2019年, 第48卷, 第8期　
刊出日期：2019-08-20

  

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专题——表面织构制备、性能及作用机理
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  织构化机械密封的润滑与泄漏特性协调优化研究进展

  王秀英, 李思远, 戴庆文, 黄巍, 王晓雷

  表面技术. 2019, 48(8): 1-8. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.001

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  针对机械密封的润滑和泄漏特性，研究发现，同时改善两特性的表面织构往往伴有较复杂的设计准则，而形式相对简单的织构设计在改善润滑性能的同时，往往导致泄漏增加。对互相矛盾的多个性能指标进行协调优化是表面织构技术在机械密封领域面临的挑战。优化算法是一种客观获得问题最优解的有效手段。鉴于此，介绍了基于单目标优化算法的表面织构形状优化研究现状，总结了基于多目标优化算法的机械密封润滑特性和泄漏特性协调优化研究的主要进展，并聚焦于同时以承载力和泄漏率为指标的螺旋槽参数和自由织构形状优化，最后分析了协调优化研究中存在的不足，并展望了其发展方向，以期进一步推进表面织构技术在密封领域的应用。
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  织构化冲压模具的应力数值模拟分析

  刘晓杰, 金康宁, 单斌, 陈平

  表面技术. 2019, 48(8): 9-15. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.002

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  目的 研究不同形状织构化模具在冲压后的应力大小和分布情况，从织构化模具应力集中角度，为改善模具寿命提供理论指导。方法 利用SolidWorks建立冲压模具三维模型，并且在模具的凹模圆角区域设置三角形、圆形以及二者复合图形，来模拟模具表面的三角形微织构、圆形微织构和复合织构。利用HyperMesh进行网格划分，并在ABAQUS中对冲压过程进行仿真分析，研究表面微织构对冲压模具凹模应力的影响。结果 加工织构的模具，在织构周围出现了应力集中，应力集中主要存在于模具表层很小的范围内，没有延伸至深处。当摩擦系数为0.1时，三角形和圆形复合织构化模具最大应力为1520 MPa，相对于单一的三角形织构化模具，最大应力减小了3.5%，相对于圆形织构化模具，最大应力增加了13.6%。随着摩擦系数的增加，织构化模具在织构处的最大应力均表现出减小的趋势，而单一的三角形和圆形织构化模具在摩擦系数较大时，板料会发生断裂。织构化模具最大应力数值由大到小依次为：三角形织构化模具>三角形和圆形复合织构化模具>圆形织构化模具。结论 表面织构化会造成模具在织构处的应力集中，而且不同形状的织构产生应力集中的程度不同。因此，考虑从改善摩擦学性能的角度提高冲压成形件的成形质量时，需要兼顾考虑模具因表面微织构而产生应力集中，影响其寿命的问题。
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  表面沟槽与润滑剂协同作用对摩擦振动和噪声特性的影响

  王安宇, 王东伟, 范志勇, 吴元科, 项载毓, 莫继良

  表面技术. 2019, 48(8): 16-22. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.003

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  目的 提升表面沟槽的减振降噪性能，延长其寿命，通过试验方法探索合适的优化方式。方法 借助数控加工方法在蠕墨铸铁材料表面加工出一定尺寸沟槽，并在沟槽填充固体润滑剂MoS2，以获得具有不同时变特性的表面。采用球-平面接触方式进行摩擦对比试验，研究沟槽与固体润滑剂MoS2协同作用对界面摩擦振动及噪声特性的影响。结果 沟槽与MoS2固体润滑剂协同作用时，不仅有效地缓解了过沟冲击振动，还进一步抑制了摩擦振动及噪声的产生。与光滑表面相比，填充MoS2的表面噪声主频幅值降低约13.4 dB。结论 该试验条件下，接触表面粘着撕裂和犁削作用等产生的“不平顺”界面因素是激发摩擦振动及产生噪声的主要诱因。沟槽与MoS2结合不仅维持了界面的完整性，还能保持其时变特性，能减缓并削弱“不平顺”界面因素的产生，进一步优化表面沟槽减振降噪的功能，并能减小磨损，延长沟槽的使用寿命。
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  纳秒脉冲激光参数及激光路径填充方式对表面织构平坦化的影响

  刘奇, 董光能

  表面技术. 2019, 48(8): 23-28. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.004

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  目的 减少光纤脉冲激光器制备表面织构产生的毛刺，提高织构制备的质量。方法 利用纳秒激光器在CoCrMo盘加工表面织构时，织构周围会出现随着激光功率增加而升高的毛刺，通过保持激光平均功率不变，增大激光频率的方法来减小织构周围毛刺的高度，并且在材料表面覆盖一层水膜，来进一步减小织构周围毛刺，实现表面织构平坦化，制备出可以直接使用无需二次抛光的表面织构。在此基础上，增加织构加工的次数，在4 mm厚的水膜下打标出一组深度为50 μm左右、毛刺高度小于2 μm的表面织构，并且在25.434 N载荷下，采用销-盘摩擦方式，改变摩擦副的相对运动速度，对其进行摩擦磨损实验研究。 结果 当相对运动速度为30 mm/s时，摩擦系数最小，为0.067 67，远远小于直接加工表面织构的摩擦系数，比原始盘表面降低了23.1%。结论 增大脉冲激光的频率和覆盖水膜制备法可以减小制备织构的毛刺高度，使用覆盖水膜制备法时，多次加工制备大深度织构，毛刺高度始终保持在2 μm，没有明显变化。
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  表面微织构化石墨涂层对铝合金表面的协同减摩机理研究

  刘思思, 刘强, 刘金刚, 姜胜强, 廖君慧, 余锦, 何建国

  表面技术. 2019, 48(8): 29-38. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.005

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  目的 研究微织构和固体润滑涂层对铝合金表面减摩、抗磨性能的协同作用效果，为铝合金内燃机活塞外圆表面的减摩、抗磨设计提供参考。方法 采用脉冲Nd:YAG激光器在试件表面加工出具有规则形貌的正方形凹坑阵列，利用热喷涂工艺在微织构化基体表面喷覆固体石墨涂层，在乏油条件下，利用HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，采用扫描电子显微镜和超景深显微系统对试样磨损表面进行了分析，研究微织构几何参数、相对滑动速度、涂层特性对摩擦副表面减摩、抗磨作用的协同机理及影响规律。结果 在乏油润滑条件下，仅覆盖石墨涂层的摩擦副表面，摩擦系数较光滑表面降低了44%。经微织构修饰的摩擦副表面，其摩擦系数明显小于光滑表面，其中微织构所占面密度为8.2%时摩擦系数最低，相对于光滑表面降低了67.4%。当在微织构和石墨涂层的协同作用下，摩擦系数进一步降低至0.07，且铝合金基底表面未见明显磨损，此外较高的滑动速度有利于摩擦系数的进一步降低。结论 微织构和石墨涂层的协同作用下，能有效改善乏油工况下铝合金表面的摩擦学性能，合理的几何参数可以更有效地发挥减摩和抗磨效果。
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  交叉沟槽织构化粗糙表面流体润滑数值分析

  纪敬虎, 董保栋, 陈天阳, 田朋霖, 符永宏

  表面技术. 2019, 48(8): 39-47. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.006

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  目的 探究粗糙度对交叉沟槽织构化表面流体动力润滑性能的影响。方法 基于质量守恒空化边界条件和平均流量模型的Reynolds方程，建立计入表面粗糙度效应的交叉沟槽织构化表面流体动力润滑理论模型，采用多重网格法进行数值求解，获得润滑油膜的压力分布和承载能力，分析粗糙度对交叉沟槽织构化表面流体润滑性能的影响规律。结果 油膜承载能力随着沟槽宽度的增大而增大，表面粗糙度对油膜承载能力的影响随着沟槽宽度的增大而增大。存在最佳的沟槽深度和间距使得交叉沟槽所产生的流体动力润滑效应达到最强，表面粗糙度对油膜承载能力的影响在最佳沟槽深度附近最大，粗糙度对油膜承载能力的影响随着沟槽间距的增加而增大。油膜承载能力随着交叉角度的增大呈现先增大后减小的趋势，粗糙度对油膜承载能力的影响随着交叉角度的增加而增大。交叉沟槽的重叠系数对油膜平均压力几乎没有任何影响，粗糙度对油膜承载能力也几乎不受重叠系数的影响。结论 在利用数值分析方法研究交叉沟槽织构流体动力润滑性能时，不能忽略粗糙度的影响，表面粗糙度在一定程度上抑制了交叉沟槽所产生的流体动力润滑效应，降低了油膜承载能力。
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  纳秒激光加工中脉冲能量对熔体体积的影响

  胡璐瑶, 金卫凤, 黎建麟, 房锐, 李健

  表面技术. 2019, 48(8): 48-53. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.007

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  目的 考察调节激光脉冲能量对纳秒激光加工中熔体体积控制的途径。方法 通过纳秒激光加工实验中的微结构火山口相对高度随脉冲能量的变化规律，来间接反映熔体体积随脉冲能量的变化规律。在MATLAB环境下，通过有限元法基于双温模型模拟，研究纳秒激光脉冲作用于铝合金材料表面时脉冲能量对熔体体积的影响规律。结果 在低能量密度下，可实现低于10%的火山口相对高度，远低于文献记载的高能量密度下~100%的火山口相对高度。随着激光脉冲能量的增加，模拟结果和实验结果都表明熔体体积随能量密度的增加而略有减少，这与文献模型相悖。结论 在较宽的能量范围内，纳秒激光加工产生的熔体体积随激光脉冲能量密度的变化规律符合C K?rner等人提出的模型，表明通过控制激光能量密度能够有效控制纳秒激光加工中的熔体体积。然而，在较低的能量密度下，熔体体积随能量密度反常变化规律意味着有其他因素伴随能量密度共同影响熔体体积，这种影响还有待进一步研究。
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  基于图像处理技术界定微纳复合织构防覆冰性能

  弯艳玲, 崔普, 徐丽宁, 于化东

  表面技术. 2019, 48(8): 54-58. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.008

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  目的 制备具有防覆冰性能的微织构表面，准确评价微织构表面的结冰性能。方法 采用激光二次扫描方法，以铝合金为基底，构筑沟槽-凹坑型复合微织构表面，以水滴在其表面结冰过程的图像为对象，采用阈值法分割图像和背景，对提取出的图像进行形态学运算，通过分析水滴结冰过程中的轮廓变化规律，研究水滴结冰过程的状态变化，进一步界定水滴的结冰时间。结果 纳秒激光一次扫描形成的沟槽结构，增加了试件表面的粗糙度，使铝合金表面接触角由54.4°提高到116.5°，实现了铝合金表面的疏水性能。而二次扫描构建的沟槽-凹坑复合微织构，形成了Cw-Cn接触模型，进一步提高了试件表面的疏水性，试件表面接触角增大至154.4°。超疏水表面成核能垒高，且沟槽-凹坑复合微织构捕获的空气降低了固液界面的热交换速度，是铝合金表面结冰时间由11 s延长到551 s的原因。图像处理方法准确界定了水滴在结冰过程中的三个阶段。采用Harris角点检测法，可以实现精确判断结冰完成时间，减小了肉眼判断结冰状态所带来的主观误差。结论 纳秒激光二次扫描构筑的沟槽-凹坑复合微织构可以有效提高Al7075表面的疏水性，并延缓水滴在其表面的结冰时间。图像法处理提取的表面轮廓，为研究分析水滴在结冰过程中的状态变化提供了一种新思路。
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  放电沉积凸貌微织构表面动压润滑性能仿真研究

  李一楠, 张勇, 冯天明, 兰红波, 彭子龙

  表面技术. 2019, 48(8): 59-67. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.009

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  目的 提出一种表面凸貌微织构的快速制造方法，并对其表面动压润滑性能及减摩机制进行研究。方法 利用高低压复合放电沉积加工技术实现气体介质中金属或半导体材料表面凸貌微织构的制备。高压脉冲电压实现两极间介质的电离度，低压直流放电实现电极材料蚀除，并沉积在工件表现形成微织构。通过控制工具电极直径，可获得直径410 μm、高12 μm尺度的凸貌微织构。利用FLUENT软件，对该方法所获的凸貌微织构表面动压润滑性能进行仿真，研究了不同高度、直径、面积比下，表面微织构对润滑性能的影响规律。结果 织构面积比和动压润滑性能成正比关系：随着面积比增大，织构上表面平均压力增大。油膜上表面平均压力在高度为7 μm、直径为500 μm、面积比为60%、对摩速度0.5 m/s时，达到最大值1.21×104 Pa。动压润滑性能随单个凸貌微织构高度的增加，先增大后减小，并在7 μm时达到最大。织构直径对润滑性能影响明显，仿真结果表明，在一定条件下，加大织构直径可提高油膜上表面平均压力。结论 凸貌微织构采用增材制造方法，减小了传统去除材料的织构制造方法导致的对材料强度的影响。该方法工艺简单，成本低，不需辅助其他加工条件。表面凸貌微织构的存在使两接触表面的间距减小，形成收敛楔，从而形成动压，使润滑膜产生动压承载力，改善了摩擦学性能。对凸貌微织构的结构参数（面积比、微织构高度、直径）进行仿真分析，获得了织构结构参数对动压润滑特性的影响规律，为后续研究提供了理论支持。
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  基于MATLAB分析不同形貌对金属表面润湿性能的影响

  鲁畅, 但斌斌, 付婷, 容芷君, 朱玙灯, 李宽, 刘凯

  表面技术. 2019, 48(8): 68-76. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.010

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  目的 研究不同形貌的微结构表面对金属表面润湿性能的影响。方法 首先在金属材料表面建立一级与二级微结构模型，然后整理得出不同微结构模型评定参数的公式，最后利用Matlab对不同形貌表面相关公式进行模拟计算，绘制得到不同形貌表面润湿特性三维曲线。结果 一级微结构中，球形微结构模型表面表观接触角θ皆为定值，即完全润湿θc=74.443°，不完全润湿θw=131.720°。其余微结构模型利用Matlab模拟计算，均可以得到光滑的三维曲线，其中在铜基表面设计制备三维方柱阵列微结构，可获得超疏水特性。二级微结构中，比较完全润湿状态，不完全润湿状态粗糙因子f远小于Υ。在不完全润湿状态中，粗糙因子f趋近于0，与完全润湿状态模拟的表观接触角结果相比，不完全润湿状态下，采用三维阵列微结构研究金属表面微结构对表观接触角的影响最为合适。结论 模拟条件相同的情况下，改变金属表面微观形貌会引起润湿性能的改变。金属表面润湿性能与表面微细结构以及微结构参数均存在映射关系，但是表面微结构的维度并非越高越好，一级微结构同样也可以得到所需疏水性能。在外在影响因素相同的条件下，若要研究分析金属表面微结构参数的改变对表观接触角的影响，采用三维阵列微结构最为合适。
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  脂润滑条件下PTFE/GCr15激光织构表面滑动摩擦性能研究

  解玄, 尹必峰, 华希俊, 王皓, 朱翊航, 许晟, 朱伟

  表面技术. 2019, 48(8): 77-82. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.011

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  目的 研究PTFE薄膜与激光织构化GCr15轴承钢配副在脂润滑条件下的摩擦学性能，探究微织构面积占有率和工况参数对摩擦学行为的影响规律。方法 采用二极管泵浦声光调Q Nd∶YAG激光器对下试样进行表面织构加工，在Rtec MFT-5000多功能摩擦磨损试验机上进行往复摩擦学试验，其中上试样为粘结PTFE薄膜的圆柱销，下试样为进行激光织构化的GCr15轴承钢滑块。结果 脂润滑介质下，PTFE与微织构表面耦合摩擦系数最低。在前期磨合阶段，不同微织构面积占有率的表面摩擦系数均有小幅度上升；试验中期，不同微织构面积占有率的表面摩擦系数区分度逐渐变大。当微织构面积占有率由10%上升为40%时，摩擦系数先减小后增大，且微织构面积占有率为20%时，表面摩擦系数最小，仅为0.032。脂润滑条件下，三种不同微织构面积占有率的试样随着载荷由20 N增加至100 N时，摩擦系数均出现下降趋势，且趋势逐渐趋缓。在低频率阶段的摩擦系数较大，高频率阶段摩擦系数较小。结论 脂润滑条件下，PTFE与微织构耦合是一种有效的复合减摩手段。随着织构面积占有率的提升，表面摩擦系数先减小后增大，随着载荷的增大，表面摩擦系数迅速下降；随着往复运动频率的增大，表面摩擦系数先上升再缓慢下降。当面积占有率为20%时，能获得较好的摩擦润滑性能。
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  刀具表面不同角度正弦型沟槽织构的数值模拟与实验研究

  张娜, 杨发展, 姜芙林

  表面技术. 2019, 48(8): 83-89. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.012

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  目的 分析刀具表面正弦型沟槽织构不同角度对接触表面摩擦学性能的影响。方法 利用激光加工设备在硬质合金表面加工出与垂直线成0°、30°、60°、90°的正弦型沟槽织构，并利用有限元软件FLUENT对不同角度正弦沟槽织构内的润滑液压力等参数进行仿真分析，同时将表面带有织构的硬质合金与钛合金球进行摩擦磨损实验，并通过扫描电镜观察摩擦实验后的表面。结果 硬质合金表面四种不同角度的正弦沟槽织构均能降低与钛合金对摩时的摩擦系数，且随着速度的增大，四种织构表面的摩擦系数均出现不同程度的减小，其中90°的正弦沟槽织构在摩擦实验中的减摩效果最为显著，滑动速度为20 mm/s时，摩擦系数相对于光滑表面减小了77%。通过系列摩擦磨损实验结果表明，正弦沟槽织构产生动压效应的数值模拟结果与减摩降磨实验结果基本一致，刀具表面不同角度正弦沟槽织构产生动压润滑效果的显著程度为90°>30°>0°>60°。结论 与钛合金对摩中，硬质合金表面沟槽织构的存在对降低摩擦系数和减少磨损量具有重要意义，尤其是90°正弦沟槽织构的存在可以大幅改善硬质合金表面的摩擦学特性，其主要作用机理在于及时有效补充接触表面间的润滑液，并产生持续的动压润滑效应，建立并形成连续的摩擦接触界面间油膜，起到减摩降磨的作用。
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  切削速度对微织构刀具切削力的影响

  李庆华, 潘晨, 矫雨芯, 胡恺星

  表面技术. 2019, 48(8): 90-97. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.013

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  目的 研究微织构刀具在不同切削速度下切削力的变化规律，从而改善刀具的切削性能。方法 利用激光技术在PCBN刀具前刀面进行微织构处理，加工微槽宽度分别为30、40 μm的垂直微槽和平行微槽，并选择60、72、85 m/min三种不同的切削速度，分别用微织构PCBN刀具干式切削AISI 52100材料，使用测力仪收集切削过程产生的主切削力、径向力和轴向力。结合有限元仿真技术，设置与实际切削试验相同的切削用量、微织构刀具材料和工件材料等切削条件，从刀具表面应力角度分析微织构刀具在不同切削速度下的切削力变化，并与切削试验结果进行对比。结果 在不同的切削速度条件下，不同微织构刀具产生的切削力受切削速度的影响程度不同。30 μm垂直微槽和40 μm平行微槽PCBN刀具在较高的切削速度下均能取得较小的切削力，切削速度的变化对主切削力、径向力和轴向力的影响均较大。结论 随着切削速度的增大，垂直微槽和平行微槽可有效减小主切削力和径向力。在相同的切削速度下，垂直微槽比与平行微槽更有利于获得较小的切削力。试验结果对微织构PCBN刀具切削淬硬钢材料奠定了基础。
专题——表面纳米化制造及复合改性技术
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  轻金属表面微纳制造与功能防护

  李朝霞, 刘玉鹏, 梁军, 王道爱

  表面技术. 2019, 48(8): 98-112. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.014

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  在使役过程中，机械装备的失效往往始于表/界面。轻金属材料（如铝、镁、钛及其合金等）由于其高强度、低密度和高延展性等性能，在航空航天、汽车、电子、生物医学和海洋工程等领域获得了广泛的应用，但由于其化学活性高而易腐蚀、质软而耐磨性差等性质也限制了它们的应用范围。近年来，科学界涌现出对轻金属表面进行微纳米化加工、处理等许多技术，如激光刻蚀、化学刻蚀、阳极氧化以及微弧氧化等。通过利用这些技术手段对其表面结构和组成进行改性和调控，可以改善材料本身的某种性质（如机械性能）或赋予一些潜在的应用（如防腐、抗菌等），从而实现材料表面的多功能化防护。结合近几年国内外学者的研究及课题组的一些研究工作，概括了轻金属表面微纳结构的设计方法和原理以及与表面功能防护的关系，以及通过在材料表面构筑多功能复合界面，以提升抗磨、耐蚀以及防结冰、自清洁等性能，最后对轻金属表面的微纳制造与功能防护的发展进行了总结和展望。
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  超声冲击纳米化的研究现状与进展

  曹小建, 吴昌将, 顾镇媛, 陈强, 福岛良博, 刘永杰, 王清远

  表面技术. 2019, 48(8): 113-121. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.015

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  首先介绍了超声冲击金属表面致纳米化的原理、强塑性变形诱导形成纳米晶的机理及纳米晶尺寸和晶粒取向的分析手段，然后结合表面静压力、振幅、单位面积冲击次数等参数变化，总结了超声冲击对金属硬度、粗糙度、残余应力及疲劳性能的影响。超声冲击后，材料表面硬度会大幅提升，表面形貌规则且平整度得到改善。超声冲击诱导产生的纳米晶和残余压应力对提高材料疲劳强度有积极作用。统计认为，超声冲击表面强化对弯曲疲劳试件疲劳性能的提升更大，且试件107周次以上的疲劳极限在(0.50~0.65)σb内。对于处理后产生相变的材料，硬度和强度更高的相甚至能将表层硬度和疲劳极限提高到2倍。最后，综合阐述了超声冲击表面强化与等离子氮化、TiN生物覆膜、常规喷丸及激光喷丸等复合处理方式对材料性能的影响，并提出了基于超声冲击纳米化进行混合表面处理需注意的事项：工艺参数和处理顺序要恰当；考虑环境腐蚀时，要对纳米表面进行二次保护，从而提高材料的综合性能；纯机械方式复合处理要根据技术特点来筛选。
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  金属表面自纳米化及其复合改性技术研究进展

  彭振军, 徐惠, 齐玉明, 梁军

  表面技术. 2019, 48(8): 122-128. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.016

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  结合国内外表面自纳米化的研究成果，综述了表面纳米晶层产生的机理及表面自纳米化对材料表面硬度、摩擦磨损性能、抗疲劳性能以及耐腐蚀性能等的影响，总结了表面纳米晶层的优势，并针对表面纳米晶层性能及单一表面处理技术的不足，详细介绍了金属表面自纳米化与等离子体扩渗、微弧氧化及化学镀等常规表面处理相结合的复合改性技术研究进展，阐明了复合处理技术在材料性能提升上的巨大优势。最后，指出了复合处理技术面临的挑战，并从加强作用机理的研究、复合处理工艺系统性研究以及推进工业化应用等方向着手，提出应充分发挥金属材料表面自纳米化这一普适性的表面处理手段与其他表面改性技术复合的优势。希望为实现金属材料结构功能一体化，促进高性能新型材料和高性能复相表层的研究开发，加快复合改性技术工业化应用的进程提供借鉴与支撑。
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  离子液体基氧化石墨烯胶体分散稳定性研究

  何停霞, 戴庆文, 黄巍, 王晓雷

  表面技术. 2019, 48(8): 129-135. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.017

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  目的 研究氧化石墨烯在离子液体中的分散稳定性及其影响因素，并验证其摩擦学性能。方法 采用扩展的DLVO理论，分析计算了表面活性剂与离子液体烷基侧链长度对氧化石墨烯胶体稳定性的影响，并结合实验对理论分析结果进行评估与验证，同时采用摩擦磨损试验机对稳定的氧化石墨烯胶体的润滑性能进行测试。结果 未经修饰的氧化石墨烯分散于离子液体中，总势能曲线始终为负值，颗粒间表现为吸引力，极不稳定。而对于经表面修饰的氧化石墨烯胶体而言，颗粒间的相互作用势能与表面活性剂和离子液体烷基侧链长度呈正相关。当选用的表面活性剂烷基侧链长度为9、离子液体侧链长度为6时，对应的势垒值最高，可达500 kT，从而有望实现胶体的稳定分散。后续静置实验及紫外可见吸收光谱分析结果与理论分析结论保持一致。摩擦实验表明，相比于纯离子液体，稳定分散有氧化石墨烯的离子液体的润滑性能显著提升。结论 采用扩展的DLVO理论可对氧化石墨烯在离子液体中的分散稳定性进行理论预判，氧化石墨烯颗粒表面吸附的活性剂及离子液体烷基侧链越长，氧化石墨烯胶体越稳定。
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  超声滚压20CrMnTi纳米化表面对局部腐蚀萌生行为的影响

  张胜博, 向嵩, 成桃, 石维

  表面技术. 2019, 48(8): 136-143. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.018

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  目的 研究不同静压力条件下，形变诱导纳米化表层对20CrMnTi局部腐蚀萌生行为的影响。方法 采用超声滚压技术（USRP, Ultrasonic surface rolling processing）强化20CrMnTi表层，并运用激光共聚焦显微镜、EBSD与电化学方法进行表征，分别评价形变诱导纳米化表层的腐蚀行为以及局部腐蚀行为对表面应力集中状态以及微裂纹萌生行为的影响。结果 在弱碱性腐蚀条件下，20CrMnTi表层经超声滚压处理后，试样的点蚀击穿电位出现显著负移。同时，随着滚压压力升高，20CrMnTi表层钝化出现了显著的滞后，致钝电流与维钝电流同步增长，并伴有钝化区间缩小。借助激光共聚焦显微镜高精度三维重构，观测到在模拟弱腐蚀环境下，20CrMnTi超声滚压表面会显现出沿滚压方向凸出的波纹状局部腐蚀纹理，随滚压压力增长，波纹界面位置局部腐蚀损伤呈现一定的加深与拓宽，具有较高的裂纹萌生风险。通过EBSD表征发现，在超高频冲击作用下，20CrMnTi表层晶粒会转化为晶粒取向随机分布的细化表层，但由于波纹两侧晶粒存在取向差异，在滚压头高频多点的冲击作用下，不同取向晶粒的细化机制存在差别，导致波纹两侧晶粒构成电位差异明显的局部腐蚀微电池，呈现较高溶解选择性。结论 在超声滚压过程中，20CrMnTi表层晶粒在局部微区范围内会出现明显的细化程度差异，在电化学作用下，细化晶粒间的微区电位差异会导致表面出现选择性溶解，并在晶粒折叠界面处产生波纹状局部腐蚀坑，且伴随超声滚压压力增大，波纹状腐蚀坑会出现明显的拓宽与加深，具有较高的疲劳裂纹萌生风险。
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  纳米NiAl相对铁基合金显微组织、力学及氧化性能的影响

  白亚平, 罗佳佳, 李建平, 杨忠, 郭永春

  表面技术. 2019, 48(8): 144-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.019

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  目的 通过机械合金化与热压烧结相结合的方法制备含有B2结构纳米NiAl相的铁基合金，研究不同含量（质量分数为30%、40%、50%、60%）的纳米NiAl相，对合金显微组织及力学性能的影响。方法 以Ni粉和Al粉为原材料，通过高能球磨法制备B2结构纳米NiAl粉体，采用真空热压烧结炉将NiAl粉体与Fe粉混合烧结，得到块体试样。采用扫描电镜（Scanning electron microscopy, SEM）进行微观组织观察，采用能谱仪（Energy dispersive spectroscopy, EDS）、X射线衍射仪（X-ray diffraction, XRD）以及透射电子显微镜（Transmission electron microscopy, TEM）进行物相分析，并测试不同NiAl含量的铁基合金的硬度、密度、室温压缩性能以及600 ℃的抗氧化性能。结果 合金的硬度、抗压强度随NiAl含量先增后降。当NiAl的质量分数为50%时，合金硬度为35.2HRC，抗压强度为2530 MPa，密度为6.68 g/cm3，较未添加NiAl时，合金的抗压强度提升了239.6%，密度降低了14.5%。θ=600 ℃、t=1200 min时，其表面氧化增重较纯铁降低了37.9%，此时NiAl相的尺寸约为100~200 nm，组织最为均匀，致密度较高。结论 纳米NiAl相在降低铁基合金密度的同时，能有效提升其力学性能与抗氧化性能，但由于B2结构的纳米NiAl相为一种硬脆相，当其含量过高时，会极大程度地降低合金的力学性能。
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  三维六叶风车纳米结构局域表面等离激元共振特性研究

  王兆华, 任立庆

  表面技术. 2019, 48(8): 151-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.020

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  目的 研究三维六叶风车纳米结构的等离子体特性和光学手性。方法 设计了一种可调节三维旋转角度的风车纳米结构。在垂直入射的左圆偏振（LCP）和右圆偏振光（RCP）作用下，通过Comsol多物理场仿真软件，数值分析了不同旋转角度三维风车纳米结构的透射光谱、表面电流分布和磁场强度。为了得到三维风车纳米结构的手性光学特性，计算了其不对称因子。结果 在透射光谱中观察到波长为925 nm和985 nm两种具有不同近场耦合的局域表面等离激元共振（LSPR）模式。当旋转角从0°增加到60°时，内外模式交换各自所在的激发峰位；当旋转角为45°时，三维风车具有较强的光学活性，其不对称因子最大值可达0.6，从而在不同的共振模式下得到了最佳的圆二色性效应。结论 LSPR模式对几何参数有很强的依赖性和可调控性，光学手性对风车结构叶片的上升程度具有很强的敏感性。研究结果可为设计新的手性光学纳米结构提供参考，为光电相互作用领域的应用提供新思路。
表面强化及功能化
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  玻璃表面二氧化硅基超疏水膜的研究进展

  鲍田, 王东

  表面技术. 2019, 48(8): 156-164. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.021

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  超疏水表面带来一些可贵的界面性质，包括防结冰、防污染、防氧化等。对于工业产品中常用的玻璃等无机材料，研究人员参照自然界超疏水物质的结构和成分，借助含碳、氟等元素的物质，通过各种方法，合成具有微米-纳米二重粗糙结构和低表面能的有机-无机杂化涂层与基材结合，从而制备超疏水表面。因玻璃表面亲水性的固有性质，在平板显示、触摸屏、太阳电池盖板、玻璃幕墙等领域，解决既能满足光学性能指标，又能实现疏水性和抗污染性的问题尤为重要。首先讨论了粗糙表面的固液复合接触和非复合接触两种理论模型，进而阐述了超疏水玻璃的实现要素和基于二氧化硅的超疏水膜的制备方法。梳理了以溶胶-凝胶法为基础的玻璃表面二氧化硅基透明超疏水膜的制备技术进展，根据涂膜次数、溶胶组成、膜层粗糙结构的实现方法等，将现有制备技术分类、归纳为三种制备路线：共前驱体合成改性二氧化硅溶胶制备单层超疏水膜，表面改性法制备多层结构超疏水膜，添加二氧化硅颗粒引入粗糙层法。指出了各种方法的超疏水原理、膜层特点，分析了部分制备实例的疏水性、粗糙结构、光学透过率等性质的影响因素。对于溶胶-凝胶法制备的SiO2基超疏水玻璃，实现超疏水性的同时，如何保持玻璃良好的透明性以及膜层的耐磨性、持久性，是需要重点研究的方向。
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  碳钢表面电镀Ni-TiO2镀层硬脂酸修饰制备超疏水表面

  钱晨, 王华

  表面技术. 2019, 48(8): 165-171. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.022

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  目的 在碳钢基体上制备超疏水表面，提高碳钢的耐海水腐蚀性能。方法 采用恒电流沉积结合硬脂酸修饰的方法，在碳钢表面制备超疏水Ni-TiO2复合镀层。通过扫描电子显微镜（SEM）、EDS能谱分析、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射仪（XRD），对样品的形貌、化学组成及晶型结构进行分析。通过接触角测量仪、自清洁测试，对试样的表面润湿性及自清洁性进行分析。利用电化学工作站测量样品的电化学阻抗谱和极化曲线，从而对样品的耐蚀性进行评价。结果 制备的Ni-TiO2复合镀层呈球形微纳米粗糙结构。经硬脂酸修饰后，接触角高达160.99°，具有良好的超疏水性和自清洁性能。制备的超疏水Ni-TiO2复合镀层在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电流密度为2.42×10-8 A/cm2，腐蚀速率为2.84×10-4 mm/a，对裸碳钢的缓蚀效率为99.41%，具有优异的腐蚀保护作用。此外，在3.5%NaCl溶液中浸泡60天后，超疏水Ni-TiO2复合镀层的电荷转移电阻Rct变化很小，镀层没有破损，具有长期防腐蚀性能。结论 在碳钢表面通过恒电流电沉积结合硬脂酸修饰制备的超疏水表面，能长期有效地提高碳钢对海水的耐腐蚀性能。
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  单层TiO2/SiO2光学薄膜减散射理论与实验探究

  刘金泽, 潘永强, 杨琛

  表面技术. 2019, 48(8): 172-176. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.023

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  目的 降低单层光学薄膜的散射损耗。方法 通过相干散射理论研究，给出了单层光学薄膜减散射的理论依据。利用电子束热蒸发技术在K9玻璃上分别镀制了单层光学厚度为λ/2的TiO2和λ/4的SiO2薄膜，并通过改变工艺对薄膜的表面粗糙度进行了调控，利用horos散射仪分别测量了镀膜前后光学元件表面的双向反射分布函数。结果 对于光学厚度为λ/2的单层TiO2薄膜，当薄膜上下界面粗糙度比值为0.7时，减散射效果明显优于比值为0.6和0.9，且比值越接近0.71，减散射效果越明显。对于光学厚度为λ/4的单层SiO2薄膜，当薄膜上下界面粗糙度比值为0.7时，减散射效果明显优于比值为0.8和1.4，且比值越接近0.13，减散射效果越明显。结论 单层光学薄膜减散射条件不仅与光学薄膜的界面粗糙度有关，而且与薄膜光学厚度和膜料折射率也有着密切的关系。对于特定光学厚度的单层TiO2和SiO2薄膜，当薄膜上下界面的粗糙度比值满足减散射区间时，都可以实现减散射的效果，且比值越接近最佳减散射比值，减散射的效果越好。此外，在一定条件下，薄膜表面粗糙度大于基底表面粗糙度时，也有可能实现减散射的效果。
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  固液界面反应润湿动力学的表征与计算

  林长顺, 顾逸乔, 王婷婷, 朱定一, 王连登

  表面技术. 2019, 48(8): 177-184. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.024

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  目的 获得在反应润湿过程中固液界面能与时间变化的关系，掌握反应润湿动力学的核心问题。 方法 基于反应润湿过程中反应界面处的三相能量处于动态平衡状态，以反应界面新相覆盖率a和界面活性元素占位浓度分数Fs为变量，结合Young方程带入边界条件进行数学推导，并且进一步采用Dezellus推出的cosθ-t关系的动力学方程进行理论推导。通过真空熔炼炉炼制NiSi合金，采用改良座滴法，在高温真空润湿仪中的石墨基板上进行润湿实验，用高分辨率的CCD相机拍摄反应润湿过程中接触角的变化，获取接触角数据，结合公式计算，验证动力学方程。结果 理论推导出了固液界面能与时间关系的动力学方程。该方程与文献中将固液界面能在反应过程的瞬时差值作为驱动力所推方程相同，也与Dezellus推出的cosθ-t关系经推导后的动力学方程完全相同。该动力学方程中固液界面能与时间呈指数规律降低的关系。Ni-Si/C体系润湿实验的结果表明，在界面反应控制阶段，固液界面能随反应时间呈指数规律降低，与理论推导的动力学方程中固液界面能随反应时间的变化规律一致，结合动力学方程与Arrhenius方程计算出Ni-45%Si/C体系的界面反应激活能为239 kJ/mol，与文献中所报道的数值接近。结论 反应润湿过程中，该反应动力学方程切实可靠，固液界面能随时间呈指数规律降低的关系，能够为材料表面改性与涂层中的润湿性问题提供理论参考。
表面摩擦磨损与润滑
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  缸套-活塞环摩擦副表面性能强化研究进展

  唐令, 何鹏飞, 马国政, 王海斗, 康嘉杰, 陈书赢, 徐滨士

  表面技术. 2019, 48(8): 185-198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.025

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  缸套-活塞环是内燃机中最重要的摩擦副，该配副的磨损失效占内燃机摩擦磨损故障的40%左右。表面性能强化是提高缸套-活塞环摩擦副服役寿命和可靠性的重要方法。简要分析了内燃机缸套-活塞环服役工况与磨损失效机理，总结了影响缸套-活塞环摩擦磨损行为的重要因素。详细综述了表面改性、表面涂覆和表面复合处理技术在缸套-活塞环表面强化中的研究和应用现状，其中化学热处理、离子注入和表面淬火等表面改性技术，通过改变缸套-活塞环表面化学成分和组织结构，而改善其摩擦学性能，表面织构可起到贮存润滑油、容纳磨屑等重要作用。表面复合镀铬、气相沉积薄膜、热喷涂金属和金属陶瓷涂层等技术，也常用于缸套-活塞环的表面强化改性。同时，通过多种表面强化技术复合处理，如激光淬火和低温离子硫化复合、磁控溅射与渗氮复合、堆焊与表面滚压复合等，多种技术优势互补，可以实现缸套-活塞环摩擦副表面综合性能的协同提升。最后简要总结了各项表面强化技术的优缺点和亟待解决的问题。
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  离子渗氮工艺参数对4Cr5MoSiV钢表层组织与性能的影响

  刘建睿, 严宏志, 李算, 田昊, 秦娟

  表面技术. 2019, 48(8): 199-205. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.026

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  目的 研究离子渗氮的温度及时间对4Cr5MoSiV钢渗氮层组织、表面硬度及耐磨性的影响，获得提高硬度、耐磨性的最优工艺参数。方法 对4Cr5MoSiV钢表面进行离子渗氮处理，渗氮温度分别为450、480、510、540 ℃，保温时间分别为5、10、15、20 h。利用维氏显微硬度仪测量渗层深度及表面硬度；利用X射线衍射仪分析渗层物相组成；利用摩擦磨损试验机评价试样耐磨性；通过扫描电镜观察表面磨痕区域。结果 离子渗氮渗层表面的物相主要为γ‘-Fe4N相和ε-Fe2~3N相。在实验范围内，随着温度的升高或时间的增加，材料渗层深度、表面硬度增加，磨损率减少，但当温度过高或时间过长时，表面硬度下降，磨损率增加。在480 ℃的条件下进行20 h离子渗氮的材料，表面具有最好的摩擦学性能，表面硬度为1147 HV0.2，磨损率为2.13×10-5 mm3/(N?m)，渗氮层深0.24 mm，化合物层深14.05 μm，摩擦系数为0.45，磨损状态为磨粒磨损。结论 离子渗氮是适合于变截面弹簧的表面强化方式，可以在材料表面形成具有一定厚度、均匀分布的渗氮层组织，显著提升表面硬度和耐磨性，降低摩擦系数。
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  FeNiCoTiNb低膨胀激光熔覆涂层的组织特征及摩擦学行为

  谢恩雨, 赵耀, 姜力鹏, 崔秀芳, 金国, 史望兴, 卢冰文

  表面技术. 2019, 48(8): 206-211. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.027

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  目的 借助低膨胀合金的因瓦效应，降低熔覆技术产生的热应力，在保证涂层具有低膨胀性的前提下，同时具有优良的机械性能。方法 采用激光熔覆技术在316L不锈钢体表面制备了具有低膨胀系数的FeNiCoTiNb涂层。采用SEM、EDS、热膨胀分析仪、摩擦磨损试验机等对涂层的显微组织、残余应力、热膨胀系数、硬度及耐磨性能进行了分析。结果 涂层主要由具有FCC结构的γ-(Fe,Ni)固溶体相构成，涂层底部组织主要为胞状晶和柱状晶，局部区域观察到了胞状晶与柱状晶组织向等轴晶组织转变的行为，涂层 顶部组织主要由等轴晶组成。涂层的残余应力与热膨胀系数均处于较低水平，其中残余应力平均值为 (43±15) MPa，在30~600 ℃间热膨胀系数的平均值为8.5×10-6 ℃-1，显著低于FeCrNi及NiCrBSi熔覆层。涂层的显微硬度可达到400HV0.5。涂层的磨损机制为磨粒磨损及氧化磨损，316L的磨损机制主要为粘着磨损及氧化磨损。结论 通过在316L不锈钢表面进行激光熔覆，得到了兼具低膨胀系数、高硬度、高耐磨性的FeNiCoTiNb涂层，涂层在一定程度上降低了熔覆产生的热应力。
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  等离子喷涂Cr3C2/NiCr金属陶瓷基高温润滑涂层的摩擦学行为研究

  周琪, 卢礼灿, 易戈文, 王文珍, 贾均红

  表面技术. 2019, 48(8): 212-217. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.028

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  目的 探讨和研究Cr3C2/NiCr-Ag-MoO3-CaF2和Cr3C2/NiCr-CaF2金属陶瓷涂层与ZrO2配副在宽温域（室温~800 ℃）内的摩擦磨损行为和磨损机理。方法 以Cr3C2/NiCr作为基底材料，CaF2、Ag、MoO3作为固体润滑剂，采用大气等离子喷涂技术在718高温合金钢基体表面，制备Cr3C2/NiCr-Ag-MoO3-CaF2和Cr3C2/NiCr-CaF2金属陶瓷涂层。采用UMT-3高温摩擦磨损实验机评价涂层从室温~800 ℃的摩擦磨损性能，采用显微硬度计和万能材料实验机测试涂层的显微硬度和粘结强度，采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱仪分析涂层的显微结构、物相组成和磨痕的微观形貌。结果Cr3C2/NiCr-CaF2和Cr3C2/NiCr-Ag-MoO3-CaF2金属陶瓷涂层结构致密，显微硬度和结合强度均随着固体润滑剂含量的增加而有所下降，结合强度分别为46.45、36.65 MPa，显微硬度分别为524.61HV0.3、478.29HV0.3。涂层的摩擦系数和磨损率均随着温度的升高而降低，800 ℃时Cr3C2/NiCr-CaF2和Cr3C2/NiCr-Ag-MoO3-CaF2涂层的摩擦系数和磨损率最低，最低摩擦系数分别为0.30和0.19，最低磨损率分别为3.84×10-5、2.89×10-5 mm3/(N?m)。 结论 CaF2可以改善600 ℃以上的摩擦学性能，Ag、CaF2、MoO3在涂层磨损表面发生摩擦化学反应生成的钼酸银和钼酸钙，可以有效地改善Cr3C2/NiCr涂层在600 ℃以上的摩擦学性能。
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  碳基薄膜在航空轴承乏油问题中的应用研究

  孙东, 王海新, 蒲吉斌, 刘金玲, 曹娜娜, 郭武明

  表面技术. 2019, 48(8): 218-224. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.029

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  目的 研究乏油工况下GLC和DLC两种碳膜在航空轴承上的应用。方法通过磁控溅射技术在单晶硅片P(100)、轴承钢样块和轴承套圈表面分别制备了GLC和DLC两种薄膜。利用扫描电镜（SEM）、拉曼光谱对薄膜的截面和磨痕形貌及结构进行了分析。利用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机等对薄膜的力学性能和摩擦学性能进行了研究。利用轴承试验机对镀两种膜的轴承进行了对比研究。结果 GLC和DLC两种碳基薄膜均结构致密，GLC薄膜含有更多的sp2，DLC薄膜含有更多的sp3；两种薄膜硬度分别达到18.2 GPa和22.2 GPa，弹性模量分别达到230.2 GPa和260.8 GPa，干摩擦条件下，薄膜摩擦系数分别低至0.11和0.21。镀膜轴承在运转0~10 h时，温升无明显差异；10~30 h过程中，镀GLC薄膜轴承温升约为40~45 ℃，而镀DLC薄膜轴承温升约为50~55 ℃。运转后，轴承滚子上出现转移膜，镀GLC薄膜的轴承磨损比镀DLC薄膜的轴承严重。结论 在乏油工况下，DLC薄膜具有更加优异的环境适应性。
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  等离子喷涂与超音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层组织与摩擦磨损性能研究

  赵子鹏, 司洪利, 李忠盛, 何庆兵, 易同斌, 宋凯强, 丛大龙

  表面技术. 2019, 48(8): 225-230. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.030

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  目的 研究等离子喷涂与超音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层的组织、力学性能和摩擦磨损性能。方法 采用等离子喷涂与超音速火焰喷涂工艺制备NiCr-Cr3C2涂层，并采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、万能试验机、显微硬度计和高速往复摩擦磨损试验机，系统地分析了两种工艺所得涂层的物相、组织、结合强度、硬度及摩擦磨损性能。结果 两种工艺制备的NiCr-Cr3C2涂层与基体界面结合效果良好。等离子喷涂NiCr-Cr3C2涂层为层片状组织，层间可见微裂纹，孔隙率较高；超音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层组织均匀，无明显微裂纹，可见少量微小孔隙。物相分析表明，等离子喷涂涂层由NiCr、Cr3C2和Cr7C3相组成，而超音速火焰喷涂涂层由NiCr和Cr3C2相组成。超音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层的耐磨性优于等离子喷涂涂层，等离子喷涂涂层和超音速火焰喷涂涂层的稳态摩擦系数分别为0.4和0.6。随载荷升高，两种工艺制备的NiCr-Cr3C2涂层摩擦系数均显著下降。磨损后，等离子喷涂NiCr-Cr3C2涂层表面具有明显的凹痕和剥落，而超音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层磨痕表面较光滑，未见明显剥落。两种工艺制备的涂层磨损机制均为磨粒磨损和疲劳磨损。结论 超音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层较等离子喷涂涂层组织更为致密，具有更为优良的综合力学性能和耐磨性，等离子喷涂制备的NiCr-Cr3C2涂层的减摩性较好。
表面失效及防护
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  外科医疗器械损伤及表面处理研究进展

  底月兰, 王海斗, 顾颖, 付宝静, 董丽虹

  表面技术. 2019, 48(8): 231-238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.031

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  概述了手术器械的分类、种类及特点。重点综述了传统表面改性技术（如低温离子渗氮、离子注入技术等）对材料表面性能的影响。同时，以典型的常规手术器械，如吸引器头、止血钳为对象，从使用环境、作用机理、失效形式等方面，讨论包括腐蚀失效、断裂失效和钳类器械棘齿磨损以致夹持力失稳等几个主要机理存在的问题及表面修复的必要性。在此基础上，分别对量大面广的普通外科手术器械及高精尖的精密医疗器械进行了可修复性与使用寿命延长的讨论，具体分析了两种器械的特点、修复过程中的科学问题及国内外目前的修复办法，从而说明用低成本方式修复普通手术器械和用高可靠性手段修复精密医疗器械的要求，以及所带来的经济效益，进一步提出开展医疗器械损伤及表面处理研究的意义及重要性。
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  我国钢材生物腐蚀研究现状与展望

  邓绍云, 邱清华

  表面技术. 2019, 48(8): 239-246. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.032

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  钢材生物腐蚀是钢材腐蚀形式的一种，是当今最为关注和热门的研究话题。采用文献综述的研究方法，对生物腐蚀及生物对钢材腐蚀及其防护的概念和内涵进行了准确地界定，回顾了我国钢材生物腐蚀的研究历程。对钢材生物腐蚀及其预防的研究文献进行了分类和归纳总结，概述了我国钢材生物腐蚀的机理研究。梳理了我国钢材生物腐蚀及其预防的方法：现场观察描述法、陈述研究法、评述研究法、实验研究法、实证分析研究法、文献综述法、原因分析研究法、预测研究法和对比研究法。综述了我国对钢材生物腐蚀的几个主要研究内容：钢材生物腐蚀的分类、钢材生物腐蚀原因、钢材生物腐蚀机理、钢材生物腐蚀行为和钢材生物腐蚀防护等。对照国外研究现状，客观评价我国研究与国外相比存在的优点和不足，指出了研究的切入点主要在于两个方面：一是没有深入探究多种腐蚀因子的耦合作用机制；二是生态环保且长效的防护技术有待于进一步研究。最后，展望了我国钢材生物腐蚀及其预防的研究方向。
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  硼掺杂DLC薄膜在海水环境中的腐蚀磨损性能

  刘健, 曹磊, 万勇, 尚伦霖, 蒲吉斌

  表面技术. 2019, 48(8): 247-256. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.033

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  目的 研究硼（B）掺杂对类金刚石（DLC）薄膜在人工海水介质中耐腐蚀性能和摩擦磨损性能的影响。方法 利用非平衡磁控溅射的方法，通过控制碳化硼靶材和石墨靶材电流，在304不锈钢基底表面沉积了一种无掺杂DLC薄膜和两种不同B含量的DLC薄膜（B的原子数分数分别为7.23%、13.27%）。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、纳米压痕仪、划痕仪、摩擦实验机对薄膜的化学成分、显微结构、纳米硬度、结合力及摩擦性能进行研究。通过测试薄膜在人工海水介质中的静态极化曲线和交流阻抗谱以及监测薄膜在摩擦前后和摩擦过程中的开路电位变化，来研究薄膜在人工海水中的摩擦学和耐腐蚀性能。结果 与未掺杂的DLC薄膜相比，掺杂B原子数分数为7.23%的DLC薄膜的硬度和弹性模量变化不明显，但ID/IG增大，与基底的结合力增大到36 N（无掺杂DLC薄膜为20 N），自腐蚀电位升高，自腐蚀电流密度减小，极化电阻增大，并且在人工海水介质中的摩擦系数降低了10.7%，磨损量降低了37.0%，开路电位大幅升高。掺杂B原子数分数为13.27%的DLC薄膜的摩擦学及耐蚀性能则大幅度下降。结论 在DLC薄膜中掺杂适量的B有助于提高DLC薄膜在人工海水介质中的耐腐蚀性能和磨蚀性能。
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  W/ODS铁素体钢功能梯度材料热应力分析

  王浩楠, 李争显, 华云峰, 姬寿长, 王彦峰

  表面技术. 2019, 48(8): 257-262. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.034

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  目的 研究W/ODS铁素体钢功能梯度材料（W/ODS FGM）服役条件下的热应力，期望获得较合理的W/ODS FGM材料设计，以达到热应力优化的效果。方法 采用有限元分析方法，结合偏滤器的服役条件，通过改变W/ODS FGM材料梯度层成分分布指数p、梯度层厚度HFGM以及金属W涂层厚度HW，探索各参量的变化对热应力大小及分布的影响。结果 梯度层成分分布指数p值增大，梯度层的应力值会随之增大，而W层的热应力先减小后增大。当p=0.5时，最大热应力出现在梯度层的中段；当p=1、2时，最大应力由FGM层中段转移至FGM/W层的交界处。梯度层厚度HFGM增大，涂层的热应力会大幅提高。梯度层厚度较厚或较薄都会导致热应力在FGM/W交界处集中。W涂层厚度HW增大，会导致W/FGM界面的热应力增大，增添了涂层自身的不稳定性。结论 梯度层成分分布指数和厚度的增大均会引起涂层热应力的增大，并导致最大热应力区的转移。W涂层的增厚会使结构的热应力增大，且最大应力值位于W/FGM界面，不利于涂层寿命的提高。HW=HODS=1 mm、HFGM=8 mm、p=0.5和HW=HODS=1 mm、HFGM=4 mm、p=1的最大热应力区位于梯度层中段，且后者的最大应力值小于前者，故HW=HODS=1 mm、HFGM=4 mm、p=1的结构较优。
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  NiCoCrAlY粘结层喷涂工艺对8YSZ热障涂层抗氧化性能的影响

  李文生, 王裕熙

  表面技术. 2019, 48(8): 263-271. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.035

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  目的 提高热障涂层粘结层的抗高温氧化性能。方法 分别采用爆炸喷涂和等离子喷涂工艺制备了不同结构的NiCoCrAlY粘结层，之后通过等离子喷涂制备8YSZ陶瓷层，分析了两种粘结层结构的热障涂层的抗高温氧化性能。利用XRD、SEM和EDS对涂层物相、微观结构和成分进行分析，并对其与基体结合状态、抗高温氧化性能进行研究。结果 爆炸喷涂粘结层内部组织致密，缺陷较少，与基体结合处孔隙少；而等离子喷涂粘结层内部的层状特征明显，孔隙较多，表面粗糙度较低。爆炸喷涂粘结层氧化5 h后，表面生成了一层富Al2O3的致密氧化物膜；而等离子喷涂粘结层表面形成了富NiO、CoO、Cr2O3和Ni(Cr,Al)2O4的氧化物层，并出现了许多微裂纹和片层状氧化物。爆炸喷涂制备的热障涂层试样在前5 h氧化增重速率高于等离子喷涂试样，随后变平缓，而等离子喷涂试样氧化速率依然较高。爆炸喷涂热障涂层的热生长氧化物层（Thermally grown oxide, TGO）经50 h氧化后，仍呈连续状，厚度均匀，粘结层内氧化物缺陷较少。结论 爆炸喷涂粘结层组织均匀、致密，喷涂时涂层的氧化以及热处理的内氧化较少，使得足够的Al较快速地在粘结层表面形成致密的氧化铝，表面一定厚度的氧化铝层抑制了氧和其他金属原子的相向扩散反应，提高了涂层的抗高温氧化性能。
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  交流干扰下不同组织X100钢在格尔木土壤模拟溶液中的腐蚀行为

  马俊, 朱敏, 袁永锋, 郭绍义, 尹思敏, 张强

  表面技术. 2019, 48(8): 272-279. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.036

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  目的 使用不同组织X100钢模拟焊接接头，探究在格尔木土壤模拟环境下，交流干扰对X100管线钢焊接接头腐蚀行为的影响规律。方法 采用动电位极化曲线、恒电位极化曲线、浸泡实验及表面分析技术，对X100管线钢焊接接头的腐蚀行为进行系统研究。结果 动电位极化曲线表明，随着交流电流密度的增加，不同组织X100钢腐蚀电流密度呈增加的趋势，阴极由耗氧反应控制转变为由析氢反应主导。在交流干扰下，腐蚀速率V退火>V热轧>V正火，恒电位极化测试中，退火组织受到交流干扰的影响更为明显。不同组织X100钢腐蚀形态以局部腐蚀为主，且有不同程度的点蚀发生。退火组织的腐蚀坑数量多，尺寸大而深，点蚀多分布在珠光体与铁素体的晶界处，少数分布在珠光体内部；正火组织点蚀数量最少，尺寸最小；热轧组织中粒状贝氏体较多且呈弥散分布，有较多的小点蚀分布在粒状贝氏体聚集的区域。结论 不同组织X100管线钢因微观结构不同而导致其耐蚀性有所差异。交流干扰下，由于珠光体与铁素体组织形成的微电偶腐蚀较为严重，从而导致退火组织的耐腐蚀性最差；正火组织中M/A岛呈针状分布，粒状贝氏体相对较少，耐腐蚀性最好；热轧组织的耐蚀性居于退火组织与正火组织两者之间。
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  LSPwC对时效后GH3044合金疲劳性能的影响

  汪诚, 戴鹏里, 姚东野, 谢孟芸, 张佩宇, 柴艳

  表面技术. 2019, 48(8): 280-285. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.037

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  目的 修复发生时效退化现象的GH3044合金，从而提高其使用寿命。方法 采用无保护层激光冲击强化（LSPwC）工艺处理GH3044合金时效试样，分析了该工艺处理前后试样表面的物相变化情况，研究了时效以及激光强化工艺对合金表层微观组织的影响，对比了激光强化前后合金试样高温应力松弛和疲劳寿命变化情况。结果 合金试样经过1200 ℃固溶处理后，其表面相为单相γ奥氏体以及WC，处理前后试样表面主要相组成不变，均为奥氏体和Cr23C6。经过时效处理100 h后，GH3044合金沿晶析出大量尺寸较大的碳化物，表面残余应力值约为-28.5 MPa，疲劳寿命约为1.013×106。通过LSPwC处理后，碳化物链式分布被打破，分布更加均匀弥散，表面残余应力值约为-479.3 MPa，其疲劳寿命提高至3.448×106，为时效试样的2.4倍；经过800 ℃保温120 min处理，试样表面残余应力为-324.2 MPa，下降约32%，说明该强化工艺处理后的试样具有较好的热稳定性。结论 LSPwC能够有效提高时效退化GH3044合金的疲劳性能。
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  牺牲阳极和外加电流联合保护法在长输管道中的应用研究

  施云芬, 孙树森, 张世龙, 魏嘉馨, 王伦, 谭雨清

  表面技术. 2019, 48(8): 286-295. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.038

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  目的 针对传统阴极保护在长输管道方面存在的不足，研发出新型牺牲阳极和外加电流联合阴极保护埋地管道的装置及方法。方法 通过牺牲阳极和外加电流单独的优化实验，找到最佳的牺牲阳极材料及规格和外加电流的电压，制备优良的准固态电解质，给装置提供稳定的运行环境，搭建出联合保护装置，将其应用在埋地管道中，实现有效的保护。结果 牺牲阳极实验部分，通过对管道保护效果的对比，选择出最佳条件为5 cm×5 cm的镁材料，其管道的腐蚀速率为2.936×10–3 mg/(min?cm3)，阳极的消耗速率为0.135× 10–3 mg/(min?cm3)，所产生的电流最大可达0.113 A，稳定时电流趋于0.07 A。外加电流实验部分，通过对管道保护效果的对比，选择出最佳条件为1 V的电源电压，其管道的腐蚀速率为2.150×10–3 mg/(min?cm3)，并且其电能的消耗最少。准固态电解质实验部分，通过对溶剂、溶质、凝胶剂和金属电解质的优化，制备出电导率稳定在5.83 mS/cm左右、挥发度小于0.2%、显碱性的准固态电解质。在最佳条件下搭建出联合保护装置，通过与单独的传统阴极保护法对比，镁阳极消耗量为1.875 g，阳极消耗速率为0.123× 10–3 mg/(min?cm3)，消耗速率下降了10%，管道的腐蚀速率为0.82×10–3 mg/(min?cm3)，下降了62%左右，并且可以有效地减少防护过程中的电能消耗。结论 牺牲阳极和外加电流联合保护法在埋地管线中可以达到有效的保护，相比牺牲阳极和外加电流单独实验的保护指标，有明显的提升。
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  预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响研究

  庞铭, 谭雯丹

  表面技术. 2019, 48(8): 296-301. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.039

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  目的 为了突破激光熔凝蠕墨铸铁RuT300气门座裂纹抑制技术的瓶颈，研究了预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响，从而为工程上抑制裂纹的参数优选提供支撑。方法 基于热弹塑性理论，建立了激光熔凝RuT300气门座残余应力场分析的数学物理模型，模型中考虑了预热温度、激光熔凝参数、材料性能参数的变化对残余应力的影响。结果 预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响与熔池冷却速度、峰值温度等密切相关：当预热温度在25~150 ℃时，随着预热温度的升高，冷却速度下降对激光熔凝RuT300气门座热膨胀变形引起的应力降低起主要作用，导致气门座环向残余应力值随预热温度的升高而减小；当预热温度在150~250 ℃时，随着预热温度的升高，峰值温度上升诱发的热膨胀变形加剧所引起的应力增加起主要作用，导致气门座环向残余应力值随预热温度的升高而增大。结论 预热温度的变化影响气门座的冷却速度和峰值温度，而残余应力值的变化是气门座冷却速度和峰值温度等综合影响的结果，通过合理的调控预热温度，可以使激光熔凝RuT300气门座的残余应力值降低到最低，从而减小气门座激光熔凝形成裂纹的倾向。
膜层材料与技术
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  高功率调制脉冲磁控溅射沉积NbN涂层特征工艺参数研究

  李玉阁, 袁海, 蒋智韬, 雷明凯

  表面技术. 2019, 48(8): 302-308. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.040

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  目的 研究不施加基片温度和固定Ar/N2流量比为64/16的条件下，微脉冲占空比、充电电压特征工艺参数与负偏压对NbN涂层相组成、微结构和力学性能的影响。方法 采用高功率调制脉冲磁控溅射技术（MPPMS），通过控制微脉冲占空比、充电电压和负偏压等特征工艺参数，沉积一系列具有不同相组成的NbN涂层，通过X射线衍射仪、纳米压痕仪和维氏硬度计，分别表征NbN涂层的相组成、结构、硬度和韧性，并通过扫描电子显微镜（SEM）对NbN生长形貌和压痕形貌进行观察分析。结果 改变微脉冲占空比和充电电压，所有NbN涂层均由δ-NbN和δ‘-NbN组成，施加基片偏压后，NbN涂层主要由δ‘-NbN组成。所有的NbN涂层均呈现致密柱状晶结构，且提高微脉冲占空比、充电电压和负偏压，制备的NbN涂层均更加致密。随微脉冲占空比升高，涂层硬度由25 GPa增至36 GPa，涂层的韧性逐渐增加。提高充电电压制备的NbN涂层，其表现出与控制微脉冲占空比制备的涂层相似的规律。施加负偏压后，涂层主要由δ‘-NbN组成，涂层的硬度和韧性均下降。结论 两相结构和高致密性是使NbN涂层硬度和韧性同时增强的主要因素。
表面质量控制及检测
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  侧面逐层抛光腐蚀法研究亚表面损伤

  李军, 王健杰, 郭太煜, 朱永伟, 左敦稳

  表面技术. 2019, 48(8): 309-315. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.041

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  目的 直接测量加工后工件的亚表面损伤，观察亚表面裂纹整体形貌与扩展情况，探究不同载荷下工件的亚表面损伤形貌及损伤深度，指导加工工艺设计，减小加工后工件的亚表面损伤。方法 通过静态压痕实验在石英玻璃表面产生压痕，采用侧面逐层抛光腐蚀法研究压痕载荷对工件亚表面裂纹的影响及裂纹在工件亚表面的扩展情况，通过回归分析法研究压痕载荷与亚表面裂纹深度之间的关系。结果 载荷小于0.098 N时，工件上压痕为规则菱形，工件表面发生塑性变形，亚表面不产生裂纹；载荷大于0.245 N时，工件表面出现白色发亮的隆起，亚表面开始产生裂纹，且随载荷的增加，裂纹深度逐渐增大，裂纹形貌从“八”字型径向裂纹为主逐渐变成中位裂纹和多条径向裂纹并存的“爪”状形貌。结论 压痕载荷与亚表面裂纹深度呈幂函数相关，当压痕载荷较小时，工件存在一定的塑性加工域；当载荷大于一定值时，工件亚表面开始产生裂纹，载荷越大，压痕表面越易产生隆起、崩碎、剥落等现象，同时产生的亚表面裂纹深度也越深。
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  熔石英表面激光平滑中扫描速度对粗糙度的影响规律

  刘朋朋, 刘卫国, 李亚国, 周顺

  表面技术. 2019, 48(8): 316-322. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.042

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  目的 研究激光平滑光学元件的工艺，探索使用CW（连续）CO2激光器对熔石英光学元件表面进行平滑处理时，当激光束功率、束斑尺寸一定的情况下，不同的扫描速度对平滑后熔石英元件表面粗糙度的影响规律。方法 用仿真结合实验的方式进行了研究。使用有限元仿真模型对激光功率为25 W，作用斑点为短轴2 mm、长轴3 mm的椭圆斑的激光加工模型进行了仿真，得到了不同扫描速度下激光束作用于熔石英表面的温度场及对应的稳定温度。通过定点照射实验验证了温度仿真结果的准确性，并进行了扫描速度为0.04、0.1、0.2、0.35、0.5 mm/s的单因素实验，使用原子力显微镜检测平滑实验前后的熔石英表面粗糙度，得到了粗糙度与激光扫描速度之间的关系。结果 激光功率为25 W时，5种扫描速度对应的稳定温度都分布在熔石英材料的熔点以上。5种扫描速度下平滑后的熔石英表面粗糙度都明显降低，在扫描速度为0.1 mm/s的情况下，取得了将熔石英表面粗糙度由初始的62.55 nm降低至6.17 nm的平滑效果。结论 激光平滑过程中，当激光功率、激光斑尺寸一定时，存在一个最佳的扫描速度，可以使加工表面的粗糙度降低至光学表面的要求。
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  变截面涡旋盘齿面粗糙度的双预测模型

  刘涛, 张文超, 张文帅

  表面技术. 2019, 48(8): 323-329. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.043

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  目的 精确预测三段基圆变截面涡旋盘齿面粗糙度，确定合理的铣削参数，提高变截面涡旋盘齿面的加工质量。方法 首先在正交试验的铣削参数条件下，用XK714数控铣床对毛坯件进行铣削加工，获得三段基圆变截面涡旋盘，用SJ-210表面粗糙度测量仪测量已加工涡旋齿侧面的粗糙度值。然后利用铣削参数和测量的粗糙度值，建立齿面粗糙度的多元回归预测模型和改进的BP神经网络预测模型及双预测模型，并验证该三种模型的精确度。最后对单一因素条件下的粗糙度进行预测、分析。结果 经过计算可得，齿面粗糙度的多元回归预测模型的平均误差为1.43%，最大误差为3.09%。改进的BP神经网络预测模型的平均误差为1.33%，最大误差为3.22%。两种模型的预测平均值作为双预测模型时，预测平均误差为0.627%，最大误差为1.51%。结论 齿面粗糙度的双预测模型的平均误差明显降低，同时可以避免单一预测模型产生主观预测误差。各铣削因素对粗糙度的影响程度不同，进给量fz>吃刀深度ap>刀具转速n>侧吃刀量ae。随着进给量、吃刀深度、侧吃刀量的增加，齿面粗糙度值增加；随着刀具转速升高，齿面粗糙度值降低。
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  基于神经网络的磁瓦表面缺陷检测识别

  刘畅, 张剑, 林建平

  表面技术. 2019, 48(8): 330-339. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.08.044

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  目的 针对传统算法提取磁瓦表面缺陷的局限性，以及通过人为选择缺陷特征进而判断缺陷种类的方法精度不足等问题，结合改进的UNet模型和一个分类神经网络提出一种磁瓦缺陷检测识别算法。方法 改进的UNet模型用于提取缺陷，而分类神经网络则用于对所提取的缺陷区域进行分类识别。为了提高模型的分类精度，使用空洞卷积对UNet模型部分卷积层和池化层进行替代，以减少多次池化带来的细节丢失的问题，同时，增加多次跳跃连接，使UNet模型能够融合更多的卷积特征。结果 经实验验证表明，改进UNet模型对缺陷区域的预测精度可达到93%。根据预测结果使用分类神经网络对缺陷进行分类，经实验验证，分类的精度可达94%，满足工业要求。结论 改进的UNet模型对磁瓦缺陷提取精度有所提高，分类神经网络的缺陷分类精度较高。结合改进的UNet模型和分类神经网络能同时并有效地实现缺陷提取和分类识别，为磁瓦质量检测和性能评估打下基础。