2018年, 第47卷, 第9期　
刊出日期：2018-09-20

  

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表面强化及功能化
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  织构化表面改性及其在生物材料上的应用

  秦立果, 杨浩, 刘斌, 张辉, 冯新安, 张雅利, 董光能

  表面技术. 2018, 47(9): 1-11. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.001

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  表面织构化（Surface texturing）改性是指根据材料属性选择合适的加工手段，在相对运动的摩擦副表面引入具备特定形状、尺寸、分布和排列的微观结构阵列，从而实现摩擦副摩擦学性能的调控。随着生物材料的迅速发展，生物界面的摩擦学问题是制约其服役安全与寿命的关键因素。表面改性（如合理的表面织构化设计）因强大的润滑优化功能，由此受到科研工作者的广泛关注。在生物材料服役寿命需求日益增加的背景下，首先分析和总结了典型生物材料产品—人工关节在人体服役过程中的失效原因，并将其分为了摩擦学和生物学问题，由此提出了通过表面织构化技术改进人工关节材料的耐磨性和增强其生物相容性，最终达到实现长寿命人工关节服役的目的。详细地论述了近年来表面织构在生物材料上的研究进展，分析了表面织构化参数，如形状、尺寸及排布等对摩擦学性能的影响，考察了不同织构对摩擦副在不同运动工况下承载力及耐磨性的影响，阐述了表面织构的减摩耐磨机理。最后讨论了表面织构对细胞接触引导生长的调控，如对细胞的粘附状态、形态、增殖和分化能力的影响，尽管利于细胞生长的尺寸小于润滑优化的尺寸，但通过多层次或复合设计可望实现生物相容性与摩擦学性能改善相兼具的目标。最后在现有人工关节材料表面改性的研究基础上，对延长人工关节服役寿命的研究方向、发展趋势和应用领域进行了展望。
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  喷丸强化改善点式移动感应淬火42CrMo钢残余应力数值模拟分析

  孟庆帅, 汪舟, 甘进, 杨莹, 伍刚, 钟汉烈, 熊勋, 高恺, 甘小燕

  表面技术. 2018, 47(9): 12-20. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.002

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  目的 建立喷丸强化模型，模拟点式移动感应淬火零件过渡区残余拉应力改善情况。方法 采用X射线衍射法，测量感应淬火零件过渡区残余应力分布情况，获得的残余应力作为初始应力条件被赋予到喷丸强化模型中，并通过X射线残余应力测试验证模型预测残余应力的准确性。最终通过被验证的喷丸强化模型，探究喷丸处理对初始残余应力状态的改善情况，以及不同喷丸参数对残余应力分布的影响。结果 经喷丸强化处理过的淬火零件过渡区表层区域残余拉应力全部转变为残余压应力，不同残余应力状态模型喷丸后残余应力分布差异极小，说明初始残余应力状态对喷丸后残余应力分布的影响微乎其微。增加喷丸速度、弹丸直径和喷丸覆盖率可使残余压应力值增大，残余压应力层深增加，但是二者的增加存在饱和现象，即达到一定程度后变化非常小。结论 喷丸强化前，过渡区残余拉应力最大值为295 MPa，喷丸处理后，过渡区残余压应力最大可达?973 MPa，喷丸强化工艺对点式移动感应淬火零件过渡区残余应力改善效果明显。
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  钛合金表面激光熔覆制备羟基磷灰石生物陶瓷涂层的研究现状

  王迎春, 赵素, 祁丽霞, 耿铁, 邓琦林, 张世兴, 郑玉峰

  表面技术. 2018, 47(9): 21-27. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.003

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  利用激光熔覆技术在医用钛金属表面制备生物活性陶瓷羟基磷灰石（HAP）涂层，是近年来世界各国生物医用植入材料及相关领域的研究热点之一。首先简要概括了HAP生物陶瓷涂层材料的特点与意义，介绍了医用钛金属材料与生物陶瓷材料的历史发展与特点，指出了已有技术制备的生物陶瓷涂层在制备与应用中存在的优缺点，介绍了激光熔覆制备生物陶瓷涂层的特点与优点。综述了国内外钛及钛合金表面激光熔覆制备HAP生物陶瓷涂层、激光快速成形生物陶瓷涂层及相关材料的研究特点、现状与进展。重点介绍了激光熔覆不同成分原材料、添加稀土成分与不同波长激光制备生物陶瓷涂层的机理，及激光熔覆制备生物陶瓷涂层的特点与优缺点。激光熔覆制备生物陶瓷涂层及相关材料是一个多学科交叉的研究领域，通过对钛合金的激光表面改性，激光熔覆制备生物陶瓷涂层在理论研究与临床应用上具有广阔的前景。最后对激光熔覆工艺制备合成HAP生物陶瓷涂层未来的研究方向进行了讨论与展望。
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  曲面金属表面粒子掩膜电沉积微坑阵列研究

  秦歌, 周奎, 明平美, 张新民, 刘凯瑞

  表面技术. 2018, 47(9): 28-33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.004

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  目的 在曲面金属表面制作微结构阵列。方法 提出一种采用界面转移法在曲面金属零件表面制作胶体粒子掩膜，并在胶体粒子间隙中电沉积金属制作微坑阵列的工艺。采用扫描电子显微镜和接触角测量仪，对沉积层的表面形貌和润湿性能进行检测。结果 采用界面转移法可以在金属零件表面形成均匀排列的单层胶体粒子掩膜，在0.3 A/dm2的电流密度下电沉积20 min去除粒子掩膜后，在曲面金属零件表面得到均匀排列的微坑阵列，单个微坑尺寸约为3.4 μm。在0.3 A/dm2的电流密度下电沉积10~50 min，微坑的尺寸随电沉积时间的增大而增大，疏水性随微坑尺寸的增大而先增大后减小，微坑尺寸为5 μm左右时，沉积层的疏水性最好，其圆柱面接触角约为120?。结论 采用界面转移方法制作胶体粒子掩膜并结合电沉积工艺，可以在曲面金属表面制作均匀的微坑阵列。带有微坑阵列的沉积层为疏水表面，通过调节电沉积电流密度和沉积时间可获得疏水性最好的微坑结构阵列。
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  锆合金表面CrAl基耐高温涂层及氧化行为研究

  吴亚文, 贺秀杰, 张继龙, 马显锋, 施惠基

  表面技术. 2018, 47(9): 34-41. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.005

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  目的 了解锆合金和涂层的高温氧化行为，通过表面涂层提升锆合金的耐高温氧化性能。方法 采用多弧离子镀技术在锆合金基体上制备了CrAlN、CrTiAlN涂层，模拟反应堆失水（LOCA）事故时的高温氧化行为，在360~1160 ℃下进行1 h氧化测试，对原始锆合金和带涂层样品的氧化增重行为进行了研究。通过X射线衍射和扫描电子显微镜对氧化前后样品的物相结构和形貌进行系统表征分析。结果 锆合金在760 ℃及以下形成深色的混合型锆氧化膜，在860 ℃以上呈现龟裂和局部剥落。两种涂层氧化时，通过形成致密的Cr2O3和Al2O3混合氧化层，显著降低了氧化增重。CrAlN涂层在760 ℃时具有较好的抗氧化性，1060 ℃时开裂而失去保护作用。CrTiAlN涂层在860 ℃时能保护基体不受氧化，1060 ℃时局部开裂，基体开始出现氧化层。结论 利用多弧离子镀技术制备的锆合金表面CrAlN和CrTiAlN涂层，在模拟反应堆LOCA事故下具有良好的耐高温氧化性，显示出这两种涂层有潜力发展成为核用事故容错燃料（ATF）包壳涂层。
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  相同喷丸强度条件下喷丸强化效果的数值模拟研究

  盛湘飞, 李智, 赵科宇, 程秀全

  表面技术. 2018, 47(9): 42-48. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.006

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  目的 优化喷丸工艺参数的匹配方式，进一步提升喷丸强化效果。方法 采用预定义场和基于移动矢量的快速建模方法，实现了受喷构件表面100%表面覆盖率的喷丸模拟，并借助三维喷丸有限元模型研究了不同喷丸工艺参数匹配方式对受喷构件表面粗糙度、弹丸撞击时的能量转变方式的影响。结果 当喷丸强度均为0.35 mmN时，四种喷丸工艺参数匹配方式对应的表面粗糙度分别为3.156、2.760、2.249、2.081 μm，应力集中系数分别为1.205、1.142、1.103、1.071，动能消耗率分别为89.94%、85.53%、82.86%、80.04%，应变能转化率分别为7.99%、9.67%、11.82%、14.29%。结论 与其他喷丸工艺参数匹配方式相比，所用喷丸工艺参数中弹丸直径愈大、喷射速度愈低，对应受喷构件表面粗糙度和应力集中系数愈小，有利于降低喷丸强化效果的削弱程度。在弹丸撞击初始动能大致相当的情况下，尽管“大弹丸直径+低喷射速度”参数条件下对应的动能消耗率较低，但应变能转化率较高，撞击过程中摩擦耗散能较少，有利于大塑性应变和残余压应力的产生，可获得较好的喷丸强化效果。
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  快速电化学剥离天然脉石墨制备石墨烯用于透明导电薄膜的研究

  周红洋, 后浩, 代文, 孙红岩, 赵文杰, 林正得

  表面技术. 2018, 47(9): 49-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.007

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  目的 开发一种基于电化学剥离天然脉石墨的石墨烯量产制备工艺，并研究其剥离石墨烯的品质，最后验证以该量产石墨烯作为原料制备透明导电薄膜的可行性。方法 以相同的电化学工艺剥离天然脉石墨、高定向热解石墨以及人工石墨制备石墨烯，然后用共聚焦光学显微镜（OM）、扫描探针显微镜（AFM）、拉曼光谱仪（Raman）和X-射线光电子能谱仪（XPS）考察天然脉石墨剥离的石墨烯尺寸和品质，并将其与另外两种石墨烯及基于文献报道的热/化学还原氧化石墨烯进行对比，最后以天然脉石墨剥离的石墨烯制备成透明导电膜并测量其电导率和透光率。结果 以天然脉石墨通过电化学剥离得到的石墨烯主要以1—3层石墨烯为主，平均横向尺寸和厚度分别为5.9 μm和2.4 nm。Raman及XPS分析表明，该石墨烯的品质可与电化学剥离高定向热解石墨得到的石墨烯相媲美，并且优于人工石墨烯和基于热/化学还原的氧化石墨烯的品质。最后以天然脉石墨烯为原料，通过界面自组装及后续的转移工艺于石英基板上制备了透明的石墨烯导电薄膜，在83.1%的透光率下，该薄膜的方阻低至13 kΩ/□，相对于以人工石墨经电化学剥离得到的石墨烯为原料所制备的导电薄膜有较大的提升。结论 以天然脉石墨作为原料并通过电化学剥离得到的石墨烯的尺寸较大、缺陷少、官能化程度低，可应用于透明导电膜的制备，这主要归因于天然脉石墨的致密结晶性及高含碳量。
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  激光织构工艺对铜表面红外激光吸收率的影响

  赵莹, 冯爱新, 杨海华, 程好

  表面技术. 2018, 47(9): 57-64. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.008

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  目的 高功率红外激光进行铜构件加工时，激光吸收率低是阻碍其工业加工、影响加工质量的重要因素，因此拟通过皮秒激光织构预处理工艺，将铜表面红外激光吸收率从低于10%提高至70%以上。方法 从改变铜表面特性着手，利用精密微细加工系统进行凹槽织构处理，通过共聚焦显微镜和扫描电镜对20%~50%激光功率、20~90次扫描次数下的织构特征进行分析，通过反射率检测仪对不同织构下铜表面的红外激光吸收率进行测试。结果 相比原始铜板，织构后铜表面红外激光吸收率有了大幅提高，且十字凹槽织构工艺下的吸收率高于同参数下的平行凹槽织构。在30%激光功率、60次扫描次数的工艺下，形成深度44 mm、间距50 mm、表面粗糙度12.15 mm、倾角75°的十字凹槽织构，铜表面红外激光吸收率达86.75%。结论 织构深度、表面粗糙度、氧化物是影响吸收率的重要因素，经过“周期性微米级织构-相爆炸喷溅颗粒物-形成黑色CuO层”三个过程，对应“光自陷织构-表面喷溅颗粒物-CuO层”三步吸收，织构工艺能够将铜表面红外激光吸收率提高近9倍。
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  抗菌元素对纳米TiO2涂层结构和性能的影响

  路怀峰, 陆健, 宋小霞, 吕晨, 叶丹丹, 赵晓兵, 王国成

  表面技术. 2018, 47(9): 65-73. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.009

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  目的 为克服纳米氧化钛在黑暗条件下不具有抗菌效果这一缺点，使用抗菌金属元素Cu、Zn和Ag掺杂以提高其抗菌性能。方法 利用大气等离子喷涂技术在钛合金表面制备Cu、Zn和Ag掺杂的TiO2复合涂层。利用X射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱仪（Raman）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM），对涂层的物相组成和表面形貌进行表征。利用接触角测量仪、三位轮廓仪、电化学工作站和电感耦合等离子体原子发射光谱，对涂层的亲水性、表面粗糙度、耐腐蚀性能和抗菌离子释放情况进行表征。利用细菌和涂层共培养实验来评价涂层的抗菌效果。结果 抗菌金属元素掺杂没有改变TiO2涂层的主要相结构，涂层主要由金红石相组成。涂层具有微米级的表面粗糙度，表面由粒径小于50 nm的粒子组成。掺杂使TiO2涂层的亲水性略有降低。Cu掺杂的涂层的耐腐蚀性能大幅提升，抗菌金属离子在各涂层中都可以释放，且Cu掺杂涂层中的释放量最高。与细菌共培养24 h之后，TiO2涂层没有显示出抗菌效果，掺杂后涂层表现出优异的抗菌性能。在有水存在的条件下进行紫外光预辐照，可以显著提高TiO2涂层的抗菌性能，且掺杂后的涂层在经过预辐照后抗菌性能的提升大于TiO2涂层。结论 抗菌金属元素掺杂不改变涂层结构，同时大幅提高了等离子喷涂TiO2涂层在黑暗条件下的抗菌性能，紫外预辐照处理能够使没有抗菌性能的TiO2涂层具备抗菌效果，也能进一步提升掺杂涂层的抗菌效果。
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  溶胶凝胶法改性密胺甲醛树脂微胶囊红磷

  程晨, 杜仕国, 鲁彦玲, 刘献杰

  表面技术. 2018, 47(9): 74-80. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.010

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  目的 采用溶胶凝胶法对密胺甲醛树脂微胶囊红磷（MRP）进行改性，并探究最佳工艺条件，以加强其使用性能。方法 以正硅酸乙酯（TEOS）为原料，选取TEOS添加量为工艺条件，采用溶胶凝胶法改性MRP，制备硅凝胶-密胺甲醛树脂双层包覆微胶囊红磷（Si-MRP）。利用傅里叶红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）及X射线光电子能谱（XPS）对Si-MRP形态及包覆效果进行表征，并进行吸湿率测定、热稳定性分析及安定性测定。结果 采用溶胶凝胶法在MRP表面引入一层硅凝胶结构，实现了红磷颗粒的硅凝胶-密胺甲醛树脂双层包覆。TEOS添加量对样品形态及包覆率有一定影响，随着TEOS添加量的增多，Si-MRP形态从光滑层状结构向颗粒堆积结构过渡，硅凝胶包覆率由97.5%降至93.6%。硅凝胶结构提高了MRP的热稳定性，降低了吸湿率，增强了样品安定性。当TEOS与待改性MRP样品质量比为1:2.5时，制备的Si-MRP样品的着火点相对于MRP提高80 ℃，10 d后吸湿率降至3.7%，摩擦感度降至14%。结论 采用溶胶凝胶法可对MRP实现有效包覆，经硅凝胶包覆后的样品使用性能得到进一步提高。
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  正钛酸锌无机热控涂层制备及其性能研究

  张杭, 贺光辉, 张家强, 文陈, 张立功, 崔庆新, 白晶莹

  表面技术. 2018, 47(9): 81-85. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.011

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  目的 开展以正钛酸锌（Zn2TiO4）为填料的无机热控涂层研究，丰富和发展具有低太阳吸收比（αS）、高红外发射率（εH）的空间稳定热控涂层体系。方法 首先以草酸、四氯化钛和氯化锌等为原料，通过共沉淀、高温固相烧结和酸性提纯结合的方法制备了Zn2TiO4粉体，并使用XRD和SEM对粉体的晶体结构和微观形貌进行了表征。然后以Zn2TiO4为填料，硅酸钾（K2SiO3）为粘接剂，配制了热控涂料。采用划格法和热循环试验对涂料的结合力和热环境适应性分别进行了研究。结果 酸性提纯处理后，实现了高纯度Zn2TiO4填料的制备，粒径为0.5~3 μm。Zn2TiO4/K2SiO3无机热控涂层的太阳吸收比为0.13±0.02，红外发射率为0.90±0.02，划格法的结合力等级为1级，经100次?196~200 ℃热循环试验后，涂层无脱落现象。结论 使用高纯度Zn2TiO4填料制得的无机热控涂层具有优异的热控性能，可以满足航天器高效、长寿命的热控设计需求，在航天器外表面具有良好的应用前景。
表面摩擦磨损与润滑
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  仿生通孔形活塞裙部耐磨性能研究

  熙鹏, 丛茜, 汝绍锋, 吴波

  表面技术. 2018, 47(9): 86-92. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.012

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  目的 为了减少发动机活塞裙部磨损，提高裙部耐磨性。方法 基于仿生非光滑理论，以蚯蚓体表形态为仿生原形，在LX-2V型发动机活塞裙部设计出以孔的直径、每行孔间距、孔沿圆周角度为参数的仿生通孔形结构。采用正交设计方案对不同参数的仿生通孔形活塞进行有限元热结构耦合分析。以裙部最大变形量、裙部变形范围、裙部对称中心线上点与一侧点的应力差值作为评价活塞裙部耐磨性的标准，优选出模拟分析中耐磨性能良好的三个仿生活塞，并与标准活塞同时进行发动机台架磨损试验。结果 合理的仿生通孔形结构可以有效减少活塞裙部磨损，提高裙部耐磨性。相对于标准活塞，当仿生活塞孔的直径为5 mm、每行孔的间距为6.5 mm、孔沿圆周角度为16°时，其耐磨性最大提高49%。结论 过小的裙部最大变形量、过大的裙部变形范围，均不利于活塞裙部与缸套之间油膜的形成与保持，从而使活塞裙部磨损加剧。结合活塞裙部粗糙度值分析可知，合理的仿生通孔形结构可以优化裙部表面所受摩擦力，是进一步降低活塞裙部所受磨损的重要原因。
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  加载相位差对微动磨损影响的数值模拟研究

  李玲, 麻诗韵, 阮晓光, 康乐, 蔡安江

  表面技术. 2018, 47(9): 93-100. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.013

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  目的 研究不同加载相位差下微动磨损量随切向载荷幅值的变化规律。方法 在ABAQUS中建立柱面/平面微动磨损模型，设置不同的加载相位差，结合能量模型和UMESHMOTION子程序，进行仿真试验，对不同情况下的磨损深度进行仿真分析。结果 法向载荷、位移载荷和应变载荷取定值时，0°相位差的磨损深度最小，180°相位差的磨损深度最大，90°和270°相位差的磨损深度相同，且介于二者之间；当法向载荷和位移载荷为定值时，0°相位差的磨损深度随应变载荷的增大而减小，90°相位差的磨损深度不受应变载荷幅值的影响，180°相位差的磨损深度随应变载荷的增大而增加，且接触状态由部分滑移向完全滑移逐渐过渡；当法向载荷和应变载荷一定时，随位移载荷的增加，各相位差下磨损宽度和磨损深度都呈现出增大的趋势；在部分滑移状态下，当应变载荷较大时，0°相位差的最大磨损深度发生在接触区后缘，180°相位差的最大磨损深度发生在接触区前缘，90°相位差的前、后缘磨损深度极大值接近。结论 两切向载荷间加载相位差对磨损深度随切向载荷幅值变化的趋势影响明显，0°相位差的磨损深度最小，相位差对最大磨损深度的产生位置也有影响。
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  慢速搅拌摩擦加工对工业纯钛摩擦磨损性能的影响

  郭勇义, 蒋璐瑶, 黄伟九, 刘成龙, 陈琛辉, 胥桥梁

  表面技术. 2018, 47(9): 101-108. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.014

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  目的 利用慢速搅拌摩擦加工，获得工业纯钛细晶组织，提高其耐磨性能。方法 采用慢速搅拌摩擦加工对TA2工业纯钛退火板材进行表面处理，获得细晶结构。使用EBSD技术和显微硬度检测仪对表面微观结构及力学性能进行表征。采用球盘式摩擦磨损试验仪对搅拌摩擦加工前后的样品进行摩擦磨损性能测试，计算磨损率，并使用SEM及EDS分析磨痕特征。结果 搅拌摩擦加工处理后，工业纯钛晶粒尺寸显著细化，小角度晶界比例较高，加工硬化程度高。搅拌摩擦加工样品氧化磨损较为严重，粘着磨损程度减小。搅拌摩擦加工后，样品主要磨损方式由粘着磨损和二体磨损转变为氧化磨损和三体磨损。经过180 r/min、25 mm/min处理的工业纯钛磨损率仅为未加工样品的1/4左右。结论 慢速搅拌摩擦加工可同时提高工业纯钛表面硬度及耐磨损性能，较小的晶粒尺寸及合适的加工硬化程度可减轻粘着磨损和磨粒磨损。
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  盐雾腐蚀条件下Ti合金表面功能薄膜的摩擦磨损性能

  詹华, 汪瑞军, 李振东, 王伟平

  表面技术. 2018, 47(9): 109-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.015

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  目的 研究Ti6Al4V合金、铬掺杂类金刚石（Cr-DLC）薄膜、钨掺杂类金刚石（W-DLC）薄膜和氮化钛（TiN）薄膜，在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下的摩擦磨损性能。方法 在商用Ti6Al4V合金表面通过非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜和W-DLC薄膜，通过多弧离子镀技术制备TiN薄膜。利用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪，对薄膜的形貌、硬度、干摩擦和腐蚀摩擦性能、磨痕形貌进行测试分析。结果 干摩擦条件下，Ti6Al4V合金表面沉积Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜的摩擦系数均比Ti6Al4V合金低；Ti6Al4V合金及其表面制备的三种薄膜在盐雾腐蚀气氛条件下的摩擦系数都比干摩擦条件下有所增加。与Ti6Al4V合金相比，Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下均减小了磨损体积。干摩擦条件下，W-DLC薄膜的磨损体积为0.0017 mm3，耐磨性最好；盐雾腐蚀气氛摩擦条件下，TiN薄膜的磨损体积为0.0028 mm3，表现出最佳的耐腐蚀磨损性能。通过磨痕形貌可以得出，盐雾腐蚀气氛摩擦条件下，Ti6Al4V合金表面制备的金属掺杂类金刚石薄膜的磨损受到磨粒磨损和腐蚀磨损双重机制的影响。结论 三种表面功能薄膜在盐雾腐蚀气氛摩擦条件下都较好地保护了Ti合金，极大地减少了磨损损失。
表面失效及防护
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  平面喷涂漆膜厚度分布规律研究与搭接参数优化

  刘雪梅, 刘涛, 杨连生, 李爱平

  表面技术. 2018, 47(9): 116-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.016

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  目的 实现大型船舶外板表面喷涂的自动化作业，开展表面漆膜厚度分布规律研究，优化平面喷涂轨迹，求出最佳喷涂搭接参数。方法 以喷嘴雾幅宽度、距离、喷枪移动速度三个喷涂工艺参数为因素进行正交实验，获得漆膜厚度分布数据，使用?分布函数进行实验数据表征，运用遗传算法优化拟合?分布模型的三个关键参数。基于BP神经网络算法建立漆膜厚度分布预测模型，并对预测结果进行合理性分析。在此基础上，研究每道漆膜之间的搭接规律，运用NSGA-II算法求解最优漆膜搭接宽度。结果 计算得到15组实验数据对应?分布模型的Tmax、w及β，构建的漆膜厚度分布预测模型能准确预测在不同喷涂工艺参数下的漆膜厚度分布。以第16组实验为例，计算得到了最优的漆膜搭接宽度为41.76 cm。结论 建立了喷涂工艺参数和膜厚分布规律之间的映射模型，该模型可以准确预测不同工艺参数下的涂层厚度分布，应用该模型计算出的最优漆膜搭接宽度能获得厚度均匀的涂层，为实现船舶外板的自动化喷涂做好了前期准备。
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  热带雨林环境中典型霉菌对PCB-HASL腐蚀行为的影响

  李雪鸣, 胡玉婷, 易盼, 白子恒, 肖葵, 董超芳, 卢琳, 李晓刚, 魏丹

  表面技术. 2018, 47(9): 126-132. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.017

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  目的 探究热带雨林环境中典型霉菌作用下PCB-HASL的腐蚀机制。方法 将PCB-HASL试样灭菌后放入机箱，置于西双版纳户外进行2年的暴露试验，经不同周期取回，分析观察试样表面腐蚀情况。将筛选出的典型霉菌孢子液喷洒在无菌试样上，置于湿热环境中，通过激光共聚焦显微镜（3D LSCM）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）分析试样表面形貌和成分，并观察霉菌的生长情况，使用电化学工作站及扫描开尔文探针（SKP）对PCB-HASL表面不同周期霉菌作用下的腐蚀电位进行分析。结果 随着户外暴露周期的增加，PCB-HASL表面腐蚀面积逐渐增加，表面伏打电位先上升后下降。EDS能谱分析结果表明，腐蚀产物中主要含Sn 58.88%，O 30.93%，腐蚀产物主要为Sn的氧化物。木贼镰孢菌（Fusarium equiseti）和光轮层炭壳菌（Daldinia eschscholtzii）覆盖区域腐蚀程度严重，腐皮镰刀菌（Fusarium solani）菌丝生长旺盛，中期腐蚀电位明显降低，由－0.3 V降至－0.52 V。结论 西双版纳热带雨林环境中对PCB-HASL腐蚀作用显著的典型霉菌为Fusarium equiseti、Daldinia eschscholtzii和Fusarium solani，在湿热环境下会造成PCB-HASL的腐蚀，其腐蚀机制主要为薄液膜下的电化学腐蚀。
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  基于主成分和粒子群优化支持向量机的管道内腐蚀预测

  毕傲睿, 骆正山, 乔伟, 孙阳阳

  表面技术. 2018, 47(9): 133-140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.018

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  目的 研究输油金属管道内腐蚀预测模型，以改善管道维修策略和提高使用期限。方法 分析输油管道内腐蚀原因，归纳腐蚀因素，采用主成分分析法对腐蚀因素进行优选，摒弃相关联但腐蚀贡献率较低的因素，以最大化表征腐蚀原因及减少不必要的处理过程。将贡献率较大的腐蚀因素作为支持向量机预测模型的输入变量，以腐蚀率作为目标输出，建立管道腐蚀预测模型。针对支持向量机参数选取问题，应用鲶鱼粒子群算法进行寻优，以提高预测精度。以20#钢管为例进行了模型验证，并与其他预测模型进行了对比和分析。结果 主成分分析筛选得到的管道内腐蚀的主要因素有：H2S、CO2、Cl?、酸碱值、压力、介质温度、流速。通过鲶鱼粒子群算法改进的支持向量机模型的预测与实际值的平均相对误差为2.82%，相关性系数值为0.9955，均优于其他三种预测模型。结论 金属管道的内腐蚀由多个腐蚀因素共同作用形成，采用主成分和粒子群优化的支持向量机模型能够精确预测内腐蚀率，对金属管道维修和管理的借鉴性高。
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  CoCrAlYTaCSi涂层和ZL101铸铝合金的气蚀性能研究

  任奕, 侯国梁, 张晓亮, 周惠娣, 陈建敏

  表面技术. 2018, 47(9): 141-148. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.019

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  目的 对比研究两种材料在RP-3航空煤油和去离子水中的耐气蚀性能，分析材料的气蚀机理以及介质的理化性质对其的影响机制，探讨用去离子水代替航空煤油以便快速筛选航空用耐气蚀材料的可行性。方法 采用超音速火焰喷涂技术在铸铝合金（ZL101）表面均匀喷涂CoCrAlYTaCSi涂层。使用X射线衍射仪分析喷涂粉末、涂层和基体材料的物相组成。使用扫描电镜及其自带能谱仪分析材料气蚀前后的形貌以及元素分布。采用纳米压痕仪检测材料的力学性能。使用超声波振动气蚀试验机表征涂层及铸铝合金在航空煤油和去离子水中的气蚀性能。综合考虑两种材料气蚀后的平均侵蚀深度、形貌以及两种液体介质的理化性能，分析相应气蚀机理。结果 CoCrAlYTaCSi涂层主要由AlCo、Al80Cr20、Al45Cr7等物相组成，且分布均匀；铸铝合金主要由Al和Al9Si相组成，增强相主要沿晶界分布。涂层的纳米硬度和弹性模量分别约是铸铝的6倍和2倍。气蚀中，铸铝合金晶粒内部的Al最先被损坏，加剧了气蚀进程；而CoCrAlYTaCSi涂层由于物相分布均匀、力学性能优异，所以损坏程度远轻于铸铝合金，在水和航空煤油中的平均侵蚀深度分别仅约为铸铝合金的2%和1%。两种材料在航空煤油中的平均侵蚀深度都比在水中的小。结论 CoCrAlYTaCSi涂层的物相分布均匀，具有较高的致密度、硬度和弹性模量，其在两种介质中均显示出更高的气蚀抵抗力。但材料在两种液体中的气蚀机理并不相同，导致在航空煤油介质中，CoCrAlYTaCSi涂层显示出更加优异的抗气蚀性能。
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  真空钎焊对3003铝合金焊缝组织及腐蚀的影响

  申园园, 陈朝轶, 李军旗, 兰苑培, 杨帆

  表面技术. 2018, 47(9): 149-156. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.020

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  目的 研究钎焊温度与保温时间对3003铝合金焊缝组织及腐蚀行为的影响，通过模型预测3003铝合金焊缝的腐蚀寿命。方法 在模拟海洋大气环境下，采用盐雾腐蚀的方法，结合SEM和EDS观察焊缝微观形貌和元素分布情况，根据腐蚀质量损失和最大腐蚀深度分析焊缝的抗腐蚀性能，建立腐蚀动力学模型，参照户外暴露腐蚀数据计算得出腐蚀当量系数，预测腐蚀寿命。结果 真空度3×10?3 Pa时，随钎焊温度升高和保温时间延长，焊缝区域Si的偏析减少，焊缝的抗腐蚀性能增强。在钎焊温度610℃保温75 min，焊缝组织最均匀，以Al、Si元素为主，含有少量的Mn和Mg，合金相主要为Al-Mn、Mg2Si和Al3Mg2。腐蚀质量损失和腐蚀深度动力学方程分别为y1=0.0642t0.897和y2=0.03t1.63，以LY12铝合金在海南琼海户外暴露腐蚀10年的数据为参照，得出焊缝腐蚀当量系数k =13.39，大气腐蚀10年的当量腐蚀深度为87.9 μm。结论 焊缝区域Si的偏析对腐蚀性能产生重要影响。较佳钎焊工艺为：真空度3×10?3 Pa，钎焊温度610 ℃，保温时间75 min。此时，大气腐蚀10年后的当量腐蚀深度占焊缝厚度100 μm的87.9%，能够满足10年腐蚀寿命的要求。继续升高钎焊温度和延长保温时间，基体与焊缝界面发生熔蚀现象，抗腐蚀性能减弱。
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  Q235钢-紫铜在不同温度酸性红壤中的电偶腐蚀行为

  刘欣, 朱亦晨, 裴锋, 张诗雨, 刘光明

  表面技术. 2018, 47(9): 157-162. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.021

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  目的 研究Q235钢-紫铜电偶对在不同温度红壤中，电偶腐蚀的加速效应和腐蚀机理。方法 通过恒温恒湿箱模拟不同温度的酸性红壤环境。采用失重法测定Q235钢-紫铜电偶对的电偶腐蚀动力学曲线，采用ZRA零电阻电流计研究电偶电流和电偶电位随腐蚀时间的变化曲线。通过XRD、SEM/EDS检测腐蚀产物的成分和微观形貌。结果 电偶腐蚀20 d后，土壤温度为20、40、60 ℃ Q235钢的腐蚀质量损失分别为0.4276、0.9432、1.4622 g/dm2，电偶腐蚀效应分别为4.51、2.90、2.56。Q235钢在酸性红壤中呈局部腐蚀形态，当土壤温度为20 ℃和40 ℃时，腐蚀产物主要由FeO、Fe3O4与土壤颗粒胶结形成，结构较疏松；当温度为60 ℃时，腐蚀产物主要由Fe3O4组成，结构较致密。随着腐蚀时间的增加，电偶电位呈现起伏波动，电偶电流减小。腐蚀20 d后，Q235-紫铜电偶对在60 ℃下的电偶电流（71.1 μA）小于20 ℃下的电偶电流（336 μA），电偶腐蚀作用较弱。结论 土壤温度越高，Q235钢腐蚀越严重。腐蚀进行的后期，温度较高的红壤中，Q235钢形成的腐蚀产物结构致密，且土壤氧含量低，对电偶腐蚀产生抑制作用。
膜层材料与技术
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  原子层沉积技术及应用

  苗虎, 李刘合, 韩明月, 谷佳宾

  表面技术. 2018, 47(9): 163-175. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.022

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  简单阐述了原子层沉积技术的发展背景，然后概括了原子层沉积技术原理、技术特征和优势，并对化学吸附和顺次反应两种自限制机制进行了描述和比较。着重介绍了原子层沉积技术在工艺等方面的最新成果，以及在纳米催化剂、电池、半导体器件、光学、生物医学和航空航天领域中的相关应用。其中将原子层沉积在电池、半导体器件和生物医学方面的应用进行了分类介绍。电池方面包括锂离子电池和太阳能电池，半导体器件方面分为高k电介质、电容器、电阻随机存取存储器（RRAM）和光、电二极管。生物医学领域分别介绍了其在生物相容性、抑菌抗菌涂层和微观组分方向的研究进展。最后对原子层沉积技术进行了归纳总结，并展望了其未来的发展方向和应用前景。
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  高功率脉冲磁控溅射等离子体放电特性研究现状

  艾猛, 李刘合, 韩明月, 苗虎

  表面技术. 2018, 47(9): 176-186. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.023

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  高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）因其较高的靶材原子离化率和优异的薄膜成形性能，逐渐成为PVD领域的热点镀膜技术。靶材原子的高度离化宏观表现为较大的放电电流。介绍了等离子体放电靶电流的构成及其形成原理，分析了HiPIMS放电过程中磁场、靶电压、工作气压对靶材原子离化率的影响，及其相应放电靶电流曲线。空间磁场可以束缚电子，增长靶前电子运动轨迹，同增大工作气压一样，都可以减小粒子运动平均自由程，增大粒子碰撞几率，提高原子离化率，增大放电靶电流。升高靶电压可以提高离子碰撞能量，靶电压越高，放电靶电流越大。分析了各种靶材在不同电压下的放电靶电流曲线。优异的薄膜成形性能得益于对离子运动的良好控制，阐述了等离子体空间电荷分布状况、靶材自溅射和“气体循环”过程、二次电子发射及其促进离化机制、等离子体碰撞引起的气体稀薄现象，以及预鞘层对二次电子和等离子体电子的焦耳加热效应等微观机理，论述了这些微观机理对粒子离化的作用效果。最后展望了研究HiPIMS等离子体放电特性可能的研究方向。
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  扫描速度对球墨铸铁激光熔覆层组织的影响

  杨鹏聪, 宋雨来, 刘耀辉, 付洪德, 周颖茂, 邓燕

  表面技术. 2018, 47(9): 187-192. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.024

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  目的 揭示不同扫描速度下激光熔覆Fe基覆层显微结构的变化规律，以寻求高效的组织控制手段。方法 使用半导体激光器，在相同送粉量和激光功率条件下，采用不同扫描速度，在球墨铸铁表面制备激光熔覆层。采用光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪、X射线衍射仪表征覆层微观组织和相组成，采用洛氏硬度计对覆层硬度进行测定。结果 扫描速度为7 mm/s时，稀释率为16%，覆层组织主要是马氏体和少量残余奥氏体，晶粒细小，无裂纹，洛氏硬度为55.5HRC；扫描速度为5 mm/s时，稀释率为30%，覆层中的晶粒形态变粗大，且得到更多的柱状晶和等轴晶，残余奥氏体含量大幅增多，马氏体含量明显下降，结晶裂纹倾向大，洛氏硬度为21.7HRC。结论 扫描速度在球墨铸铁的覆层制备中发挥了重要作用，对覆层凝固过程、晶粒生长、相组成、裂纹敏感性、硬度有很大影响。通过适当调整扫描速度可以改变马氏体和残余奥氏体的量，获得无裂纹且硬度合适的覆层，实现覆层组织和力学性能的有效控制。
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  不同掺杂对类金刚石薄膜的影响

  张书姣, 吴艳霞, 朱丽楠, 唐宾, 刘颖

  表面技术. 2018, 47(9): 193-198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.025

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  目的 研究单掺Si和共掺Ag、Si对类金刚石薄膜的结构、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响。方法 以高纯石墨靶、石墨与金属复合靶、Si靶作为靶材，采用射频增强磁控溅射技术制备不同掺杂种类的薄膜。通过XPS、拉曼光谱仪对薄膜的化学组成和结构进行分析，通过纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等，对薄膜的力学性能、摩擦学性能及耐腐蚀性能进行了系统研究。结果 Si元素单掺DLC会引起薄膜中sp3 C含量增加。Ag、Si共掺DLC后，由于Ag以金属相分布在薄膜中，并促进sp2相的形成，导致sp3 C含量降低。掺杂元素后的DLC薄膜，硬度下降，但韧性提高，其中Ag、Si共掺的DLC薄膜的弹性恢复系数达到79%。此外，Ag、Si共掺DLC薄膜在多种气氛（Ar、O2、N2）中都具有优异的摩擦学性能，磨损寿命均超过30 min，其中在N2气中的摩擦系数最低（<0.1），并在NaCl溶液中的腐蚀电流密度比304不锈钢基体降低了近2个数量级，具有良好的耐腐蚀性。结论 Si与Ag共掺DLC薄膜较Si单掺薄膜具有更好的摩擦环境适应性和耐腐蚀性能。
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  脉冲偏压对电弧离子镀TiCN薄膜组织结构的影响

  刘恋, 石倩, 代明江, 匡同春, 林松盛, 郭朝乾, 李洪, 苏一凡

  表面技术. 2018, 47(9): 199-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.026

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  目的 改善TiCN薄膜的组织结构，进一步提高其硬度与结合力。方法 采用电弧离子镀技术，通过改变脉冲偏压的幅值，制备一系列的TiCN薄膜。通过扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面和截面形貌，采用X射线衍射（XRD）对薄膜进行物相分析，用X射线光电子谱（XPS）表征元素的化学状态，通过能谱仪（EDS）分析薄膜的成分。采用显微维氏硬度计测量薄膜硬度，使用3D轮廓仪测量薄膜厚度，利用多功能材料表面性能试验仪进行划痕测试。结果 偏压对薄膜的硬度、结合力、组织结构和沉积速度都有影响。随着脉冲偏压的提高，TiCN薄膜晶粒逐渐细化，沉积速率、结合力有先增大后减小的趋势，TiCN薄膜的硬度保持线性提高。偏压为?200 V时，TiCN薄膜出现C3N4新相，此时薄膜的硬度和结合力都大幅度提高，表面形貌发生突变，液滴最多。偏压为?250 V时，TiCN薄膜综合性能最好，并且表面的液滴明显减少，此时硬度值为4017HV，结合力为51 N。结论 偏压对组织结构及碳元素在薄膜中的存在形式有一定影响，适当地改变脉冲偏压可以使TiCN薄膜的显微组织更加致密，同时，形成的弥散硬化相使薄膜具备较高的硬度和膜基结合强度。
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  5182铝合金表面锆化膜的制备及其性能研究

  王正曦, 麻彦龙, 吴海鹏, 廖益, 张洪雨, 林子皓, 张毅, 杜棋忠

  表面技术. 2018, 47(9): 206-213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.027

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  目的 提高5182铝合金的耐蚀性能及与有机漆膜的结合力。方法 采用氟锆酸试剂与5182铝合金反应制备锆化膜，探究锆化液pH值、浸泡时间对锆化膜耐蚀性能的影响，并优化制膜工艺。采用SEM、EDS能谱仪及超薄切片仪分析锆化膜的微观结构和成分，结合SKPFM分析合金中第二相颗粒的电位对锆化膜形成机理的影响，采用EIS对锆化膜的耐蚀性能进行评价分析，采用涂层附着力自动划痕仪评价锆化涂层对巴斯夫有机漆膜结合力的影响。结果 制备锆化膜的最佳工艺为：pH=4.5，浸泡时间2.5 min。在5182铝合金表面制备了一层50~100 nm厚的锆化膜，且该锆化膜优先在阴极性的第二相颗粒上形成。EIS分析表明，在Na2B4O7×10H2O和NaOH水溶液中，锆化处理试样的低频阻抗值比未锆化处理试样高80 Ω。划痕测试表明，锆化处理试样与未锆化处理试样相比，其临界载荷提高了75%。结论 经过锆化最佳工艺处理后，5182铝合金的耐蚀性能提高，且锆化涂层作为中间层，能显著提高有机漆膜与合金基体的结合强度。
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  新型铜锡合金电镀添加剂的制备

  郑丽, 罗松, 李祉豪, 王凤

  表面技术. 2018, 47(9): 214-218. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.028

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  目的 制备一种电镀铜锡合金添加剂，利用此种添加剂制得白亮并且综合性能良好的铜锡合金镀层。方法 基础镀液组成为：焦磷酸钾250 g/L，焦磷酸铜16 g/L，焦磷酸亚锡12 g/L。工艺条件为：pH 8.5，室温，电流密度0.3 A/dm2，电镀时间5 min。以此为基础，设计正交试验，以镀层60°光泽度作为判定标准，优选出电镀添加剂的最佳配方。利用百格刀、维氏硬度计、材料表面性能综合测试仪、盐雾试验箱对最佳配方制备的镀层的附着力、表面硬度、摩擦系数、耐蚀性能等进行分析，利用SEM、XRD对其表面形貌及物相进行分析。结果 经过正交试验优选出的最佳添加剂配方为：8′10?3 g/L聚二硫二丙烷硫磺酸钠（SPS），8′10?3 g/L聚乙烯亚胺烷基盐（PN），8′10?4 g/L 2-巯基苯并咪唑（M）。采用该添加剂配方，在上述基础镀液及工艺条件下，可获得全范围白亮Hull槽试片。该镀层60°光泽度达到269.7，表面平整，附着力的ISO等级为2，维氏硬度为154.47HV0.2，摩擦系数为0.2，盐雾试验中超过72 h无腐蚀。结论 复配添加剂可以制备出光泽度较高的银白色镀层，且镀层结合力好，硬度、耐磨性以及耐腐蚀性都较高，可以满足工业要求。镀层表面平整，物相为Cu6Sn5以及Cu13.7Sn。
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  国产超薄双面镀铝聚酯薄膜的工艺改进和热物性研究

  李振宇, 范宇峰, 刘铖, 韩海鹰, 赵亮

  表面技术. 2018, 47(9): 219-222. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.029

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  目的 研究国产双面镀铝聚酯膜的工艺、热物性和耐空间电子质子辐照性能。方法 分析了镀铝聚酯薄膜成形工艺的难点，优化了镀膜工艺，通过测试双面镀铝聚酯膜的厚度、附着力、太阳吸收比、半球发射率，对比了国产与进口镀铝薄膜耐空间电子、质子辐照性能。结果 采用工业化生产流水线的真空镀膜工艺，通过提高靶材纯度和真空度，对聚酯薄膜基材进行处理，降低镀膜时的薄膜温度，制备出了超薄双面镀铝聚酯薄膜，其太阳吸收比为0.09，半球发射率为0.04，满足国外进口镀铝聚脂薄膜标准值的要求。与为辐照试样相比，在2′1016 e/cm2电子辐照剂量和1.5′1015 p/cm2质子辐照剂量的辐照下，镀铝聚酯薄膜的太阳吸收比由辐照前的0.115退化到0.144，半球发射率由辐照前的0.033退化到0.037。结论 通过生产工艺的改进设计，可制备出超薄双面镀铝聚酯薄膜，具有较好的热物性和耐空间电子质子辐照性能。
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  曲面零件激光熔覆轨迹的快速算法与自动生成

  刘金朵, 孙文磊, 黄勇, 黄海博

  表面技术. 2018, 47(9): 223-228. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.030

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  目的 为满足激光熔覆工艺要求，提出一种针对曲面零件激光熔覆加工轨迹的快速生成算法。方法 利用零件的STL格式转换为三角片模型网络，采用切片理论，生成一组厚度为0、方向与轨迹垂直的平面片族，同时将切片之间的距离设置为熔覆搭接率，搭接率取30%。每一切平面与三角面片产生交点，连接这些交点在平面内形成轨迹线段，通过加工过程中激光离焦量的固定值去除多余点，达到质量要求的同时也简化数据量，故提出搜索插补点算法，得到最终轨迹路径点，同时利用插补点在曲面上的法向矢量确定激光姿态，使用UG API与Visual Studio编写适用于激光熔覆轨迹的快速算法与自动生成的程序。结果 模型的点云有47 756个数据，提取出了4260个轨迹点作为扫描轨迹，利用本文算法得到了5669个点，通过搜索插补点算法后得到最终轨迹点3861个，节约了搜索时间。将取得的每个点坐标信息与法向量信息传入机械人程序，达到了较好的熔覆质量。结论 此方法用于曲面零件的熔覆轨迹规划，具有较好的稳定性和有效性。
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  激光熔覆多道搭接成形质量与效率控制方法

  练国富, 姚明浦, 陈昌荣, 黄旭

  表面技术. 2018, 47(9): 229-239. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.031

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  目的 揭示激光熔覆工艺参数对多道搭接成形质量与效率的耦合作用规律，提高多道搭接熔覆层表面与内部组织质量及成形效率。方法 采用响应面中心复合设计建立激光功率、扫描速度、气流量和搭接率与多道搭接表面平整度、熔覆效率及气孔面积之间的数学模型，通过方差分析及检验指标，验证了所建立数学模型的正确性。结果 激光功率和气流量对表面平整度的值影响并不显著。表面平整度的值与扫描速度、搭接率成反比；搭接率对熔覆效率的影响较为显著，搭接率的增大使熔覆效率减小；四个工艺参数对于气孔面积都有不同程度的影响，适当增大搭接率和减小扫描速度可以减小熔覆层气孔面积。以表面平整度最好、熔覆效率最高和气孔面积最小为目标优化工艺参数，通过试验获得表面平整度、熔覆效率、气孔面积预测值与实际值的误差分别为1.36%、6.12%、7.89%，进一步验证了该模型的准确性。结论 该研究成果为多道熔覆涂层质量、熔覆效率的控制与预测以及工艺参数的优化提供了理论依据。
表面质量控制及检测
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  考虑能耗的多传感器融合加工表面粗糙度预测方法

  谢楠, 周俊锋, 郑蓓蓉

  表面技术. 2018, 47(9): 240-249. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.032

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  目的 提出一种考虑能耗的多传感器融合加工表面粗糙度预测方法，精确预测零件表面粗糙度。方法 首先采集车削过程中的功率和振动信号，测量加工表面粗糙度值，利用集成经验模态分解（Ensemble empirical mode decomposition，EEMD）和小波包分析提取振动信号的时域与频域特征，联合功率信号的时域特征、能耗特征与切削参数，构造联合多特征向量。然后采用核主成分分析（Kernel principal component analysis，KPCA）对联合多特征向量进行融合降维处理生成融合特征。最后将融合特征作为基于支持向量机（Support vector machine，SVM）的表面粗糙度预测模型的输入特征，并使用遗传算法（Genetic algorithm，GA）对SVM模型相关核参数进行优化以提高预测精度。结果 预测得到的表面粗糙度平均相对误差为4.91%，最大误差为0.111 μm，预测时间为9.24 s。与单传感器预测方法及多传感器联合特征预测方法相比，多传感器融合预测方法具有最高的准确率且预测速度快。结论 多传感器采集的信息更全面、准确，保证了预测的准确性，对特征进行融合可进一步提高预测精度。
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  砂带磨削TC4磨削力数字建模及其预测

  黄智, 董华章, 周振武, 吴湘, 赵燎

  表面技术. 2018, 47(9): 250-258. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.033

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  目的 探索TC4砂带磨削的机理，优化表面加工质量。方法 基于磨粒有序分布和等高性一致的假设，构建出单位面积磨粒的砂带几何模型，并建立了相应磨削的数值仿真模型，开展了模拟与实测接触轮在磨削过程中的弹性变形分析，建立了与印痕密切相关的砂带磨削力的预测模型，根据TC4的Johnson-Cook本构模型以及Johnson-Cook Sheiar Damage失效准则，模拟磨削区的热力特性。结果 切向磨削力随着磨削深度的增加而增加，随砂带线速度的增加而逐渐减小，且切向磨削力随深度的变化趋势大于随砂带线速度的变化趋势。磨削温度随磨削深度和砂带线速度的增加而增加，且磨削温度随砂带线速度的变化趋势大于随深度的变化趋势。预测磨削力与实际实验值的误差在9%以内，通过对实验数据分析得到实验条件下的最优加工参数：砂带线速度5 m/s，进给速度1 m/min，磨削深度5 mm。对陶瓷砂带磨削TC4进行了验证实验，预测值与实验值具有一致性。结论 该方法建立的砂带磨削仿真模型和预测模型，可以较准确地预测砂带磨削TC4时的磨削力和磨削温度，为提高砂带磨削航发叶片表面质量的加工参数选择提供参考和指导。
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  高速磨削对18CrNiMo7-6表面完整性的影响研究

  陈鑫, 王栋, 刘昱范

  表面技术. 2018, 47(9): 259-265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.034

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  目的 对试件表面粗糙度和残余应力进行分析，为研究高速磨削齿轮材料表面完整性提供试验依据，并对齿轮材料高速磨削工艺进行深入探讨。方法 选择以平面磨削为主要研究方式，根据Salomon理论和高速磨削理论，提出以单因素法对齿轮材料18CrNiMo7-6进行高速磨削工艺试验，试验变量为砂轮线速度、磨削深度和工作台速度，以此得到了高速磨削工艺参数与表面完整性（主要为表面粗糙度和残余应力）之间的关系。结果 齿轮材料18CrNiMo7-6的表面粗糙度随砂轮线速度的增大、磨削深度和工作台速度的降低而得以改善，用三维粗糙度表征法可以准确地评定工件表面形貌。试验得到砂轮线速度对残余应力的影响最大，磨削深度次之，工作台速度的影响较小。除Vs=160 m/s外，经高速磨削的渗碳淬火18CrNiMo7-6试件表面残余压应力值得到提升。结论 通过分析高速磨削对表面完整性的影响，可得到该研究材料的最优磨削参数组合为：Vs=120 m/s，Vw=4 m/min，ap=0.02 mm。在此磨削参数下，试件的残余压应力值最大，将有利于提高试件表面完整性。
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  化学机械抛光工艺参数对氧化锆陶瓷抛光速率的影响

  王光灵, 刘卫丽, 刘宇翔, 孔慧, 霍军朝, 宋志棠

  表面技术. 2018, 47(9): 266-271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.035

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  目的 探究SiO2磨料固含量、抛光垫和下压力等工艺参数对氧化锆陶瓷化学机械抛光速率的影响和作用机理。方法 采用粒径为80 nm的钠型稳定型硅溶胶，氢氧化钠溶液作为pH调节剂，将硅溶胶pH调至为10。通过CP-4抛光设备进行氧化锆陶瓷抛光实验及摩擦系数采集，采用黏度测试仪测试不同固含量硅溶胶的黏度，采用扫描电子显微镜分析了SUBA系列两种抛光垫的微观结构。结果 硅溶胶固含量为37%时，抛光速率最快，达到54.3 nm/min，此时摩擦系数最小，为0.1501。随着固含量的增加，摩擦系数小幅增加，并稳定在0.1540附近。硅溶胶固含量高于37%的抛光机制是流体力学作用的结果，固含量低于37%的抛光机制是流体力学和机械力共同作用的结果。扫描电镜下观察发现，SUBA800抛光垫的孔隙尺寸比SUBA600抛光垫的孔隙尺寸小，使用前者的抛光速率快于后者，抛光速率相差10 nm/min。因为孔隙多改变了硅溶胶和抛光垫的接触机制，增大了切应力和摩擦系数，机械作用力加强，从而加快了抛光速率。摩擦系数与下压力没有关系，下压力小于3.5 psi时，抛光速率符合Preston方程。结论 对氧化锆陶瓷进行化学机械抛光处理，固含量在37%时，抛光速率最快。SUBA800抛光垫相比SUBA600抛光垫，更适合氧化锆陶瓷抛光。下压力小于3.5 psi时，抛光速率符合Preston方程行为，且摩擦系数和下压力没有关系。
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  钴插塞化学机械平坦化的抛光液组分优化

  田骐源, 王胜利, 肖悦, 王辰伟, 刘凤霞, 梁婷伟

  表面技术. 2018, 47(9): 272-278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.036

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  目的 提高Co在超大规模集成电路全局化学机械抛光过程中的去除速率及Co/Ti去除选择比，并对去除机理进行详细描述。方法 研究不同浓度的磨料、多羟多胺络合剂（FA/O II）、氧化剂等化学成分及不同pH值对钴去除率的影响。利用电化学实验、表面化学元素分析（XPS）揭示钴实现高去除速率的机理，通过原子力显微镜（AFM）对钴抛光前后的表面形貌进行了观察，并采用正交实验法找到抛光液最佳组分配比。结果 随磨料浓度的升高，钴去除速率增大。随pH值的升高，钴去除速率降低。随氧化剂浓度的提升，钴去除速率升高，但Co/Ti去除选择比先升后降。随螯合剂浓度的增大，钴去除速率及Co/Ti去除选择比均先升后降。正交试验找到了最佳的抛光液配比及条件（3%磨料+20 mL/L多胺螯合剂（FA/OⅡ）+5 mL/L氧化剂（H2O2），pH=8），实现了钴的高去除（~500 nm/min）及较好的Co/Ti去除选择比（100:1）。并且，表面的平坦化效果明显提高，原子力显微镜测试结果显示Co面粗糙度由原本的3.14 nm降低到0.637 nm。结论 采用弱碱性抛光液能有效提升钴的去除速率，并保证腐蚀可控。抛光液中同时含有氧化剂和螯合剂时，通过强络合作用实现了钴的抛光速率和Co/Ti去除选择比的大幅度提升。
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  再制造零件表面油漆的熔盐清洗去除作用

  孙一航, 张保财, 贾秀杰, 李方义, 张健, 王光存

  表面技术. 2018, 47(9): 279-286. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.037

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  目的 针对再制造零件表面油漆去除效率低、清理不彻底的问题，使用熔盐清洗技术对油漆进行清洗，针对熔盐清洗去除机理展开深入研究，并探究熔盐清洗比高温热分解处理去除效率高的原因。方法 利用SEM电镜对油漆微观形貌进行观察，分析了油漆内部结构特点及元素分布，并以此为基础进一步阐释了熔盐清洗的气化、热膨胀以及氧化作用。通过热重实验，确定油漆、油漆与熔盐混合物最大失重速率的发生温度，并采用Coats-Redfern积分法对热解过程进行动力学分析，计算油漆高温热分解和在熔盐中反应对应的活化能。结果 油漆内部呈现明显的分层结构，由环氧树脂类底漆和聚氨酯类面漆组成，主要组分为有机物，在高温环境下表面会发生软化，因此熔盐热膨胀作用的除漆效果不明显，熔盐去除机理中的气化和氧化作用为主要去除作用。热重实验结果表明，熔盐在300 ℃左右具有良好的热稳定性和较大的热容，与高温热分解相比，熔盐使油漆最大分解速率发生温度从350 ℃降至305 ℃，使油漆分解活化能由高温热分解所需的114.4 kJ/mol降至74.1 kJ/mol。结论 熔盐清洗的主要去除作用为气化和氧化作用，能够有效降低油漆最大分解速率的发生温度和油漆分解反应所需的活化能，提高油漆去除效率，降低反应温度。
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  HIPSN陶瓷高效精密磨削工艺优化试验研究

  李颂华, 韩涛, 孙健, 吴玉厚, 王维东

  表面技术. 2018, 47(9): 287-295. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.038

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  目的 针对HIPSN（热等静压氮化硅）陶瓷精密加工效率低、成本高、难度大的问题，对HIPSN陶瓷高效精密磨削加工工艺进行优化。方法 利用高精度成形磨床对HIPSN陶瓷进行试验，分析砂轮线速度、磨削深度、工件进给速度等工艺参数对磨削后表面质量的影响规律。结果 磨削深度由0.005 mm增加到 0.050 mm，表面粗糙度值由0.2773 μm减小到0.2198 μm，并趋于稳定；工件进给速度由1000 mm/min增加到15 000 mm/min，表面粗糙度值由0.2454 μm减小到0.2256 μm，之后增大到0.2560 μm，并趋于稳定；砂轮线速度由20 m/s增加到50 m/s，表面粗糙度值由0.2593 μm减小到0.2296 μm。随着工件进给速度的增大，表面波纹度平均间距Sw由0 mm直线增加到5.90 mm；随着砂轮线速度的提高，平均间距Sw由2.33 mm直线减小到0.68 mm。优化工艺参数组合：砂轮线速度50 m/s，磨削深度0.030 mm，工件进给速度3000 mm/min。结论 表面粗糙度值与磨削深度和砂轮线速度呈负相关，随着工件进给速度的增大，表面粗糙度值先减小后增大，之后趋于稳定。减小工件进给速度、提高砂轮线速度有助于改善表面波纹度。
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  基于3D打印航空发动机喷油管磁力研磨试验研究

  曾加恒, 陈燕, 谭悦, 刘顺

  表面技术. 2018, 47(9): 296-302. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.039

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  目的 针对镍基合金GH4169航空发动机喷油管进行磁力研磨光整加工试验研究，分析内置辅助磁极磁力研磨对工件内表面及交叉孔相贯线去毛刺的效果。方法 利用磁粒研磨内置辅助磁极光整加工对工件内表面及内交叉孔相贯线处进行磁力研磨加工，通过研磨粒子与工件之间的划擦、磨削等运动，提高工件表面质量和去除内交叉孔相贯线处的毛刺。结果 磁轭转速为1000 r/min，加工间隙为6 mm，采用圆柱形辅助磁极及平均粒径为250 μm的磁性磨料时，其加工效果比传统的加工效果好，且效率更高，工件表面粗糙度从原始的5.8 μm降至0.47 μm（Ra<0.5 μm），内交叉孔相贯线处的毛刺明显被去除，且由于磁性研磨粒子的研磨作用，可对其进行二次光整加工。结论 通过磁力研磨内置辅助磁极光整加工方法，原始工件内表面存在的褶皱、微裂纹明显得到改善，交叉孔相贯线处的毛刺也明显被去除。试验选用磁性研磨粒子粒径为250 μm时，研磨效果最佳。通过磁力研磨光整加工后，管件能够得到良好的表面效果，提高了管件的综合性能。
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  磁粒研磨Al 2024细长管的机理及试验研究

  张龙龙, 焦安源, 陈燕, 钱之坤

  表面技术. 2018, 47(9): 303-309. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.040

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  目的 探究磁粒研磨过程中外部磁极的不同排布方式对Al 2024细长管内表面研磨质量的影响，寻求一种最佳的磁极排布方式。方法 首先，在理论上分析了磁粒研磨细长管的基本原理；其次，利用ANSYS软件的磁场模块对磁极的三种排布方式进行模拟，得出不同的磁感应强度曲线，通过分析曲线的变化规律来探讨磁极排布方式对研磨效果的影响；再次，设计了试验装置，对理论和有限元仿真结果进行了验证试验，通过观测内表面粗糙度值和微观形貌，对比了试验效果。结果 随着磁极夹角从90?增大到180?，磁感应强度逐渐减小，有效磁场区域逐渐减小。较小的磁感应强度使得磁性磨粒在磁场中受到的研磨压力变小，磁性磨粒易于受离心力作用甩出加工区域，参与研磨的数量变少，研磨质量降低；变小的有效磁场区域使得磁性磨粒受力区域减小，被磁化的数量减少，参与研磨的数量减少，研磨质量较差。研磨时间10 min后，从试验结果中可以看出，当磁极90?分布时，表面粗糙度值下降最大，从原来的0.66 μm降至0.12 μm，表面的凹坑和纹理缺陷被去除，表面形貌均匀且光泽度较好。结论 磁粒研磨Al 2024细长管内表面时，调整磁极排布可以提高加工区域的磁感应强度和增大有效磁场区域面积，继而提高磁性磨粒的作用效果，促进研磨的有效进行，保证较好的研磨质量。
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  磁力研磨光整加工ZrO2陶瓷材料试验研究

  梁伟, 张桂香, 张鹏, 姜林志, 秦璞, 梁久平, 滕潇

  表面技术. 2018, 47(9): 310-316. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.041

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  目的 利用磁力研磨光整加工技术提高ZrO2陶瓷材料的表面质量，并探究主要工艺参数对ZrO2陶瓷表面质量的影响规律，得到磁力研磨光整加工陶瓷材料的最优工艺参数组合。方法 采用开米字槽的研磨磁极头，利用球形磁性磨料对ZrO2陶瓷材料进行磁力光整加工。借助XK7136C数控铣床对工件材料进行加工试验，探究其表面改性能力。借助白光干涉仪和扫描电镜对抛光后的表面形貌进行检测分析，采用单因素试验法探究主轴转速、加工间隙、磨料填充量和进给速度对表面粗糙度的影响，并设计合理的交互正交优化试验，寻求最佳的工艺参数组合。结果 在磁力研磨光整加工ZrO2陶瓷材料过程中，当转速S= 1000 r/min，加工间隙δ=2.5 mm，磨料填充量m=2.5 g，进给速度v=15 mm/min时，工件平均表面粗糙度可由研磨前的1.950 μm下降到0.493 μm。通过白光干涉仪和扫描电镜等对材料表面的检测分析可知，加工后工件的表面毛刺大大减少，表面质量得到了改善。结论 采用磁力研磨光整加工技术和最佳参数组合，可以有效地降低ZrO2陶瓷材料的表面粗糙度，得到高质量的表面。
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  采用双边滤波的冷轧铝板表面缺陷图像去噪方法的研究

  石坤泉, 魏文国

  表面技术. 2018, 47(9): 317-323. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2018.09.042

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  目的 去除冷轧铝板表面缺陷图像中的噪声，并保持图像的清晰度以及图像的细节信息，避免冷轧铝板表面缺陷图像中的噪声引起错误的缺陷检测。方法 首先，引入双边滤波方法，并联合概率分布函数以及最大似然函数求取图像的噪声方差，自适应地对双边滤波函数中灰度方差值进行调整，实现对冷轧铝板表面缺陷图像中噪声进行滤除。然后，为了对双边滤波去噪后遗留下的强噪声进行去除，利用像素点之间的差值，构造区域相似度模型，对双边滤波去噪后图像中的强噪声进行判定。最后，借助中值滤波方法在对强噪声进行滤除的同时，兼顾保持图像的清晰度，进而达到去除冷轧铝板表面缺陷图像中的噪声，并保持图像细节以及清晰度的目的。结果 所设计方法在噪声强度分别为0.09、0.12以及0.15时，所得去噪图像的MSE值分别为15.3743、19.7713以及23.7613，所得去噪图像的PSNR值分别为38.4971、35.4792以及31.1768。结论 所设计方法不仅能有效去除冷轧铝板表面缺陷图像中的噪声，而且还能较好地保持图像的清晰度以及边缘特征，使得去噪后图像具有较好的视觉效果。