2019年, 第48卷, 第11期　
刊出日期：2019-11-20

  

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特邀综述
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  纳米加工液对金属表面的润滑与修复

  孙建林, 孟亚男

  表面技术. 2019, 48(11): 1-14. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.001

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  兼具润滑与表面修复功能的纳米粒子已开始应用于金属加工液中并受到了国内外学者的广泛关注。与传统加工液不同，将纳米粒子均匀分散到水性或油性基液中制备的纳米加工液除了具有润滑冷却、减摩抗磨作用外，其表面修复功能更加值得关注，在提高金属加工表面质量方面具有较高的应用前景。虽然纳米加工液具有诸多优势，但其分散稳定性、润滑机理及其表面修复功能仍是纳米润滑领域的研究热点问题。主要针对近年来纳米粒子的润滑机理与其表面修复作用的微观本质等一系列问题的研究与发展进行阐述。从纳米粒子的选择与分散出发，讨论了添加表面活性剂和对纳米粒子进行表面改性这两种提高纳米粒子分散稳定性的主要方法。重点论述了滚珠轴承效应、薄膜润滑机制、自修复功能和微量磨削作用这四种被广泛认同的纳米润滑机理，依据前人的研究结果，归纳这四种润滑机理的理论模型、适用情况及其相互间的配合关系。此外，从纳米粒子的润滑机理出发，探索其表面修复作用，对金属表面的物理吸附膜、化学反应膜及沉积自修复膜进行判别与比较，分析其表面修复作用的微观本质。
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  高熵合金涂层的研究进展

  黄灿, 杜翠薇, 代春朵, 马政, 刘智勇, 李晓刚

  表面技术. 2019, 48(11): 15-22. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.002

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  高熵合金涂层表现出比传统涂层更优良的综合性能，具有深入的研究价值。概述了近年来有关高熵合金涂层的研究进展，首先总结了高熵合金涂层的制备工艺（磁控溅射技术、热喷涂技术和激光熔覆技术等），分析了各制备工艺的优缺点，而后进一步分析研究者们如何通过元素、微观结构和制备工艺等方面优化高熵合金涂层性能。此外，就高熵合金涂层在工业上的应用前景和研究方向进行展望。
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  自组织分层金属掺杂类金刚石薄膜的研究进展

  崔丽, 孙丽丽, 郭鹏, 柯培玲, 汪爱英

  表面技术. 2019, 48(11): 23-35. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.003

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  近年来，研究学者发现在沉积过程中，某些金属元素掺杂类金刚石薄膜时能够形成一种特殊的自组织分层纳米结构，这种纳米结构克服了人为调控多层薄膜的工艺复杂性及局限性，同时赋予了薄膜更加优异的性能。主要综述了国内外对金属掺杂类金刚石薄膜中自组织分层结构的影响因素、形成机理等方面的研究现状。详细阐述了金属类型及含量、沉积条件（脉冲频率、基体偏压、气流比、沉积温度、沉积时间）、沉积方法等参数对自组织分层结构的生成及富金属层厚、富碳层厚、层数等尺寸的作用规律。重点介绍了离子重排机理、金属催化机理、强离子辐照诱导机理和靶中毒机理四种自组织分层结构形成机理的特点，并探讨了目前研究工作中存在的一些不足，如自组织分层结构的形成机理尚不清晰。上述四种机理模型均具有一定的局限性，且如何设计工艺参数实现自组织分层结构的内在调控仍是一个科学难点。针对这些问题，提出了自组织分层结构碳基薄膜的未来研究方向。
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  硼化锆基复合涂层的研究进展

  崔宇航, 马玉夺, 孙文韦, 杨勇, 董艳春, 王磊, 王亮, 王铀

  表面技术. 2019, 48(11): 36-44. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.004

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  综述了ZrB2基复合涂层的制备方法，并介绍了ZrB2基复合涂层的研究发展趋势。重点介绍了热喷涂在ZrB2基复合涂层制备中的优势，详细阐述了热喷涂在ZrB2基复合涂层制备中的应用，并对其进行了总结和展望。其中热喷涂反应合成ZrB2基复合涂层能够解决由于原料熔点过高而造成粉末熔化状态较差的问题，从而改善涂层的质量并提升涂层的性能。文中指出热喷涂反应合成ZrB2基复合涂层能否达到理想使用要求的关键因素是前驱体粉末的成分设计，并提出了前驱体粉末的成分设计及优化需考虑的问题。
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  金属氢渗透研究综述

  徐政一, 张鹏远, 孟国哲

  表面技术. 2019, 48(11): 45-58. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.005

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  综述了氢渗透的研究方法和研究历史，总结了当前对氢损伤机理的研究，以及在易发生氢脆环境下的氢渗透行为规律和影响氢行为的因素。在这些研究的基础上，国内外先后开发了许多氢渗透防护技术，如：阻碍氢原子渗入基体，在材料表面制备涂镀层；消除钢中有害元素的方式，改变中氢原子陷阱的数目；从组织入手，开发高纯度、高抗氢钢，包括一些系列铁素体合金钢等。综述了从传统的电沉积阻氢合金镀层，到新工艺制备阻氢陶瓷层的发展。阻氢涂层具有阻氢性能极佳，兼具保护作用的优点，但容易失效，破损后会加快基体的局部腐蚀；而通过冶金、热处理来净化钢材，改变组织成分开发的纯净钢，其实际抗氢脆性能并不理想，仍然会出现氢引起的力学性能下降，并且具有控制工艺复杂、能耗大的缺点。由此认为，氢一旦进入金属材料内部，造成材料的性能损伤不可避免，防止氢进入金属材料是该领域的关键科学问题。氢渗透过程是氢损伤发生的关键步骤，那么阻碍氢渗透过程的进行就成了氢损伤防护措施的重中之重。抑制氢渗透过程的发生需要从降低氢原子浓度梯度、降低材料内部氢陷阱密度和结合能两方面入手，开发有效的抑氢手段，抑制氢渗透过程，使材料内部的氢原子浓度小于临界氢原子浓度。
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  微生物腐蚀中生物膜的生成、作用与演变

  吕美英, 李振欣, 杜敏, 肖方锟, 陈旭超

  表面技术. 2019, 48(11): 59-68. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.006

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  自然界中，微生物常常附着在材料表面形成生物膜，影响金属表面的电化学过程，从而诱发微生物腐蚀。生物膜与微生物腐蚀的发生密切相关，其结构组成、成膜过程对金属的腐蚀反应类型与速率有着很大的影响。由于微生物活动的复杂性以及缺乏生物膜与金属界面之间交互作用的深刻认识，微生物腐蚀的发生和发展机制尚不清晰。基于此，从生物膜的角度阐述了金属微生物腐蚀的作用机制。介绍了易引起材料腐蚀的常见菌种，如硫酸盐还原菌、硫氧化菌、铁氧化菌、硝酸盐还原菌及其他腐蚀菌，并对它们的腐蚀机理进行了概述。综合论述了生物膜的特征、生成步骤，以及它是如何随时间和外部环境进行动态演变的。着重讨论了影响生物膜生成和发展的因素，包括材料因素以及环境因素，如温度、溶解氧、pH值、Cl-、Fe2+、水体流速、营养介质、磁场。最后，针对外界影响因素的复杂性，阐述了生物膜研究过程中存在的问题，同时对模拟生物环境过程中合理设计实验方案的重要性进行了展望。
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  轻水堆包壳锆材服役环境下延寿策略及研究进展

  曹国钦, 任莹莹, 仵康康, 姚航航, 胡俊华, 邵国胜, 袁改焕

  表面技术. 2019, 48(11): 69-81. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.007

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  综述了核反应堆用锆合金的涂层研究现状。主要论述了非金属类涂层、金属类涂层以及MAX相涂层。其中MAX相既具有金属的性质，又具有陶瓷的性质。分析了包壳材料服役环境下的腐蚀行为，包括正常工况下的过热水氧化腐蚀和含锂离子的水溶液腐蚀行为，同时也关注了离子辐照行为以及事故工况下的高温蒸汽腐蚀行为。现有涂层材料普遍具有局限性，研究多侧重于高温蒸汽腐蚀。出现了一些新材料，比如可形成致密氧化膜的MAX相、硅涂层等，但是其正常工况下的应用前景不明。相比而言，金属类涂层在抗腐蚀方面更具优势，然而其抗辐照行为和中子经济性尚待研究。目前单一涂层技术在满足抗辐照和中子经济性的基础上尚不足以同时满足正常工况和高温蒸汽下的抗腐蚀性和高稳定性。组合涂层或者多层膜技术逐步受到重视。多元涂层氧化过程中的元素迁移动力学行为以及涂层基体界面的微合金化对结合力的影响具有深远意义，目前该方面的研究有待突破。
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  钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的研究进展

  路世盛, 周健松, 王凌倩, 梁军, 曹四龙, 李珂尧

  表面技术. 2019, 48(11): 82-90. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.008

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  针对钛合金在实际应用过程中存在硬度低、耐磨性差、高温易氧化以及生物活性低等问题，国内外学者利用陶瓷材料较高的硬度、优异的耐磨性和高温抗氧化性能的特点，以及激光熔覆技术可以实现涂层与基材的冶金结合，较高的冷却速率使涂层内部晶粒得到细化的优势，开展了钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的广泛研究。首先简要概括了钛合金表面激光熔覆陶瓷材料的特点，介绍了在激光熔覆过程中常见的陶瓷材料以及所具备的特殊性能。从陶瓷涂层制备方式和陶瓷材料体现的功能两个方面，综述了国内外的研究特点、现状和进展。对比分析了激光制备纯陶瓷涂层、激光制备陶瓷与金属合金复合涂层、激光原位合成陶瓷复合涂层、激光制备陶瓷梯度涂层的优缺点。介绍了在钛合金表面激光熔覆耐磨涂层、高温抗氧化涂层、耐蚀涂层和生物涂层的进展，分析了陶瓷材料在提高相关性能时所发挥的作用。最后针对钛合金表面激光熔覆陶瓷材料存在的问题，对钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层未来的发展趋势进行了讨论与展望。
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  大跨度桥梁缆索用钢丝热浸镀层研究综述

  魏大圣, 叶觉明, 罗国强, 方峰, 蒋建清

  表面技术. 2019, 48(11): 91-105. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.009

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  综述了热浸镀Zn、Zn-Al和Zn-Al-Mg系合金镀层的性能特点和研究现状。在Zn-Al合金中添加Al元素可以减缓Zn的腐蚀氧化，同时可以在镀层表面形成致密的Al2O3薄膜起到屏蔽保护作用。在此基础上，采用Mg合金化，不仅可细化镀层组织，还可抑制疏松腐蚀产物的生成，进一步延长合金镀层的寿命。阐明了桥梁缆索用钢丝热浸镀工艺的特点和不足。采用中性盐雾试验评估了应力加载对桥梁缆索用热浸镀层组织和耐腐蚀性能的影响。应力加载会使镀层表面的腐蚀产物保护层破裂，加快腐蚀进程。同时指出了现有桥梁缆索用钢丝镀层评价标准尚存在一些争议，应结合现行的评价体系，重视讨论和探索新的更合适的评价标准。需要研究新一代（Zn-Al-Mg）合金镀层的制备技术和评价标准，推动具有高耐蚀性的多元合金镀层在桥梁缆索用钢丝上的推广应用。同时，桥梁缆索用钢丝热浸镀层的腐蚀性能应考虑应力加载下的腐蚀破坏和相关机理研究。
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  锆合金包壳表面涂层的制备进展

  曾波, 范洪远, 常鸿, 王均

  表面技术. 2019, 48(11): 106-113. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.010

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  锆因其极低的中子吸收截面、较高的熔点和优良的耐腐蚀性等特点，在核技术领域得到大量应用，主要作为核燃料的包壳材料。2011年日本福岛核事故后，事故容错燃料（ATF）的开发成为研究热点，尤其着重提高包壳材料的抗高温氧化性，而在锆合金表面制备涂层是提高该能力的重要途径之一。评述了锆合金包壳表面涂层的种类、性能、制备方法及各种方法的特点与发展。指出激光熔覆、等离子喷涂和冷喷涂都有沉积速率快、涂层厚的特点，但涂层过厚将降低核燃料的中子经济性。激光熔覆和等离子喷涂制得的涂层内应力大，存在较多气孔甚至微裂纹。冷喷涂涂层的应力和气孔得到改善，但喷涂法都存在粉尘及噪声污染等问题。重点分析了磁控溅射法（MS）和电弧离子镀（AIP）两种物理气相沉积技术在包壳涂层制备中的应用现状、存在的问题及未来发展方向。指出磁控溅射法因沉积速率可控、涂层的内应力小及涂层组分可调整等优势而应用最广。电弧离子镀因涂层致密、结合力强而最具发展潜力。这为进一步促进锆合金表面涂层的制备与研究提供了参考。
专题——2021 年国家自然科学基金研究进展
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  钛合金缝隙腐蚀、离子渗氮与表面纳米化的研究进展

  高岩

  表面技术. 2019, 48(11): 114-123. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.011

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  钛合金凭借优异的耐腐蚀性能，在海洋工程中有着巨大的应用前景，但是其在苛刻条件下易发生缝隙腐蚀及耐磨性差等缺点也影响了它的使用。总结了钛合金发生缝隙腐蚀的条件与原因，以及普通离子渗氮对钛合金耐磨性和耐腐蚀性能的影响，并重点探讨了表面纳米化对钛合金离子渗氮层结合力和耐蚀性能的影响。研究发现，钛合金在高温（65 ℃以上）、高酸性（低pH值）、高Cl-浓度、低氧含量的苛刻环境中会发生缝隙腐蚀，氧浓差电池与自催化酸化作用是钛合金缝隙腐蚀的主要机理，钛吸氢形成的脆性TiH2则会加速缝隙腐蚀过程。普通离子渗氮在钛合金表面形成的高硬度TiN、Ti2N层可以提高钛合金的耐磨性，同时提高其耐均匀腐蚀性能。但是，由于离子渗氮层与钛合金基体的硬度差别较大，结合力不强，腐蚀过程中容易发生脱落。利用表面纳米化技术制备表面梯度纳米晶结构，有望通过离子渗氮获得结合力好的渗氮层结构，并可以有效降低渗氮温度。
专题——2025 年国家自然科学基金研究进展
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  不锈钢表面低温热扩渗层稳定性研究进展

  表面技术. 2019, 48(11): 124-130. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.012

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  概述了典型低温热扩渗技术种类与特点，归纳了低温热扩渗技术研究的材料体系以及合金元素对不锈钢表面低温热扩渗层的形成及稳定性的影响。重点综述了奥氏体不锈钢表面低温热扩渗层制备技术和“膨胀”γ相层稳定性研究的发展现状和取得的成果，包括奥氏体不锈钢表面低温渗氮技术制备的含氮“膨胀”γ相层，低温渗碳技术制备的含碳“膨胀”γ相层，以及低温氮碳共渗和低温渗氮+低温渗碳或低温渗碳+低温渗氮复合技术制备的含氮、碳“膨胀”γ相层等低温热扩渗层的稳定性及其合金元素影响的研究现状，包括气体法、液体法、等离子体法和等离子体湮没注入法等。同时归纳了Co-Cr合金、高熵合金、马氏体不锈钢和铁素体不锈钢等材料表面低温热扩渗层的制备及“膨胀”α相层热稳定性的研究现状。基于不锈钢表面低温热扩渗层制备和热稳定性研究现状的分析，展望了未来不锈钢表面低温热扩渗领域，特别是低温热扩渗层稳定性的研究发展方向。
专题——2030 年国家自然科学基金研究进展
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  织构化热处理对钢轨钢耐磨性和寿命的影响

  郭达

  表面技术. 2019, 48(11): 131-139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.013

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  目的 减小钢轨钢表面因离散硬化产生的硬化区与基材边界处的硬度突变，从而消除磨损过程中硬化区与基材边界处因材质不连续而产生的早期碎裂现象，进一步提高钢轨钢的耐磨性和寿命。方法 提出了一种基于层流等离子体束离散硬化的表面织构化热处理方法。与之前的离散圆点状硬化不同，通过调节等离子体束在试样表面的运动速度，改变试样表面的加热时间，在硬化区与基材之间人为地附加了一个过渡区。为了揭示织构化热处理对钢轨钢滚滑性能的影响，在摩擦磨损试验机上进行了磨损试验。磨损后的试样经切割、打磨、抛光和腐蚀，在光学显微镜和扫描电子显微镜下进行了观察，以分析试样的磨损过程和织构化热处理提高试样耐磨性的机理。结果 由于附加过渡区的存在，相变区的一边被拉长，形状变为泪滴状。硬化区到基材的硬度变化率由3500 HV/mm降低至200 HV/mm，在圆点状硬化中可观察到的硬度突变消失。同时，在磨损实验中，泪滴状硬化试样的磨损量较圆点状硬化试样降低了27%，边界碎裂消失。 结论 具有附加过渡区的试样比圆点状硬化的试样具有更好的耐磨性和抗塑性变形能力，该方法对提高钢轨钢的使用寿命具有一定的应用前景。
专题——2036 年国家自然科学基金研究进展
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  含颗粒缺陷涂层材料线接触力学性能数值分析

  杨万友, 王家序, 黄彦彦

  表面技术. 2019, 48(11): 140-147. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.014

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  目的 建立线载荷作用下含颗粒缺陷涂层材料的数值分析模型，探究颗粒缺陷对涂层材料接触力学性能的影响，以期为工程实际中机械传动部件表面的涂层工艺优化设计提供理论指导。方法 利用半解析法，构建考虑颗粒缺陷的含涂层非均质材料线接触模型，所得计算结果与有限元法结果吻合良好。基于该模型，研究了摩擦系数、颗粒缺陷的位置及分布对含颗粒缺陷涂层材料最大von Mises应力及其深度位置的影响。结果 随着摩擦系数的增大，最大von Mises应力值逐渐增大，其深度位置从涂层内部阶跃至近表面。随着颗粒缺陷中心x坐标从左到右变化，最大von Mises应力值先增大后减小，其深度位置位于涂层与基体界面附近或颗粒缺陷近表面端的上端。随着颗粒缺陷与涂层表面距离的增大，最大von Mises应力值先增大，后减小，并逐渐趋于稳定，其深度位置先逐渐远离涂层表面，随后稳定在涂层内部或涂层与基体界面区域。分布颗粒缺陷对最大von Mises应力的影响较为复杂，其深度则位于涂层与基体的界面或颗粒缺陷与基体的界面附近。结论 摩擦系数与颗粒缺陷的位置及分布对涂层材料线接触力学性能均能产生较大影响。
专题——2041 年国家自然科学基金研究进展
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  紫外光催化辅助SiC抛光过程中化学反应速率的影响

  路家斌, 阎秋生, 廖博涛

  表面技术. 2019, 48(11): 148-158. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.015

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  目的 为了探究紫外光催化辅助抛光过程中，化学反应速率对SiC化学机械抛光的影响规律。 方法 通过无光照、光照抛光盘和光照抛光液3种光照方式，研究紫外光催化辅助作用对单晶SiC抛光过程中材料去除率的影响。测量不同条件下光催化反应过程中的氧化还原电位（ORP）值，来表征光催化反应速率，并进行了单晶SiC的紫外光催化辅助抛光实验，考察光催化反应速率对抛光效果的影响规律。结果 实验表明，引入紫外光催化辅助作用后，材料去除率提高14%~20%，随着材料去除率的增加，光催化辅助作用对材料去除率的影响程度变小。光照射抛光液方式的材料去除率明显高于光照射抛光盘。不同条件下的抛光结果显示，化学反应速率越快，溶液的ORP值越高，材料去除率越大，表面粗糙度越低。在光照抛光液、H2O2体积分数4.5%、TiO2质量浓度4 g/L、光照强度1500 mW/cm2、pH=11的条件下，用W0.2的金刚石磨料对SiC抛光120 min后，能够获得表面粗糙度Ra=0.269 nm的光滑表面。结论 在单晶SiC的紫外光催化辅助抛光过程中，光催化反应速率越快，溶液ORP值越高，抛光效率越高，表面质量越好。在H2O2浓度、TiO2浓度、光照强度、pH等4个因素中，对抛光效果影响最大的是H2O2浓度，光照强度主要影响光催化反应达到稳定的时间。
专题——2045 年国家自然科学基金研究进展
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  刀具表面状态对电工钢板剪切断面完整性的影响

  阎秋生

  表面技术. 2019, 48(11): 159-169. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.016

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  目的 研究电工钢板材精密剪切加工过程中，刀具表面粗糙度与润滑条件对剪切断面完整性的影响。方法 使用不同表面粗糙度的刀具，分别在干切和润滑下对0.5 mm厚的无取向电工钢进行剪切加工实验，使用MahrXT20粗糙度轮廓仪检测刀具表面粗糙度，使用Kistler三向测力仪测量剪切过程中的三向力，使用Keyence超景深显微镜检测断面形貌和截面轮廓，使用维氏显微硬度计测试剪切边缘硬度分布，使用有限元方法计算刀具表面粗糙度和润滑油膜对刀具-工件表面接触面积和摩擦力的影响。结果 干切条件下，刀具表面粗糙度Ra值越大，剪切力越大，剪切边缘加工硬化越大，剪切断面完整性越差。润滑条件下，随刀具表面粗糙度Ra值的增加，剪切断面完整性先变好后变差，且加工硬化与剪切力都呈现出先减小后增加的趋势。刀具表面粗糙度Ra值较小或较大时，加注润滑剂难以改善加工效果，甚至产生负面影响。板材与刀具接触界面润滑条件下，刀具表面粗糙度Ra=0.2 μm时有最优加工效果，相对干切条件，其光亮带高度和表面完整性分别增加16.9%和4.3%，塌角高度、硬化层相对深度以及Fy和Fz分别减少15.4%、28.1%、26.9%和7.1%。结论 刀具表面粗糙度Ra增大，工件材料的附加微观变形增大，造成剪切断面完整性恶化；当刀具表面粗糙度合适时，添加润滑剂，可以在接触界面形成连续油膜，显著减少刀具与板材间固体接触面积和摩擦力，提高剪切断面完整性。工业生产中，刀具会逐渐磨损，导致表面粗糙度增大，故必须关注刀具表面粗糙度对剪切断面完整性的影响，并注重与润滑油的配合。
专题——2049 年国家自然科学基金研究进展
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  电泳沉积仿生“砖-泥”层状结构材料用于防腐蚀涂层的展望

  陈星云, 冯亚琳

  表面技术. 2019, 48(11): 170-178. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.017

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  受制于材料本身的性质，有机涂层在服役期间不可避免会遭受物理及化学腐蚀作用而使防护失效。贝壳珍珠层是一种天然的“砖-泥”层状结构的有机-无机复合材料，由于其特殊的层状结构，该材料展现出优异的力学性能和隔绝效果，引起人们对该材料的广泛研究。首先，对“砖-泥”层状结构的增韧机制、材料的仿生制备方法等方面的研究进展进行了回顾。其次，探讨了纳米复合涂层的研究现状，比较了仿生“砖-泥”涂层和传统复合涂层在结构及性能上的差异，结果表明，将“砖-泥”层状结构引入到涂层设计中，将充分发挥片状填料对力学性能和隔绝效果的增强作用，进而在提高涂层对物理和化学腐蚀破坏的抵抗的同时，增强涂层的防护性能。然后，在分析仿生“砖-泥”层状材料现有制备技术优缺点的基础上，探讨了利用电泳沉积技术制备仿生“砖-泥”层状涂层的可行性及其在防腐蚀中的应用前景。最后，介绍了利用电泳沉积构建“砖-泥”层状仿生涂层的研究内容及方案，研究结果将为构建长效防护涂层提供数据支持。
专题——2054 年国家自然科学基金研究进展
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  激光熔覆层冲刷腐蚀研究现状

  表面技术. 2019, 48(11): 179-187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.018

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  冲刷腐蚀广泛发生在石油、化工等领域，并致使设备材料发生损伤或失效。材料经激光熔覆后得到具有特殊化学、力学性能，并能与基体材料形成冶金结合的涂层。从激光熔覆层冲刷腐蚀行为研究方法出发，简要概括了现场测试法、数值模拟法以及通过模拟真实工况进行实验室研究的三大类实验装置的优缺点，并对目前用于激光熔覆层冲刷腐蚀行为的表征方法进行了总结。然后介绍了激光熔覆层冲刷腐蚀机理的研究现状：冲刷腐蚀机制由电化学腐蚀、机械力磨损及二者交互作用构成，其中冲刷主要通过正应力和切应力两种侵蚀机制对腐蚀产生促进作用，而腐蚀则通过弱化涂层表面促进冲刷。随后，总结了激光熔覆层冲刷腐蚀行为的影响因素，并对熔覆材料自身因素、流体因素（流速、冲蚀角、固体颗粒及pH值、温度等）对激光熔覆层冲刷腐蚀行为的影响规律进行了分析和归纳。最后，基于冲刷腐蚀机理研究现状，从研究方法及影响因素等方面总结了目前激光熔覆层冲刷腐蚀研究中存在的问题，同时对未来的研究趋势进行了展望。
专题——2057 年国家自然科学基金研究进展
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  基于维纳退化过程的海底腐蚀管道可靠性分析

  毕傲睿, 张新生

  表面技术. 2019, 48(11): 188-193. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.019

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  目的 研究海底腐蚀管道的寿命可靠性，提出基于维纳过程（Wiener Process）和贝叶斯方法估参的可靠性分析模型。方法 首先以管道内壁腐蚀退化数据和维纳过程为基础，建立针对海底管道的腐蚀退化模型，并针对不同时段的腐蚀退化数据，以正态-逆伽马分布作为模型未知参数的先验分布。然后采用一种优化的贝叶斯方法递推计算，得到未知参数值，最终实现腐蚀管道的可靠性分析，并以某海底腐蚀管道为例进行验证。结果 可靠性分析得到腐蚀管道在运营前期的12年几乎完全可靠，可靠性达99.22%；13年之后，腐蚀进程开始加快，当可靠度为90%时，该段管道的可运营时间为13.6年；运行15年时，可靠度为68.97%；运行20年时，可靠度为2.4%；而到设计寿命25年时，管道可靠度几乎为0，求得管道的平均剩余寿命为15.99年。结论 以海底管道的腐蚀退化数据为切入点，为长寿命、小子样的海底管道可靠性提供了一种较直观的分析方法。分析模型可以处理不同时间段测量的管道腐蚀数据，并且随着管道运营时间的增加，能够不断更新可靠性分析结果，而不需要反复处理历史数据，进而可以用于海底腐蚀管道的实时可靠性分析。
表面强化及功能化
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  具有循环净化性能的纳米TiO2/活性炭复合表面的构筑

  翟梦娇, 黄晶, 凤晓华, 刘奕, 肖通虎, 李华

  表面技术. 2019, 48(11): 194-201. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.020

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  目的 构筑净化性能优异的纳米TiO2/活性炭复合表面。方法 采用溶凝胶模板法构筑球形表面，将乳化法制备的石蜡球和复合活性炭的纳米TiO2溶胶挤压成形，温和处理后形成规则稳定的球形表面。使用SEM、XRD和FTIR进行表面微观结构、形貌和物相检测，采用X射线断层扫描对球形表面结构进行重构和球面特征分析。分析测定了不同当量直径球形表面的样品对亚甲基蓝的净化效果。结果 温和处理工艺维持了原始P25粉末的晶型和晶粒尺寸，溶凝胶模板法可以形成贯通、多面、多孔径的结构和簇状均匀表面。3DCT结果显示，活性炭的复合使样品形成了碳增强的TiO2球形表面。构筑成功的纳米TiO2复合活性炭样品，在8个周期的循环吸附-净化中可以完全将亚甲基蓝净化降解。平均当量直径为0.67 mm的样品，在9个周期的净化反应中，净化率可以保持100%。结论 溶凝胶模板法成功构筑了纳米TiO2复合活性炭的球形连续表面，球形表面之间大的孔道连接和活性炭在纳米TiO2颗粒之间的复合，可以提高传质效率，从而提高循环净化性能。
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  激光选区微织构增强不锈钢表面冷凝传热

  娄德元, 刘庆, 梅胜, 杨少坤, 翟中生, 郑重, 成健, 刘顿

  表面技术. 2019, 48(11): 202-210. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.021

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  目的 针对特殊润湿性表面常用的化学法修饰具有高污染、热阻大和加工周期长的缺点，采用无化学的激光选区微织构技术增强不锈钢表面冷凝传热性能。方法 用纳秒脉冲光纤激光正交扫描微织构不锈钢表面，获得正方形网格沟槽-凸起结构的超亲水表面，在电热恒温干燥箱中热处理降低其表面自由能，获得接触角156.7°与滚动角4.2°的不锈钢超疏水表面。然后对超疏水表面进行激光二次微织构，制备出楔形超疏水-超亲水选区微织构表面。通过SEM、XPS及三维光学显微镜分析表面形貌、化学成分及三维轮廓。对比单一超亲水、超疏水及原始表面，测得试样背面温度、冷凝水量和冷凝液滴平均脱落直径，根据相关冷凝传热理论公式计算出四种试样的表面冷凝传热系数。结果 冷凝实验表明，楔形选区微织构表面冷凝传热系数可达到(159.7±1.8) W/(m2?K)，其表面冷凝液滴平均脱落直径达到1.2 mm，约为单一超疏水表面冷凝传热系数的2.0倍，冷凝液滴平均脱落直径为全超疏水的55%。结论 选区微织构表面超亲水楔形通道对液流有自驱动作用，使冷凝液快速汇聚后脱离冷凝表面，这一选区微织构图案相比单一原始、超亲水及超疏水表面拥有更好的冷凝传热效果；同时表面冷凝液滴平均脱落直径减小，从而具有更高的冷凝传热系数。
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  碳纳米管预处理及表面化学镀铜

  王虎, 朱延玲

  表面技术. 2019, 48(11): 211-218. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.022

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  目的 在CNTs表面镀上一层均匀分布的铜镀层，以此优化CNTs在金属基体中的润湿性，提高CNTs与金属基体之间的界面结合力，实现CNTs在金属基体中的均匀分散，为制备高性能金属基复合材料提供途径。方法 首先对CNTs进行预处理，包括纯化、氧化、敏化、活化，再进行表面化学镀铜，从而在CNTs表面获得均匀分布的铜镀层。采用扫描电镜（SEM），透射电镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）等测试方法对不同处理后的CNTs进行微观组织表征。结果 CNTs经过预处理后，实现了CNTs表面镀铜。同时，在化学镀铜过程中，铜镀层在CNTs表面的生长并不是一个持续稳定的过程，首先在活化程度较高的位置形核长大，再横向生长，最终覆盖整个CNTs表面。实验得到了CNTs镀铜的最佳参数：CuSO4?5H2O的质量浓度为18 g/L，镀铜时间为15 min。在此条件下，铜镀层的分布比较均匀，单根CNTs上不同部位的镀层厚度基本相同，铜镀层的平均厚度为25 nm。结论 CNTs经过预处理后，表面形成了含氧官能团，镀铜过程去除了CNTs表面的大部分官能团，并在其表面获得均匀分布的纳米级厚度的铜镀层，改善了CNTs在金属基体中的润湿性，为CNTs应用到金属基复合材料提供重要途径。
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  Fe82Nb6B12合金表面纳米多孔结构的形成及电催化析氢性能的研究

  罗宇林, 钱海霞, 曾燮榕, 谢盛辉, 孙德恩

  表面技术. 2019, 48(11): 219-225. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.023

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  目的 增加条带表面积，提高电催化析氢活性。方法 采用真空激冷装置制备Fe82Nb6B12前驱体条带，通过控制铜辊转速得到α-Fe纳米晶/非晶双相结构。利用α-Fe纳米晶与非晶基体在0.5 mol/L H2SO4溶液中腐蚀性能的差异，通过脱合金法得到非晶纳米多孔结构。使用XRD、DSC、SEM、EDS等表征手段以及电化学测试方法，研究铜辊转速、脱合金时间对物相、成分、形貌及电催化析氢性能的影响。结果 1 kr/min样品完全晶化，2~3 kr/min样品为α-Fe纳米晶/非晶双相合金，且随着铜辊转速增大，前驱体条带中α-Fe纳米晶含量减少。脱合金后成功制备了非晶纳米多孔结构，铜辊转速越大，孔径越小，比表面积越小。4 kr/min样品为非晶态，脱合金后没有得到多孔结构。2 kr/min多孔结构的析氢性能最好，在电流密度为10 mA/cm2时的过电位为220 mV，塔菲尔斜率为105 mV/dec。结论 采用甩带法可以制备具有α-Fe纳米晶/非晶双相结构的Fe82Nb6B12合金。通过α-Fe纳米晶的选择性腐蚀，在条带表面得到纳米多孔结构，条带比表面积显著改善，从而提高了其析氢性能。
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  化学刻蚀法制备金属超疏水表面的方法及机理研究

  刘韬, 底月兰, 王海斗, 刘莹, 王乐, 董丽虹

  表面技术. 2019, 48(11): 226-235. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.024

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  超疏水表面应用广泛，价值巨大。构筑超疏水表面的方法众多，化学刻蚀具有方法简单、效果显著的特点。针对金属表面，研究刻蚀液成分、溶液配比及反应条件对材料疏水性能的影响以及低表面能修饰方法与机理。从Wenzel、Cassie基础理论模型展开，综述了不同的固-液接触状态及疏液机理，通过SEM图与关系曲线图，直观地展示了刻蚀方法与刻蚀反应条件对试样表面微观形貌与宏观疏水性能的影响。从理论分析的角度阐述了表面微结构形貌以及尺寸参数对于静态、动态疏水性能的影响。针对用于低表面修饰的修饰剂与官能团，对其修饰效果与修饰机理进行了说明。在此基础上，针对该方法目前存在的问题进行总结和梳理，并对刻蚀后表面疏水性能稳定性在不同情况下出现波动的原因进行深入分析。
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  M2高速钢刀具表面激光熔覆WC/Co涂层的组织与红硬性

  陈翔, 张德强, 孙文强, 王一臣, 张吉庆

  表面技术. 2019, 48(11): 236-243. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.025

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  目的 利用激光强化技术在M2（W6Mo5Cr4V2）高速钢刀具表面熔覆WC/Co涂层，研究涂层组织成分、切削性能的变化规律及强化机理。方法 采用IPG光纤激光器，在通用M2高速钢刀具表面制备一组单道熔覆层，运用显微硬度计、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）等表征手段分析了熔覆层显微硬度、宏观形貌、显微组织、物相组成及红硬性等情况。结果 在激光功率为1.1 kW，送粉电压为14 V，扫描速度为3 mm/s时，熔覆层截面出现少量气孔，并在左右边界部位出现裂纹，主要物相为Fe3W3C、WC、W2C、M6C型硬质相和间隙碳化物。其上部组织更为细腻，以碳化钨和钨钴化合物为主；中部及下部组织以弥散形式分布于熔覆层中，主要组织为Fe3W3C和碳化钨。熔覆层硬度明显高于基体，最高硬度达到1411HV，出现在距熔覆层顶点0.4 mm左右的次表层范围内。600 ℃时，熔覆层红硬性达到60HRC以上；1000 ℃时，熔覆层红硬性仍达到50HRC以上。由600 ℃逐渐升高到1000 ℃时，熔覆层组织晶界强化作用逐渐减小，择优取向强化表现明显。结论 在M2高速钢表面熔覆WC/Co涂层，可以有效地提高刀具材料的硬度及红硬性。熔覆层最高硬度可以提高为刀具基体的1.64倍；600 ℃时，熔覆层红硬性远高于高速钢基材的红硬性指标；1000 ℃时，熔覆层红硬性近似接近于硬质合金的红硬性要求，是高速钢基材的2.94倍。生成的碳化物硬质相及间隙碳化物对熔覆层的硬度及红硬性的提高起到了主要作用。
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  表面处理对TC4钛合金-GF/PEI复合材料电阻焊接强度的影响

  崔旭, 赵普, 熊需海, 张忠宝, 王道晟

  表面技术. 2019, 48(11): 244-251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.026

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  目的 提高钛合金-复合材料电阻焊接界面强度。方法 以不锈钢网、预浸料和树脂薄膜的组合结构作为界面植入体，利用脉冲电阻焊接技术连接钛合金和玻璃纤维增强聚醚酰亚胺（GF/PEI）层合板。对表面光滑的钛合金分别进行砂纸机械打磨以及H2O2/NaOH碱性混合溶液刻蚀处理，并通过能谱分析仪、扫描电子显微镜和静态接触角测试仪，分别对钛合金表面成分、形貌和粗糙程度进行分析。对表面处理后的钛合金和GF/PEI层合板进行电阻焊接，并对焊件进行单搭接拉伸剪切试验，以评估焊接头的强度。利用超声波扫描显微镜检测层合板内部损伤验证接头失效模式。结果 通过机械打磨后的钛合金，表面粗糙程度增加，接触角从56.8°上升到84.8°。钛合金与PEI树脂的界面结合性能上升，使最大焊接强度提升187.0%。碱性混合溶液刻蚀后的钛合金，表面形貌随刻蚀时间（te）的增长呈现出不同的结构，并在刻蚀后期出现亚微米级的网络结构，同时伴随着表面接触角从56.8°上升到136.3°。钛合金表面的亚微米级网络结构与PEI树脂形成机械互锁结构来共同承担焊接头的力学性能，使最大焊接强度提升198.4%。接头失效分析显示，焊接初期接头的主要失效模式为钛合金板从界面处直接剥离；焊件强度达到最佳时，失效模式转变为植入体断裂。结论 对钛合金进行机械打磨和刻蚀处理可以有效改善表面粗糙程度，从而提高钛合金-GF/PEI层合板的焊接头强度。
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  负载型Cu基结构催化剂的制备及其含氰废气净化性能研究

  杜辰昊, 陈航宁

  表面技术. 2019, 48(11): 252-258. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.027

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  目的 调整Cu基结构催化剂浸渍液的组分，研究其对丙烯腈、氰化氢含氰组分净化效率的影响。方法 通过表面改性的方法，在常见的分子筛和氧化物表面负载不同种类与含量的助剂，得到结构催化剂，并且利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、透射电子显微镜（TEM）、比表面积分析仪、催化剂颗粒强度仪，对催化剂的微观形貌、结构特性和机械强度等进行系统表征。利用氢气程序升温还原（H2-TPR）和氨气程序升温脱附（NH3-TPD），对催化剂表面物种的氧化还原性和酸性进行研究。结果 通过筛选发现，添加Fe和Ce助剂得到的结构催化剂，在含氰废气净化过程中表现出优异的催化性能和稳定性。各浸渍组分均匀分布在所用的载体表面，经ICP分析测得催化剂中各负载组分的含量为4.5%Cu+1.1%Ce+1.2%Fe（均为质量分数）。利用该方法得到的催化剂比表面积高，孔道结构丰富，表面物种分布均匀且径向强度超过100 N/cm。含丙烯腈和氢氰酸的废气经过催化剂处理后，高效转化为无害的CO2、H2O和N2。废气中丙烯腈含量小于0.5 mg/m3，氰化氢小于1.9 mg/m3，氮氧化物小于100 mg/m3，均低于国家排放标准的限值，且经过2500 h连续反应，未发现明显失活现象。另外，催化剂同时具有较好的丙烷催化燃烧去除性能和水热稳定性，450 ℃下300 h内丙烷的去除率保持在85 %以上。结论 开发了一种简捷的方法对常见载体（分子筛、氧化物）进行表面改性处理，调控催化剂表面物种的化学性质。通过浸渍过程赋予其高效净化含氰废气的性能，同时催化剂具有优异的活性、稳定性和机械强度，存在良好的工业化应用前景。
表面摩擦磨损与润滑
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  TiN/BN与AlN/BN纳米混合添加剂的摩擦学性能研究

  孟凡善, 李征, 程焯, 王文健, 刘启跃

  表面技术. 2019, 48(11): 259-265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.028

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  目的 探究TiN/BN与AlN/BN两类纳米混合添加剂在油润滑中的摩擦学性能，分析纳米润滑油润滑机理。方法 以油酸作为分散剂，提高纳米添加剂在基础油中的分散性能，利用MRS-10A型四球摩擦磨损实验机对不同混合比例、不同添加浓度的TiN/BN与AlN/BN纳米润滑油进行摩擦学性能测试，使用扫描电镜观察磨斑表面形貌，用EDS和XPS检测磨斑表面元素种类及相应化合价态。结果 经油酸分散的混合纳米粒子的质量比为1︰1时，纳米润滑油表现出最好的抗磨减摩性能。其中TiN/BN纳米混合添加剂的质量分数为0.6%时，磨斑直径和摩擦系数较基础油分别降低34.97%和16.75%，最大无卡咬负荷提高65.96%；AlN/BN纳米混合添加剂的质量分数为0.2%时，磨斑直径和摩擦系数较基础油分别降低24.49%和11.76%，最大无卡咬负荷提高38.30%。磨斑表面磨痕沟槽深度、宽度减小，表面粗糙度明显降低。结论 分散在油液中的AlN、BN、TiN纳米粒子进入摩擦副间发挥承载支撑作用，将滑动摩擦变为滑动-滚动混合摩擦，降低摩擦磨损。进入摩擦副间的AlN纳米粒子由于高表面能特性，沉淀吸附于摩擦表面凹坑处，修复磨损表面，TiN、BN纳米粒子与摩擦表面发生化学反应，生成由Fe-O、Ti-O、BOx及TiNxOy等物质所构成的自修复膜，表现出较好的抗磨减摩及自修复性能。
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  接触载荷对TC4钛合金微动磨损行为的影响

  景鹏飞, 俞树荣, 宋伟, 何燕妮, 邵晨

  表面技术. 2019, 48(11): 266-274. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.029

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  目的 在不同的载荷和位移幅值下，结合微动图研究微动接触状态、滑移状态、损伤体积三者对微动摩擦磨损的影响以及不同微动接触状态和滑移状态下材料的损伤机理，为机械构件的微动磨损防护设计提供一定的理论支持。方法 在相对湿度为50%、干摩擦条件下，运用SRV-V摩擦实验机，采用球/平面接触形式研究了TC4钛合金/GCr15钢球摩擦副的微动摩擦磨损行为。实验后，用原子力显微镜、纳米压痕仪、三维光学轮廓仪、场发射扫描电子显微镜及其自带的EDS，测试TC4试样的表面形貌及粗糙度、弹性模量与硬度、磨损体积与截面形貌和显微结构及磨斑、磨屑形貌成分等。结果 在较低法向载荷下，完全滑移（GSR）占主导地位。磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损以及疲劳脱层是主要的损伤机理。另一方面，在较高法向载荷下，混合滑移（MSR）、部分滑移（PSR）占主导地位。损伤机制是由于高的应力集中，导致疲劳裂纹。此外，不同的微动运行条件下和材料损伤区域也不相同。完全滑移条件下，损伤主要集中在磨斑中心，而部分滑移条件下，损伤主要集中在磨斑边缘。结论 切向摩擦力、微动振幅是影响微动磨损的重要因素。小位移幅值下，磨屑可以减缓接触面钛合金基体材料的微动磨损；而大位移幅值下，磨屑会加剧接触面基体材料的微动磨损。
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  D2车轮钢原始组织对滚动磨损性能的影响

  马林, 任瑞铭, 刘鹏涛, 潘睿, 赵秀娟

  表面技术. 2019, 48(11): 275-282. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.030

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  目的 研究原始组织对D2车轮钢滚动磨损性能的影响，探索车轮耐磨性(多边化)的科学控制，为轨道交通关键材料设计和伤损控制提供理论和试验依据。方法 使用GPM-30摩擦磨损试验机对原始组织分别为片状珠光体+先共析铁素体(P+F)和回火索氏体(TS)的D2车轮钢试样进行干摩擦风冷滚动磨损试验。通过测量磨损量、观察宏观磨损形貌和测量维氏硬度对磨损性能进行评价，通过扫描电子显微镜和光学显微镜对磨损形貌、截面组织进行观察分析。结果 TS试样更容易形成多边化现象，多边化现象的产生会加速试样的磨损。TS试样的磨损量以及磨损速率均高于P+F试样。运行2×105转后，P+F试样以及TS试样的表面磨损机制均以粘着磨损和氧化磨损为主，TS试样表面的剥落坑较多且深，粘着磨损程度更严重，粗糙程度更高。TS试样原始硬度较高，硬化幅度较低，约78%。P+F试样虽然原始硬度较低，但其硬化幅度可达95%，磨损后硬度更高，硬化层更厚。结论 TS试样内以铁素体变形细化的硬化效果为主，P+F试样内产生铁素体细化和渗碳体变形共同硬化的效果。在干摩擦滚动磨损条件下，原始组织为P+F的试样在磨损过程中硬化效果更突出，抗多边化能力和耐磨性能更好。
表面失效及防护
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  三维表面粗糙度对18CrNiMo7-6 钢旋转弯曲疲劳寿命的影响

  王栋, 律谱, 陈真真

  表面技术. 2019, 48(11): 283-289. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.031

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  目的 探究固定载荷下三维表面粗糙度Sa对18CrNiMo7-6钢旋转弯曲疲劳寿命的影响。方法 通过砂纸研磨制备不同表面粗糙度及纹理方向的18CrNiMo7-6钢旋转弯曲疲劳试样，测量所有试样的表面粗糙度参数Sa及三维表面形貌参数Sq、Sz、Ssk、Sku。对试样进行旋转弯曲疲劳试验，分析疲劳寿命。结果 在相同或相近粗糙度的情况下，轴向纹理疲劳试样疲劳寿命大于周向纹理疲劳试样疲劳寿命。相同纹理方向的情况下，表面三维粗糙度Sa越低，试样疲劳寿命越高。试样疲劳寿命次数与表面粗糙度参数Sa及三维表面形貌参数Sq、Sz、Ssk、Sku均有明显的相关性。结论 对于18CrNiMo7-6钢旋转弯曲疲劳试样，拥有平行于疲劳应力的机械加工纹理比垂直于疲劳应力的机械加工纹理具有更小的危害性。降低18CrNiMo7-6试样表面粗糙度，能够有效提高试样旋转弯曲疲劳寿命。纹理方向平行于疲劳应力方向的试样，表面偏斜度Ssk对零件疲劳寿命影响不明显。
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  以抑制管柱结垢腐蚀为目标的注水井水源选择方法研究及应用

  张启龙, 许杰, 高斌, 李进, 龚宁

  表面技术. 2019, 48(11): 290-296. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.032

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  目的 减少注水井管柱结垢腐蚀现象的发生，解决常用的水质评价方法存在测量困难、人为经验影响大等问题，提出一套以抑制注水管柱发生结垢腐蚀为目标的注水井水源选择方法。方法 基于渤海油田7个水样分析结果，以水质的结垢腐蚀趋势为参考序列，水质成分（HCO3–、Cl–、Ca2+、Na++K+、Mg2+、SO42–的离子浓度）为比较序列，通过灰色关联度的方法研究各个离子成分对结垢腐蚀现象的敏感性。在此基础上，利用模糊物元的方法，对注水井水源选择的方法进行研究。结果 得到了渤海油田水质成分（HCO3–、Cl–、Ca2+、Na++K+、Mg2+、SO42–）对注水管柱结垢的最优影响权重（0.1964、0.1785、0.1753、0.1748、0.1706、0.1044），在此基础上，形成了一套注水井水源的快速选择方法。利用该方法对渤海A油田某注水井的三个水源（1号、2号和3号水源）的水质进行了分析，计算得到的水源优劣排序为2号水源＞1号水源＞3号水源，通过SI指数测定实验和挂片腐蚀实验验证了该选择方法的准确性。结论 该方法可应用于未来渤海油田注水井水质的选择，对减少注水管柱发生结垢腐蚀现象具有较好的指导意义。
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  热震对TiAlSiN涂层结构与性能的影响

  李洪, 石倩, 宋智辉, 代明江, 林松盛, 韦春贝, 郭朝乾, 苏一凡

  表面技术. 2019, 48(11): 297-304. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.033

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  目的 探究TiAlSiN涂层经过不同热震次数后，其组织结构及性能的变化规律及机制。方法 采取电弧离子镀技术在单晶硅和M2高速钢（W6Mo5Cr4V2）表面沉积TiAlSiN涂层，采用加热-水淬循环的方法进行热震试验。采用3D表面轮廓仪、扫描电子显微镜（SEM）表征涂层显微形貌，用金相显微镜测定膜/基结合力，用能谱仪（EDS）分析涂层元素含量变化，用X射线衍射仪（XRD）表征物相结构，用划痕仪和硬度计测量涂层力学性能，用摩擦磨损试验仪、光学显微镜探究涂层摩擦学性能及摩擦磨损机制。结果 随着热震次数的增加，涂层表面产生的TiO颗粒尺寸增大，含量增多，粗糙度增加。XRD衍射峰向小角度发生偏移，但仍保持立方结构。涂层的力学性能变差，硬度值由2066HV0.025下降至1447HV0.025，结合力由常温的71.8 N下降至33.9 N，结合力等级由常温的HF1降至HF4。此外，30、40、50次热震后，涂层展现出比常温下更优异的耐磨性能，摩擦系数由常温的0.571分别降低至0.427、0.389、0.273，磨损率由常温时的1.4×10-14 m3/(N?m)分别降至1.01×10-14、0.93×10-14、0.71×10-14 m3/(N?m)，磨损类型主要为粘着磨损与氧化磨损。结论 TiAlSiN涂层在600 ℃下具备优异的抗热震性能，多次冷-热循环后仍为立方结构。随着热震次数的增加，TiAlSiN涂层表面质量及力学性能下降，但摩擦磨损试验中，由于涂层表面多次热震形成的氧化物起到润滑效果，有效减缓了涂层与摩擦球的剧烈接触，使TiAlSiN涂层的耐磨减摩性能提高。
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  C/SiC喷管及其超高温抗氧化涂层烧蚀行为模拟研究

  白瑀, 汤富领, 杨彦龙, 薛红涛, 曹生珠, 张凯峰

  表面技术. 2019, 48(11): 305-311. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.034

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  目的 提高C/SiC材料发动机喷管的高温抗烧蚀性能。方法 基于质量、能量守恒和物性方程建立发动机喷管内燃气湍流模型，应用数值模拟方法计算喷管基体和各涂层的线烧蚀速率，并验证模型的准确性。通过比较不同种类涂层的抗烧蚀性能及涂层间匹配性，建立多元复合涂层体系，分析体系烧蚀行为及烧蚀机理，对HfO2-ZrC-SiC-C/SiC四元体系在不同温度下的线烧蚀速率进行计算。结果 Hf系、Zr系涂层抗氧化烧蚀性能优异，最大线烧蚀速率皆处于0.3~1.2 μm/s之间。HfO2具有良好的抗烧蚀性能和自身稳定性。相较其他体系，HfO2-ZrC-SiC-C/SiC体系喷管的喉部及扩散段线烧蚀率更低。体系在7 MPa下，分别在1700、2100、2500、2900 K计算了线烧蚀速率，最大线烧蚀速率区域产生了迁移现象，各温度梯度线烧蚀速率分别提高了174%、20.22%、18.04%。结论 HfO2能够有效地降低喷管收敛段的烧蚀速率，且适合作为复合涂层体系最外层。温度升高明显加剧了化学反应烧蚀和机械剥蚀，高温度下机械剥蚀是烧蚀的主要因素。
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  基于激光填丝熔覆的Cr12MoV模具修复及性能表征

  尹研, 王匀, 许桢英, 於伟杰, 李瑞涛, 刘宏

  表面技术. 2019, 48(11): 312-319. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.035

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  目的 引入基体表面粗糙度作为激光填丝熔覆工艺参数，在Cr12MoV表面获得综合性能优良的熔覆层，研究激光功率、送丝速度、扫描速度和表面粗糙度对熔覆层形貌的影响。方法 利用Nd:YAG脉冲激光在Cr12MoV基体上熔覆SDK11丝材，用于修复模具表面损伤。利用光学显微镜、SEM和EDS对熔覆层、热影响区微观结构和化学组成进行表征，通过显微硬度仪获得熔覆层纵向硬度分布。结果 因为陷光效应，表面粗糙度对熔覆层形貌影响较大，随着粗糙度变大，激光吸收率提高，熔深和稀释率增加，高度降低。影响机理的本质是有效体能量Ev和比填丝率ω。当Ev为80~100 J/mm3、ω为1~3时，可获得较为稳定的熔覆工艺，熔覆层由胞状晶、柱状晶和等轴晶混合组成，并且晶粒细小，存在硬质铬钒碳化物，可使硬度提升900 HV，是基体的3倍。结论 Ev和ω可以作为关键控制工艺因素，在特定范畴内可以获得稀释率低的扁平熔覆层，熔合缺陷少，熔覆层硬度高，不存在明显软化区域。激光填丝熔覆可以达到模具表面缺陷修复的要求。
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  AZ91D表面Ni-P/Al YSZ复合热障涂层的热震失效研究

  杨珊, 朱玲, 董凯, 邹兵林, 沈加艮

  表面技术. 2019, 48(11): 320-326. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.036

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  目的 研究带有Ni-P/Al复合中间层的AZ91D镁合金表面氧化钇稳定氧化锆热障涂层（YSZ TBCs），在400 ℃水淬热震实验中的失效行为。方法 通过化学镀和等离子喷涂（APS）技术，在Mg合金表面制备带有Ni-P和Ni-P/Al中间层的NiCrAlY/YSZ TBCs。于400 ℃水淬热震试验中进行涂层样品的失效行为及机理研究。利用X-射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）及扫描电镜（SEM）等，分析带有Ni-P、Ni-P/Al中间层的YSZ TBCs的物相组成和热震失效前后的显微组织。结果 带有Ni-P中间层的YSZ TBCs在平均热冲击循环61次后，涂层表面积的60%发生剥落；带有Ni-P/Al复合中间层的YSZ TBCs在平均热冲击循环91次后，整片涂层从基体上剥落分离。微观形貌结果表明，在水淬过程中，水介质进入异种金属界面处，化学性质活泼的Mg合金基体和金属Al均发生电偶腐蚀且前者更甚。在400 ℃加热-水淬过程中，NiCrAlY粘结层和Mg合金基体由于热膨胀系数不同，层间的热应力不断积累并作用于中间层。在腐蚀应力和热应力共同作用下，Ni-P层和Al层发生断裂，涂层剥离失效。结论 Ni-P/Al复合中间层能有效提高镁合金基体抗氧化能力和抗腐蚀能力，且涂层内热应力明显减小，整个涂层表现出更好的热稳定性，热震寿命有所提高。
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  电化学法制备铜基超疏水结构及其耐蚀性能研究

  张晓东, 丰少伟, 陈宇, 张昭

  表面技术. 2019, 48(11): 327-332. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.037

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  目的 改善铜在海洋环境中的耐腐蚀性能。方法 将化学刻蚀与电化学氧化成膜相结合，在金属铜表面制备超疏水结构，采用单因素实验分别考察了硬脂酸浓度、苯并三氮唑浓度、电沉积电压以及电沉积时间对所制备表面结构接触角的影响规律，通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱研究了铜基超疏水结构在3.5% NaCl溶液中的耐蚀性能。结果 当硬脂酸浓度为0.02 mol/L，苯并三氮唑质量浓度为40 mg/L，电沉积电压为8 V，腐蚀时间为12 h时，所制备的铜基超疏水膜接触角达到了158°，滚动角为3°。动电位极化测试表明，超疏水表面同时抑制了阳极和阴极反应，经超疏水处理的铜在3.5% NaCl溶液中的自腐蚀电流密度相比未经处理时减小了约2个数量级，缓蚀效率高达99%。电化学阻抗结果表明，电荷转移电阻由1.61 kΩ?cm2增大至41.3 kΩ?cm2，铜基超疏水膜具有优异的耐蚀性能。结论 通过化学刻蚀与电化学氧化成膜可在铜表面构筑超疏水结构，使其在海洋环境下具有优异的耐蚀性能。
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  面向泵阀的钴基合金激光熔覆层组织与性能特征

  崔陆军, 张猛, 曹衍龙, 曾文涵, 郭士锐, 李晓磊, 郑博

  表面技术. 2019, 48(11): 333-340. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.038

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  目的 改善泵阀密封面质量，延长其使用寿命和提高泵阀使用可靠性。方法 在已做单道涂层预实验基础上，采用大功率光纤耦合半导体激光器于泵阀材料ZG45平板上制备多道钴基合金熔覆层。利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）、显微硬度计、盐雾腐蚀箱等实验测试仪器，分析熔覆层组织形态特征、成分、显微硬度及腐蚀行为，确定多道钴基涂层的工艺参数及性能。结果 多道钴基熔覆层存在可行的工艺参数，熔覆层致密，且与基材形成冶金结合。涂层显微组织主要由柱状晶、胞状晶、柱状树枝晶及枝间共晶组织组成，主要相为γ-Co、Cr23C6。枝晶中心主要由Co和Fe元素组成，其含量从枝晶中心向周围区域递减。枝晶间化合物主要由Cr、C、W元素组成，其含量均匀分布于枝晶间。涂层的平均显微硬度为586.5HV0.3，是基体的2.8倍以上，显微硬度随着稀释率的降低而增加。熔覆层的耐盐雾性能显著提高。结论 基于钴基合金的表面激光熔覆技术可以有效地提高其硬度和耐腐蚀性，可用于泵阀密封面的表面性能强化。
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  镁合金表面有机防腐导电涂层的制备及性能研究

  张秀萍, 穆耀钊, 李雷, 谢燕翔, 戴君, 徐可为, 石京

  表面技术. 2019, 48(11): 341-346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.039

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  目的 通过在AZ31镁合金表面微弧氧化陶瓷层上制备有机导电涂层，实现其既防腐又导电的功能。方法 加入无机导电炭黑制备涂料体系，在前期制备的微弧氧化层表面，应用刮涂法制备不同配比的有机防腐导电涂层。采用场发射电子显微镜观察涂层的微观形貌，用电化学方法测试涂层耐蚀性，用双电侧四探针测试仪测量涂层电阻值。结果 有机物中添加无机导电炭黑颗粒，对材料形貌有较大影响，随导电颗粒的添加，涂层表面质量下降，出现较多裂纹。与只有微弧氧化涂层的材料相比，其腐蚀电位提高了0.6~0.68 V。导电炭黑能有效地改善涂层的导电性，当炭黑添加量为10%时，涂层的平均电阻仅为70 ?。结论 有机涂层由于封孔和惰性反应作用，能进一步提高微弧氧化涂层的耐蚀性，由于导电炭黑颗粒的隧道效应及导电网络作用，使得涂层导电性大幅提高。
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  微弧氧化增强镁合金钼酸盐转化膜层的制备

  管秀荣, 朱宏达, 李学田, 邵忠财

  表面技术. 2019, 48(11): 347-355. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.040

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  目的 提高钼酸盐转化膜的耐腐蚀性能，制备微弧氧化增强的钼酸盐膜层。方法 采用化学转化法和微弧氧化法在AZ91D镁合金表面制备钼酸盐转化膜、微弧氧化膜和微弧氧化增强的钼酸盐膜层，研究了膜层的电化学行为和腐蚀失重情况，利用SEM、EDS、XRD和激光共聚焦显微镜对膜层的表面形貌、元素组成、物相组成和粗糙度进行分析。结果 XRD分析表明，钼酸盐膜层经过微弧氧化处理后，所得膜层较微弧氧化膜层多出新相MoSi2。钼酸盐转化膜层经过微弧氧化处理后，相比于微弧氧化膜层，表面变得平整光滑，孔洞微粒变小，粗糙度降低。钼酸盐转化膜经过微弧氧化处理后，在3.5%NaCl溶液中浸泡48 h，膜层失重最低。通过电化学测试，微弧氧化增强钼酸盐膜层的腐蚀电位较钼酸盐转化膜的腐蚀电位正移0.643 V，较微弧氧化膜的腐蚀电位正移0.419 V，腐蚀电流密度较钼酸盐转化膜降低了3个数量级，较微弧氧化膜降低了1个数量级。结论 钼酸盐转化膜经过微弧氧化处理后，膜层的耐腐蚀性能优于钼酸盐转化膜和微弧氧化膜，使镁合金的应用前景有所提高。
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  硫酸介质中丙氨酸复合缓蚀剂的研究

  黄文恒, 黄茜, 鲜磊, 曹琨

  表面技术. 2019, 48(11): 356-364. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.041

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  目的 研究丙氨酸和碘化钾共同存在于硫酸溶液中，对碳钢的协同缓蚀作用。方法 采用极化曲线、交流阻抗谱、扫描电镜、X射线光电子能谱（XPS）以及El-Awady动力学模型，对丙氨酸、丙氨酸与碘化钾复配缓蚀剂对碳钢在硫酸介质中的缓蚀性能和吸附机理进行探究。结果 在10%的硫酸体系中，对碳钢的缓蚀性能随着缓蚀剂浓度增大而增强。单独使用丙氨酸作为缓蚀剂，丙氨酸分子在碳钢表面呈单分子层吸附，缓蚀效率最高仅达到29%，缓蚀效果不明显。经过丙氨酸与碘化钾复配后，缓蚀效果显著提高，当丙氨酸质量浓度为300 mg/L，碘化钾质量浓度为250 mg/L时，缓蚀效率达到92%以上。XPS谱图表明，缓蚀剂主要是通过分子中的N原子与碳钢表面Fe原子形成共价键，吸附在碳钢的表面，与KI复配后，I-吸附在碳钢表面，并部分氧化，形成I3-。El-Awady动力学模型研究说明该复配缓蚀剂为混合型缓蚀剂，且在碳钢表面自发形成多分子层吸附膜。结论 在10%的硫酸溶液中，丙氨酸分子通过物理吸附或化学吸附作用，吸附在碳钢表面，减缓腐蚀反应发生。碘化钾添加后，发挥连接缓蚀剂分子和碳钢表面的桥梁作用，从而协助丙氨酸吸附到碳钢表面，提高丙氨酸在碳钢表面的覆盖率，在提高缓蚀效率的同时，减少了丙氨酸的使用量，有效地抑制了钢材的腐蚀。
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  S30432和HR3C涂覆某电厂煤灰和合成煤灰高温腐蚀行为研究

  汪元奎, 刘光明, 赵超, 张民强, 刘洪杰, 黄丽琴, 毛晓飞

  表面技术. 2019, 48(11): 365-371. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.042

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  目的 研究S30432和HR3C涂覆某电厂煤灰和合成煤灰后在700 ℃模拟锅炉气氛中的腐蚀行为，分析两种材料的腐蚀机理。方法 将表面涂覆煤灰的S30432、HR3C试样置于700 ℃含0.3%SO2模拟锅炉烟气环境中腐蚀2000 h，间隔一定时间取出样品称量，获得腐蚀动力学曲线。腐蚀2000 h后，清洗去除样品表面的腐蚀产物，获得样品腐蚀后的损失量，计算两种材料在合成煤灰和某电厂煤灰中的腐蚀加速比。采用XRD、SEM和EDS对腐蚀产物成分、微观形貌和结构进行分析。结果 在某电厂煤灰环境中，S30432和HR3C的腐蚀产物均为Fe2O3、Cr2O3和FeCr2O4；在合成煤灰中，S30432残留腐蚀产物主要为FeCr2O4和FeS，而HR3C则主要为Fe2O3、Cr2O3。在某电厂煤灰中，S30432和HR3C表面生成了较厚的腐蚀产物层，且腐蚀产物层中有大量孔洞；在合成煤灰中，S30432、HR3C腐蚀产物几乎剥落殆尽。结论 由于HR3C中的Cr和Ni含量较高，其耐腐蚀性能明显优于S30432。由于合成煤灰中硫酸盐含量较高，因此合成煤灰中S30432和HR3C的腐蚀明显加快，S30432和HR3C在合成煤灰和某电厂煤灰中腐蚀的加速比分别为3.03和3.28。
表面质量控制及检测
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  TC4侧铣表面完整性对试件疲劳性能的影响

  杨慎亮, 李勋, 王子铭, 官椿明

  表面技术. 2019, 48(11): 372-380. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.043

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  目的 提升钛合金的抗疲劳性能，丰富典型航空难加工材料疲劳失效的基础理论，为实际航空结构件的抗疲劳制造提供参考。方法 以TC4钛合金为研究对象，采用单因素实验法，通过侧铣及试件疲劳性能测试，对比分析了铣削参数（包括铣削线速度vc、每齿进给量fz及径向切深ae）对表面完整性及表面完整性各指标（主要包括表面粗糙度、表面显微硬度及表面残余应力等）对试件疲劳性能的影响规律。结果 表面完整性的测量结果显示，表面粗糙度随fz和ae的增加而增大，随vc的变化不显著；表面显微硬度随fz的增加而增大，随vc和ae的增加而减小；同时，加工表面均呈现残余压应力状态，且表面残余应力的幅值随vc的增加而减小，随ae的增加呈先增大后减小的变化，随fz的变化不明显。试件疲劳性能测试的结果表明，表面显微硬度是影响TC4钛合金试件疲劳性能的主要因素。结论 在实验条件下，随着表面显微硬度的增加，试件的疲劳性能逐渐提升，并且当vc=20 m/min、fz=0.08 mm/z和ae=0.1 mm时，试件的疲劳性能最佳。
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  基于响应面的Q345C钢锈层激光清洗工艺参数优化

  朱明, 周建忠, 孟宪凯, 孙奇, 高辽远, 李华婷, 郭召恒, 杨嘉年, 付强

  表面技术. 2019, 48(11): 381-391. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.11.044

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  目的 分析激光清洗工艺对Q345C钢表面质量的影响规律，优化激光清洗工艺参数，为Q345C钢管桩的激光除锈提供支撑。方法 采用纳秒脉冲激光器对Q345C钢表面锈层进行清洗，分别使用Image-Pro-Puls软件、场发射扫描电镜以及共聚焦显微镜，测量Q345C钢表面去除率、表面氧元素含量及表面粗糙度。基于响应面分析，采用BOX-Benhnken组合方法进行试验设计，建立激光清洗工艺参数与清洗表面质量之间的数学关系，分析激光清洗工艺参数对清洗表面质量的交互影响趋势，在此基础上对工艺参数进行优化，并对优化结果进行试验验证。结果 通过响应面分析可得，适用于100 μm厚Q345C钢锈层的最佳清洗工艺参数为：激光功率53 W，重复频率80 kHz，振镜扫描速度5555 mm/s。清洗后表面质量良好，露出金属本身色泽，无残余锈层存在，达到Sa2.5级，表面去除率为91.37%，表面氧元素含量为2.41%，表面粗糙度为7.09 μm，满足钢管桩除锈工艺要求。结论 激光清洗工艺参数与清洗表面质量之间的数学关系，能够用于Q345C钢表面形貌预测及工艺参数优化。激光除锈采用合适的工艺参数，可以获得良好的表面质量和较高的除锈效率。