2019年, 第48卷, 第4期　
刊出日期：2019-04-20

  

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专题——热喷涂技术及工程应用
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  等离子喷涂生物涂层对病理性骨缺损愈合的应用研究

  刘诗伟, 李恺, 郑学斌

  表面技术. 2019, 48(4): 1-9. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.001

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  患者代谢性疾病（如骨质疏松症、糖尿病、痛风等）不利于体内骨植入体与周围骨的结合。基于不同疾病患者骨折部位骨微环境的特点，采用等离子喷涂技术制备的抗氧化应激生物涂层（针对骨质疏松）、抗感染-促成骨功能的生物涂层（针对糖尿病）和骨免疫调控涂层（针对痛风）能提高骨科植入器械与骨组织接触界面处的成骨能力，是增强植入体与骨结合的有效方法。研究了骨植入生物涂层对不同病理状态下效应细胞的影响，总结了材料表面性质调控效应细胞行为以及骨形成的规律，可为新型骨植入生物涂层的设计提供依据。等离子喷涂技术制备的含氧化铈的生物抗氧化涂层，可催化分解生物体内的过量活性氧簇，保护骨细胞成骨分化能力免于氧化应激的负面影响，有利于提高骨质疏松症下骨植入体的愈合能力。具抗感染与促成骨功能的硅酸钙基生物涂层能够抑制细菌在其表面的粘附与生长，降低植入体相关感染的几率，另外，该类涂层还能促进骨细胞成骨分化与矿化，提高骨植入体的成骨能力，有望应用于骨折合并糖尿病患者。等离子喷涂钛涂层表面微纳多级结构的构建以及生物涂层中锶/硼/铈等元素的掺入，有利于提高骨免疫性能，并促进骨细胞成骨分化，可用作炎症疾病下的骨缺损修复材料。
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  热喷涂制备固体氧化物燃料电池电解质层的研究进展

  冯潇, 赵雪雪, 邢亚哲

  表面技术. 2019, 48(4): 10-17. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.002

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  分析了固体氧化物燃料电池（SOFC）的发展趋势以及电解质的制备和特性对SOFC的工作温度及导电性的影响，并对SOFC电解质材料的研究现状进行了详细阐述。介绍了热喷涂技术在SOFC电解质材料制备中的技术优势，综述了热喷涂技术在SOFC电解质层材料制备中的应用，并对其进行了总结和展望。通过分析相关研究成果，认为降低工作温度必然成为未来SOFC研究的主要方向之一，而开发更多在中、低温下具有高电导率的电解质材料是未来研究工作的关键。应用最广泛的高温SOFC电解质材料是萤石结构的氧化钇稳定氧化锆，而钙钛矿结构的掺杂镁和锶的镓酸镧是最有前景的中、低温SOFC电解质材料。热喷涂技术具有基体材料不受限制、沉积速度快、灵活、成本低等一系列优点，在SOFC电解质涂层的制备中得到了广泛应用。对于高温SOFC电解质涂层可采用等离子喷涂辅助后处理工艺或直接优化其工艺，从而获得高致密、高电导率的电解质涂层，而中、低温电解质层的热喷涂制备方面的研究还有较大的拓展空间。
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  悬浮液等离子喷涂热障涂层研究进展

  袁涛, 王世兴, 何箐, 梁立康

  表面技术. 2019, 48(4): 18-27. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.003

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  悬浮液等离子喷涂（SPS）解决了纳米尺度粉末输送困难的问题，在热喷涂领域得到了快速发展。介绍了悬浮液等离子喷涂的原理和特点，综述了不同工艺条件对热障涂层结构的影响：降低弧电压的波动可以提高SPS工艺的可控性；降低喷枪功率、降低悬浮液浓度、增大喷涂距离，可实现涂层由垂直裂纹结构向柱状晶结构的演变；降低表面粗糙度可提高柱状晶的均匀性；溶剂为乙醇、溶质粒度分布合理的悬浮液更容易获得柱状晶结构。总结了SPS制备热障涂层产生垂直裂纹结构和类柱状晶结构的机理，认为在相同表面粗糙度下，熔滴尺寸和切向速度是影响涂层结构的关键。SPS-8YSZ涂层的隔热性能和热循环性能较好，具有良好的应用前景。
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  Influence of Microstructures on Thermal Shock and Sintering Behavior of YSZ-based Thermal Barrier Coatings

  Kirsten Bobzin, Lidong Zhao, Mehmet ?te, Tim K?nigstein

  表面技术. 2019, 48(4): 28-33. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.004

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  In this study, two thermal barrier coatings based on YSZ were produced by using a commercially available agglomerated and sintered powder and a special spray powder prepared by high energy ball milling. Both thermal barrier coatings exhibited similar overall porosities, but significantly different microstructures. Application of the special spray powder prepared by high energy ball milling led to a microstructure with numerous inclusions of semi-molten agglomerates, which introduced a plethora of clusters of fine pores into the coating and several more microstructural defects. This microstructure resulted in a significantly better thermal shock behavior compared to the conventional thermal barrier coating. The heat treatment of both thermal barrier coatings at θ=1150 ℃ for t=100 h led to a sintering of both coatings. The results were reduced overall porosity and significantly increased fracture toughness. A correlation between the fracture toughness of both coatings after the heat treatment and the thermal shock life time could not be identified.
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  原位微锻造冷喷涂制备高致密铝基涂层及耐腐蚀性能

  雒晓涛, 魏瑛康, 张越, 李长久

  表面技术. 2019, 48(4): 34-39. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.005

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  目的 提出一种基于原位微锻造冷喷涂制备高致密度金属沉积体的新方法，旨在为镁合金腐蚀防护提供一种低成本的涂层制备方法。方法 通过在Al喷涂粉末中混入20%~60%（体积分数）的大粒径喷丸颗粒，借助其在喷涂过程中对已沉积Al涂层的原位微锻造效应，实现Al涂层制备中的实时致密化，研究了原位微锻造强度对涂层显微组织及耐腐蚀性能的影响规律。采用SEM分析了涂层的显微结构，采用电化学测试及长期浸泡试验测试了涂层的耐腐蚀性能。结果 随着微锻造强度的提高，金属沉积体的致密度逐渐增加，当混合粉末中的喷丸颗粒含量高于40%时，可获得孔隙率低于0.3%的高致密度Al涂层。电化学测试及长达1000 h的NaCl溶液浸泡腐蚀结果显示，高致密度Al涂层包覆后的镁合金表现出与冶金块材铝相当的耐腐蚀性能，比无保护镁合金腐蚀速率降低两个数量级以上；在1000 h的盐雾腐蚀后，涂层与基材界面无腐蚀产物生成，表明涂层可完全对腐蚀介质进行物理隔绝。同时，致密铝涂层表面形成了微米级的钝化膜，可进一步提高耐腐蚀性能。结论 通过原位微锻造辅助冷喷涂技术，可在较低的气体温度和气体压力条件下在镁合金表面获得完全致密的Al腐蚀防护涂层。该技术还有望用于诸如高导热、高导电涂层的制备，金属构件修复及增材制造等其他对金属沉积体有致密度要求的领域。
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  SiC-Al2O3-SiO2复合陶瓷涂层组织结构及抗烧蚀性能研究

  孙世杰, 马壮, 柳彦博, 刘玲, 高丽红, 朱时珍

  表面技术. 2019, 48(4): 40-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.006

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  目的 提高C/C复合材料的抗氧化性能。方法 采用大气等离子喷涂在C/C复合材料表面制备SiC-Al2O3-SiO2（SAS）复合陶瓷涂层，并选用氧-乙炔在1500 ℃对涂层进行抗氧化烧蚀性能考核。利用XRD、SEM、EDS等检测分析手段，对团聚粉末和球化粉体以及烧蚀前后涂层的成分及组织进行检测。结果 经过等离子球化处理后，三种粉体流动性为90 s/50 g左右，粉末松装密度为1 g/cm3左右。与团聚的SiC-Al2O3-SiO2粉体相比，粉末流动性提升了20%左右，松装密度提高了20%，更加适宜等离子喷涂工艺。采用球化处理SiC-Al2O3-SiO2粉体制备得到的涂层组织明显优于采用团聚粉体制备的涂层，涂层致密区域明显增大，内部缺陷数量和尺寸减少。在1500 ℃烧蚀600 s后，SiC-36%Al2O3-4%SiO2涂层具有最佳的抗烧蚀效果，涂层整体完整，质量烧蚀率为1.62×10?4 g/s。结论 SiC-Al2O3-SiO2体系解决了等离子喷涂制备SiC涂层过程中沉积率低、SiC分解的问题。SiC-Al2O3-SiO2涂层具有良好的抗氧化烧蚀效果，烧蚀过程中SiO2和Al2O3形成的莫来石相具有良好的高温稳定性、抗热震性以及较低的热膨胀率和氧扩散率，可以进一步提高涂层的抗氧化烧蚀效果。
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  超音速火焰喷涂制备的WC-WCoB涂层在熔锌中的腐蚀行为及其耐蚀机理

  严细锋, 王海滨, 仇庆凡, 宋晓艳

  表面技术. 2019, 48(4): 48-54. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.007

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  目的 揭示新型WC-WCoB涂层在锌液中的腐蚀行为及耐蚀机理，从而提高WC基涂层的耐熔锌腐蚀性能。方法 以WC、Co和WB粉末为原料，结合离心喷雾干燥和真空热处理，制备得到具有高球形度、结构致密的WC-WCoB热喷涂粉末喂料，并利用超音速火焰喷涂工艺进行涂层的制备。将涂层浸泡于熔融锌液中不同时间，观察其截面组织，以评价涂层的耐熔锌腐蚀性能，并通过X射线衍射仪、热重/差热分析仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪对涂层进行结构、性能表征。结果 WCoB相与熔锌间不发生化学反应，制备的WC-WCoB涂层在锌液中浸泡达600 h时，仍未观察到Zn向涂层内的扩散，但在锌液中氧的缓慢作用下，涂层边缘处易产生微裂纹并逐步向内扩展，最终导致涂层材料逐层剥落。WC-WCoB涂层在腐蚀600 h后，完好区域面积占试验涂层总面积的56.3%。结论 在传统WC-Co涂层中添加一定量的WB，可使Co相完全转化为WCoB相，与目前广泛使用的WC-η涂层相比，该研究制备的WC-WCoB涂层具有更突出的抗氧化性能，使其在锌液中由于氧化引起的裂纹形成扩展速率显著降低，宏观上表现出更强的耐熔锌腐蚀性能。
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  前驱体溶液等离子喷涂参数对涂层形貌的影响及沉积行为机理研究

  王瑞, 叶福兴, 段佳昊

  表面技术. 2019, 48(4): 55-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.008

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  目的 对不同喷涂工艺参数下涂层的相结构、显微形貌进行研究，确定优化的喷涂工艺参数，讨论分析涂层的沉积行为机理。方法 采用前驱体溶液等离子喷涂（SPPS）的方法制备纳米Yb2O3稳定的ZrO2（YbSZ）涂层。在传统等离子喷涂的基础上，增加液料雾化装置，雾化喷嘴将溶液雾化后直接注入到等离子弧中，通过控制喷涂距离及喷涂功率，研究了涂层相结构、结晶度、晶粒尺寸以及显微形貌的变化趋势，并且结合显微形貌讨论了沉积机理。结果 涂层呈现团聚大颗粒、纳米级粒子、大小均匀的孔隙三种显微形貌，大颗粒之间呈堆积形态。当喷涂功率为30 kW时，涂层呈现m-ZrO2，平均晶粒尺寸达669 nm。随着喷涂距离、喷涂功率的增加，样品中检测到单一的t-ZrO2相，而且纳米尺寸颗粒的数量大大增加，孔径变小。随着喷涂距离由60 mm增加到100 mm，平均晶粒尺寸先由429 nm减小到177 nm，随后又增加到319 nm。结论 喷涂参数影响晶粒的结晶度、晶粒尺寸以及涂层的显微形貌，低功率下得到的涂层存在糊状未结晶组织。增大喷涂功率，可以有效增大结晶度和晶粒尺寸；随着喷涂距离的增大，晶粒尺寸先减小后增大。雾化液滴在等离子火焰中一般要经历浓缩、饱和、固化、析晶形核长大、粒子重熔扁平化的历程，喷涂功率越高，经历温区越高，液滴演变就越充分，通过优化工艺参数可以得到不同结构性能的功能涂层。
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  NiAl/NiCoCrAlY/8YSZ复合喷涂层的微观结构与性能研究

  付伟, 黄国胜, 程旭东, 邵刚勤

  表面技术. 2019, 48(4): 61-67. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.009

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  目的 提高金属/陶瓷隔热涂层体系在海洋环境下的耐腐蚀性能。方法 利用冷喷涂方法制备NiAl复合打底层和NiCoCrAlY粘结层，与等离子喷涂制备的8YSZ陶瓷层构成适用于海洋环境的多层结构耐蚀隔热涂层体系。利用FE-SEM分别观察喷涂态粘结层和陶瓷层的表面、横截面形貌，通过EDS分析涂层元素分布；利用XRD分析表征涂层的物相组成；借助万能材料试验机，采用拉伸法测试涂层结合强度；利用热循环试验和焰流冲刷试验测试涂层的耐高温性能。结果 微观分析表明，冷喷涂制备的NiAl复合打底层和NiCoCrAlY粘结层形貌致密，涂层材料未发生明显氧化，颗粒变形程度不一，粘结层与基体间的结合强度约为18.4 MPa，粘结层与8YSZ陶瓷层界面结合紧密。陶瓷层物相结构和成分稳定，涂层经12次热震循环和1000个周期的高温焰流冲击后，表面未出现开裂、起皮和脱落。结论 采用冷喷涂法和等离子喷涂法联合制备的耐蚀隔热复合涂层体系具备良好的耐热性和耐腐蚀性。冷喷涂制备的金属涂层结构致密，孔隙率低，与陶瓷层结合良好，能够有效提高涂层体系在腐蚀性环境中的耐蚀性能。NiAl复合涂层可以缓解NiCoCrAlY粘结层和铝合金基材间的热匹配问题，增强涂层的结合性能。
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  激光重熔对电弧喷涂含非晶相铁基涂层性能的影响

  纪秀林, 顾鹏, 王振松, 唐秋逸, 李泽

  表面技术. 2019, 48(4): 68-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.010

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  目的 提高电弧喷涂含非晶相Fe基涂层的抗冲蚀及耐腐蚀性能。方法 采用YAG脉冲激光器对电弧喷涂含非晶相Fe基涂层进行激光重熔处理。通过X-ray、SEM、冲蚀磨损和电化学等检测手段，研究该涂层重熔后的组织结构、冲蚀磨损性能和耐腐蚀性能。结果 电弧喷涂含非晶相Fe基涂层经激光重熔后发生了晶化，并随着功率的增加，非晶含量降低，硬度也降低。重熔后，涂层与基体的结合方式由之前的机械咬合转变为冶金结合，涂层的致密度明显提高，组织缺陷减少。与喷涂层相比，0.3 kW激光重熔涂层的抗冲蚀性能在30°攻角下可提高3倍，在90°攻角下可提高将近6倍。重熔层的冲蚀磨损机制在低冲角时以显微切削为主，高冲角时则以挤压破碎为主。随着激光功率的增加，重熔涂层的抗冲蚀性能降低。同时，在3.5%NaCl溶液中，重熔层的耐蚀性能随重熔激光功率的提高而提高，并且重熔层的腐蚀电流密度比喷涂层明显降低。结论 激光重熔不但改善了电弧喷涂含非晶相Fe基涂层与基体间的结合状态，同时也增强了涂层的耐蚀和耐磨性能，是一种有效提升涂层性能的后处理工艺。
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  不同环境下AlSiFeMm非晶纳米晶涂层摩擦磨损行为研究

  刘奇, 程江波, 冯源, 梁秀兵, 陈永雄, 胡振峰

  表面技术. 2019, 48(4): 75-83. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.011

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  目的 研究AlSiFeMm（Mm为镍包混合稀土）非晶纳米晶涂层在干摩擦和3.5%NaCl溶液中的摩擦磨损行为。方法 采用Rtec（MFT-3000）往复式磨损试验机测试涂层在干摩擦条件和有腐蚀介质条件下的摩擦磨损性能，使用LEXT OL 3000-IR非接触三维表面轮廓仪测定涂层的磨损体积和磨痕的三维形貌，利用扫描电子显微镜对磨痕进行形貌观察和成分分析。结果 铝基非晶纳米晶涂层的摩擦系数随着载荷的增加而不断减小。干摩擦条件下，铝基非晶纳米晶涂层的磨损率随着载荷的增加而增大，当磨损速度为10 mm/s、载荷为15 N时，涂层相对耐磨性为6061铝合金的2.5倍，其磨损机制为脆性剥落、磨粒磨损，并伴随氧化磨损。在3.5%NaCl溶液中，涂层的磨损率随着载荷的增加而逐渐降低，当磨损速度为35 mm/s、载荷为30 N时，涂层的耐磨性能约为6061铝合金的8倍，其失效机制主要为剥层磨损和腐蚀磨损。结论 铝基非晶纳米晶复合涂层在干摩擦和腐蚀介质中均表现出较为优异的耐磨性能，可以作为轻质合金涂层应用于表面防护领域。
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  液相等离子喷涂制备Au-WO3复合涂层及其气敏机理

  陈晓晓, 姚阳光, 谭礼明, 顾青山, 袁建辉, 赵文杰

  表面技术. 2019, 48(4): 84-90. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.012

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  目的 提高WO3基涂层的气敏性能。方法 以WCl6为前驱体原料，加入一定量的纳米Au颗粒制成稳定的喷涂浆料，采用液相等离子体喷涂技术制备出Au掺杂的WO3基复合涂层。通过扫描电子显微镜（SEM）及其附带的能谱仪、X射线衍射仪（XRD）等对Au-WO3复合涂层的微观结构进行表征。通过自主搭建的气敏性能测试系统对所制备Au-WO3复合涂层的气敏性能进行测试，并探讨了涂层的气敏机理。结果 前驱体液滴在等离子体热源作用下发生溶剂蒸发、WO3形核、结晶和长大等一系列反应，随后形成的WO3固体粒子发生熔化或半熔化，并加速撞击到基体表面形成涂层。在同等条件下，喷涂距离对WO3气敏涂层的结晶度和形貌有很大影响，适宜的喷涂距离（170 mm）下获得的涂层结晶完整且晶粒细小（20~50 nm），有利于涂层气敏性能的发挥。Au-WO3复合涂层的气敏性能均显著优于纯WO3涂层。结论 复合涂层气敏性能的改善归因于涂层中Au和WO3界面处所形成的肖特基结使复合涂层的导电性降低，接触势垒高度增加，初始电阻值变大。
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  HA粉末粒径对微束等离子喷涂扁平粒子形貌及涂层微结构的影响

  王国红, 刘晓梅, 贺定勇, 周正, 王曾洁, 吴旭

  表面技术. 2019, 48(4): 91-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.013

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  目的 研究粉末粒径对微束等离子喷涂羟基磷灰石（HA）扁平粒子形貌和涂层的微观组织结构的影响。方法 选取三组不同粒径范围（25~38 μm、38~45 μm、45~63 μm）HA球形粉末，采用微束等离子喷涂方法在经镜面抛光的Ti-6Al-4V基体上收集扁平粒子，在经过喷砂处理的Ti-6Al-4V基体上沉积HA涂层。利用冷场发射扫描电子显微镜和X射线衍射仪，对扁平粒子形貌，以及涂层的形貌、相组成和择优取向进行分析。通过激光共聚焦显微镜（LSCM）观察扁平粒子的三维相貌，并对比分析扁平粒子的差异。结果 微束等离子喷涂过程中，可形成几种典型形貌特征的扁平粒子，一是中间区域较厚，边缘位置较薄的扁球形；二是中间区域较薄，边缘位置较厚的圆盘状，该种扁平粒子相比于扁球形，其厚度较薄，直径较大；三是边缘位置存在“指状”溅射的圆盘状，其厚度与圆盘状扁平粒子厚度相当，但其直径范围较大。HA涂层的结晶度随着粉末粒径的减小而减小，HA的分解和非晶化逐渐增强，涂层的择优取向强度减弱，涂层中柱状晶比例减少。结论 微束等离子喷涂过程中，粉末粒径对扁平粒子形貌和涂层相结构有显著影响。随着粒径的增加，扁平粒子由扁球形转变为边缘有少量“指状”溅射的圆盘状。粒径较小的HA粉末在等离子焰流中的熔化程度较高，导致涂层中分解相和非晶相含量增多，择优取向程度减小。
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  Cf/SiC表面等离子喷涂金属过渡层及其界面结合特征

  李玉涛, 李辉

  表面技术. 2019, 48(4): 97-103. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.014

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  目的 采用等离子喷涂工艺（APS）在Cf/SiC复合材料表面制备金属涂层。方法 在对比等离子喷涂Mo粉、NiCrBSi粉以及自制的Ti70Ni20Cu10复合粉末三种涂层的组织形貌和界面结合的基础上，制备了Mo-10%Ti复合涂层，喷涂用粉为通过低速球磨方法在大颗粒的Mo粉表面包覆TiH2粉末而得，喷涂时将基体预热至700 ℃，在氩气保护气氛下进行喷涂。结果 APS制备的Mo-10Ti涂层，组织致密均匀，孔隙率较低，无明显裂纹。涂层与基体结合紧密，没有发生剥离现象，结合强度超过6.3 MPa，断裂发生于基体侧。结论 材料的热膨胀系数和润湿性是影响等离子喷涂金属涂层与Cf/SiC复合材料结合的关键因素，所设计的Mo-Ti复合涂层较好地兼顾了这两点。
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  自蔓延法制备球形ZrB2-SiC复合等离子喷涂粉末

  张博康, 张晓梅, 李江涛, 杨增朝, 宁先进, 王全胜

  表面技术. 2019, 48(4): 104-109. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.015

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  目的 为提高ZrB2-SiC复合等离子喷涂粉末的致密度。方法 采用Zr-B4C-Si体系，使用自蔓延高温合成（SHS）技术和感应等离子球化（IPS）技术制备了球形ZrB2-SiC复合粉末，并对其相结构和微观形貌等进行了表征。结果 采用SHS技术合成出的多孔ZrB2-SiC复合陶瓷，其SiC质量分数为12.10%，由等轴颗粒构成，颗粒粒径均<5 μm。经IPS处理后，粉末松装密度由1.62 g/cm3提高到1.88 g/cm3，其中直径<25 μm的粉末为球形或椭球形，直径>25 μm的粉末则保留了球化前的不规则形状，但粉末轮廓变得平滑。粉末中SiC质量分数降低为6.64%（体积分数为11.89%），粉末表层SiC质量分数降低为5.63%，部分SiC颗粒重新分布在ZrB2颗粒的间隙处，并且粉末中出现ZrB2-SiC的共晶或伪共晶组织。结论 使用SHS技术能够制备出两相分布相对均匀、颗粒细小的ZrB2-SiC复合陶瓷，虽然其含有较多孔洞，但颗粒之间相互接触部位的结合比较紧密。IPS处理后，粒径<25 μm的ZrB2-SiC复合粉末的致密度和球形度获得了显著提高，粉末中SiC在IPS过程中的部分分解导致其含量未能达到最佳范围。
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  激光等离子复合热源喷涂工艺沉积机理研究

  李淑青, 李其连, 贺金生

  表面技术. 2019, 48(4): 110-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.016

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  目的 提高涂层的结合强度和改善微观组织结构。方法 选取WC-10Co4Cr喷涂材料，分别通过激光等离子复合热源喷涂工艺以及等离子喷涂工艺制备涂层，对涂层组织与基本性能进行检测，对两种不同喷涂工艺的沉积机理作对比分析研究。研究复合热源喷涂涂层微观组织结构以及涂层与基体间结合方式较等离子喷涂涂层的变化。利用高速摄像仪对激光等离子复合热源喷涂以及等离子喷涂的工艺过程进行跟踪监测和分析，研究复合热源沉积过程中，基体表面微熔池的形成及粉末粒子在不同沉积工艺过程中熔融状态的对比，分析等离子喷涂涂层和复合热源喷涂涂层的沉积机理。结果 等离子喷涂WC-10Co4Cr涂层以机械结合方式为主，涂层结合强度为39.5 MPa，孔隙率为1.7%，而激光等离子复合热源喷涂WC-10Co4Cr涂层实现了冶金结合，其结合强度提升到91 MPa，孔隙率降低到0.86%。结论 激光等离子复合热源喷涂工艺可以有效提升涂层的结合力，改善涂层组织致密性，更有利于涂层的耐磨耐腐蚀性能。
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  电接触烧结增强NiCr-Cr3C2涂层的显微组织和摩擦磨损行为研究

  赵磊, 侯金保, 孟军虎, 韩杰胜

  表面技术. 2019, 48(4): 116-121. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.017

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  目的 在等离子喷涂的基础上，采用电接触烧结技术制备具有良好摩擦学性能的NiCr-Cr3C2涂层。方法 采用等离子喷涂工艺将NiCr-Cr3C2涂层预置到GH4169合金试件表面，再经过电接触烧结工艺制备增强涂层。利用OM、SEM、XRD及EDS研究耐磨层的物相、显微组织及化学组成特征，并采用球盘式摩擦磨损试验机对涂层的摩擦学行为进行评价。结果 通过电接触烧结过程中的瞬时热效应，促进了NiCr-Cr3C2等离子喷涂层界面的塑性变形及热扩散，使涂层的孔隙率由5%降到2%，结合强度由46 MPa提升到210 MPa。在400 ℃和600 ℃时，摩擦表面可形成完整的摩擦层，共晶氟化物组分使涂层摩擦系数由室温至400 ℃条件下的0.8降低到600 ℃条件下的0.45。涂层在600 ℃条件下表现出氧化磨损的特征。结论 电接触烧结工艺能实现等离子喷涂NiCr-Cr3C2涂层的性能增强，获得较高结合强度、较低孔隙率和摩擦系数，在600 ℃条件下表现出较好的摩擦磨损性能。
专题——刀具表面硬质涂层技术
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  硬质合金气态渗硼预处理及其对金刚石薄膜附着性能的影响

  易铭昆, 肖和, 魏秋平, 邓彪, 罗一杰, 李亮, 马莉, 周科朝, 张雷

  表面技术. 2019, 48(4): 122-129. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.018

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  目的 保持硬质合金预处理后基体的强度和表面光洁度，并且提升沉积的金刚石薄膜的膜基结合力。方法 使用真空管式炉设备对硬质合金进行真空热处理气态渗硼，然后使用热丝化学气相沉积系统（HFCVD）沉积金刚石薄膜。之后采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、拉曼光谱仪、表面轮廓仪和洛氏压痕测试仪等对样品的结构、形貌和膜基结合性能进行了分析。结果 使用真空热处理气态渗硼法可以在较短时间内完成硬质合金的硼化处理，得到以CoWB相为主的渗硼层，并且具有高温稳定性，表面硬度较未硼化处理的样品提高了15%~20%，最高硬度达到2445HV。相较于酸碱刻蚀二步法预处理，渗硼处理更加有效地改善了膜基结合力，当渗硼温度在1000 ℃时，可以更加有效抑制基体中的Co颗粒向外扩散，制备的金刚石薄膜质量最优，薄膜和基体的结合性能也更加优异。结论 采用真空管式炉进行的热处理气态渗硼预处理法可以简单高效地实现对硬质合金的硼化处理，重复性好，并且可大批量处理，处理后沉积的金刚石薄膜有良好的膜基结合力。
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  AlCrN/VN多层涂层力学性能及其热稳定性

  万强, 罗畅, 魏民, 李晓峰, 肖洋轶, 王鹏, 张俊, 杨兵

  表面技术. 2019, 48(4): 130-136. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.019

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  目的 制备高硬度自润滑AlCrN/VN纳米多层复合涂层，提升刀具耐磨性，增加刀具寿命。方法 采用多弧离子镀技术在单晶硅(100)、不锈钢以及硬质合金基底上沉积不同调制周期的AlCrN/VN纳米多层涂层，系统研究涂层力学性能、滑动摩擦性能及高温稳定性。涂层制备采用Al70Cr30合金和单质V靶材，EDS结果显示涂层Al/Cr比例接近靶材成分，V元素原子比约为30%。利用扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及X射线衍射技术（XRD）表征涂层显微结构，采用显微硬度仪以及滑动摩擦试验研究涂层硬度以及摩擦性能随调制周期的变化。最后对调制周期为24 nm的涂层进行氧化实验，并测试其硬度与摩擦系数。 结果 沉积涂层厚度以及相组成几乎不受调制周期的影响。沉积涂层硬度与调制周期紧密关联，摩擦系数随着调制周期的减小而逐渐降低。当调制周期为24 nm时，涂层获得最大硬度，为3970HV0.05，此时涂层表面最为光滑（Ra=33.6 nm）。对调制周期为24 nm的多层涂层进行不同温度下空气氧化并测定其硬度与摩擦系数，结果表明硬度随着氧化温度升高到400、500、700 ℃而下降至1474、1248、370HV0.05，摩擦系数随之大幅度升高。结论 VN涂层的加入使得AlCrN涂层硬度降低，摩擦系数降低，且其硬度以及摩擦系数受到调制周期的显著影响，涂层经400 ℃氧化后，硬度值大幅度降低，热稳定性不好。
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  高功率脉冲和脉冲直流磁控共溅射CrAlN薄膜的研究

  郭玉垚, 王铁钢, 李柏松, 刘艳梅, 蒙德强, 许人仁

  表面技术. 2019, 48(4): 137-144. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.020

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  目的 通过掺杂适量Al元素来固溶强化CrN薄膜，从而提高薄膜的抗氧化性能和热稳定性。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制备了CrAlN薄膜，利用XRD、纳米压痕仪、应力仪、摩擦磨损试验机系统地研究了不同基体偏压对CrAlN涂层结构和力学性能的影响。结果 所有CrAlN涂层均以fcc-(Cr,Al)N相为主，且随着基体偏压的增加，沿（111）晶面生长的衍射峰逐渐减弱，并向小角度偏移；薄膜压应力显著增加，最大值为-2.68 GPa；薄膜硬度先上升后下降，在基体偏压为-30 V时，硬度达到最大值22.3 GPa；H/E值和H3/E*2值随着基体偏压的增加，近似线性增大，当偏压为-120 V时，均达最大值0.11、0.21 GPa，同时摩擦系数和磨损率逐渐减小。结论 当基体偏压为-120 V时，CrAlN薄膜具有最佳的耐磨性能，H/E和H3/E*2在一定程度上可评价涂层的耐磨性。
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  高能离子刻蚀前处理对AlTiSiN涂层切削性能的影响

  梁加刚, 许昌庆, 王标, 高营, 蔡飞, 张世宏

  表面技术. 2019, 48(4): 145-151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.021

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  目的 提高AlTiSiN涂层与刀具基材的结合强度，降低涂层表面的粗糙度，减少切削过程中涂层的剥落，改善涂层刀具的切削寿命。方法 采用离子源增强的多弧离子镀设备刻蚀清理基体材料，并制备AlTiSiN涂层。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、粗糙度仪、划痕仪和铣削实验探讨涂层沉积前不同Ar离子刻蚀清洗工艺对AlTiSiN涂层结构、膜基结合力和涂层表面形貌的的影响，探究不同刻蚀清洗工艺对涂层刀具切削机理和切削性能的影响。结果 AlTiSiN涂层的相结构主要由(Al,Ti)N固溶体相组成，涂层沿着基体呈现柱状生长。随着高能Ar离子刻蚀电流由40 A增加至100 A，涂层的表面粗糙度降低，Ra值由140 nm降至69 nm，Sq值由226 nm降至117 nm；涂层与基体之间的结合强度增加，Lc2由41 N增加至52 N；切削加工DC53模具钢结果显示，当清洗电流增加至100 A，涂层的剥落几率降低，涂层刀具的切削寿命增加，由11 m增加至23 m。结论 高能离子刻蚀前处理过程可有效增加涂层与基体之间的结合强度，降低涂层表面粗糙度，进而提高涂层刀具的切削寿命。刻蚀清洗所用电流强度越大，清洗效果越好，刀具涂层切削性能提高越明显。
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  VN基硬质耐磨涂层的制备及其性能

  田灿鑫, 何诗敏, 何世斌, 王泽松, 邹长伟, 唐晓山, 李助军, 刘怡飞

  表面技术. 2019, 48(4): 152-159. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.022

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  目的 在N2及其与C2H2混合气氛下，制备VN基硬质耐磨涂层，研究VN基涂层的结构及力学、耐磨、抗腐蚀性能，为工业化应用积累科学数据。方法 采用阳极层离子源辅助阴极电弧离子镀系统，在高速钢衬底上制备VN、VCN和VCN/VN多层涂层，系统研究多层涂层调制周期厚度变化对涂层晶体结构、表面形貌、硬度、耐磨性及耐腐蚀性能的影响。结果 C原子的加入和VCN/VN多层涂层调制周期的变化对VCN/VN涂层的晶体结构、表面形貌、硬度、摩擦系数及耐腐蚀性能均有明显影响。随着VCN/VN涂层调制周期的增加，VN(200)衍射峰逐渐减弱并宽化，VN (111)衍射峰消失，涂层表面金属熔滴大颗粒数量减少，小颗粒数量明显增加。VN涂层硬度为1890HV，VCN涂层硬度为2290HV，VN/VCN多层涂层硬度为2350HV左右。对磨材料为氧化铝时，VN涂层的摩擦系数为0.74左右，VCN涂层和VCN/VN涂层的摩擦系数明显降低，在0.60左右，磨损机理由以磨削磨损为主（VN涂层）逐渐转化为粘着磨损为主（S5），磨削磨损起次要作用。随着C原子的加入和VCN/VN多层涂层调制周期的变化，涂层耐腐蚀性能明显增强，自腐蚀电位由VN的?0.26 V增大到VCN的?0.14 V，自腐蚀电流密度由1.63′10?5 A/cm2降低到2.7′10?6 A/cm2。结论 采用阳极层离子源辅助电弧离子镀技术可制备VN基硬质耐磨涂层，C元素的加入可有效提高VN涂层的硬度，降低VN涂层的摩擦系数，增强VN涂层的耐腐蚀性能。VCN/VN多层涂层通过周期厚度的调制可以有效提高VN基涂层的硬度、耐磨及耐腐蚀性能。
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  低转速下多弧离子镀制备的Mo-Ti-Al-N超晶格硬质涂层的微结构及背散射谱分析

  王泽松, 梁枫, 项燕雄, 李松权, 田灿鑫, 邹长伟

  表面技术. 2019, 48(4): 160-167. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.023

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  目的 研究低基片转速对纳米多层膜微结构和性能的影响。方法 采用阴极多弧离子镀技术在单晶硅基片上沉积制备了MoTiAlN/MoN/Mo纳米复合结构涂层，借助X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、背散射谱（RBS）和纳米硬度计，分别对样品的物相、形貌、组分和硬度进行表征分析。结果 XRD显示不同转速下制备的涂层的物相结构主要为六角密排结构的MoN和面心立方(Ti,Al)N，较高基片转速下涂层的结晶性较好。SEM和TEM图像证实，2 r/min基片转速下的目标涂层具有平均调制周期26 nm的TiAlN/MoN超晶格结构，总厚度为1.15 μm，且界面清晰。纳米显微硬度测试表明，低基片转速下，涂层硬度和杨氏模量分别达到(30±2) GPa和(500±30) GPa。结论 不同能量的7Li2+离子卢瑟福背散射谱结合SIMNRA拟合程序，可定量评估该超晶格结构涂层的原子百分比、每个子层的物理厚度及调制周期，这为纳米多层膜的微结构表征提供了一种有效的分析手段。
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  CrC中间层碳含量对CrC/a-C∶H涂层附着力的影响

  黄志宏, 杨豆, 付德君, 杨兵

  表面技术. 2019, 48(4): 168-174. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.024

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  目的 提高氢化非晶碳涂层的附着力，研究不同碳含量的CrC中间过渡层对CrC/a-C∶H涂层附着力的影响。方法 用反应磁控溅射结合射频PECVD方法制备CrC/a-C∶H涂层，通过调节C2H2流量（0、10、20、30 mL/min）在高速钢基材上获得具有不同碳含量CrC中间层的CrC/a-C∶H涂层。用压痕法和划痕法测量涂层的附着力，并用拉曼光谱、原子力显微镜、扫描电镜和纳米压痕等方法对涂层进行表征。结果 随着中间层CrC碳含量的增加，涂层的附着力先增加后减小，当C2H2流量为20 mL/min时，CrC/a-C∶H涂层具有最大的附着力，划痕附着力为70.5 N，压痕附着力为HF1，此时涂层的硬度为23.4 GPa，表面光洁度为RMS36.9 nm。通过高斯曲线拟合拉曼图谱得到ID/IG为0.54，G峰位置在1535.9 cm-1。扫描电镜观察结果表明，CrC/a-C∶H涂层有两个明显的界面，即基材/CrC中间层界面与CrC中间层/a-C∶H顶层界面，中间层CrC为柱状晶结构，a-C∶H顶层为玻璃态。结论 CrC中间层碳含量对CrC/a-C∶H涂层的附着力有显著影响，具有合适碳含量的CrC中间层有助于提高涂层的附着力，当含碳量过高时，中间层会由晶态转变为非晶态，不利于承载来自于a-C∶H顶层的薄膜内应力，导致CrC/a-C∶H涂层附着力急剧下降。CrC/a-C∶H涂层附着失效主要发在CrC中间层/a-C∶H顶层界面。CrC中间层碳含量影响CrC/a-C∶H涂层的光洁度，相同a-C∶H涂层工艺条件下，光滑涂层具有更好的附着力。
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  Al含量对Ti1-xAlxN涂层组织结构、力学性能和铣削性能的影响

  林亮亮

  表面技术. 2019, 48(4): 175-181. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.025

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  目的 研究不同Al含量对Ti1-xAlxN涂层的影响，以获得铣削铸铁材料性能最佳的TiAlN涂层。 方法 采用阴极电弧蒸发沉积法在WC-Co硬质合金表面制备两种不同Al含量的Ti0.5Al0.5N和Ti0.33Al0.67N涂层，通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和电子探针微区分析仪（EPMA）分析合金的微观组织和成分组成，通过CSM纳米硬度计和纳米划痕仪测定涂层的纳米硬度、弹性模量、抗塑性变形因子、显微硬度耗散系数MDP和划痕裂纹扩展阻力CPRs等性能指标，同时比较不同Al含量涂层刀片在铣削灰口铸铁HT250和球墨铸铁QT450时的性能和磨损机理。结果 Ti0.5Al0.5N和Ti0.33Al0.67N涂层主要物相均呈NaCl型面心立方结构，以（200）方向为择优取向，且高铝涂层的XRD衍射峰向高角度偏移量大于中铝涂层，说明高铝涂层具有更高的铝固溶量。与Ti0.5Al0.5N涂层相比，Ti0.33Al0.67N涂层的抗塑性变形因子较小，MDP和CPRs较大，表现出更优的塑性、韧性和膜基结合力。在铣削HT250和QT450时，Ti0.33Al0.67N涂层刀片的平均寿命分别为30、60 min，相比Ti0.5Al0.5N涂层，切削性能更好。结论 对于TiAlN涂层来说，提高Al的质量分数至67%可以获得更优的塑性、韧性和膜基结合力，在铣削HT250和QT450时，Ti0.33Al0.67N涂层刀片的切削性能较优。
表面强化及功能化
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  模芯钴含量对仿荷叶PDMS制件表面疏水性的影响

  董彦灼, 蒋炳炎, 强军

  表面技术. 2019, 48(4): 182-188. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.026

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  目的 在采用电铸镍钴合金提高模芯硬度的基础上，研究模芯钴含量对仿荷叶PDMS制件表面质量与疏水性的影响，探明镍钴合金模芯用于模板法制备仿荷叶超疏水表面的可行性。方法 采用电铸-聚二甲基硅氧烷（PDMS）二次复制模板法先后制备荷叶母模、镍钴合金电铸模芯与仿荷叶疏水表面PDMS制件。采用数字式显微硬度仪、超景深三维显微镜、Image-Pro Plus图像处理软件、激光共聚焦显微镜等分析模芯钴含量对模芯硬度与PDMS制件表面微结构、粗糙度及疏水性的影响。最后采用接触角测量仪进一步测量与分析PDMS制件表面的疏水性能。结果 当镍钴合金模芯钴含量（质量分数计）达到22.4%以上时，模芯硬度较纯镍模芯由244.1HV提升至450HV以上。当模芯钴含量从0增加到51.5%时，仿荷叶PDMS制件表面微结构深宽比先从2.12减小至1.72，再增加至2.38；微结构面积占比从19.15%减小至15.03%；表面粗糙度Ra值从59.01 μm增加至74.93 μm；静态接触角从166.22°线性减小至149°左右，疏水性降低。结论 相比微结构深宽比与面积占比，表面粗糙度对PDMS制件疏水性的影响占主导作用。镍钴合金模芯硬度显著提高的同时，随钴含量的增大，仿荷叶PDMS制件的静态接触角从166.22°减小至149°左右，但仍具有良好的疏水性。
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  超声冲击强化铝合金小孔构件的试验研究

  耿其东, 汪炜

  表面技术. 2019, 48(4): 189-195. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.027

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  目的 提升铝合金小孔构件的疲劳寿命，改善表面性能。方法 采用超声冲击强化工艺对铝合金小孔构件进行试验研究，利用MHV2000显微硬度测量仪、XRD射线应力测定仪、疲劳试验机分别测量试件的显微硬度、残余应力、疲劳寿命。利用扫描电镜拍摄试件强化加工前后的显微照片。针对不同阻抗阈值条件，考察主要工艺参数对小孔构件强化效果的影响。结果 研究表明，采用基于等效阻抗控制的超声冲击强化工艺，阻抗阈值设定为75 Ω时，孔边的平均残余应力值出现极大值，距离孔壁的残余应力分布呈现先增大后减小的规律。孔壁的显微硬度趋势保持一致，阻抗阈值越大时，其平均值也越大。微观组织反映孔被强化后的痕迹，被强化试件疲劳断口齐整，组织均匀，有明显被压实的现象。结论 超声冲击强化工艺适合小孔构件强化，疲劳寿命最大提高3.1倍，孔口表面形成了有效的残余压应力场，孔内表面显微硬度提高了1倍。
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  304不锈钢表面聚吡咯纳米结构的构建及其抗细菌粘附性能

  聂铭, 黄丰, 王珍高, 宁成云

  表面技术. 2019, 48(4): 196-202. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.028

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  目的 在304不锈钢表面制备抗细菌粘附的聚吡咯涂层。方法 采用电化学无模板方法，在304不锈钢表面构建具有超疏水性能的纳米锥结构聚吡咯涂层，实现抗细菌粘附的功能。利用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱分析了聚吡咯涂层的表面形貌和化学成分，同时采用X射线光电子能谱技术表征了涂层的元素组成，采用接触角仪测试了涂层的亲疏水性，采用原子力显微镜的Kelvin探针力显微镜模块研究了涂层的表面电势，通过平板计数法研究了聚吡咯涂层的抗细菌粘附特性，并进一步通过扫描电子显微镜观察了细菌在涂层表面的粘附情况。结果 通过两次电化学聚合在304不锈钢表面构建了萘磺酸掺杂的纳米锥结构聚吡咯涂层，该涂层的接触角为121.1°，具有较强的疏水性，平滑结构聚吡咯和纳米锥结构聚吡咯的表面电势分别为(136±3) mV和(335±3) mV。大肠杆菌粘附实验结果表明，大肠杆菌几乎不粘附于纳米锥结构聚吡咯表面，纳米结构的聚吡咯涂层具有抗细菌粘附的性能。结论 纳米锥结构聚吡咯具有较强的疏水性，同时具有高的表面电势，从而使细菌与表界面的相互排斥力大于吸引力，因此纳米锥结构聚吡咯具有抗细菌粘附的性能。
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  静电喷涂高附着力疏水涂层及其性能

  曾盛渠, 董雪芳, 叶真午, 张绮韵, 曾荃

  表面技术. 2019, 48(4): 203-208. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.029

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  目的 提高静电喷涂疏水涂层的附着力。方法 采用硅烷偶联剂和聚二甲基硅氧烷制备了表面改性疏水二氧化硅粉末。将一定比例的聚偏氟乙烯粉末、超高分子量聚乙烯粉末与疏水二氧化硅粉末混合，制备了复合型疏水粉末。使用环氧树脂、固化剂、活性剂等配制了导电环氧树脂。通过静电喷涂工艺将复合疏水粉末喷涂到已用导电环氧树脂覆盖的铝基板表面，经过中温固化，制得了铝合金疏水复合涂层。采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、接触角测量仪（CA）、百格刀附着力测试仪等，对疏水复合涂层进行测试表征。结果 SEM结果表明涂层表面构建了微米-纳米的阶层粗糙结构，经CA测试，该表面具有较好的疏水性。当混合粉末中聚二甲基硅氧烷改性二氧化硅的比例占到20%时，环氧基疏水涂层的接触角最高可达到140°，滚动角最低可达5°，附着力的等级为0级，同时疏水涂层的耐磨性和 耐腐蚀性良好。结论 采用简单、易于工业化的静电喷涂工艺制备了高附着力的疏水涂层，具有广泛的应用前景。
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  水滴模板法制备聚乳酸微纳米纤维薄膜

  段宪法, 李玲, 于永建

  表面技术. 2019, 48(4): 209-214. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.030

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  目的 采用水滴模板法制备聚左旋乳酸（PLLA）微纳米纤维薄膜，研究聚合物溶液浓度和环境湿度（相对湿度）对微纳米纤维形貌和直径的影响。方法 在不同质量浓度（10、25、50 mg/mL）的PLLA/四氢呋喃（THF）溶液和不同环境湿度（40%、50%、60%、70%）条件下，通过水滴模板法制备PLLA微纳米纤维薄膜。采用扫描电子显微镜（SEM）对薄膜的表面形貌进行观察，用ImageJ软件对电镜照片中的微纳米纤维进行直径测量，计算平均直径，并统计直径分布。由纤维的平均直径计算薄膜表面积与体积之比。用密度法计算薄膜的孔隙率。结果 水滴模板法制备的PLLA微纳米纤维薄膜具有光滑连续的三维网络状结构，其直径范围可控制在200~1000 nm之间，孔隙率>90%，表面积与体积比在6~8 μm-1左右。直径随着聚合物溶液浓度的增加而变大，随环境湿度的增高先减小后增大，孔隙率和表面积与体积比的变化规律与直径相反。结论 PLLA三维微纳米纤维结构形成的主要机理是，水滴模板过程中溶剂的快速挥发引起孔壁温度急剧降低，导致热致相分离。在环境温度为25 ℃，THF为溶剂，溶液用量为50 μL及气体流量为300 mL/min的动态气氛条件下，采用水滴模板法制备PLLA微纳米纤维膜的适宜条件为：溶液浓度25 mg/mL，环境湿度50%。该条件下获得的微纳米纤维直径分布范围为200~900 nm，平均直径为476 nm，薄膜孔隙率以及表面积与体积之比分别为96.7%和8.4 μm-1。
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  超憎水SiO2/FEVE复合涂层的制备

  宗立君, 李辛庚, 吴亚平, 米春旭, 姜波

  表面技术. 2019, 48(4): 215-222. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.031

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  目的 制备超憎水SiO2/FEVE复合涂层。方法 使用物理混合方式将SiO2填料加入到成膜物FEVE树脂中，制得超憎水涂料，并通过雾化喷涂在玻璃片上形成超憎水涂层。通过指触法测量了涂层的表干时间，利用接触角测量仪、扫描电镜以及原子力显微镜检测了超憎水SiO2/FEVE复合涂层的憎水性能与微观形貌，并利用划格法评价了涂层的附着力。结果 根据溶解度参数相近以及环保性原则选用了乙酸乙酯与乙酸丁酯的混合溶剂，最终得出超憎水SiO2/FEVE复合涂料的配方为：100 g FEVE树脂、135 g乙酸乙酯、90 g乙酸丁酯、25 g D-SiO2、10.5 g HDI。涂料配制完成后，采用大雾化量与大流量结合的喷涂工艺便可完成SiO2/FEVE超憎水涂层的制备。涂层形成了含有内嵌孔洞的珊瑚状结构，表面呈现为规律交替分布的突起和凹陷区构成的粗糙结构，接触角可达152.8?，滚动角为8?。结论 调整溶剂种类与固化剂加入量并未对涂层的结合力或成膜性有所改善，填料比例是影响涂层成膜性与憎水性能的关键工艺参数。涂层表面有序分布的微纳米级凹凸结构形成了超憎水表面所需有效的表面微观粗糙结构，这是涂层具有优良憎水性能的主要原因。
表面摩擦磨损与润滑
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  Ni-金刚石复合涂层的厚膜化及其耐磨性研究

  徐雨生, 丁慧, 向莉, 沈倩倩, 金秋, 张瑜, 聂朝胤

  表面技术. 2019, 48(4): 223-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.032

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  目的 采用电化学沉积的方法在硬质合金基体上制备厚Ni-金刚石复合涂层。方法 通过引入中间复合层，改善了涂层的结合强度，并提高了其厚度。通过热震实验结合摩擦磨损实验考察加厚涂层的膜基结合强度、磨削性能。结果 从涂层的截面、微观形貌、表面裂纹分布以及金刚石微粒与基质金属间的结合状态分析可知，普通涂层的厚度在30 μm左右，多层结构涂层的厚度在50 μm左右，厚度提高了将近一倍。热震5次后，两类涂层表面均无裂纹产生。热震20次后，两类涂层中均出现了微裂纹。热震25次后，普通涂层的裂纹宽度变大，多层结构涂层的裂纹只出现在次表层，表层无裂纹。对GCr15磨削2500 m后，普通涂层中金刚石微粒与基质金属间隙增大，附近Ni层破裂；多层结构涂层中金刚石微粒与基质金属间隙仍然很小，只出现一些断续小裂纹，附近Ni层未受影响。多层结构涂层对应的材料偶件的磨损率比普通涂层高。结论 采用多层结构设计的方法降低了Ni-金刚石复合涂层的内应力，实现了涂层的加厚沉积。加厚沉积的Ni-金刚石复合涂层界面结合强度并没有降低，且上砂量更加均匀致密，磨削性能更优。
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  表面织构参数对液压马达滑靴副的摩擦学性能影响研究

  张东亚, 孙喜洲, 高峰, 钟善军, 段继豪

  表面技术. 2019, 48(4): 230-236. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.033

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  目的 通过表面织构改善液压马达连杆滑靴副的摩擦学性能。方法 首先，基于Reynolds方程研究表面织构参数（直径d、面密度sp、深度hp）对滑靴副的无量纲压力（Pav）的影响规律。其次，设计正交试验研究表面织构参数对摩擦系数的影响，分析表面织构的润滑机理。结果 Pav随着d的增加而增大；随着sp的增大，先增加后缓慢减小，当sp=10%时，Pav达到最大值。此外，随着hp的增大，Pav先增加后快速减小，在hp=2 μm时达到最大值。摩擦实验结果表明，合适的织构参数能有效降低摩擦系数，7#织构表面（d=700 μm，sp=10%，hp=5 μm）的摩擦系数最小为0.034，比无织构表面的降低66%。正交极差分析表明，各因素对摩擦系数影响的主次顺序为：直径>面密度>深度。摩擦系数随着直径的增大而减小，随着面密度的增大而增大，随着深度的增大而减小。结论 经过优选的表面织构参数有利于形成动压润滑，从而降低摩擦系数和磨损。
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  水平弯管含砂分散泡状流冲蚀机理分析

  彭文山, 邢少华, 曹学文, 侯健, 胥锟, 韩明一

  表面技术. 2019, 48(4): 237-244. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.034

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  目的 揭示水平弯管含砂分散泡状流的冲蚀机理。方法 构建气液固多相流冲蚀实验环道，研究管道内流体流动状态及管道三维冲蚀速率。采用显微分析方法研究管道冲蚀形貌，并提出基于VOF模型和DPM模型耦合的瞬态冲蚀仿真方法。实验与仿真相结合分析管道内部气液分布、颗粒运动对冲蚀形貌的影响。结果 弯管冲蚀最严重区域出现在弯头出口处（θ=90?），而冲蚀最严重位置则出现在该截面φ=45?以及φ=90?两个位置上。仿真可知整个弯管冲蚀严重的区域边界呈现出较为均匀的抛物线形状。砂粒对弯管的冲蚀作用主要以冲击变形和微切削摩擦为主，砂粒的直接冲击碰撞导致试样表面产生密集冲蚀坑，冲蚀坑周围有基体材料外翻形成的“唇片”。分散泡状流中的固体颗粒大部分分散在液相中，弯头处滞止区使得弯头处截面的含液率及颗粒含量大于上下游直管段截面。气体的存在改变了砂粒在管道中的运动状态，大大加剧了弯管的冲蚀。结论 水平弯管含砂分散泡状流冲蚀严重区域、冲蚀形貌与管道内部气液分布及砂粒运动直接相关，多相流冲蚀瞬态仿真方法可准确地预测管道冲蚀。
表面失效及防护
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  声发射在线监测酸性环境下油气管材腐蚀研究综述

  范舟, 王子瑜

  表面技术. 2019, 48(4): 245-252. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.035

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  高含H2S或特高含H2S气藏越来越多投入开发利用，给油气管材带来的腐蚀问题受到极大关注。声发射（AE）是一种无损在线监测技术，具有在酸性环境下在线监测油气管材腐蚀的潜在应用。在前人研究的基础上，综述了声发射在线监测腐蚀的原理以及从声发射波形信号中能提取到的与酸性环境下油气管材腐蚀相关的计数、绝对能量（ABS）、累计能量、上升时间/幅度（RA）、平均频率（AVG frequency）以及振幅分布值b值等参数，并基于这些参数对气泡破裂、点蚀以及腐蚀裂纹产生等过程、腐蚀类型识别以及腐蚀源定位进行了综合分析。声发射在线监测技术在一定程度上能够有效识别酸性环境下油气管材腐蚀过程、类型以及定位腐蚀源，从而提高腐蚀检出能力。声发射在线监测技术对酸性环境下油气管道腐蚀防护与监测具有重要意义。
表面摩擦磨损与润滑
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  厚类金刚石碳基薄膜的制备及摩擦与腐蚀性能的表征

  李安, 李霞, 王云锋, 张广安, 万善宏

  表面技术. 2019, 48(4): 253-261. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.036

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  目的 设计多层掺Si交替沉积的厚DLC薄膜，改善SUS304不锈钢的耐磨性与耐蚀性，拓展其使用范围。方法 使用等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术，在C2H2-SiH4气氛中，通过Six-DLC与Siy-DLC交替沉积的制备方法，以SUS304不锈钢为基底，制备了厚度为20.0、34.9、41.6 μm的三种不同调制比（1∶5、1∶1、4∶1）的厚类金刚石碳基薄膜。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱、纳米压痕仪、RST3划痕仪，分析了厚DLC薄膜的微观结构与力学性能。利用CSM摩擦磨损试验机评价厚DLC薄膜的摩擦学性能，并用能谱仪对磨斑成分进行分析。利用电化学工作站分析厚DLC薄膜的腐蚀行为，并用扫描电镜观察腐蚀形貌。结果 厚DLC薄膜结构致密，强化效果明显，硬度最高达13.8 GPa，结合力在21~29 N范围内。SUS304不锈钢的摩擦系数在跑和阶段急速升高至0.5，随着滑动次数的增加，呈上升趋势，1 h后，磨损率无法用轮廓仪测量。厚DLC薄膜在低载荷与高载荷下的摩擦系数始终保持在0.05~0.2之间，磨损率低至9.4×10-17 mm3/(N?m)。电化学测试表明，SUS304不锈钢的腐蚀电位为-0.49 V，腐蚀电流密度为1.46×10-6 A/cm2。与SUS304不锈钢相比，三种厚度的DLC薄膜腐蚀电位正移、极化电阻升高，腐蚀电流密度最大可降低3个数量级。结论 厚DLC薄膜的应用可以有效降低摩擦磨损，腐蚀倾向相比于不锈钢明显降低，具有良好的耐腐蚀性。
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  多壁异氰酸酯微胶囊的制备及其在自修复防腐涂层中的应用

  郑楠, 刘杰, 李文戈, 肖雯, 李宗林

  表面技术. 2019, 48(4): 262-269. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.037

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  目的 制备多壁异氰酸酯微胶囊及该微胶囊包埋的聚氨酯（PU）自修复防腐涂层。方法 在Pickering 乳液中，通过界面聚合、原位聚合、自组装，一步生成由内至外依次为聚脲内膜、酚醛壳、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA）粒子层的多层囊壁包裹异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）芯材的IPDI微胶囊。通过索式提取实验获得了微胶囊的芯材含量，通过SEM、OM对微胶囊形貌及壳层结构进行观测，通过FTIR、DSC 测试研究微胶囊的成分及芯材反应活性，通过EIS、加速腐蚀实验研究微胶囊包埋的PU涂层的自修复防腐性能。结果 随着芯壳比的增加，微胶囊的芯材含量增大，当芯壳比为2.5∶1时，芯材含量最大，达70.22%。当芯壳比为1.5∶1时，微胶囊的球形度最好，平均粒径最小，为86.12 μm，且分布均一。IPDI微胶囊具有一层聚脲内膜、酚醛壳及PGMA粒子层，IPDI芯材被成功包覆，且保持有效性。IPDI微胶囊的初始分解温度为235.8 ℃，对芯材起到较好的保护作用。包埋IPDI微胶囊的自修复涂层，划痕修复后的阻抗模量恢复至划痕前初始状态阻抗模量的同量级水平。盐水浸泡192 h后，自修复涂层划痕处未见腐蚀产生。结论 制备的IPDI微胶囊的芯材含量较高，球形度较好，分布均一。该一步法工艺有助于对活泼性芯材达到高效包覆，多囊壁结构有助于提高微胶囊的热稳定性和有效性。自修复涂层由于划痕处生成了固化膜，从而抑制了腐蚀的产生，具有较好的自修复防腐性能。
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  应力应变下TC2钛合金在模拟海水环境中的腐蚀行为

  边美华, 彭家宁, 尹立群, 梁庆国, 张兴森

  表面技术. 2019, 48(4): 270-278. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.038

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  目的 研究TC2钛合金在模拟海水中的表面电化学及腐蚀行为，以及不同形变对其的影响。方法 制备U形试样，进行模拟海水浸泡试验，采用电位测试、交流阻抗及极化曲线测试、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等方法进行分析。结果 在240 d模拟海水中浸泡试验期间，无形变TC2钛合金表面钝化膜阻抗值随时间延长，先迅速增加，后缓慢增加，腐蚀电位持续升高，因此其表面电化学反应下降，腐蚀速率较低。45°形变TC2钛合金试样的表面钝化膜阻抗值先略微上升，后下降，最终低于初始阻抗值。90°形变试样的表面钝化膜阻抗值持续下降。经过240 d浸泡后，无形变的试样表面出现微小的点蚀，45°形变试样表面点蚀密度增加，90°形变试样表面垂直压应力方向出现裂纹。XRD结果显示，形变处Ca2+、Mg2+等离子的吸附增加，这可能与表面粗糙度增大，TC2钛合金表面活性增加有关。结论 在模拟海水环境中，无应变试样耐腐蚀性较强，应变导致TC2钛合金表面钝化膜破裂，点蚀增加，甚至出现裂纹，增加了TC2钛合金的应力腐蚀敏感性。
膜层材料与技术
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  CeO2对ZrH1.8表面微弧氧化复合陶瓷层结构的影响

  李世江, 钟学奎

  表面技术. 2019, 48(4): 279-284. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.039

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  目的 利用微弧氧化表面处理技术，通过改变电解液成分，在ZrH1.8表面原位制得一层致密的复合陶瓷层。方法 通过在电解液中添加CeO2颗粒，采用恒压模式对氢化锆（ZrH1.8）表面进行微弧氧化处理，利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、涂层测厚仪、涂层附着力自动划痕仪，分析陶瓷层表面和截面形貌、相结构、厚度及其与基体的结合力，通过Archimedes排水法对所制备陶瓷层的致密性进行定量分析。结果 CeO2颗粒的添加有利于陶瓷层的生长，与不添加CeO2颗粒所制得的陶瓷层相比，加入CeO2后，陶瓷层的厚度有所增加，陶瓷层与基体的结合力由81 N增大至104 N。XRD分析表明，陶瓷层中出现CeO2特征峰，可知CeO2在微弧氧化过程中成功地吸附在陶瓷层表面。不添加CeO2时，陶瓷层的孔隙率为14.22%；添加CeO2后，陶瓷层的孔隙率降低至5.79%。结论CeO2颗粒的加入可有效提高基体ZrH1.8与陶瓷层的结合力，降低了陶瓷层的孔隙率，使氢化锆表面微弧氧化陶瓷层的致密性得到改善。
表面摩擦磨损与润滑
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  三光束光内同轴送丝激光熔覆成形新方法研究

  吉绍山, 刘凡, 傅戈雁, 石世宏

  表面技术. 2019, 48(4): 285-293. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.040

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  目的 研究“三光束光内同轴送丝”激光熔覆新方法以及单向、多向单道熔覆成形效果。方法 采用光线追迹法分析了三光束光斑几何特性，运用TracePro分析了光斑能量分布。利用研制的三光束光内送丝装置进行了单向以及多向单道熔覆实验，对其展开成形表面质量以及单道熔覆层的组织和硬度分析。 结果 “三光束光内同轴送丝”激光熔覆新方法可以将原始圆形激光束整形为周向均匀分布的三个扇形光斑，三个光斑光通量均沿着z轴方向呈“尖顶状”分布，丝材能够被三个光斑均匀包裹。基材和丝材采用不锈钢304材料，丝材线径为0.8 mm，负离焦量为2.5 mm，激光功率为1500 W，扫描速度为3.5 mm/s，送丝速度为20.5 mm/s，展开单向和多向单道熔覆成形测试，丝材熔化充分，熔覆层表面均匀平滑。熔覆层形貌和质量基本不受扫描方向的影响。单道熔覆层和基体结合良好，组织整体比较细密，无气孔和裂纹等缺陷，熔覆层底部到顶部晶粒形态主要为树枝晶、柱状晶、胞状晶和树枝晶，熔覆层组织为铁素体δ和奥氏体γ，凝固模式为FA模式，熔覆层底部到顶部铁素体δ的主要形态为板条状铁素体、蠕虫状铁素体、骨架状铁素体和板条状铁素体。熔覆层的平均硬度（228HV）明显高于基材硬度，熔覆层底部到顶部的硬度过渡平稳，不存在明显软化区，组织整体比较细小致密，晶粒分布均匀。结论 “三光束光内同轴送丝”激光熔覆新方法可以实现光、丝耦合，基材和丝材采用不锈钢304材料，选择合理的工艺参数，可以获得理想的单向以及多向单道熔覆成形效果。
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  不锈钢根管锉镀覆TiN、ZrN膜的沉积工艺与性能研究

  阎鑫, 张钧, 于亚男

  表面技术. 2019, 48(4): 294-301. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.041

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  目的 通过在不锈钢根管锉表面镀覆TiN、ZrN薄膜，以提高其切削性能。方法 采用磁控溅射技术，调整沉积时间、基片偏压、占空比等工艺参数在不锈钢根管锉上分别沉积TiN、ZrN薄膜。对TiN、ZrN膜层进行SEM断面分析、XRD相组成分析、表面硬度测试、膜层附着力测试，考查了TiN、ZrN薄膜的厚度、相组成、硬度以及附着力。通过对镀膜后的根管锉进行电化学腐蚀试验、模拟临床切削试验，分析了镀膜后根管锉的耐蚀性和切削性能。结果 随着工艺参数的变化，TiN、ZrN薄膜的厚度、相结构以及硬度均显示了规律性的变化。镀覆TiN、ZrN薄膜的不锈钢根管锉的自腐蚀电流密度相对于未镀膜的根管锉均明显降低。确定了TiN膜层和ZrN膜层的优化沉积工艺分别为沉积时间1 h、负偏压100 V、占空比60%和沉积时间1 h、负偏压150 V、占空比60%。优化工艺下镀膜的不锈钢根管锉的切削数量和切削效率显著提高。 结论 和未镀膜不锈钢根管锉相比，镀覆TiN、ZrN薄膜的不锈钢根管锉的表面硬度、耐蚀性能均有显著提高。最优工艺下制备的镀覆TiN、ZrN薄膜的不锈钢根管锉兼具切削数量、切削效率以及切削稳定性等方面的综合优势，和未镀膜不锈钢根管锉相比，切削效率提高60%~75%，切削树脂模拟根管数量达到1.7~2倍，实现了切削性能的显著提升。
表面质量控制及检测
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  磁粒研磨去除Al 7075交叉孔棱边毛刺的试验研究

  焦安源, 张龙龙, 刘新龙, 陈燕

  表面技术. 2019, 48(4): 302-309. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.04.042

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  目的 探究磁粒研磨法对去除Al7075交叉孔棱边毛刺的影响，提高孔道的研磨质量及毛刺去除效率。方法 首先，通过对圆柱型磁极进行轴向、径向开槽，并利用ANSOFT软件对磁极进行磁场模拟，分析三种不同形状的磁极的磁感应强度变化；其次，通过磁粒研磨法对交叉孔孔道内壁进行研磨，去除棱边毛刺；最后，测取交叉孔表面微观形貌、材料去除量、毛刺高度和表面粗糙度。结果 研磨加工时间为10 min、磁极转速为1500 r/min的条件下，磁极为径向开槽时，材料去除量高达46 mg，孔道内壁的表面粗糙度由原始1.5 μm降至0.5 μm，孔道表面研磨效果较为理想，棱边毛刺完全去除；当磁极为非开槽时，材料去除量为40 mg，表面粗糙度下降至0.65 μm，棱边毛刺几乎完全去除；磁极为轴向开槽时，表面粗糙度下降至0.8 μm左右，材料去除量约为30 mg，剩余毛刺高度约为5 μm。结论 研磨时间为10 min，磁极转速为1500 r/min，当磁极径向开槽时，相对于轴向开槽磁极和不开槽磁极，磁粒研磨Al7075交叉孔内表面的效果更好，毛刺去除效率更高。