ZrO2纳米复合涂层具有较好的抗腐蚀性能，ZrO2添加量最大的Ni-P-ZrO2纳米复合涂层具有最好的抗腐蚀效果。Ni-P-ZrO2纳米复合涂层经长时间腐蚀浸泡后，抗腐蚀能力明显下降。
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  氢扩散与裂纹尖端应力场耦合效应的有限元分析

  张显, 国凤林

  表面技术. 2018, 47(6): 240-245. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.034

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  目的 研究氢鼓包形成过程中应力诱导下氢原子的扩散聚集行为，并考虑氢原子扩散聚集后对裂纹尖端区域应力场的影响，探究裂纹尖端区域氢浓度、氢气压强、应力强度因子随时间的演化历程。方法 采用有限元软件ABAQUS，通过一个完全耦合分析，探究氢扩散与裂纹尖端区域应力场相互影响的动态过程。借助于断裂力学中的裂纹扩展判据判定氢鼓包是否会继续向前扩展。结果 在应力诱导作用下，氢原子源源不断地向裂纹尖端高应力区域聚集，裂纹尖端区域的氢浓度、氢压、应力强度因子随时间呈指数型增长。结论 在浓度梯度作用下，氢原子会向材料内部扩散。氢压引起的应力场会促进氢原子的扩散聚集行为，且应力场越大，促进作用越明显，使得缺陷处的氢浓度不断增大，氢压也就越来越大。当应力强度因子达到裂纹起裂的临界值时，就会导致开裂，形成氢鼓包，如此循环往复，直至氢鼓包开裂。
表面质量控制及检测
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  各向异性自相关长度对三维计算机模拟表面参数的影响

  惠玉祥, 王悦昶, 刘莹

  表面技术. 2018, 47(6): 246-251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.035

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  目的 研究计算机模拟过程中不同自相关长度对重构后表面表征参数的影响。方法 采用新FFT方法，保持特定参数（高度均方根、偏态、峰值）不变，对不同自相关长度（3、10、30、100）在两个方向上的不同组合，进行了共16次三维粗糙表面形貌计算机模拟实验，并从不同方向自相关长度组合的角度，对与形貌特征关联度较高的参数影响进行了分析。结果 算数平均峰曲率、峰密度、均方根斜率总体上和两个方向上的自相关长度呈负相关，而最快下降自相关长度与两个方向上的自相关长度呈正相关，纹理高宽比与两个方向的自相关长度是否接近有关，其中峰密度、最快下降自相关长度都对不同自相关长度中的较小自相关长度比较敏感，而对较大自相关长度的变化反应较小，算数平均峰曲率、均方根斜率则表现出相同的较高敏感性。结论 表面表征参数中的高度分布参数和自相关长度没有关系，而结构比例方面的参数和自相关长度关联显著。
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  基于磁流变技术的微孔内壁抛光装置研制及性能研究

  周悦, 王雨婷, 伊福廷, 王波, 刘静, 张天冲

  表面技术. 2018, 47(6): 252-257. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.036

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  目的 基于磁流变技术研制适用于微孔内壁抛光的装置。方法 利用磁流变抛光液的性质，借鉴传统的抛光原理，设计并研制了适用于微孔内壁抛光的抛光装置，并对该装置进行了一系列的性能研究。基于该微孔内壁抛光装置对多孔镍样品及平片硅样品进行了不同条件下的抛光研究，并对抛光结果进行了分析。结果 此抛光装置的性能研究结果表明，该装置产生的交变磁场均匀、稳定，符合模拟预期，可用于进一步的样品抛光研究。利用此抛光装置，虽然在多孔镍样品的抛光上没有较为明显的效果，但平片硅样品的粗糙度却由1.24 nm下降至0.56 nm，具有较大改善。在平片硅样品的抛光研究中，进一步发现随着时间的增加，其粗糙度不断下降。结论 自行搭建的基于磁流变技术的微孔内壁抛光装置可对平片硅进行抛光。
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  以107硅橡胶为基体的粘弹性磁性磨具制备及实验研究

  王栋梁, 李秀红, 李文辉, 杨胜强

  表面技术. 2018, 47(6): 258-264. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.037

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  目的 为解决当前粘弹性磁性磨具制备工艺复杂、使用寿命短且加工过程易分解等问题，研制一种以107硅橡胶为基体的粘弹性磁性磨具，并通过加工实验研究了粘弹性磁性磨具流动性、自身配比和加工转速对工件光整加工效果的影响。方法 选用新制备的粘弹性磁性磨具对铝合金管外圆表面进行光整加工实验，选取不同交联剂含量的新磨具对其进行加工实验，分析基体流动性对光整加工效果的影响；选取不同的工件转速进行加工实验，分析工转速对光整加工效果的影响；选取铁磁相和磨粒相比例不同的新磨具进行加工实验，分析铁磁相和磨粒相比例对粘弹性磁性磨具光整加工效果的影响；选取磨粒相粒径不同的新磨具进行加工实验，分析磨粒相粒径对光整加工效果的影响。结果 当107硅橡胶为20 g、羰基铁粉为15 g、碳化硅为5 g、甲基硅油为1 g、软化剂为1 g、交联剂为0.14 g、工件转速为350 r/min、磨粒相粒径为600目时，可将工件表面粗糙度值Ra由0.299 μm下降到0.113 μm，Ra值相对下降率约为62.2%，加工效果最好。结论 新制备的磨具有性能稳定、制备方便、可根据不同工况调整流动性等优点。
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  超声磁粒复合研磨对石英玻璃管内表面的光整研究

  刘顺, 韩冰, 陈燕, 许召宽

  表面技术. 2018, 47(6): 265-270. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.038

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  目的 探究超声磁粒复合研磨对石英玻璃管内表面管研磨的可能性，分析有无辅助磁极及不同粒径的研磨粒子对内表面的影响。方法 在石英玻璃管内表面添加辅助磁极并辅助超声磁粒复合研磨装置，加快磨粒的翻滚，提高抛光质量和效率。结果 采用超声磁粒复合研磨装置，选用150、250、350 μm三种粒径的研磨粒子分别进行研磨实验，研磨40 min后，150 μm的研磨粒子表面粗糙度值从原始4.4 μm下降到1.2 μm，250 μm的研磨粒子表面粗糙度值下降到0.2 μm，350 μm的研磨粒子表面粗糙度值下降到0.6 μm。对比传统磁粒研磨装置与超声磁粒复合研磨装置，保持研磨粒子粒径为250 μm，经40 min研磨，在传统磁粒研磨装置上未添加辅助磁极，石英玻璃管内表面粗糙度值从原始4.4 μm下降到2.8 μm；在传统磁粒研磨装置上添加辅助磁极，粗糙度值从原始4.4 μm下降到1.1 μm；在超声磁粒复合研磨装置上添加辅助磁极，粗糙度值从原始4.4 μm下降到0.2 μm。 结论 在石英玻璃管内表面添加辅助磁极后，表面粗糙度值得到下降。采用超声磁粒研磨装置使石英玻璃管内表面粗糙度值在原有基础上进一步下降，且选用粒径为250 μm的研磨粒子最佳。加工后，工件内表面的加工均匀性显著提升，原始缺陷和原始波峰基本去除。
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  硒化锌晶体精细雾化抛光液及去除机理研究

  李庆忠, 施卫彬, 夏明光

  表面技术. 2018, 47(6): 271-276. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.039

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  目的 配制适合硒化锌雾化施液化学机械抛光的最优抛光液。方法 选取氧化铝磨粒、pH调节剂四甲基氢氧化铵、氧化剂过氧化氢、表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮为主要活性成分，以材料去除速率和表面粗糙度为评价指标，通过正交试验对硒化锌晶体进行精细雾化抛光，分析材料去除机理，并与传统抛光对比。结果 氧化铝质量分数为9%、pH值为11、过氧化氢含量为3.5%、聚乙烯吡咯烷酮含量为0.75%时，材料去除率较高，为923.67 nm/min，同时表面粗糙度较小，为2.13 nm。在相同工况条件下，传统抛光材料的去除率和表面粗糙度分别为965.53 nm/min和2.27 nm。结论 抛光液各组分对试验结果影响最大的为氧化铝磨粒，然后依次为氧化剂、pH值、表面活性剂。精细雾化抛光效果与传统抛光相近，但抛光液用量仅为后者的1/8。
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  一种非线性扩散与图像差分的金属表面缺陷检测方法

  安宗权, 王匀

  表面技术. 2018, 47(6): 277-283. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.06.040

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  目的 为检测金属产品表面缺陷提供一种有效的方法，希望可以对金属产品表面质量进行监控。方法 首先，引入自适应中值滤波方法对原始图像中的噪声进行滤除，以提高金属表面缺陷的检测正确度。然后，利用图像梯度的倒数对传统的P-M非线性扩散模型中的扩散因子进行改进，使得金属表面图像中梯度值较大的区域得以平滑，同时保持其他区域的平滑度不变。将金属表面的原始图像与经过非线性扩散后的图像进行图像差分运算，以消除光照度对金属表面图像的影响，获取均匀背景的金属表面图像，使得缺陷区与非缺陷区的对比度得以增强。最后，通过差分图像中图像块的标准差构造自适应二值化模型，对差分图像进行二值化，以提取金属表面的缺陷区域，实现对金属表面缺陷的准确检测。结果 通过对具有划痕、裂纹、缺口以及锈斑缺陷的图像进行检测表明，该方法能够对金属表面缺陷进行准确的检测。结论 所设计的方法能对金属表面缺陷进行检测，并且检测精度也优于当前其他金属表面缺陷检测方法。