2019年, 第48卷, 第9期　
刊出日期：2019-09-20

  

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2019 特邀综述
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  表面强化后梯度结构与残余应力对疲劳寿命的影响

  李国禄, 李少凡, 董丽虹, 王海斗, 靖建农

  表面技术. 2019, 48(9): 1-10. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.001

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  表面强化技术使零件表层结构呈梯度分布并产生较高的残余压应力，可有效提高零件的使用寿命。近年来，表层梯度结构与残余应力对零件疲劳寿命的影响机理成为研究热点。综述了梯度结构与残余应力及其松弛对材料疲劳性能影响的新进展。材料经表面强化后，其表层晶粒明显细化，尺寸沿深度方向呈梯度分布，促使裂纹源转移至硬化层内部。残余应力与外力叠加，降低了零件的实际受力，从而影响零件的疲劳寿命，然而目前尚不能从机理层面对其进行揭示。对于残余应力松弛，目前的主要问题在于松弛模型的建立尚未完善。此外，在裂纹萌生阶段，梯度结构与残余应力均对零件疲劳强度有重要的影响，二者中哪个因素在疲劳过程中起到主导作用还未可知。
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  可生物降解镁及镁合金表面改性研究进展

  胡怡娟, 毕衍泽, 何东磊, 于宏燕, 李岩

  表面技术. 2019, 48(9): 11-19. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.002

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  生物医用镁及镁合金可降解吸收，具有良好的生物相容性，弹性模量与人体骨接近，是理想的人体植入物材料。在体液环境中，医用镁合金腐蚀速率较快，常常导致植入物过早失效。对镁合金表面进行适当改性，可调控合金降解速率、提高生物相容性。最常见的表面改性方法是在镁合金表面生成保护性涂层，这些涂层主要包括可降解高分子涂层和一些无机涂层。综述了近几年可生物降解镁及镁合金的表面改性涂层及改性技术的最新研究动态，探讨了镁及镁合金表面制备无机涂层和可降解高分子涂层的一些改性方法；简要介绍了阳极氧化、微弧氧化、离子注入、溶胶-凝胶、等离子喷涂及化学沉积等表面改性方法的原理，并比较其优缺点；提出了可生物降解镁及镁合金表面改性涂层研究中面临的问题，并展望了未来发展方向。
专题——高能冲击磁控溅射技术及工程应用
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  高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）等离子体放电时空特性研究进展

  韩明月, 李刘合, 李花, 艾猛, 罗阳

  表面技术. 2019, 48(9): 20-52. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.003

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  高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）放电凭借着高离化率优势，已经成为物理气相沉积（PVD）领域的核心技术。鉴于HiPIMS放电具有复杂的物理场配置和兆瓦级的峰值功率，其产生的不均匀等离子体严重影响着薄膜的性能。从HiPIMS放电等离子体的时间和空间特性角度出发，结合放电靶电流、等离子体阻抗、离子饱和电流的特性，以及各种粒子在不同时刻和空间位点对应的相互作用和运动轨迹，综述了近年来国际上关于HiPIMS脉冲放电过程中等离子体参数的时空演变特性以及脉冲等离子体动力学行为，主要包含了等离子体物理量的时间演变规律，复杂物理场的空间分布行为，粒子密度、能量的扩散传输机制，靶材粒子离化程度的表征方法等，并全面地叙述了气体原子稀释效应、气体循环、双极扩散、等离子体波、旋转的spoke等不稳定传输特性。此外，依据等离子体时空特性，总结出HiPIMS放电沉积速率低的内因，介绍了提高沉积速率的方法和机理。最后，指出了目前关于HiPIMS时空特性研究方面存在的问题和发展方向。
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  高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜研究进展

  左潇, 孙丽丽, 汪爱英, 柯培玲

  表面技术. 2019, 48(9): 53-63. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.004

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  非晶碳薄膜主要由sp3碳原子和sp2碳原子相互混杂的三维网络构成，具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀以及化学稳定性等优异性能。然而传统制备方法难以实现薄膜结构及其性能的综合调控，高功率脉冲磁控溅射因其离子沉积特性受到领域内专家学者的关注。总结了近年来关于高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜材料的研究进展。重点介绍了高功率脉冲磁控溅射石墨靶的放电特性，指出了其在沉积非晶碳薄膜过程中获得高碳原子离化率的条件。针对离化率和沉积速率低，主要从提高碳原子离化率和碳离子传输效率等角度，介绍了几种改进的高功率脉冲磁控溅射方法。并对比了不同高功率脉冲磁控溅射方法中的碳原子离化特征、薄膜沉积速率、结构和力学性能。进一步地，探讨了高功率脉冲磁控溅射在制备含氢非晶碳薄膜和金属掺杂非晶碳薄膜中的优势及其在燃料电池、生物、传感等前沿领域的应用。最后，对高功率脉冲磁控溅射石墨靶的离子沉积特性、非晶碳薄膜制备及其应用研究趋势进行了展望。
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  直流和高功率磁控溅射制备氮化铬薄膜及其结构性能比较

  李倩, 李花, 王正铎, 张海宝, 杨丽珍, 刘忠伟, 陈强

  表面技术. 2019, 48(9): 64-69. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.005

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  目的 比较直流磁控溅射（DCMS）和高功率磁控溅射（HiPIMS）两种沉积技术制备的氮化铬（CrN）薄膜的结构和性能。方法 采用DCMS和HiPIMS沉积技术，在金属镍（Ni）基底上沉积CrN薄膜，采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和显微硬度计等仪器，分析CrN薄膜的晶相结构、表面以及截面形貌、基底与薄膜复合硬度、摩擦性能等。结果 XRD晶体测量显示DCMS制备的CrN薄膜在(111)晶面择优生长，内应力大；而HiPIMS制备的CrN薄膜为(200)晶面择优生长，内应力小。SEM显示两种方法制备的CrN薄膜都呈柱状晶体结构生长，但HiPIMS沉积的CrN薄膜颗粒尺寸较小，柱状晶体结构和晶粒更致密。硬度测量得到HiPIMS制备的CrN薄膜显微硬度为855.9HV，而DCMS制备的CrN薄膜显微硬度为501.5HV。此外，DCMS制备的CrN薄膜平均摩擦系数为0.640，而HiPIMS制备的CrN薄膜摩擦系数为0.545，耐磨性也好。HiPIMS制备的CrN薄膜的腐蚀电流比DCMS制备的CrN薄膜低1个数量级。结论 HiPIMS沉积技术制备的CrN薄膜颗粒尺寸小，结构更致密，且缺陷少、硬度高、防腐蚀性好，薄膜各项指标都优于DCMS沉积的CrN薄膜。
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  直流磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射TiSiN涂层的结构与性能比较

  李林儒, 王振玉, 左潇, 刘林林, 黄美东, 柯培玲, 汪爱英

  表面技术. 2019, 48(9): 70-77. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.006

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  目的 对比研究HiPIMS和DCMS技术对涂层组织、结构与性能的影响，为不同磁控溅射技术制备硬质涂层提供理论依据与实验指导。方法 在相同功率密度下，通过HiPIMS和DCMS技术分别制备 TiSiN 涂层。通过X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描探针显微镜（SPM）表征涂层的结构和形貌，并通过纳米压痕仪、划痕仪、UMT-3摩擦磨损试验机、电化学工作站表征涂层的力学、摩擦学和耐腐蚀性能。结果 与DCMS制备的TiSiN涂层相比，HiPIMS技术所制备的涂层表面更加光滑，结构更为致密，硬度提高了10%，且应力降低了35%，呈低应力高硬度特征，涂层的韧性和结合力也明显提高，膜基结合力由DCMS涂层的40 N提高至50 N。同时，涂层的耐磨和耐腐蚀性能得到提升，摩擦系数降低了18%，腐蚀电流密降低了将近1个数量级。结论 与DCMS 相比，HiPIMS技术在制备TiSiN纳米复合涂层上具有显著优势，有效提高了涂层的综合使役性能。
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  三靶共溅射纳米复合Cr-Al-Si-N涂层的制备及摩擦学性能研究

  王铁钢, 蒙德强, 李柏松, 赵彦辉, 刘艳梅, 姜肃猛

  表面技术. 2019, 48(9): 78-86. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.007

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  目的 利用高功率脉冲磁控溅射技术离化率高、溅射离子能量高等优点，在Cr-Al-N涂层中添加Si元素研制a-Si3N4包裹nc-(Cr,Al)N的纳米复合涂层，通过改变反应沉积时的N2/Ar比来调控涂层成分与结构，实现纳米复合Cr-Al-Si-N涂层性能优化。方法 采用高功率脉冲与脉冲直流复合磁控溅射技术制备Cr-Al-Si-N涂层。利用扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪、应力仪、纳米压痕仪、划痕测试仪和摩擦试验机，研究N2/Ar比对涂层成分、结构、力学性能以及摩擦学行为的影响。结果 涂层主要由面心立方结构的CrN与AlN相组成，且沿(200)晶面择优生长。当N2/Ar流量比为3∶1时，涂层与基体结合最好，临界载荷约为36.5 N；摩擦系数和内应力较低，分别为0.5和-0.48 GPa。当N2/Ar流量比为4∶1时，H/E值和H3/E*2值升至最高，分别为0.11和0.24 GPa，磨损率最低，约为1.9×10-4 μm3/(N?μm)。结论 当N2/Ar流量比为4∶1时，三靶共溅射制备的Cr-Al-Si-N涂层硬度较高，耐磨性能最好。
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  304不锈钢管内壁沉积耐磨防腐DLC涂层

  魏徐兵, 张明蓝, 王焱, 鲁志斌, 张广安, 林博

  表面技术. 2019, 48(9): 87-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.008

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  目的 将HiPIMS电源应用于PECVD技术，在304不锈钢管内壁沉积DLC涂层，以提高其机械、耐蚀及摩擦学性能。方法 将HiPIMS电源应用于PECVD技术，并利用空心阴极放电效应在管道内产生高密度等离子体，沉积DLC涂层。通过拉曼光谱、扫描电子显微镜和EDS对DLC涂层的结构和成分进行表征，并通过纳米压痕测试、划痕试验、静态极化曲线和摩擦磨损试验，分别评价304不锈钢管基底和DLC涂层的硬度、膜基结合力、耐腐蚀性能、摩擦学性能和耐磨性。结果 HiPIMS电源应用于PECVD技术可在304不锈钢管内壁沉积DLC涂层。DLC涂层的厚度可达5.60~10.26 μm，硬度可达10~15 GPa，与304管内壁的结合力（Lc2）均大于7 N。DLC涂层的腐蚀电流密度较304不锈钢管基底降低了一个数量级，腐蚀电位也发生了正移。DLC涂层具有良好的润滑效果，摩擦系数低至0.06~0.18，磨损率低至2.5×10-7~8.1× 10-7 mm3/(N?m)，远低于304不锈钢管基底的磨损率（80×10-7 mm3/(N?m)）。结论 将HiPIMS电源应用于PECVD技术在304不锈钢内壁沉积的DLC涂层具有较高的硬度，与304不锈钢管内壁具有较高的结合力，同时具有优异的耐腐蚀性能和耐磨性以及良好的润滑作用。HiPIMS电源应用于PECVD技术有望应用更长管道内壁DLC涂层的制备。
表面强化及功能化
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  不锈钢基板表面粗糙度对水膜吸附夹持的影响

  黄晟, 陈芝向, 袁巨龙, 杭伟, 赵萍, Duc-Nam Nguyen

  表面技术. 2019, 48(9): 97-103. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.009

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  目的 从水膜吸附的功能研究出发，对不锈钢基板表面进行不同粗糙度处理，并测量不同基板对蓝宝石晶片的吸附力以及切向摩擦力的影响，从而得出粗糙度对水膜吸附效果的影响规律。方法 通过砂纸打磨、研磨、抛光等方法，得到不同平均粗糙度（Sa=633.4、332.6、116.2、64.5、41.4 nm）的不锈钢基板。利用接触角计对液滴在基板表面形成的静态接触角进行拍摄，得出不同粗糙度不锈钢表面的润湿性能。开发设计高精度的多维力测量平台，测量蓝宝石晶片在不同粗糙度不锈钢基板上润湿后的吸附力和切向摩擦力，并与未润湿的基板得到的测量结果进行对比研究，得出粗糙度对吸附力和摩擦系数的影响规律。结果 5种粗糙度的不锈钢基板的静态接触角均小于90°，属于亲水性材料。水膜吸附条件下，吸附力大小随粗糙度的增加而减小；接触角大小随粗糙度的增加而增大，且吸附力的减小率和接触角的增大率趋势相似；摩擦系数随粗糙度的增大而增大。基板表面粗糙度较大时，水膜提供一定的粘滞力，使水膜吸附条件下比无水膜时的切向摩擦力更大；当粗糙度较小时，水膜更多的是润滑作用，此时比无水膜时的切向摩擦力要小得多。结论 基板表面粗糙度较小时，基板能提供较大的吸附力，而摩擦力不如无水膜时的大；基板粗糙度较大时，吸附力相对较弱，但是摩擦力比无水膜的更大。在选择不锈钢基板作为水膜吸附夹持基板时，在保证足够吸附力的条件下，可以适当提高基板的表面粗糙度，抵抗晶片抛光过程中受到抛光垫的摩擦力。
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  微纳结构对硅基超疏水表面冷凝特性的影响

  董健, 董鹤, 龙芝剑, 郭有海, 叶森斌

  表面技术. 2019, 48(9): 104-112. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.010

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  目的 研究微米结构中心距对微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率的影响。方法 首先采用湿法腐蚀在硅表面构建中心距分别为22、24、26、28、30 μm的微米四棱台结构，然后采用溶胶-凝胶法在表面涂覆疏水的纳米二氧化硅颗粒，获得微纳二级结构超疏水表面。通过表面接触角测量仪分析表面的湿润性，通过扫描电镜观察表面的微观形貌特征，使用光学显微镜观察冷凝小液滴自迁移现象，使用电子天平称量表面的冷凝集水质量。结果 当纳米结构相同时，随着微米结构中心距的增加，液滴静态接触角减小，冷凝小液滴的自迁移频率变慢，相同时间段内，平均集水效率下降。当相对湿度大于90%时，会出现表面“淹没”现象。微纳二级结构超疏水硅表面（微米结构间距22 μm）的集水效率是单独微米结构硅表面的1.38倍、单独纳米结构疏水表面的1.27倍、疏水硅光片表面的1.75倍、光二氧化硅亲水表面的3.6倍。结论 当纳米结构相同时，在一定范围内适当减小微米结构的中心距，有助于增强微纳二级结构超疏水硅表面热交换效率。
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  热丝增强等离子体辅助渗氮中氮在不锈钢中的扩散与析出机制

  滕越, 周艳文, 郭媛媛, 张鑫, 张泽, 陶思友, 陈军, 梁英爽

  表面技术. 2019, 48(9): 113-120. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.011

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  目的 研究不同放电电流密度下，渗氮层组织及摩擦学性能随时间的演变规律，以及氮在不锈钢中的扩散与析出机制。方法 采用热丝增强等离子体辅助渗氮方法，对奥氏体不锈钢表面进行改性。采用XRD及XPS研究渗氮层相组成及结构；采用SEM观察渗氮层的横截面形貌，并利用能谱分析氮含量及其随深度的分布情况；分别使用纳米压痕仪、磨损仪及台阶仪研究渗氮层的摩擦学性能。结果 当电流密度为0.81 mA/cm2时，短时间（1~2 h）渗氮后，不锈钢表面形成单一过饱和固溶体相；渗氮时间增加到4 h后，转变为更稳定的Fe4N相，渗氮层厚度达14.2 μm，表面硬度达17.81 GPa。当电流密度增加到1.25 mA/cm2时，N与金属原子间结合能增加，渗氮1 h开始析出CrN和Fe4N相，4 h后表面硬度和模量分别达22.88 GPa和314.2 GPa，磨损量仅为基体的0.53%。结论 氮原子在奥氏体中的扩散系数随电流密度成正比增加。当渗氮时间（或热丝电流）增加，渗氮层厚度与维氏硬度明显增加，其增加趋势正比于时间的1/2次幂，结构由单一固溶体相γN转变为固溶体与少量氮化物析出相CrN和Fe4N，渗氮层的摩擦学性能明显提高。
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  不同丸粒对铝合金表面喷丸影响的仿真分析及实验

  陈家伟, 廖凯, 李立君, 高自成, 钟利萍

  表面技术. 2019, 48(9): 121-126. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.012

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  目的 研究不同材质丸料喷丸处理对铝合金材料表面粗糙度的影响情况。方法 首先利用ANSYS/ LS-DYNA有限元软件，建立多丸撞击铝合金靶材的有限元模型，并且根据Ra离散化计算式，统计有限元模型节点位移数据，计算仿真粗糙度值。然后改变模型材料参数，得到不同材质丸料对粗糙度的影响情况。再结合实验所得粗糙度值和硬度值，分析验证丸料材质对表面粗糙度和硬度值的影响规律。结果 实验值与模拟值对比表明，喷丸仿真模型的模拟结果与实验吻合较好。一方面，经陶瓷丸、钢丸、玻璃丸喷覆后，粗糙度模拟值和实验值偏差分别为4.8%、7.8%、4.1%，说明仿真模型具有较高的准确性。另一方面，实验所测不同材质丸料喷丸后，试样硬度值变化趋势与粗糙度变化趋势一致，间接说明模型具有可靠性。结论 三种不同丸粒喷丸效果比较表明，钢丸获得的硬度最高，玻璃丸获得的粗糙度最小，而陶瓷丸则同时获得了较好的硬度和粗糙度效果。
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  飞机钛合金接耳孔边激光冲击强化应力场优化与试验研究

  冯晓泰, 何卫锋, 周留成, 田乐, 田增, 陈海波

  表面技术. 2019, 48(9): 127-134. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.013

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  目的 钛合金关键承力接耳孔边疲劳断裂是影响飞机飞行安全的重难点问题，采用激光冲击强化技术对TC4钛合金小孔件进行强化，提高其疲劳寿命。方法 开展TC4钛合金小孔件单点有无填充、多点搭接激光冲击强化有限元数值模拟研究，确定最优强化工艺，并设计带双孔疲劳试样，进行疲劳试验验证。 结果 直径3 mm光斑单点激光冲击强化的有效范围仅为1.9 mm。孔内有填充，最内圈光斑圆心距孔边0.75 mm时，单光斑激光冲击强化孔边残余应力场分布均匀，且不会引入残余拉应力。双面依次强化会使先强化面残余压应力值略高于后强化面。46.5%径向搭接率下，孔边多点搭接激光冲击强化应力场均匀性优于36.5%和56.5%径向搭接率。强化后，试样的疲劳寿命得到提升，提升效果随最大加载力的减小而显著增大。断口分析表明，强化后，孔边裂纹源位置向深度方向移动，疲劳裂纹扩展区的疲劳条带间距明显减小。结论 最优强化工艺为：周向搭接率56.5%，径向搭接率46.5%，最内圈光斑圆心距孔边0.75 mm，孔填充双面同时强化。激光冲击强化在孔边表面引入600~800 MPa的残余压应力，模拟件疲劳寿命提升了6.98%~60.96%。
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  含氟电解液中钛基铱钽氧化物电极的稳定性

  蒋玉思, 肖方明, 王继民, 张建华

  表面技术. 2019, 48(9): 135-139. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.014

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  目的 分析钛基铱钽氧化物电极在含氟电解液中的应用前景。方法 采用热分解法制备出钛基铱钽氧化物电极，借助扫描电镜分析了氟元素对钛基铱钽氧化物电极表面形貌的影响。应用循环伏安、稳态极化和电化学阻抗等方法，研究了氟元素对铱钽氧化物电极在硫酸溶液中电催化性能的影响。结果 当溶液中的氟含量高于5 mg/L时，铱钽氧化物电极在2 A/cm2下强化电解72 h后，表面开始出现裂纹，且裂纹尺寸和数量随溶液中氟含量的增加而增加。强化电解72 h下，氟含量低于10 mg/L时，氟对钛基铱钽氧化物电极循环伏安特性的影响较小，但氟含量高于10 mg/L时，电极伏安面积可增大24%。强化电解过程中，氟元素可增加电极的电荷转移电阻，增大电极的析氧电位，降低电极的双电层电容。结论 电解液中的氟元素可加速钛基铱钽氧化物电极的失效。氟元素虽可提高电极表面的粗糙度，改善电催化性能，但活性成分氧化铱的溶解损失更大，导致电极的析氧电催化性能降低。钛基铱钽氧化物电极在氟含量低于5 mg/L的酸性电解液中具有应用前景。
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  能量输入对TC4钛合金超声喷丸力学影响的仿真研究

  蔡晋, 刘建邦

  表面技术. 2019, 48(9): 140-149. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.015

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  目的 探究超声喷丸强化中影响目标强化区域冲击力分布的主要因素，验证通过改变工艺参数控制零件目标区域强化的可行性。方法 构建TC4钛合金超声喷丸强化的有限元模型，分别建立了聚合型和圆柱型两种腔室模型，以研究超声喷丸中不同腔室能量分布对冲击力分布的影响。通过改变振动头的振幅大小控制超声喷丸中能量输入，以研究能量输入大小对冲击力分布的影响。结果 针对两种腔室模型分别进行了60、80、100 μm振幅下的超声喷丸仿真。随着能量输入的增大，零件表面的冲击力大小和分布面积均有所增大。针对圆柱型腔室，进行三种能量输入下的超声喷丸试验，得到喷丸覆盖率分别为10.23%、31.23%、56.98%，验证了超声喷丸能量输入对冲击力的影响规律。在相同输入能量下，聚合型腔室对试件中部目标区域的强化效果更明显。结论 通过改变超声喷丸腔室形状和振动头振幅，可以控制零件目标区域的强化范围和强度。
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  扫描速度对激光熔覆薄板高速钢变形与组织的影响

  陈翔, 张德强, 孙文强, 王一臣, 张吉庆

  表面技术. 2019, 48(9): 150-157. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.016

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  目的 探究激光熔覆薄板W6Mo5Cr4V2高速钢刀具材料过程中扫描速度对刀具基材热影响程度、基材热积累翘曲变形和微观组织、熔覆层物相组成的影响规律，找出适合于薄板高速钢刀具材料的扫描速度参数选择范围。方法 采用单一控制变量的实验，制备出一组单道熔覆样件，分析不同扫描速度对基材热影响形貌、基材翘曲变形、显微组织及硬度的影响特性。结果 热影响区随着扫描速度的提高而不断减小，沿着熔覆方向，其热量累积程度逐渐加大，热影响区面积沿着熔覆方向往两侧扩散。扫描速度为2 mm/s时，基材底面的变形量为0.077 mm，且变形从中心向边缘扩展，以熔覆道对应中心部位最为凸出；当扫描速度为3 mm/s以上时，变形量减少到0.03 mm以内；当扫描速度为4 mm/s时，熔覆层与基材左右结合边界的最大裂纹宽度降低为0.013 mm，且裂纹长度明显减少。不同的扫描速度只影响熔覆层的组织细化程度和最高硬度区间，对熔覆层强化机理和组织成分没有较大的影响。结论 在熔覆薄板高速钢刀具材料时，较快的扫描速度可以减少基材表面的热影响程度，较慢的扫描速度容易引起基材的“鞍型”翘曲变形。当选用3 mm/s以上的扫描速度时，基材的翘曲变形量可以有效的控制在0.03 mm以内，且提高扫描速度可以在一定程度上有效降低结合边界裂纹尺寸。
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  AerMet100钢喷丸强化前后表面完整性及疲劳性能分析

  钱昂, 金平, 谭晓明, 王德, 王鹏

  表面技术. 2019, 48(9): 158-166. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.017

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  目的 提高AerMet100钢的疲劳寿命，研究喷丸对其表面完整性和疲劳性能的影响。方法 通过表面完整性测试，分析喷丸对其表面形貌、粗糙度、晶粒度、硬度、残余应力和显微组织的影响。开展疲劳试验，观察疲劳断口形貌，分析喷丸对其疲劳性能的影响。结果 喷丸后，试样表面产生明显塑性变形，粗糙度有所增加，晶粒得到细化，硬度增大，形成约140 μm的残余压应力层；此外，形成了交错的马氏体板条，强化层内位错增多，产生细化的马氏体板条以及孪晶。疲劳试验中，未喷丸试样寿命均值为163 566周次，喷丸试样寿命均值为209 552周次，平均增幅达28.1%。喷丸试样断口分布有多个裂纹源，裂纹扩展路径曲折，在断口边缘形成了凹凸不平的台阶，消耗了更多的能量。试样强化层内的裂纹扩展区总体形貌较为无序和杂乱，疲劳条带较未喷丸试样更为细密，表明其裂纹扩展速度较慢。结论 喷丸后，AerMet100钢的疲劳抗力增加，疲劳寿命显著提高。
表面摩擦磨损与润滑
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  La2O3改性Ti/MoS2镍基复合涂层微观组织和摩擦学性能研究

  韩雪, 刘金娜, 崔秀芳, 卢熙群, 金国

  表面技术. 2019, 48(9): 167-176. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.018

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  目的 为提升Ni60A+Ti/MoS2复合涂层的力学性能和摩擦学性能。方法 利用激光熔覆技术在HT270灰铸铁表面制备了La2O3改性镍基自润滑复合涂层，通过硬度测试、摩擦磨损实验、XRD测试分析和扫描电镜分析，对比分析了La2O3添加量对复合涂层的微观组织、相组成、显微硬度和室温及200 ℃条件下摩擦学性能的影响。结果 La2O3改性后的涂层主要由CrNiFeC、NiTi、(Fe,Cr)7C3、Cr7C3、TiC、Ti2CS、MoS2相和La2O3组成。添加La2O3后可以明显细化晶粒，使组织更加均匀致密，提高了熔覆层显微硬度及耐磨性。当La2O3的添加量为1.0%时，涂层的硬度值最高达776HV0.2。La2O3改性后，涂层的摩擦学性能也得到了优化。室温时，1.0%La2O3涂层的磨损失重仅为1.8 mg，摩擦系数为0.48，与未添加La2O3的涂层相比，磨损失重降低了47.1%，摩擦系数也明显降低；200 ℃高温磨损时，1.0%La2O3涂层的磨损失重降低了41.3%，摩擦系数降低到0.50。结论 La2O3的加入可以有效提高涂层的减摩性和耐磨性等摩擦学性能，同时还能优化涂层的组织结构和硬度等力学性能。采用激光熔覆技术制备的La2O3改性镍基涂层，力学性能和摩擦学性能得到有效提高。
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  激光熔覆NiCrBSi/Ag复合涂层结构及空间摩擦学性能

  郭纯, 马明亮, 陈丰, 魏宝丽

  表面技术. 2019, 48(9): 177-184. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.019

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  目的 提高钛及钛合金的空间摩擦学性能，拓展钛及钛合金在空间技术领域的应用范围。方法 用激光熔覆技术在纯钛基材表面制备了NiCrBSi/Ag复合涂层。用X-射线衍射仪、扫描电镜和高分辨透射电镜分析涂层的物相组成、显微组织结构和晶体结构。用空间摩擦学实验系统对NiCrBSi/Ag复合涂层在真空、原子氧和紫外辐照三种模拟空间环境以及大气环境下的摩擦学性能进行系统的研究。采用扫描电镜和能量色散光谱仪对摩擦测试后NiCrBSi/Ag复合涂层的磨痕形貌和对偶不锈钢钢球的磨痕形貌及元素面分布进行分析。深入探讨NiCrBSi/Ag复合涂层在三种模拟空间环境及大气环境下的磨损机理。结果 在纯钛基材表面通过激光熔覆制备的NiCrBSi/Ag复合涂层主要物相组成为NiTi、Ni3Ti、Cr2Ni3、Cr3Si、TiB2、Cr-Ni-Ti-Fe、Ag相，显微结构主要为等轴晶和枝状晶组织。复合涂层具有较高的显微硬度，涂层截面平均显微硬度约为830HV0.2，约是钛基材硬度的4.4倍。复合涂层在真空、原子氧和紫外辐照模拟空间环境下的摩擦系数和磨损率均小于大气环境下的值。在三种模拟空间环境下，相对于纯钛基材，复合涂层的磨损率约小2个数量级。复合涂层在真空、原子氧和紫外辐照模拟空间环境下的磨损机理为粘着磨损和磨粒磨损，在大气环境下的磨损机理主要为磨粒磨损。结论 NiCrBSi/Ag复合涂层可以显著提高纯钛基材在真空、原子氧和紫外辐照三种模拟空间环境以及大气环境下的摩擦学性能。
表面失效及防护
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  NiCrWMoCuCBFe涂层的制备及其力学性能研究

  王怡静, 郝恩康, 赵晓琴, 安宇龙, 周惠娣

  表面技术. 2019, 48(9): 185-192. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.020

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  目的 探究NiCrWMoCuCBFe涂层的微观组织结构、物相组成及其力学性能。方法 通过霍尔流速计表征了喷涂粉末的流动性和松装密度，采用超音速火焰喷涂在316L不锈钢表面制备了NiCrWMoCuCBFe涂层，利用SEM、EDS分别对喷涂粉末的形貌、涂层的组织结构以及粉末和涂层中的元素组成进行了表征，采用XRD、Raman分析了涂层中的物相，使用显微硬度计及万能材料试验机考察涂层的硬度、结合强度和抗弯强度，并分析了涂层的断裂失效机理。结果 NiCrWMoCuCBFe喷涂粉末具有良好的流动性，在喷涂过程中没有发生严重的氧化现象。通过超音速火焰喷涂制备的NiCrWMoCuCBFe涂层具有致密的层状组织结构，其物相主要是Ni基固溶体，但是也出现了少量的NiO和Cr2O3。此外，涂层的截面硬度与表面硬度相当，约为600HV300 g，且涂层与316L不锈钢的结合强度较高，大于70 MPa。三点弯曲试验中，持续加载至载荷为1800 N，应变为(4.81±0.3)%时，涂层达到强度极限，产生明显的塑性变形；而当载荷仍然保持1800 N，应变继续增加达到(11.43±0.03)％时，涂层与316L不锈钢基材的结合界面彻底开裂失效，此时涂层内部同时具有横向裂纹和纵向裂纹，样品的抗弯强度约为(1.87±0.02) GPa。结论 超音速火焰技术制备出的NiCrWMoCuCBFe涂层具有良好的致密性及优异的力学性能。
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  喷枪扫描速度对等离子喷涂Mo/8YSZ梯度热障涂层温度场的影响规律研究

  庞铭, 张啸寒, 刘光

  表面技术. 2019, 48(9): 193-203. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.021

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  目的 突破新型动力热障涂层高温环境易剥落的技术瓶颈，揭示等离子喷涂过程中，喷枪扫描速度对梯度热障涂层温度分布的影响规律。方法 利用ANSYS有限元仿真模拟软件，建立了等离子喷涂Mo/8YSZ梯度热障涂层温度场的仿真模型，模型中考虑了材料热物性参数随温度的变化情况及材料的相变潜热。 结果 当喷枪扫描速度由550 mm/s增加至1000 mm/s时，喷枪与基体或已沉积涂层间交互作用的时间缩短，在喷涂构件自身热传导及喷涂构件与外界环境对流换热等综合因素作用下，致使喷涂作业结束时，喷涂构件的最高温度由475 ℃降低至371 ℃，涂层厚度方向的最大温度梯度由2.15×107 ℃/m降低至2.05×107 ℃/m。由于喷涂构件的温度、温度梯度及等离子射流热源用于粉末粒子直接温升的比例均与材料的热物性参数密切相关，致使在喷涂作业结束时，喷涂构件各部分最高温度及涂层厚度方向的最大温度梯度均呈现陶瓷层最高、过渡层次之、粘结层最低的分布规律。由于等离子喷涂过程中，先沉积的涂层对后沉积的涂层存在一个预热作用，故伴随着涂层厚度的增加，喷涂构件的最高温度增加。结论 在等离子喷涂过程中，通过增大喷枪扫描速度，可在牺牲涂层最高温度的条件下，降低喷涂构件的最大温度梯度。热障涂层采用梯度结构，可实现涂层厚度方向材料热物性参数的连续梯度变化，进而实现对喷涂构件空间温度分布的有效调控。
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  锆合金表面涂层耐高温高压动水腐蚀性能的研究

  杨振, 樊湘芳, 邱长军, 李涛, 刘艳红, 王晓婧, 李怀林

  表面技术. 2019, 48(9): 204-210. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.022

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  目的 提高锆合金在高温高压环境中耐动水腐蚀性能。方法 利用多弧离子镀技术（MAIP）在Zr-4合金表面分别制备了Al2O3涂层和Cr/TiAlN复合涂层，利用磁控溅射技术（MS）在Zr-4合金表面制备了TiN涂层。通过堆外高压釜实验，对比研究了三种不同涂层的耐高温高压动水腐蚀性能，利用自动划痕仪检测膜基结合力，利用XRD分析涂层的物相成分，利用SEM观察涂层腐蚀前后的微观形貌，利用EDS对涂层元素种类与含量进行分析。结果 多弧离子镀技术制备的Al2O3涂层和Cr/TiAlN涂层致密度较高，但表面存在少量大颗粒与微孔洞；磁控溅射技术制备的TiN涂层均匀平整，表面大颗粒较少。Al2O3涂层、TiN涂层和Cr/TiAlN涂层可承受的临界载荷分别为26、16、26.5 N。在实验条件下，Cr/TiAlN涂层和TiN涂层表面均发生了剥落或腐蚀现象，且这两种试样表面均检测出大量的ZrO2，而Al2O3涂层几乎未被破坏，基体得到了充分防护。结论 利用多弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备的Al2O3涂层和Cr/TiAlN涂层的膜基结合力较高，利用磁控溅射技术制备的TiN涂层的膜基结合性能较差，其中Al2O3涂层具备良好的耐腐蚀性能，在高温高压动水腐蚀环境中能够有效地保护锆合金基体。
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  超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层在NaOH溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能

  王井, 何冰, 罗京帅, 员霄, 蹤雪梅

  表面技术. 2019, 48(9): 211-217. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.023

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  目的 分析超音速火焰喷涂制备的Cr3C2-NiCr涂层在碱性环境中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能，揭示涂层腐蚀及冲蚀腐蚀磨损失效机制。方法 利用超音速火焰喷涂技术在45#钢表面制备Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层，采用光学显微镜、显微硬度仪、碱性环境腐蚀性能试验台、电化学分析仪、冲蚀腐蚀磨损试验机、电子天平、扫描电子显微镜，分别对组织结构、显微硬度、碱性环境下耐蚀性能、耐冲蚀腐蚀磨损性能、冲蚀腐蚀磨损损失质量及表面形貌进行测试。结果 Cr3C2-NiCr涂层呈典型层状结构，内部随机分布着孔隙及氧化物，涂层孔隙率及显微硬度平均值分别为1.3%和817HV0.1。在pH=11的NaOH溶液中，涂层的电化学腐蚀电位为-0.38 V，腐蚀反应生成的氧化物可有效阻止腐蚀继续进行，长期浸泡过程中，腐蚀介质通过裂纹或穿透性孔隙渗入涂层内部直至基体表面，并发生腐蚀反应，形成的腐蚀产物逐渐累积并排出至涂层表面，最终形成体积较大且呈团絮状的腐蚀产物。在碱性腐蚀环境下，腐蚀介质加剧冲蚀磨损中的材料消耗。相同条件下，涂层腐蚀冲蚀磨损损失质量明显小于基体材料，涂层的冲蚀腐蚀磨损失效机制主要有腐蚀产物脱落、硬质颗粒剥落、粘结相磨耗、缺陷处因疲劳裂纹整体脱落。结论 在碱性环境中，Cr3C2-NiCr涂层具有较强的耐腐蚀性能，腐蚀介质能加快涂层冲蚀磨损进程，磨损后表面为非光滑表面，使涂层具有较优的抗冲蚀磨损性能，故Cr3C2-NiCr涂层可显著改善基体表面的综合使用性能。
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  机械沉积Cd镀层的制备及性能研究

  侯云波, 王胜民, 赵晓军, 张俊

  表面技术. 2019, 48(9): 218-223. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.024

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  目的 制备机械沉积Cd镀层，并研究其组织、性能。方法 以分析纯超细镉粉作为镉源，采用机械沉积法并添加复配的活化剂，在Q235基体表面制备了Cd镀层。采用扫描电子显微镜（SEM）及其自带的能谱仪（EDS）分析了镀层的组织形貌和化学成分，采用X射线衍射法（XRD）分析了镀层的物相组成，采用铁试剂法测试分析了镀层的孔隙率，采用划格划线法测试分析了镀层的结合强度，采用电化学极化法、中性盐雾加速腐蚀试验和浸泡试验测试分析了镀层的耐蚀性能。结果 机械沉积Cd镀层是镉粉颗粒通过物理结合形成的阳极性保护镀层，镀层没有发现贯通性孔隙且和基体之间结合良好。在同为20 μm厚度的情况下，机械沉积Cd镀层的自腐蚀电位（-743 mV）相比机械沉积锌（-1307 mV）提高了500 mV左右，自腐蚀电流密度降低了约2个数量级，腐蚀倾向与腐蚀速度显著降低。机械沉积Cd镀层中性盐雾试验中，出现5%红绣的时间为600 h，相比机械镀锌出现5%红绣的时间（72 h），延长了9倍左右。结论 通过机械沉积的方法在Q235试样表面制备的镉镀层为阳极性保护镀层，镀层的耐腐蚀性能相比机械镀锌提高了9倍左右，耐腐蚀性能优异。
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  等离子喷涂Cr2O3/TiO2高温氧化物陶瓷复合涂层的微观组织及电化学性能

  陈春江, 贾碧, 王云飞, 徐榕, 陈思静

  表面技术. 2019, 48(9): 224-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.025

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  目的 通过等离子喷涂工艺，在油气管道X70管线钢表面制备出Cr2O3/TiO2高温氧化物陶瓷复合涂层，研究该涂层的微观组织与电化学性能。方法 采用9MC Plasma Control Unit等离子喷涂系统，基于线切割尺寸为40 mm×24 mm×6 mm的X70管线钢基体表面，沉积Cr2O3/TiO2高温氧化物陶瓷复合涂层。利用金相显微镜和扫描电子显微镜观察该复合涂层的微观组织与形貌，利用X射线衍射仪分析该复合涂层的物相组成，利用电化学工作站测定该复合涂层的电化学腐蚀性能。结果 Cr2O3/TiO2高温氧化物陶瓷复合涂层由完全熔化区和半熔化区双态组成，呈典型的等离子喷涂层状结构，层与层之间结合较紧密，分布着富Cr2O3沉积区与富TiO2沉积区，无相变产生，完全熔融的TiO2液相可嵌入到未完全熔融的Cr2O3结构间隙中形成固溶结构。经电化学腐蚀性能测试，其自腐蚀电位介于-0.4 ~ -0.3 V之间，高于X70管线钢基体的自腐蚀电位-0.6 ~ -0.5 V，腐蚀倾向滞后，表现出好的抗腐蚀性能。结论 研究选取的等离子喷涂参数较合适，并成功制备出了能明显提高油气管道X70管线钢抗电化学腐蚀性且组织分布均匀的Cr2O3/TiO2高温氧化物陶瓷复合涂层。
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  含砂流动海水中Q235钢冲刷腐蚀行为研究

  彭文山, 刘雪键, 刘少通, 侯健, 邱日, 刘峰, 宋泓清

  表面技术. 2019, 48(9): 230-237. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.026

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  目的 研究Q235钢在不同流速和不同含砂量环境下的冲刷腐蚀行为。方法 采用旋转冲刷腐蚀试验装置，利用电化学测试手段、表面显微分析以及失重测量等方法分析流速以及含砂量对冲刷腐蚀行为的影响。结果 试样表面主要以腐蚀坑和划痕为主，随流速的增加，试样表面腐蚀坑数目增多，砂粒摩擦造成试样表面有明显划痕。含砂量较小时，试样表面腐蚀坑较大，且比较分散；随着含砂量增加，试样表面腐蚀坑增多，但是腐蚀坑直径减小。随流速的增加，试样表面腐蚀产物膜变得更加致密。随含砂量的增加，试样表面的腐蚀产物膜变厚，出现更加稳定的Fe2O3。海水流速和含砂量均较小时，Q235冲刷腐蚀电化学表征为单层结构腐蚀产物层。随流速和含砂量的增加，电化学表征转变为双层结构的腐蚀产物层，砂粒无法直接作用于基体表面。冲刷流速从1 m/s增加到5 m/s时，冲刷腐蚀速率由0.0113 mm/a增加到0.0309 mm/a，Q235钢最大腐蚀坑深度由34.47 μm增大到281.94 μm。含砂量从0.15%增加到1%时，冲刷腐蚀速率从0.0113 mm/a变为0.0107 mm/a，最大腐蚀坑深度由34.47 μm变化为16.41 μm。结论 Q235钢的腐蚀速率及腐蚀坑深对冲刷流速较为敏感，而对含砂量变化敏感性较小。
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  WC含量对激光熔覆NiCrBSi-WC复合涂层显微结构及力学性能的影响

  杨二娟, 李勇, 李巍, 李太江, 李毅超, 刘峰, 米紫昊, 王博

  表面技术. 2019, 48(9): 238-244. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.027

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  目的 为盾构、勘探及采矿等高载荷严苛磨损条件下的构件表面防护提供一种新的涂层方法。方法 以激光熔覆技术为手段，在NiCrBSi粉末中混入30%~80%（体积分数）的球形WC颗粒，用以制备NiCrBSi-WC复合涂层。研究了WC颗粒含量对涂层显微组织形成、硬度、断裂韧性和耐磨性的影响规律。采用SEM分析了涂层的显微组织；通过显微维氏硬度计测试涂层的硬度；通过压痕法测试涂层的断裂韧性；采用磨粒磨损试验表征涂层的耐磨性。结果 当WC颗粒体积分数低于60%时，熔融金属的黏度较低，密度更大的WC颗粒会沉淀，导致涂层表层的WC颗粒含量较低；当WC颗粒体积分数介于60%~80%时，WC颗粒在涂层内均匀分布，涂层内无气孔及裂纹等缺陷。当WC颗粒体积分数达到80%时，熔体黏度过大，使气体难以及时逸出，在涂层内形成大量气孔。随着WC体积分数由30%上升到80%时，涂层的平均硬度由67HRC提高到85HRC。涂层的断裂韧性随WC含量的提高，出现先升高后下降的反常现象。60%WC含量的复合涂层表现出最佳的耐磨性，比滚刀常用材料H13钢提高约9倍。结论 采用常规激光熔覆技术时，添加40%~60%范围内的硬质陶瓷颗粒，可获得硬质颗粒分布均匀且耐磨性与抗冲击性能优异的复合涂层。
膜层材料与技术
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  高功率脉冲磁控溅射制备的TiN薄膜应力释放及其结合稳定性研究

  唐鑫, 马东林, 陈畅子, 冷永祥, 黄楠

  表面技术. 2019, 48(9): 245-251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.028

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  目的 探究高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）制备的氮化钛（TiN）薄膜在自然时效过程中，应力、薄膜/基体结合性能随时间的变化规律。方法 采用高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）技术，通过调控基体偏压（-50、-150 V），制备出具有不同残余压应力（3.18、7.46 GPa）的TiN薄膜，并采用基片曲率法、X射线衍射法、划痕法和超显微硬度计评价了薄膜的应力、薄膜/基体结合性能、硬度随时间的变化规律。结果 在沉积完成后1 h内，-50 V和-150 V基体偏压下制备的TiN薄膜压应力分别在3.12~3.39 GPa和7.40~7.55 GPa范围内波动，薄膜压应力没有发生明显变化；沉积完成后1~7天，平均每天分别下降28.57 MPa和35.71 MPa；7~30天，平均每天分别下降2.08 MPa和2.50 MPa；30~60天内，平均每天分别下降1.67 MPa和7.00 MPa。其压应力连续下降，且均表现出前期下降速率快，后期下降逐渐放缓的趋势。自然放置60天后，应力基本释放完毕，薄膜性质基本保持稳定。同时，薄膜/基体结合性能随时间逐渐变差，薄膜硬度下降。结论 HPPMS制备的TiN薄膜在自然时效过程中，其残余应力会随时间增加，连续下降，进而影响薄膜的力学性能。
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  磁场方向对脉冲电沉积制备Ni-ZrO2纳米复合镀层性能的影响

  贾卫平, 吴蒙华, 贾振元, 周绍安, 佐姗姗, 俞维文

  表面技术. 2019, 48(9): 252-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.029

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  目的 研究有无磁场条件和垂直、平行两种磁场方向对脉冲电沉积制备Ni-ZrO2纳米复合镀层性能的影响。方法 以45#钢作为基体，采用脉冲电沉积和磁场-脉冲电沉积法成功制备Ni-ZrO2纳米复合镀层。利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）观察纳米复合镀层的表面形貌、微观结构和表面粗糙度，利用显微硬度计、划痕仪、摩擦磨损试验机对纳米复合镀层进行显微硬度、结合力和摩擦磨损性能等力学性能研究。结果 相同工艺条件下，垂直磁场-脉冲电沉积条件制备的Ni-ZrO2纳米复合镀层的晶粒形状为金子塔状，镀层表面粗糙度有所改善，复合镀层显微硬度值最高，为370HV。平行磁场-脉冲电沉积条件下制备的Ni-ZrO2纳米复合镀层表面平整，均匀致密，复合镀层中Zr的质量分数为8.27%，表面粗糙度Ra和Rq值分别为82 nm和105 nm，镀层结合力为337 N，磨损量低于其他两种镀层的磨损量。结论 施加磁场后，在磁场MHD效应作用下，纳米复合镀层表面形貌平整，均匀致密，显微硬度提高，并且与基体结合性能和耐磨性都优于无磁场条件下制备的纳米复合镀层。平行方向磁场对Ni-ZrO2纳米复合镀层的力学性能有更明显的促进作用。
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  钕铁硼在CuCl-EMIC离子液体中电沉积铜层的研究

  庄晨, 凌国平

  表面技术. 2019, 48(9): 260-265. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.030

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  目的 开发一种新型的环保型钕铁硼表面镀铜技术。方法 采用CuCl-EMIC离子液体，对钕铁硼基体进行阳极活化前处理，在其表面电沉积铜。通过电化学工作站测试CuCl-EMIC离子液体的循环伏安曲线和镀铜样品的动电位极化曲线，运用扫描电子显微镜、能谱分析仪和X射线粉末衍射仪，考察钕铁硼基体和铜镀层的微观形貌、成分组成和相结构，利用粗糙度仪和拉拔试验仪检测钕铁硼表面的粗糙度和其上铜镀层的结合力。结果 物质的量之比为2∶3~3∶2的CuCl-EMIC离子液体在室温下熔融，可在其中电沉积得到晶态铜。物质的量之比为1的CuCl-EMIC离子液体有更大的还原峰值电流密度。钕铁硼基体经过20~ 30 mA/cm2的电流密度阳极活化后，表面变得平整，孔洞减少，活化后钕铁硼表面的铜镀层均匀致密，结合力达9.2 MPa以上。钕铁硼表面铜镀层的孔隙率随着镀层厚度的增加而减小，当厚度为6 μm时，镀铜试样的腐蚀电位与纯铜相近，孔隙率为0.005 23%。结论 采用物质的量之比为1的CuCl-EMIC离子液体，可以通过阳极活化得到平整、孔洞少和无氧化膜的钕铁硼基体表面，在其上电沉积可得到致密均匀且结合力好的薄铜层。
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  硫酸铈铵对甲烷磺酸浸镀银结晶过程的影响

  吴道新, 杨荣华, 肖忠良, 王毅玮, 姚文娟, 周光华, 王伟业

  表面技术. 2019, 48(9): 266-272. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.031

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  目的 探究添加剂硫酸铈铵对铜基材上进行置换镀银的影响，提高对置换镀异相成核机理的认识。方法 应用循环伏安（CV）、塔菲尔曲线、交流阻抗（EIS）、电化学噪声（EPN）等电化学方法及扫描电子显微镜（SEM）技术对不同浓度的硫酸铈铵镀银液环境进行研究。结果 随着硫酸铈铵浓度的增加，Ag[(NH3)2]+络合物量增加，导致阴极还原阻力增大，同时Ce4+吸附在铜表面，阻碍了铜的氧化反应和银离子的还原反应，阳极与阴极交换电流密度分别下降33.9%和13.4%。当硫酸铈铵的质量浓度达到6 mg/L时，EIS中频区容抗弧直径显著增大，硫酸铈铵对置换镀银阳极的影响大于阴极。电化学噪声时域信号与SEM图像结合比较显示，具有大电位漂移的结晶EN对应于银沉积物松散且不均匀的结构，而具有小电位漂移的EN对应于致密层。基于小波变换的电化学噪声能量分布图（EDP）表明，随着硫酸铈铵浓度的增加，B、C区累积的相对能量减小，区域A的能量增加。结论 硫酸铈铵镀银液中，Ce4+在凹凸不平的铜层表面吸附，形成不同厚度的吸附层，来实现银层结构的致密性与平整性。由于硫酸铈铵对镀银阴极与阳极的阻碍作用，使得银沉积系统控制步骤为“扩散控制—混合控制—活化控制”逐步转变。
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  电弧离子镀电磁线圈电压对TiAlN涂层结构及性能的影响

  李洪, 杨鸿泰, 林松盛, 石倩, 韦春贝, 郭朝乾, 苏一凡, 唐鹏

  表面技术. 2019, 48(9): 273-279. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.032

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  目的 揭示电弧离子镀过程中，电磁和永磁复合磁场耦合作用下电磁线圈偏压对TiAlN涂层结构及性能的作用规律，优化TiAlN涂层制备工艺。方法 采用电弧离子镀技术在M2高速钢基体表面沉积高Al含量Ti0.33Al0.67N涂层（TiAl靶，原子数分数，Ti∶Al=1∶2）。改变电磁线圈电压，研究涂层微观组织结构、表面粗糙度、硬度、膜/基结合力和耐磨性的变化规律。结果 在15~45 V范围内，电磁线圈电压小于30 V时，Ti0.33Al0.67N涂层内部致密；线圈电压大于30 V时，涂层内部变得疏松。线圈电压为15 V时，TiAlN涂层表面粗糙度最小，为0.2 μm。随着线圈电压升高，Ti0.33Al0.67N涂层硬度增大，线圈电压为45 V时，Ti0.33Al0.67N涂层硬度达到最大，为3866HV0.025。随着线圈电压的升高，Ti0.33Al0.67N涂层膜/基结合力及耐磨性先增加后减小，线圈电压为15 V时，结合力最高，为95.4 N，磨损率达到最低，为1.62×10-15 m3/(N?m)。结论 在线圈电压较小时，随着电压的升高，作用于阴极靶材的磁场强度增加，阴极弧斑速度加快，每个弧光点维持时间缩短，能量降低，离化率升高，溅射出的液滴数量减少，涂层结构致密，粗糙度降低，硬度和耐磨性能升高；随着线圈电压进一步升高，磁场强度继续增大，弧斑运动受到的磁性束缚力增大，弧斑运动半径向靶材中心收缩，作用于固定位置的弧光累计时间更长，离化率降低，液滴增多，涂层综合性能下降。
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  紫外光固化聚氨酯自愈合涂层的合成和性能研究

  巴淼, 王宪委, 范芳欣, 王玉丰, 张占平, 高强

  表面技术. 2019, 48(9): 280-286. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.033

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  目的 制备一种紫外光（UV）固化聚氨酯自愈合涂层，并研究其自愈合性能。 方法 以2.4-甲苯二异氰酸酯（TDI）、聚丙二醇（PPG）、三羟基聚醚多元醇（HSH330）、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、1,4-丁二醇（BDO）为原料，采用两步法合成UV固化丙烯酸酯改性聚氨酯涂层（APU）。使用红外光谱对合成涂层的化学结构进行表征，使用激光共聚焦显微镜对涂层的表界面性能进行分析，并使用拉力试验机考察涂层的力学性能、自愈合性能及成膜性能。结果 FTIR光谱结果表明，合成的涂层是丙烯酸酯改性聚氨酯涂层（APU），810 cm–1处存在来自HEMA的—C=C—双键弯曲振动峰，同时涂层仍呈现出明显的聚氨酯化学结构特性。随着HEMA的引入，涂层硬段质量分数从20%增加至40%的过程中，吸水率从36.8%降至3.1%，弹性模量从0.29 MPa增加至8.69 MPa。自愈合性能测试结果表明，随着HEMA的引入，涂层的自愈合率降低，当APU涂层硬段质量分数超过45%后，涂层失去自愈合能力。结论 制备的APU涂层具有优异的耐水性和致密性，由于HEMA含量的增加限制了软段结构的分子链运动和氢键作用，从而削弱了涂层的自愈合性能。
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  射频辅助磁控溅射制备梯度Cr/CrC膜的性能

  黄珂, 刘文军, 谭科, 罗书径

  表面技术. 2019, 48(9): 287-292. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.034

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  目的 改善CrC薄膜的制备工艺，提高薄膜的结合强度。方法 采用射频偏压辅助磁控溅射技术，以Cr和石墨为靶材，C2H2为反应气体，在M42高速钢表面制备梯度Cr/CrC膜。利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、Raman光谱仪分析薄膜的微观形貌、成分组成、键结构，用纳米压痕仪、洛氏硬度计对薄膜的结合性能进行评价。结果 成功制备了表面致密均匀的梯度Cr/CrC薄膜，薄膜中sp3键含量随石墨靶射频功率的增加而呈现先增大后减小的趋势。薄膜的结合强度随射频功率的增大而先增大后减小，射频功率为250 W时，薄膜中含有最多的sp3键，并且有最高的硬度，硬度值为21 GPa。结论 纯Cr过渡层能有效吸收薄膜中的内应力，改善膜/基结合性能，对Cr/CrC薄膜结合强度有明显增强作用。石墨靶的射频功率大小对梯度Cr/CrC膜的结构和结合强度有显著影响，射频功率为250 W时，制备出的薄膜具有最高的硬度和结合强度。
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  工业电解液中镍阴极沉积和阳极溶出过程的EQCM研究

  徐仰涛, 黄凯, 朱珍旭

  表面技术. 2019, 48(9): 293-299. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.035

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  目的 通过电极表面质量的变化对工业电解液中Ni阴极沉积和阳极溶出过程进行研究，同时考察温度对此过程的影响。方法 采用循环伏安法（CV）研究硫化镍可溶阳极/混酸体系的工业电解液中，镍在金电极表面的阴极沉积、阳极溶出过程以及温度对该过程的影响，并利用电化学石英晶体微天平（EQCM）技术对此过程中电极表面的频率响应进行实时监测，同时依据实验测定的M/n值对此过程中不同电位区间的电极过程进行研究。结果 电解液温度为30 ℃时，Ⅰ和Ⅱ沉积区的M/n值分别为30.8、29.3 g/mol，与之对应的Ⅲ-1和Ⅲ-2溶出区的M/n值分别为30.7、29.4 g/mol。改变实验温度后，20 ℃时循环伏安实验将无法正常进行，当电解液温度由20 ℃逐步升高至25、30、35 ℃时，归属于沉积峰的M/n值依次为30.3、30.9、26.3 g/mol。随着温度的升高，镍的起始沉积电位逐渐正移，阴极沉积过程进行完全时，随着温度的升高，沉积在电极表面的镍沉积层质量逐渐增加，阳极溶解完全后，残留在电极表面的镍沉积层质量逐渐减少。结论 工业电解液中与镍沉积电位相近的金属离子（Co2+、Cu2+）与Ni2+发生共同沉积，并且种类随着温度的升高趋于复杂化。适当提高电解液的温度不仅有利于CV曲线中“形核环”和“溶出峰”的出现，而且还有助于镍的沉积，但同时也会形成结构疏松且易于溶解的沉积层。在–1.4 V时，CV曲线电位扫描方向的转变，使得沉积层结构发生变化，导致溶出过程发生分区溶解，并且溶出过程的分区现象随着温度的升高而越发明显。
表面质量控制及检测
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  铜镍合金微金字塔阵列模具线切割加工工艺研究

  管鹭伟, 尹韶辉, 黄帅, 贾红鹏, 陈逢军

  表面技术. 2019, 48(9): 300-306. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.036

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  目的 应用慢走丝线切割加工工艺，加工C71500铜镍合金的微金字塔阵列结构，获得高精度玻璃模压用模具。方法 采用单因素工艺实验法研究脉冲宽度、脉冲间隔、走丝速度对加工表面质量及尺寸精度的影响。应用超景深三维显微镜、激光共聚焦显微镜以及电子显微镜对线切割后的微金字塔阵列模具尖点表面粗糙度和圆弧半径进行检测，并对微金字塔阵列模具尖点圆弧半径不均一性现象进行研究，通过综合优化得到最优工艺参数。结果 加工后尖点表面粗糙度随脉冲宽度的降低而减小，随脉冲间隙的增大呈先减小后增大的趋势，随走丝速度的增大而减小。尖点圆弧半径随脉冲宽度的降低而减小，随脉冲间隙及走丝速度的增大而减小。经过综合优化，当脉冲宽度为6 μs、脉冲间隔为14 μs、走丝速度为6 m/s时，微金字塔阵列模具尖点获得最低的表面粗糙度（Ra=9 nm）和最小的尖点圆弧半径（5.41 μm）。相比优化前，表面粗糙度降低60.9%，尖点圆弧半径减小53.0%。加工时电极丝与工件电极接触面积的变化，是导致慢走丝线切割后微金字塔阵列尖点圆弧半径不均一现象的主要原因。结论 利用慢走丝线切割加工方法，可以在铜镍合金模具材料上加工出尖点圆弧半径均一的微金字塔阵列结构，同时可获得微米级尺寸精度和纳米级表面粗糙度。研究结果为慢走丝线切割加工铜镍合金微金字塔阵列结构提供了一定的参考。
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  湿式主轴式滚磨光整加工中铝合金试件的材料去除行为研究

  王程伟, 李秀红, 李文辉, 王娜, 曹波

  表面技术. 2019, 48(9): 307-314. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.037

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  目的 针对湿式主轴式滚磨光整加工工艺，提出适用于铝合金试件光整加工的材料去除模型。方法 通过FLUENT两相流模块模拟不同参数下p?v值，用响应曲面法拟合4个主要参数和p?v的多元回归模型，在此基础上，基于Preston方程建立修正的材料去除模型，进行加工实验，探究工件的MRR、加工后Ra和表面形貌之间的关系。结果 方差分析中，工件轴心距筒壁距离和滚筒转速项的P<0.05，两者对MRR影响显著，且前者与MRR负相关，后者与MRR正相关。对模型进行加工实验验证，工件MRRth和MRRex的平均相对误差仅为6.32%，证明模型的有效性。随工件MRR的递增，加工后Ra值先减后增，MRR值为21 mg/h时，Ra为0.816 μm，工件刀纹仍很明显；MRR值为59 mg/h时，Ra达到最低值0.472 μm，工件刀纹完全去除，表面纹理细致平整，加工效果最佳；当MRR达极值时，Ra为0.693 μm，表面纹理变得粗糙不平，由于滚抛磨块的加工能力过强，导致加工效果较差。结论 建立了以工艺参数为自变量的材料去除模型，为选择参数提供一定的理论依据，且实验研究得出，加工能力与加工效果之间不存在正向相关性。
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  基于模糊聚类和案例推理的滚抛磨块优选模型

  杨炎, 高炜, 杨胜强, 田建艳, 高云松

  表面技术. 2019, 48(9): 315-320. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.038

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  目的 实现滚磨光整加工工艺制定过程中滚抛磨块快速、准确地优选。方法 在分析滚磨光整加工工艺特点的基础上，根据滚抛磨块优选的E-R图构建案例库，建立基于案例推理的滚抛磨块优选模型。针对不同案例特征属性的数据类型，选择合适的特征属性相似度计算方法；通过层次分析法确定案例特征属性的权重，采用加权最近邻居法计算案例间的综合相似度，并通过案例处理获得新问题的优选磨块。采用模糊C均值聚类算法对案例库中的冗余案例进行处理，实现案例库的动态优化。最后，采用实际的不同零件类型的不同数据进行仿真。结果 大量仿真结果表明，采用模糊C均值聚类算法，处理案例库中的冗余案例，可以有效提高案例推理的检索效率和精度；针对实际的新问题，基于模型并通过案例检索、修正，可以从案例库中快速提取出新问题的相似案例，验证了模型的可行性和有效性，重要的是能够为新问题的磨块优选提供决策指导。结论 基于模糊聚类的案例推理技术可以用于滚磨光整加工工艺实施时的滚抛磨块优选。
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  金属粉末增强机械抛光单晶金刚石

  刘浩, 李佳君, 李震睿, 徐锴, 陈正佳, 孙占峰, 陈广超

  表面技术. 2019, 48(9): 321-326. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.039

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  目的 研究具有催化活性的镍、钴金属粉末对单晶金刚石机械抛光的影响，以期获得低成本高效率的单晶金刚石抛光工艺。方法 以高温高压法（HPHT）制备的Ⅱa型单晶金刚石为样品，采用机械抛光的方法沿单晶金刚石（100）晶面的[100]晶向进行抛光，抛光介质分别为金刚石研磨膏、金刚石微粉、金刚石微粉与镍粉混合粉末、金刚石微粉与钴粉混合粉末。样品表面粗糙度通过原子力显微镜（AFM）进行测定，通过扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS）对样品表面形貌及元素成分进行分析表征。结果 金刚石微粉作研磨粉时，抛光速率最高，达到900 μm/h，但表面粗糙度相对较差，为4.15 nm；镍粉或钴粉与金刚石微粉的混合粉末作抛光介质时，可以实现单晶金刚石的高效抛光，其中以钴粉与金刚石微粉的混合粉末作为抛光介质时的抛光效果最佳，抛光速率为875 μm/h时，表面粗糙度为1.52 nm。结论 镍、钴金属粉末与金刚石微粉混合作为抛光粉料，可以实现单晶金刚石的高效率、高质量抛光。
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  工件表面缺陷图像检测中的自适应聚类

  周友行, 马逐曦, 石弦韦, 刘汉江

  表面技术. 2019, 48(9): 327-335. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.040

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  目的 针对工件表面形态复杂、干涉交叠缺陷难以实现自动分离、分类图像检测的情况，提出一种工件表面交叠缺陷自适应图像聚类方法。方法 首先提取工件表面缺陷二值图像，采用混合概率主成分分析器估计缺陷位置各像素点局部切空间信息，并改进局部切空间之间的相似性矩阵；然后通过改进局部密度峰值自适应方法，基于相似性矩阵确定聚类中心点和数目；最后通过谱多流形聚类，将各分析器所包含的像素点分配至不同缺陷流形结构中，实现多个交叠缺陷分离、检测。结果 首先通过比较计算与实际测量的长度、宽度来验证该方法对相互交叠结构缺陷良好、准确的分离效果，平均相对误差分别为0.957%和0.650%。其次为了体现该方法对于分离工件表面相互交叠缺陷的有效性及优越性，使用k-means聚类、谱聚类与该方法进行对比实验，证明了该方法良好的聚类效果。最后对所设计方法的稳定性进行测试，统计检测结果的平均ME值均在6%以下，正确聚类数目率高达99%~100%。结论 该方法能够较为准确地自动识别工件表面图像中存在相互干涉的不同缺陷，并进行分离。
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  光整滚光和开缝衬套挤压孔结构表面完整性及疲劳行为研究

  王燕礼, 卞小芳, 符彬, 曹强

  表面技术. 2019, 48(9): 336-345. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.09.041

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  目的 澄清光整滚光和开缝衬套挤压孔结构疲劳行为和强化机制的区别。方法 采用传统钻-铰、光整滚光、开缝衬套挤压等三种不同工艺，制备TA15钛合金含?8.75中心圆孔疲劳试样，通过恒幅拉-拉对比疲劳试验和疲劳数据统计分析方法，评价不同工艺制备孔结构的抗疲劳性能。采用体式显微镜观察孔端和孔壁形貌，用触针式表面粗糙度轮廓仪测试孔壁表面粗糙度，用X射线衍射应力测定法测定孔端表面残余应力，用透射电子显微镜观察孔壁材料微观结构，用显微硬度计测定孔壁显微硬度点阵等技术和方法，分析了不同工艺制备孔结构表面完整性。通过扫描电子显微镜标定疲劳断口辉纹平均间距与裂纹长度，用数码长焦显微镜标定孔端表面裂纹长度与疲劳循环周次的关系，并定量分析了不同工艺制备的孔结构疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率。结果 光整滚光和挤压强化分别提高连接孔中值疲劳寿命63%和317%。光整滚光可降低孔壁表面粗糙度Ra至0.52 μm，但改变孔壁附近残余应力状态能力有限，且会在孔端形成尖锐的材料凸瘤；挤压强化后，孔壁表面粗糙度Ra为0.73 μm，在孔壁引入4 mm深、峰值达-500 MPa的残余压应力区，并大幅提高孔壁材料位错密度，且孔端无材料凸瘤产生。结论 光整滚光提高孔结构疲劳寿命的主要机制是，通过降低孔壁表面粗糙度延长裂纹萌生寿命。挤压强化主要机制是，通过引入大深度、高幅值的残余压应力和改善材料微观结构延长裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。因此，挤压强化优于光整滚光技术。考虑到实际机械结构中多为叠层特征孔结构，挤压强化因为不会在孔端遗留材料凸瘤，更有利于保证夹层间隙安装要求。