2020年, 第49卷, 第10期　
刊出日期：2020-10-20

  

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专题——激光熔覆技术及应用
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  激光熔覆技术研究进展

  张津超, 石世宏, 龚燕琪, 余司琪, 石拓, 傅戈雁

  表面技术. 2020, 49(10): 1-11. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.001

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  激光熔覆技术是一种先进的材料表面改性技术，具有稀释率小、熔覆层组织致密、涂层与基体结合良好及工作环境无污染等优点。从激光熔覆喷头、激光熔覆工艺、激光熔覆材料、激光熔覆技术的工业应用这4个方面，综述了激光熔覆的研究进展。其中，在激光熔覆喷头方面，介绍了激光光斑的种类及转换原理和熔覆材料的引入方式，总结了激光束与粉束的耦合模式和熔覆喷头的种类，包括旁轴送粉熔覆喷头、光外同轴送粉喷头、光内同轴送粉喷头以及特殊工况下的熔覆喷头。在激光熔覆工艺方面，阐述了工艺参数对熔覆层宏观形貌和组织性能的影响，总结了激光熔覆复合工艺的辅助加工方法，论述了超高速激光熔覆新工艺的原理及技术优势，并介绍了激光熔覆过程控制的研究进展。在激光熔覆材料方面，阐述了熔覆材料的种类及增强相的添加方式。在激光熔覆技术的工业应用方面，介绍了激光熔覆技术在矿山机械、模具再制造以及铁路修复等领域的应用。最后对激光熔覆技术的发展趋势及应用前景做出了展望。
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  激光熔覆在高速列车上的应用研究现状

  余敏, 张鸿羽, 曹开, 陈辉

  表面技术. 2020, 49(10): 12-20. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.002

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  高速列车轮轨、制动盘、车轴是易发生磨损的部件，采用激光熔覆技术能有效改善磨损或对损伤部件进行修复。综述了激光熔覆应用于高速列车轮轨、制动盘、车轴的研究现状。归纳了现有研究中各部件所采用的熔覆材料。总结了不同部件所关注的性能，针对不同部件的特性，分析了其对激光熔覆层性能的需求和应采用的熔覆层性能测试方法。对于列车轮轨，旨在通过激光熔覆涂层提高其接触面抗磨损和抗滚动接触疲劳性能；对于制动盘，旨在通过涂层减小其摩擦磨损和热疲劳；对于车轴可采用激光熔覆技术对已损伤的部位进行修复，并应重点关注车轴修复后的疲劳性能。此外，提出了激光熔覆实际应用于高速列车部件上现存的几个关键问题，包括：激光熔覆热影响区组织对部件服役性能的影响；激光熔覆残余应力的影响；激光熔覆低效率和高稀释率的问题；激光熔覆组件热损伤问题。目前的研究主要集中于激光熔覆材料的选择和性能评价，而从组织演变、残余应力及服役性能三者综合考虑的轨道交通理论基础有待构建。
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  钛合金表面抗高温氧化涂层的研究进展

  隋欣梦, 胡记, 张林, 肇威, 张维平

  表面技术. 2020, 49(10): 21-38. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.003

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  钛合金在制造航空航天发动机等关键部件方面具有重要的应用价值，但高温性能不稳定是制约其发展前景的主要原因。采用激光熔覆技术在钛合金表面制备耐高温涂层，是在不改变钛合金材料整体性能的前提下赋予材料表面特殊性能的重要途径。首先介绍了钛合金的氧化行为，并简要分析了钛合金在氧化过程中的氧化特点及失效形式，指明其改善途径。随后总结分析了目前常用的镍基高温涂层、TiAl系高温涂层和高熵合金高温涂层的研究现状，其中镍基合金涂层具有较高的结合强度、良好的耐磨性和优异的耐蚀性，但由于涂层与基体中元素的扩散速率不同导致的差异，造成柯肯达尔空洞的产生，涂层变得不稳定，涂层与基体的结合强度降低。TiAl基合金的高温性能与镍基高温合金相近，且密度小，有代替镍基合金的发展趋势，其涂层表面可以生成均匀致密的Al2O3氧化膜，并且与钛合金基体间的化学成分差异小，基本不发生互扩散现象。但二元TiAl系涂层对于Al的用量有严格的要求，当其使用温度超过850 ℃时，抗氧化性能也会严重降低。因此Ti-Al-X系涂层中X元素（例如Cr、Si、Ni等元素）的添加，可以适当地降低Al含量，促进均匀致密的Al2O3氧化膜的形成，有效地阻止氧元素向基体的扩散，并且比二元TiAl涂层的脆性要低、塑性更好。高熵合金高温涂层具有许多优异的性能，调整其中某一种或者某几种元素的含量都可以进一步优化性能，因此应用前景极为广阔，但其还处于实验室研究阶段，元素配比的不合理，基体元素对熔覆层的反作用，都会使高熵合金的脆性和力学性能达不到理论效果，不能进入真正的应用阶段。最后展望了激光熔覆技术在钛合金表面制备高温涂层的发展趋势。
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  Ti含量对Fe-Ni-Ti激光熔覆层摩擦性能的影响

  赵龙志, 邓楚祥, 王震, 赵明娟, 刘德佳, 唐延川, 焦海涛, 李劲

  表面技术. 2020, 49(10): 39-44. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.004

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  目的 研究Ti含量对因瓦合金基熔覆层原位增强的影响。方法 运用半导体激光器制备了Fe-Ni-Ti激光熔覆层，研究了Ti含量对熔覆层的影响。利用金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪对熔覆层显微组织进行了表征，运用硬度计和摩擦磨损实验机对熔覆层的显微硬度和耐磨性进行了分析。结果 在Fe-Ni因瓦合金粉末中加入Ti元素，原位生成了TiC/Fe-Ni激光熔覆层，原位TiC对熔覆层基体晶粒具有明显的细化作用。随着Ti含量的增加，复合涂层的晶粒尺寸减小，然后保持稳定。当Ti含量较低时，熔覆层主要由γ-[Fe,Ni]奥氏体组成；当Ti含量达到8%时，熔覆层基体相结构变成了α相，因瓦效应消失，产生了微裂纹和孔洞缺陷。Ti元素最佳添加量为6%，此条件下熔覆层没有裂纹，显微硬度最高，熔覆层耐磨性最好。结论 因瓦合金涂层中添加钛可以形成良好的原位强化，钛的添加量具有最佳值，过量添加钛将消除Fe-Ni合金激光熔覆层特有的因瓦效应，熔覆层磨损机制主要为粘着磨损，兼具磨粒磨损。
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  高压柱塞高速激光熔覆镍基合金涂层组织和耐磨性

  李朝晖, 李美艳, 韩彬, 李格, 王治中, 孙深振

  表面技术. 2020, 49(10): 45-54. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.005

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  目的 通过高速激光熔覆技术改善高压柱塞镍基合金涂层的组织，并提高涂层的耐磨性能。方法 分别采用常规激光熔覆（P=1.8 kW，vs=500 mm/min）和高速激光熔覆（P=1.8 kW，vs=7000 mm/min），在高压柱塞45#钢基材上制备了SD-Ni45耐磨涂层，分别测试了两种涂层的稀释率、微观结构、硬度，并通过可控气氛微型摩擦磨损试验仪和扫描电镜，对熔覆层的耐磨性进行了分析。结果 高速激光熔覆层的稀释率约为常规激光熔覆层的68%。高速激光熔覆层的物相与常规激光熔覆层的物相基本相同，并无新的物相析出，主要包括γ-(Ni,Fe)固溶体、Cr-Ni-Fe固溶体、Cr23C6以及少量的WC等强化相，但高速激光熔覆层的整体组织更加细小致密，硬质相颗粒分布更为均匀。高速激光熔覆层与常规激光熔覆层的平均显微硬度分别为600HV0.1、460HV0.1，高速激光熔覆层与常规激光熔覆层的磨痕宽度分别为210、315 μm，磨损量分别为(7.4±0.8)、(4.4±0.6) mg，高速激光熔覆层的耐磨性相对于常规激光熔覆层提高了约1.7倍。结论 高速激光熔覆技术可以有效地改善常规激光熔覆层裂纹敏感性大、稀释率较高、涂层较厚等缺陷，高速激光熔覆层的硬度和耐磨性较普通激光熔覆层有所提高。
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  镍基熔覆层表面超声冲击处理组织及耐蚀性研究

  李美艳, 张琪, 杨洁, 韩彬, 宋立新

  表面技术. 2020, 49(10): 55-60. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.006

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  目的 提升激光熔覆Ni基涂层表面组织及耐蚀性能。方法 采用激光熔覆技术制备成形好、无裂纹的Ni基涂层，随后进行超声冲击处理。采用扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EPMA）及电化学设备等，研究熔覆层和冲击硬化层的组织及耐蚀性能，分析Ni基熔覆层的冲击强化机制。结果 激光熔覆Ni基涂层主要由γ-(Fe,Ni)固溶体和晶界碳化物组成，组织形貌由底及表为胞状树枝晶和细小的树枝晶。熔覆层内晶界的Cr元素含量高于晶内，且上部枝晶内的Cr元素含量高于底部和中部。超声冲击处理未改变熔覆层内的物相组成，但在表面形成厚度约5 μm的细晶层，冲击硬化层内晶界的碳化物被破碎成细小的碳化物并弥散分布于晶内，起到细晶强化和弥散强化的作用。超声冲击后，表面粗糙度由0.52 μm降至0.29 μm，硬度提升50%以上。电化学测试表明，冲击硬化层的平均自腐蚀电位上升37.21 mV，平均自腐蚀电流密度下降57.9%，腐蚀表面均匀平整，大量细小的碳化物弥散分布。结论 超声冲击处理细化了Ni基熔覆层的表层组织，且表面的耐蚀性能明显提高。
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  Ti6Al4V合金表面激光熔覆原位合成TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层

  张晓伟, 刘国政, 易俊超, 刘洪喜

  表面技术. 2020, 49(10): 61-68. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.007

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  目的 为探究Ti6Al4V钛合金表面TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层的激光熔覆制备新工艺，研究Nb含量对TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层微结构及显微硬度的影响规律。方法 以Nb原子数分数分别为10%、15%和25%的Ti+Nb+AlN混合粉末为原材料，采用基于挤压预置粉末法的激光熔覆原位合成技术，制备出TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层。通过X射线衍射仪（XRD）物相定性分析，并结合扫描电子显微镜（SEM）和能量分散谱仪（EDS），对TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层中的物相进行定性分析，结合二元平衡相图，进一步分析激光原位化学反应机理。借助显微硬度计，研究TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层微结构对截面显微硬度分布的影响规律。结果 在高能密度激光束作用下，混合粉末中Ti和AlN发生了充分的激光原位化学反应，生成了TiN陶瓷增强相，TiN陶瓷增强相的含量与Ti粉和AlN粉末的含量正相关。Nb含量的增加显著影响了Ti-Al-Nb基体相的种类，而不改变增强相的种类，随着Nb含量的增加，含Nb基体相的种类增多，发生Ti3Al→Ti3AlNb→Ti2AlNb→Ti39Nb→Nb7Al的转变。随着TiN增强相含量减少，复合涂层截面平均显微硬度从993.2HV0.5降至701.4HV0.5。结论 Nb含量的增加，不会改变TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层增强相的种类，但可以降低TiN增强相的含量，从而降低复合涂层截面平均显微硬度。
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  基于稀土调控的激光熔覆Ni60强化铝合金的高温摩擦磨损性能研究

  王成磊, 梁朝杰, 周承华, 张可翔, 谢映光, 林德民

  表面技术. 2020, 49(10): 69-80. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.008

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  目的 提高铝合金的综合使用性能。方法 采用激光熔覆技术对6063铝合金表面分别进行了Ni60、Ni60+4%CeO2、Ni60+5%Y2O3和Ni60+5%La2O3激光熔覆处理，然后进行了硬度和高温摩擦磨损实验，通过分析各试样的摩擦系数、磨痕轮廓、磨损量、物相、成分和磨损后微观形貌，进而分析各试样的耐磨性能和磨损机理，以及稀土对熔覆层耐磨性能和磨损机理的影响。结果 熔覆层的硬度呈梯度分布，加入稀土Ni60熔覆层的硬度明显提升。6063铝合金随着载荷和磨损温度的升高，磨损机制从二体磨粒磨损，到粘着磨损，再到严重的熔融磨损和氧化磨损，由轻微向严重磨损转变。Ni60熔覆层的磨损机制主要为剥层磨损、氧化磨损和轻微的犁削磨损，并随着载荷和磨损温度的升高，剥层磨损的程度越来越严重。添加最佳稀土含量的熔覆层随着载荷和磨损温度的升高，磨损机制逐渐由以犁削磨损为主过渡为以剥层磨损为主，并含有氧化磨损和犁削磨损。与Ni60熔覆层相比，加入最佳稀土含量的熔覆层的高温摩擦磨损性能均有明显提高。结论 对比三种稀土熔覆层，高温摩擦磨损性能由好到差的顺序为Ni60+4%CeO2熔覆层>Ni60+5%Y2O3熔覆层>Ni60+5%La2O3熔覆层。
专题——热喷涂技术研究及应用
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  氧化物陶瓷封孔对热喷涂Inconel 625涂层热腐蚀行为的影响

  倪进飞, 熊义, 刘光明, 李茂东, 董猛, 师超

  表面技术. 2020, 49(10): 81-88. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.009

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  目的 为了提高热喷涂涂层在苛刻环境下的耐蚀性，采用封孔剂对热喷涂涂层进行封孔，研究封孔对涂层抗热腐蚀性能的影响。方法 采用超音速火焰喷涂在20#钢表面制备Inconel 625涂层。采用正硅酸乙酯作为封孔剂基料，Cr2O3、Al2O3、ZrO2、CeO2等氧化物为填料，制备了封孔剂，采用封孔剂对制备的涂层进行封孔。研究了封孔剂对涂层耐蚀性能的影响，将封孔和未封孔的涂层涂覆75%Na2SO4+25%NaCl混合盐膜后，在650 ℃下进行腐蚀，间隔一定时间取出样品称量，获得腐蚀动力学曲线。采用XRD、SEM、EDS对高温腐蚀产物成分、结构、形貌进行分析。结果 未封孔的Inconel 625涂层腐蚀160 h后增重约4.4 mg/cm2。表面腐蚀产物有双层结构，外层富Ni较疏松、多孔，内层富Cr较为致密。同时涂层/腐蚀层界面一侧有S元素富集。封孔层在高温熔盐中轻微熔解，封孔样品腐蚀160 h后，失重仅约0.45 mg/cm2。在腐蚀过程中Ni通过封孔层向外扩散并被氧化，生成的氧化物可填补封孔层缺陷。涂层/封孔层界面形成富Cr2O3的氧化层，进一步提高了封孔涂层的抗热腐蚀性能。结论 封孔层提高了涂层致密性，能有效抑制腐蚀介质在热喷涂涂层中的扩散，封孔能明显提高Inconel625涂层的抗热腐蚀性能。
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  超音速火焰喷涂TiB2-50Ni复合涂层的高温摩擦磨损性能

  王跃明, 唐求豪, 夏运朝, 陈德强, 刘秀波, 刘龙飞

  表面技术. 2020, 49(10): 89-98. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.010

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  目的 研究环境温度对Ni质量分数为50%的TiB2-Ni复合涂层摩擦磨损性能的影响。方法 选用“壳核型”Ni包覆TiB2复合粉末，通过超音速火焰喷涂（HVOF）在304不锈钢基材表面制备TiB2-50Ni金属陶瓷复合涂层。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析了粉末、涂层与摩擦磨损表面的显微结构和物相组成，并研究了TiB2-50Ni涂层和304不锈钢基材的高温摩擦磨损性能。结果 HVOF制备的复合涂层截面呈现明显的层片结构，涂层厚度、孔隙率、显微硬度、表面平均粗糙度及界面平均结合强度分别约300.8 μm、2.3%、766.1HV、2.3 μm及22.6 MPa。高温环境下，304不锈钢基材摩擦系数波动大，且随环境温度升高，其磨损率急剧增加，而TiB2-50Ni涂层的摩擦系数及磨损率波动较小。当环境温度达600 ℃时，涂层磨损率为(2.73±0.01)×10–5 mm3/(N?m)，约为304不锈钢基材磨损率（(11.07±0.01)×10–5 mm3/(N?m)）的1/4。高温环境下，TiB2-50Ni涂层的磨损机理是磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。结论 HVOF所制备TiB2-50Ni复合涂层受摩擦环境温度影响较小，具有优异的耐高温摩擦磨损性能。
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  汽轮机叶片钢超音速火焰喷涂层和等离子喷焊层性能研究

  章友谊

  表面技术. 2020, 49(10): 99-105. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.011

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  目的 提高汽轮机叶片钢1Cr12Ni2W1Mo1V的抗微粒冲蚀性能和抗水蚀性能。方法 利用超音速火焰喷涂技术和等离子喷焊技术在其表面分别制备了Cr3C2-NiCr75-25涂层、WC-10Co-4Cr涂层和Stellite 6合金喷焊层。借助扫描电镜（SEM）观察3种涂层水蚀凹坑的微观组织形貌，并对3种涂层的显微硬度、抗摩擦磨损性能、抗微粒冲蚀性能和抗水蚀性能进行分析。结果 3种涂层的平均显微硬度较基体均有显著提升，其中WC-10Co-4Cr涂层的平均显微硬度最高，其值为1314.6HV4.9 N。以Stellite 6合金涂层为摩擦副，Cr3C2-NiCr75-25涂层的摩擦系数为0.5~0.7，失重0.0131 g，而WC-10Co-4Cr涂层的摩擦系数为0.5~0.6，失重0.0007 g，显然WC-10Co-4Cr涂层的抗摩擦性能更好。抗微粒冲蚀性能试验中，最大磨痕深度由深到浅依次为：基体材料（94.658 μm）、Stellite 6合金层（85.932 μm）、Cr3C2-NiCr75-25涂层（81.163 μm）、WC-10Co-4Cr涂层（11.864 μm）。其对应的磨损率也逐渐减小。表面水蚀沟槽最大深度依次为：基体材料（445 μm）、Stellite 6合金层（70 μm）、Cr3C2-NiCr75-25涂层（80 μm）、WC-10Co-4Cr涂层（41 μm）。其对应造成的质量损失由30 mg/cm2逐渐变为3.3 mg/cm2。结论 3种涂层均具有一定的抗摩擦磨损性能、抗微粒冲蚀性能和抗水蚀性能，其中WC-10Co-4Cr涂层的各项性能均最佳，主要是该涂层中弥散分布了大量WC硬质相，使其显微硬度最高，加之其他相关性能共同作用的结果。
研究综述
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  CVD金刚石表面增透膜的研究进展

  黄亚博, 陈良贤, 贾鑫, 安康, 魏俊俊, 刘金龙, 李成明

  表面技术. 2020, 49(10): 106-117. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.012

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  CVD金刚石膜因特有的物理化学性质，具有发展成为新一代光学材料的前景。但由于CVD金刚石膜自身局限性导致其理论透过率不到71%，在金刚石膜表面镀制增透膜，通过改变增透膜组成成分、显微组织和晶体结构，可有效地改善CVD金刚石膜自身理论透过率的问题。首先，介绍了CVD金刚石表面镀制单层增透膜增透原理，并总结了物理和化学气相沉积技术制备增透膜的优缺点。然后，重点综述了近年来CVD金刚石表面氮化物、金属氧化物和稀土金属氧化物等增透膜材料的研究进展，详细分析了增透膜制备参数、热处理工艺、衬底表面改性和掺杂工艺对增透膜整体组织和性能影响的规律。其中优化增透膜沉积温度、氧分压和热处理等工艺参数，是通过改变增透膜微观组织形貌以及晶体结构来提高其光学透过性能，而改变衬底表面结构能够通过改变增透膜与基体之间的成键方式来提升界面结合能力，而稀土元素掺杂方式是通过改变增透膜化学组成成分来改善增透膜的光学透过性能，并指出掺杂元素成型机理和影响机制。最后，展望了未来CVD金刚石表面增透膜的发展方向。
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  硅橡胶涂料的研究进展

  朱哲, 吴仲岿, 胡伟, 万小东, 王圳锟, 缪林辉, 徐兵, 代思雨

  表面技术. 2020, 49(10): 118-125. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.013

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  硅橡胶涂料是一种应用十分广泛的多功能涂料。概述了硅橡胶涂料的优点，包括表面能低、机械性能和热性能稳定、耐腐蚀、阻燃等。同时归纳了硅橡胶涂料在改性过程中存在的问题，包括与无机纳米粒子相容性较差，表面处理步骤繁琐等。在此基础上，重点综述了近年来改性硅橡胶涂料在防覆冰、自清洁、阻燃、防腐蚀领域的研究进展。防覆冰硅橡胶涂料改性方式主要有添加纳米粒子改性、添加聚合物改性、对涂层进行表面处理等，同时介绍了表面形貌对结冰机理的影响；自清洁硅橡胶涂料主要通过表面处理、添加纳米粒子或聚合物改性制备；阻燃硅橡胶涂料可以与其他阻燃剂复配使用，同时也能赋予涂覆物自清洁性能；防腐蚀硅橡胶涂料可以通过添加聚合物形成交联网络、添加纳米粒子改性或等离子体氧化制得。针对应用于不同领域的硅橡胶涂料，分别从改性方式的可操作性，添加不同组分对所制备涂料结构与性能的影响，涂料的多功能化等方面进行了归纳，最后展望了硅橡胶涂料未来的研究方向。
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  热障涂层太赫兹无损检测技术研究进展

  叶东东, 王卫泽

  表面技术. 2020, 49(10): 126-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.014

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  太赫兹技术是近年来兴起的一种先进无损检测方法，因其优异的非接触、非电离、高精度和可实现自动化在线检测等技术优势，目前已经在热障涂层性能评价和寿命预测方面展现出巨大的潜力。简要介绍了热障涂层太赫兹无损检测技术的发展概况，分别从陶瓷厚度测量，TGO和冲蚀监测，孔隙、裂纹及应力状态表征方面进行重点分析和总结。指出目前利用太赫兹技术进行单层和多层陶瓷顶层厚度的监测技术已经较为成熟，可以逐步推广到工程应用中。在TGO监测方面，围绕利用太赫兹时域反射峰的时间差和振幅衰减进行TGO厚度监测取得了一定进展，但是检测精度有待进一步提高。在冲蚀监测方面，已经可以较为精确地对冲蚀造成的减薄进行定量检测，不过虽然已经可以对涂层内部渗入的CMAS进行定性判定，但是定量表征方面尚缺乏试验研究。在孔隙监测方面，探索了孔隙率大小对热障涂层的太赫兹频段光学参数变化的影响，提出相对展宽比是在孔隙率测量方面较折射率、消光系数和介电常数，既保留较高测量精度又兼具工程实用性的表征参量，但是目前对孔隙的微结构特征缺乏全方面表征。在裂纹监测方面，通过小波降噪及频域加Hanning窗函数滤波进行反卷积处理，已经可以分辨平行裂纹的位置和宽度，但是对于多条裂纹的监测尚有难度。在应力状态表征方面，发现折射率的改变与应力变化呈现线性关系，并且根据折射率的变化可以反推出光学应变系数，进而获取应力情况，但是目前反射式测量系统还需要进一步开发。最后针对目前热障涂层太赫兹无损检测技术应用现状、存在的问题及未来发展方向进行了总结和展望。
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  激光熔覆碳化钛增强钛基复合涂层研究进展

  张志强, 杨凡, 张天刚, 张宏伟, 张顶立

  表面技术. 2020, 49(10): 138-151. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.015

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  钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性强等显著优点，在航空航天、海洋工程等领域具有广阔的应用前景。然而，钛合金硬度低、耐磨性差，严重制约其在摩擦工况下的使用寿命。激光熔覆技术具有生产效率高、热影响区窄、结合强度高、组织致密等优势，被广泛用于钛合金零部件表面改性和熔覆修复。高硬、高模量碳化钛的热物性参数与钛合金基材相近，常被选作激光熔覆钛基复合涂层的增强相，以提高其耐磨性。介绍了碳化钛的晶体结构、生长形态和性能特点。综述了碳化钛增强钛基激光熔覆材料体系以及工艺参数对熔覆层成形质量、宏观形貌和微观组织的影响。重点从碳化钛增强相的分布、数量、尺度以及相结构等方面，论述了碳化钛增强钛基激光熔覆层的组织特征，同时阐述了碳化钛强化机制，讨论了碳化钛增强钛基激光熔覆层组织特征与耐磨性能的内在关联性。最后提出了目前激光熔覆碳化钛增强钛基复合涂层研究中存在的问题与展望。
表面功能化
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  基于静电喷雾法制备油水分离的超疏水表面研究

  陈逢军, 郝姗媚, 黄帅, 路恩会

  表面技术. 2020, 49(10): 152-160. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.016

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  目的 提出一种静电喷雾法制备超疏水表面而实现油水分离的方法。方法 利用静电喷雾法将二氧化硅微粒喷涂到不锈钢网表面以构建微粗糙结构，利用氟硅烷降低二氧化硅微结构涂层的表面能。探讨静电喷雾的电压、喷涂时间、二氧化硅粒径、溶液pH、浸泡时间等参数，对表面微结构和疏水性能的影响。通过扫描电镜表征样件表面形貌，通过接触角测量仪测量超疏水不锈钢网表面的疏水性能。利用超疏水不锈钢网实现油水分离以检验装置的浮油收集能力。结果 二氧化硅微粒能够在不锈钢网表面喷涂形成均匀粗糙的微结构。在6 kV静电压下，雾化喷涂粒径为25 nm的二氧化硅所获得的超疏水不锈钢网的接触角达161°，在不同pH溶液中浸泡15 d后，接触角仍大于150°，浸泡35 d后，接触角仍大于未处理的不锈钢网。该网可以收集97%以上的柴油和煤油及90%以上的汽油和茶油，且重复使用20次后，仍保持粗糙的表面微结构和高油水分离率。结论 采用静电喷雾法能简单高效地获得超疏水表面，且具有较好的化学稳定性和有效的油水分离能力，具有很广的应用前景。
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  丝网印刷法制备Y改性CuMn2O4尖晶石涂层研究

  张勇, 张宇涛, 张耿飞, 高彬, 晁奕, 蒲健

  表面技术. 2020, 49(10): 161-168. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.017

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  目的 提高SOFC金属连接件CuMn2O4尖晶石涂层高温抗氧化性能和导电性能。方法 采用溶胶-凝胶法制备Y改性CuMn2O4尖晶石粉末，采用丝网印刷技术在SUS430合金表面制备Y改性CuMn2O4尖晶石涂层。利用XRD、SEM表征Y改性CuMn2O4尖晶石粉体及涂层的物相结构及微观形貌。利用氧化增重实验研究Y改性前后CuMn2O4尖晶石涂层试样在800 ℃空气中氧化168 h的高温氧化行为，通过“四点法”测量涂层在高温氧化过程中的面比电阻值。结果 CuMn2O4尖晶石粉末的晶格常数随着稀土Y含量的增大而增大，当Y元素的含量为0.02 mol/L时，晶格常数增幅趋于平缓，此时所得粉体物相结构稳定，结晶程度较好，晶粒尺寸细小且颗粒间团聚现象较少。Y改性前后CuMn2O4尖晶石涂层试样的氧化动力学曲线均遵循抛物线氧化定律，其氧化速率常数分别为9.39×10-5、6.31×10-5 mg2/(cm4?h)。Y改性CuMn2O4尖晶石涂层试样在800 ℃氧化168 h时的面比电阻值约为26.2 m??cm2，低于未改性涂层试样的面比电阻值（约27.3 m??cm2）。结论 Y改性CuMn2O4尖晶石涂层能有效改善金属连接体的高温抗氧化性能和导电性能。
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  环氧树脂/SiO2涂层混凝土表面主动抗凝冰性及除冰性能研究

  鲁浈浈, 何杨, 王杰, 袁治城

  表面技术. 2020, 49(10): 169-175. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.018

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  目的 了解超疏水涂层混凝土路面的抗凝冰性能，克服混凝土路面除冰困难问题。方法 将环氧树脂与无水乙醇混合得到涂料底层，纳米二氧化硅与无水乙醇混合得到涂料面层，分别将涂料底层和面层喷涂于混凝土表面，制备了一种由环氧树脂及二氧化硅纳米颗粒组成超疏水涂层。利用水滴在超疏水表面易滚落的特性来减少低温下混凝土表面的结冰量。同时由于混凝土表面存在超疏水涂层，混凝土表面与结冰接触面之间存在一层空气膜，可大幅减小路面冰层与混凝土接触面间的粘附力，达到易除冰的目的。结果 制备的超疏水涂层有良好的超疏水性，静态水接触角达到152°±1.9°，滚动角约为4°±1.2°；在–20 ℃下，冷冻2 h仍能保持超疏水性；同时，还能大幅度降低混凝土的渗水率。与普通混凝土相比，超疏水涂层混凝土表面的结冰量明显减少，并且冰层与混凝土表面的粘附力仅为普通混凝土的14%，结冰更易清除。结论 超疏水涂层能很好地改善混凝土表面的抗结冰性能，减少混凝土表面结冰量，降低冰层与混凝土表面的粘附力。
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  离子液体对PbO2电极性能的影响

  李晓乐

  表面技术. 2020, 49(10): 176-181. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.019

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  目的 提升PbO2电极寿命以及对酚类废水的电氧化催化活性和选择性。方法 分别添加离子液体1-丁基-3-甲基-咪唑六氟磷酸盐（[BMIM]PF6）和1-乙基-3-甲基-咪唑四氟硼酸盐（[Emim]BF4）至Pb(NO3)2溶液中，用阳极电积法制备了有SnO2+Sb2O3中间层的PbO2电极。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、加速寿命实验、线性扫描和循环伏安测试、电氧化降解实验等考察了不同离子液体的电离产物对电极性能的影响，并与采用F-修饰的常规PbO2电极的性能进行了对比。结果 离子液体修饰的PbO2电极晶粒结晶度高，晶面取向发生改变，晶粒大小均一度高，表面平整致密、棱角多，电极有效表面积和活性点增多，且[BMIM]PF6修饰的PbO2优于[Emim]BF4修饰的PbO2。[BMIM]PF6修饰的PbO2和F-修饰的PbO2的加速寿命和电极性能稳定期分别为168.8、162.6 h和101.2、69.8 h，析氧电位分别为1.71 V和1.59 V。循环伏安显示，[BMIM]PF6修饰PbO2氧化峰电位更小，氧化峰电流更大，相同条件下，[BMIM]PF6和F-修饰PbO2对p-NP废水的电氧化降解率和有机碳去除率分别为95.7%、87.1%和85.2%、61.5%，而电解槽槽压分别为3.26 V和3.47 V。结论 离子液体[BMIM]PF6、[Emim]BF4修饰PbO2电极的结晶度、晶粒均一性、致密性增强，电极活性点增多，且由于两种离子液体电离的离子大小不同，导致对电沉积晶粒的空间位阻不同，使得前者强于后者。晶粒形态和组织结构的差异，使得[BMIM]PF6修饰PbO2对酚类废水的电氧化催化活性、选择性和寿命显著增强。
表面摩擦磨损与润滑
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  AlN对铁基合金等离子喷焊层组织和摩擦磨损性能的影响

  张文旭, 徐露露, 汪锡恒, 李明喜

  表面技术. 2020, 49(10): 182-187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.020

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  目的 加入AlN提高铁基合金的摩擦磨损性能。方法 采用PTA-400E3-HB等离子喷焊设备在Q235钢表面制备添加AlN的铁基合金喷焊层。通过光学显微镜、扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）研究喷焊层的组织和相结构。利用显微硬度计、摩擦磨损试验机和台阶仪对喷焊层的硬度和摩擦磨损性能进行测试。结果 添加AlN的喷焊层主要物相为α-Fe、γ-Fe和(Fe,Cr)7C3。未添加AlN的喷焊层由等轴晶组成，添加AlN的喷焊层呈现柱状树枝晶，且随AlN量增加，树枝晶组织愈加粗大。添加1%AlN喷焊层的平均显微硬度最高，为(890.1±46.8)HV0.3，比铁基喷焊层的显微硬度高131.6HV0.3；当AlN含量增加，未转变奥氏体量增加，导致喷焊层的硬度降低。加入AlN的喷焊层的摩擦系数均降低，摩擦系数稳定在0.40~0.57之间。当AlN添加量为3%时，喷焊层的磨损形貌最光滑，磨损率为1.15×10-14 m3/(N?m)。添加AlN后，喷焊层的磨损机理从之前的粘着磨损变为磨粒磨损。结论 添加AlN能提高铁基喷焊层的摩擦磨损性能。
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  Mg-Gd-Y-Zr合金TIG电弧熔覆层微观组织演变及力学性能研究

  王绿原, 马佳云, 王克鸿, 付扬帆, 李忠盛, 张隆平

  表面技术. 2020, 49(10): 188-197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.021

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  目的 在AZ91D镁合金表面熔覆Mg-Gd-Y-Zr合金，分析熔覆层微观组织演变规律及其对熔覆层力学性能的影响。方法 采用直流脉冲钨极氩弧焊（DC PTIG welding），在不同平均电流下，将Mg-Gd-Y-Zr合金焊丝送入AZ91D镁合金熔池，制备熔覆层。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪及X射线衍射仪，分析不同平均电流条件下的熔覆层微观组织。基于显微维氏硬度仪与往复式滑动摩擦磨损设备，表征熔覆层硬度及摩擦学性能。结果 熔覆层微观组织主要由α-Mg、Mg24(Gd,Y)5及Al2(Gd,Y)相组成。熔覆层呈现明显分层特征，主要是由晶界Mg24(Gd,Y)5相分布差异造成。平均电流增大，熔覆层中心晶粒尺寸先保持不变，而后快速增大，Al2(Gd,Y)相由细小弥散颗粒变为团聚状分布，晶界Mg24(Gd,Y)5相则由连续网状演变为不连续岛状，直至变为细小颗粒状。熔覆层硬度随平均电流增加，呈现略微上升，随后快速下降的趋势，其最高硬度达90.8HV。摩擦磨损测试过程中，平均电流为110 A所得熔覆层失重速率小于AZ91D基材。结论 采用DC PTIG在AZ91D基体表面成功制备了耐磨性能优于基体的含Gd、Y稀土元素的熔覆层，稀释率决定熔覆层Al2(Gd,Y)相形貌及分布规律。
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  嵌入式PVL改性TMT润滑油基础油合成及摩擦学性能

  刘宣池, 管述哲, 董孝宇, 吴进喜, 马玉苗

  表面技术. 2020, 49(10): 198-204. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.022

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  目的 偏苯三甲酸酯（TMT）因较差的黏温性能，限制了其在润滑行业中的应用。将聚戊内酯（PVL）嵌入到TMT分子结构中进行化学改性，显著提高TMT基础油的黏温性能。方法 以钛酸四丁酯（TBT）为引发剂，在60 ℃下引发δ-戊内酯（DVL）开环聚合生成四臂星型聚戊内酯（4-PVL），然后在酸性条件下水解得到羟基端线型聚戊内酯（L-PVL），再与偏苯三甲酸酐（TMA）反应生成嵌入式聚合物中间体，最后与异丁醇完全酯化得到PVL改性TMT润滑油基础油。通过1H-NMR、FTIR、TG、Mass spectrum等测试手段对改性基础油进行分析。通过ASTM标准对改性基础油进行黏度、黏度指数、倾点测试，并通过扫描电子显微镜对磨痕形貌进行分析。结果 改性TMT润滑油基础油在黏温性能、热稳定性能、抗磨性能等方面都优于未改性基础油。改性TMT基础油的黏度指数随着嵌入链长度的增加而增大，4聚PVL改性TMT基础油的黏度指数从8上升至103；同时，嵌入聚合物增强了基础油的热稳定性，起始氧化分解温度从203 ℃上升至250 ℃。此外，改性基础油的抗磨性能也有所提高，平均磨斑直径从1330 μm降低至1028 μm。 结论 实验结果表明，以PVL为嵌入链，通过化学手段对TMT基础油进行改性，实现了改性TMT基础油品质及性能显著提升的目的。通过性能与成本优化，确定4聚PVL改性TMT基础油的综合性能最优。
表面失效及防护
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  轨梁BD1轧辊表面激光熔覆改性技术

  甘伟, 徐科, 刘涛, 徐金梧, 焦建鹏, 周东东

  表面技术. 2020, 49(10): 205-213. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.023

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  目的 解决轨梁轧制过程中BD1轧辊耐磨性低且易沾钢的问题。方法 采用激光熔覆技术，研究熔覆层材质适用性，设定化学成分组分以析出大量碳化物为主要目标，同时考虑耐磨性、抗冷热疲劳性、焊接性能，采用正交试验研究C、Cr、Ni、Mo、W、Si、B元素在激光熔覆材料中的作用，由金相法检测晶粒取向及放大500倍观察微观裂纹评判确定最佳的粉料化学成分，并分析了熔覆材料的宏观硬度、金相组织等材料性能。同时，研究了激光功率、线速度、搭接量和送粉量等熔覆工艺参数对BD1轧辊表面质量的影响。结果 轨梁BD1轧辊孔型表面激光熔覆改性技术后，由于熔覆层表面形成了一层与轧材显著不同的金相组织，使得“焊合”现象不再发生，消除了粘钢现象。熔覆层氧化膜具有较高的耐磨损性能，提高了轧辊耐磨性。良好的冶金结合保证了熔覆层具有足够的抗压、抗冲击、抗机械疲劳和冷热疲劳能力。经过激光熔覆后，过钢量由原来的不足1000 t可以提高到6000 t以上。结论 激光熔覆改性处理改变了BD1轧辊表面材料，克服了粘钢现象，提高了其耐磨性，实现了BD1轧辊的高效循环利用，显著地提高了轨梁BD1轧辊的使用寿命。
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  强流脉冲电子束作用下CrFeCoNiMo0.2高熵合金微观结构变化与耐蚀性能研究

  陈亚楠, 吕鹏, 张舒窈, 张从林, 蔡杰, 李玉新, 关庆丰

  表面技术. 2020, 49(10): 214-223. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.024

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  目的 提高CrFeCoNiMo0.2高熵合金的耐腐蚀性能。方法 采用强流脉冲电子束(HCPEB)辐照非等原子比CrFeCoNiMo0.2高熵合金(HEA)表面。通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析了辐照表面的微观结构和腐蚀形貌。利用CHI760C电化学工作站，在质量分数为3.5%的NaCl溶液中，研究HCPEB辐照处理前后合金的抗腐蚀性能。结果 XRD分析表明，辐照样品表面发生了明显的取向变化，在(200)晶面上表现出择优取向。微观结构观察表明，在HCPEB辐照后，合金表面发生重熔，形成熔坑和厚度约为3~5 μm的致密重熔层。随着脉冲数量的增加，凹坑的密度和尺寸明显减小。此外，HCPEB处理消除了烧结合金中的孔隙和成分偏析，实现了组织和成分的均匀化。动电位极化曲线表明，与烧结样品相比，辐照样品在3.5%（质量分数）的NaCl溶液中具有更正的腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度。Nyquist和Bode图的结果表明，在HCPEB辐照后，样品表面具有良好的电容行为和耐腐蚀性，其中辐照次数为30次时，样品的耐腐蚀性能最好。结论 HCPEB消除了烧结合金表面的组织缺陷，促使表面的元素分布更加均匀，进而提高了CrFeCoNiMo0.2高熵合金的耐腐蚀性能。
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  电火花沉积修复铝合金组织与可降解性能

  张建斌, 张雷雷, 刘航, 容煜, 焦凯, 石玗

  表面技术. 2020, 49(10): 224-232. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.025

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  目的 采用电火花沉积技术修复铝合金铸造缺陷。方法 采用两种电极（ER5356电极和自制电极），在优化电火花沉积工艺条件下，修复铝合金表面气孔，系统研究电火花沉积工艺、电极材料、沉积气氛对修复层的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱仪（EDS）对修复层界面组织和成分进行表征；用显微硬度计测试修复层的硬度；用电化学工作站测试修复层的Tafel曲线，在水浴中测试修复层的降解速率，从热力学与动力学两方面对修复层的降解性能进行全面评价。结果 在氩气气氛中的最佳修复工艺参数为：频率5000 Hz，电容150 μF，沉积角度45°，此时的热输入为0.480 J。在氩气气氛中的修复层组织致密，且元素均匀分布，减小了成分偏析。由于消除了枝晶，修复层的硬度相对于基体的硬度略有提高。自制电极修复层的自腐蚀电位（–1.493 V）低于基体的自腐蚀电位（–1.421 V），ER5356电极修复层不溶于水，自制电极修复层降解速率稍快于基体。结论 使用电火花沉积技术，可对3.5英寸压裂球表面缺陷进行修复，经测试，硬度和降解性能达到工程指标。
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  泡沫铝表面Ni-W共沉积及性能研究

  杜中德, 刘欢, 沈浩田, 何世伟, 华中胜

  表面技术. 2020, 49(10): 233-238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.026

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  目的 进一步提高泡沫铝材料的强度及耐蚀特性，同时明确金属涂覆泡沫铝材料的综合耗能指标。方法 对泡沫铝表面预镀镍层后，在硫酸盐体系下，利用脉冲电镀进行镍钨合金共沉积。通过准静态压缩测试及扫描电镜分析，得到泡沫铝、预镀镍泡沫铝及镍钨共沉积泡沫铝材料的特征曲线及变形模式，综合分析材料的增强机理及综合耗能指标。采用电化学测试对比分析材料耐蚀特性。结果 泡沫铝表面共沉积镍钨合金层后，其峰值应力比镀镍泡沫铝平均提高了10%，较基体泡沫铝平均提高了约45%。强度提高来源于变形过程中包覆金属的支撑及铝基体-镍镀层界面处的拉伸撕裂。镍钨合金共沉积使泡沫铝的能量吸收增加38%，吸能效率有所提升，且其自腐蚀电位较镀镍泡沫铝及基体泡沫铝明显正移，腐蚀倾向及腐蚀速率降低。结论 泡沫铝表面镍钨合金共沉积使其强度、耐蚀性较镀镍泡沫铝进一步提高。由于特征曲线及变形模式的改变，镍钨共沉积泡沫铝的耗能特性提升明显。
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  飞机蒙皮材料在醋酸钾型除冰液中腐蚀行为研究

  胡豪, 林修洲, 窦宝捷, 梅拥军, 羊锋, 罗淑文, 赵薇

  表面技术. 2020, 49(10): 239-246. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.027

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  目的 评价醋酸钾型除冰液能否用于飞机除冰以及对飞机蒙皮材料腐蚀性的影响。方法 采用AutoLab电化学工作站对飞机蒙皮材料在不同浓度缓蚀剂、无缓蚀剂醋酸钾型除冰液中的干湿交替腐蚀电化学行为进行分析，通过扫描电镜观察其腐蚀前后表面形貌及涂层/基体金属界面形貌。结果 无缺陷飞机蒙皮涂层在除冰液中的阻抗模值高达2.78×1010 Ω?cm2，而缺陷涂层的阻抗模值只有1.72×107 Ω?cm2，说明缺陷破坏了涂层的完整性，降低了涂层的阻抗模值，明显加速了飞机蒙皮材料的腐蚀。带缺陷飞机蒙皮试样经除冰液腐蚀不同周期后的低频区Rct存在较大变化，试样在高浓度无缓蚀剂除冰液中的Rct始终低于在低浓度溶液中的Rct；试验初期，试样在高浓度除冰液中的Rct较大，说明此时缓蚀剂浓度较高，缓蚀作用明显；但随着腐蚀周期的延长，Rct逐渐减小，说明缓蚀剂逐渐失效，高浓度除冰液的腐蚀性逐渐增强并高于低浓度除冰液。腐蚀实验后，飞机蒙皮涂层表面和涂层/基体金属界面处存在一定的腐蚀产物；人造缺陷破坏了涂层的完整性，降低了涂层的结合力，甚至产生局部剥离，造成除冰液浸入，在划痕处发生了较严重的膜下腐蚀。结论 醋酸钾型除冰液对飞机蒙皮材料存在一定的腐蚀性，尤其是当涂层存在缺陷时，腐蚀较为严重。
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  聚氨酯型可自修复涂料的制备及性能研究

  菅晓霞, 宋育芳, 梁益, 赵盟辉, 周伟良, 肖乐勤

  表面技术. 2020, 49(10): 247-252. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.028

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  目的 制备一种具有自修复性的涂料，评价并分析涂层的自修复机理和自修复效率。方法 通过预聚体法，将聚己内酯和异佛尔酮二异氰酸酯在氮气气氛预聚后，降温加入双硫扩链剂和交联剂反应，在得到的产物中加入溶剂、消泡剂、流平剂等，得到聚酯型聚氨酯可自修复涂料。采用红外和拉曼光谱进行化学结构表征，采用百格实验和邵氏硬度计进行附着力和硬度测定，通过三维视频显微镜和拍照记录涂层在不同温度、不同损伤程度和不同厚度下的自修复时间，考察该涂层的自修复性能。采用热重分析仪对样品进行热性能表征。结果 拉曼光谱中510 cm-1处S—S键的特征峰和640 cm-1处C—S键的特征峰清晰可见，涂料的附着力为1级，邵A硬度为73。自修复速率随温度升高而加快，自修复时间从室温下300 min，缩短至100 ℃下5 min，不同厚度和不同损伤程度涂层的自修复能力不同。热重分析表明，该涂层的热稳定性随交联程度的增加而提高，所有涂层的热分解温度都高于334.6 ℃。结论 具有自修复功能的双硫键被成功引入聚氨酯结构中，得到的自修复涂层的硬度和热稳定性均满足常规使用要求，该涂层的自修复能力受修复温度、涂层厚度和损伤程度的影响明显。
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  正交优化带油特种钢材表面高温耐磨涂料

  张爱黎, 徐景雨, 夏春雷, 袁志华

  表面技术. 2020, 49(10): 253-259. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.029

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  目的 改善特种钢材在高温、中低速等恶劣工况服役条件下的摩擦磨损性能。方法 采用涂料制备技术对带有二甲基硅油处理的特种钢材进行表面处理。以环氧E-51树脂为基料，可膨胀石墨、CaF2等高温耐磨材料为颜填料，制备了一种适用于特种钢材表面带油涂装的涂料，并以高温磨损、热失重率、腐蚀电流密度等共同作为评价标准，其中高温磨损作为主要评价标准。在单因素实验的基础上进行正交优化试验，利用熵权法将9组正交优化试验进行分析。结果 优化试验结果表明，当颜基比为1.2∶1、石墨用量为35%、CaF2用量为22%、玻璃鳞片用量为18%时，漆膜的高温磨损率仅为0.97%，200 ℃热失重率仅为5.41%，400 ℃热失重率为37.84%，腐蚀电流密度仅为1.337′10-7 A/cm2，漆膜的综合性能最好，其他性能也同样满足国家标准，其中漆膜的耐碱性能远大于国家标准。结论 通过综合加权法计算的正交优化方案的性能比正交9组试验有较为明显的提高，其中高温耐磨率由2.5%降低至0.97%，腐蚀电流密度由2.61′10-7 A/cm2降低至1.337′10-7 A/cm2，而耐高温性能也由原本的最高350 ℃提高到400 ℃。
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  具有氧化还原活性的杂化电泳涂料制备及其性能研究

  赵明昕, 季磊, 魏玮, 李小杰, 刘晓亚

  表面技术. 2020, 49(10): 260-267. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.030

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  目的 通过简单共混的方式在聚合物涂层中引入苯胺四聚体/碳纳米管（TC）复合材料，依靠复合材料本身的电化学活性，在金属表面形成钝化层，以此来改善涂层防腐性能。方法 以甲基丙烯酸二甲氨乙酯（DMAEMA）、N-羟甲基丙烯酰胺（NMA）、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、丙烯酸异辛酯（EHA）和苯乙烯（St）为原料，制备阴极电泳涂料。同时依靠π—π等相互作用，制备苯胺四聚体/碳纳米管复合材料，并将其引入上述电泳涂料中，通过电沉积在金属表面制备涂层。结果 电化学测试结果表明，当碳纳米管（CNTs）的添加量为苯胺四聚体（TANI）的0.5倍时，复合材料电化学活性最佳。当pH>4时，TANI电化学活性消失，而TC依旧保持一定的电化学活性。超景深显微镜照片表明，随着复合材料的添加量增多，团聚现象明显，当添加量为树脂质量的3%时，分散性最佳。极化曲线也表明，复合材料添加量为树脂的3%时所得涂层防腐性能最优。结论 制备的复合材料在宽的pH条件下均存在氧化还原活性。将其加入电泳涂料后，提升了涂料的防腐蚀性能，所得的涂层光滑平整。
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  自然环境-疲劳交替作用对2024典型连接结构累积损伤的影响研究

  苏艳, 钟勇, 苏虹, 王成章, 吴帅

  表面技术. 2020, 49(10): 268-275. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.031

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  目的 揭示自然环境和疲劳交替作用下，2024典型连接结构环境损伤规律与损伤机制。方法 采用静态暴露试验和静态暴露-疲劳交互试验，对比研究2024典型连接结构的累积损伤特性和疲劳寿命退化规律。通过电液伺服材料试验机测试不同试验周期的试样疲劳寿命，利用环境扫描电镜（SEM）和金相显微镜（OM）观察和表征试样疲劳断口形貌及微观腐蚀特征，利用X射线应力分析仪测量了周期加载引起的孔边残余应力变化。结果 金相分析结果表明，周期疲劳加载对2024连接结构的腐蚀损伤进程有一定加速性，交互试验2年的腐蚀深度（51.9 μm）大于静态暴露试样（47.0 μm）。中值疲劳寿命变化曲线显示，相同环境腐蚀条件下，静态暴露的试样疲劳寿命较“疲劳+静态暴露”交互试验方式有所提高，裸材试样的中值疲劳寿命约为交互试验的1.5～2.3倍，带涂层试样的中值疲劳寿命约为交互试验的1.1～1.4倍。紧固孔周边残余应力检测数据表明，受外加交变应力和环境腐蚀的叠加作用，孔边残余压应力逐渐减小，产生局部塑性变形，这会对疲劳寿命造成不利影响。结论 “疲劳+静态暴露”交互试验条件下的试样疲劳寿命退化与低载锻炼效应和电化学效应相互竞争、孔边残余压应力变化及微动磨损密切相关，从而呈现出先升高、后小幅振荡下降的趋势。
膜层材料与技术
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  各向异性硬质薄膜/柔软基底系统的表面屈曲分析

  陈智轩, 国凤林

  表面技术. 2020, 49(10): 276-285. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.032

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  目的 研究有限尺寸矩形正交各向异性薄膜/基底系统在单向压缩下的表面屈曲。方法 采用Kirchhoff-Love薄板理论和von Kármán板理论分析了临界应变和后屈曲形貌演化，考察了材料的各向异性性质及薄膜的几何参数对表面屈曲行为的影响。结果 一般来说，薄膜/基底系统的初始屈曲总是对应于多个波峰，在薄膜长度相同的条件下，薄膜宽度的改变可以影响波峰的数目。在薄膜的各向异性性质特别强烈的时候，薄膜/基底结构表现出一些显著的特点。其中之一是在外加应变超过临界应变之后，边缘幅值随着薄膜宽度的增大而增大，而中心幅值则急剧减小。结论 中心和边缘幅值的差距越来越大，最终导致薄膜后屈曲形貌幅值在宽度方向上的巨大差异，并预示随着外加应变的逐渐增大，宽度方向可能演变出其他的屈曲模式。
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  多维高频振动对激光熔覆成形几何形貌的影响研究

  俞晓文, 姚喆赫, 张操棋, 邢飞, 姚建华, 聂艳斌

  表面技术. 2020, 49(10): 286-293. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.033

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  目的 面向激光表面改性及再制造发展需求，针对激光熔覆过程控形问题，揭示多维振动对激光熔覆涂层几何形貌及多道搭接成形质量的作用机制。方法 开展多维振动辅助激光熔覆成形316L涂层实验研究，对单道及多道激光熔覆层横截面形貌进行分析。采用多物理场有限元分析软件，建立多维振动辅助激光熔覆成形模型，并分析熔覆层表层温度梯度。结果 数值模拟表明，施加二维振动后，熔池表面流速提高了31.00%，表面流速的提高促进了熔池向外扩展，最高温度梯度减小39.08%，熔覆层横截面几何形貌因温度和流速的变化发生了明显改变。实验结果表明，相比于无振动作用，在一维、二维、三维振动作用下，熔高分别减小了18.97、33.94、44.50 μm，熔宽分别增加了27.70、36.90、63.34 μm，润湿角最高降低了23.42%。在多道搭接过程中，润湿角增大到某一阈值时，部分搭接区域因吸收激光能量不足而使该处不发生熔化，粉末熔化后难以完全填充角落，致使激光多道熔覆时的熔覆层底部产生气孔，成形质量降低。施加多维振动通过降低润湿角，可以减小多道熔覆中的气孔发生率。结论 多维振动通过影响温度梯度有效改善了熔覆层的润湿性，减少了熔覆层气孔的发生率，提高了熔覆层的成形质量。
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  原位金属间化合物对冷喷涂Al-Ni增材沉积体力学性能的影响

  李旭, 王强, 杨驹, 牛文娟, Ming-xing ZHANG, 李洋洋, 钱润玲, 韩瑜

  表面技术. 2020, 49(10): 294-302. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.034

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  目的 研究Ni元素的添加及热处理工艺对冷喷涂Al-Ni沉积体的微观组织结构、相组成及力学性能的影响。方法 预先采用冷喷涂技术制备Al沉积体、Al-25%Ni（以下称为AlNi25）沉积体，再将制得的沉积体放入具有氩气气氛的管式加热炉中进行热处理。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度仪、X射线衍射仪与万能拉伸试验机，对试样显微组织、物相组成及力学性能进行测试分析。结果 经过热处理的AlNi25沉积体的物相主要为Al、Al3Ni。由于热处理过程诱发了柯肯达尔效应，AlNi25沉积体的孔隙率由喷涂态的1.4%增加到热处理态的2.5%。喷涂态Al沉积体的硬度为44.2HV0.2，在500 ℃下对沉积体进行热处理后，由于发生回复与再结晶，硬度值降为26.72 HV0.2。喷涂态AlNi25沉积体的硬度为49.2HV0.2，经过热处理后，生成的Al3Ni金属间化合物对沉积体的强化效应与热处理的软化效应相当，导致最终热处理态AlNi25沉积体的硬度为50.5HV0.2，与喷涂态AlNi25沉积体硬度值差别较小。喷涂态Al沉积体、AlNi25沉积体的抗拉强度分别为57、65 MPa，经过热处理后，沉积体内颗粒间的原有界面消失，热处理态的Al沉积体、AlNi25沉积体的抗拉强度分别为64.7、107 MPa。同时，经过热处理后，两种沉积体的塑性变形能力得到了有效提升。未热处理时，两种沉积体基本没有塑性；热处理后，Al沉积体、AlNi25沉积体的塑性得到有效提升，塑性应变分别为3.7%、0.97%。结论 对冷喷涂AlNi25沉积体进行热处理，原位生成了Al3Ni金属间化合物，有效提高了沉积体的硬度、抗拉强度以及塑性变形能力。
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  保温时间对二维二硫化钼生长的影响

  熊礼威, 王凯, 李鑫, 陶雪华, 崔宇

  表面技术. 2020, 49(10): 303-308. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.035

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  目的 研究二维MoS2薄片的生长规律，为将来过渡金属硫族化合物薄膜的生长提供理论参考与技术经验。方法 采用化学气相沉积法（CVD）制备MoS2薄片，且仅改变薄片生长的保温时间。通过光学显微镜、扫描电镜（SEM）和拉曼光谱分析探究MoS2薄片的生长规律。结果 MoS2薄片由最初的形核点逐渐生长为中心有亮点的三角形（形核点MoS2拉曼光谱特征峰波数差为20.25 cm-1）进一步生长为完整三角形的MoS2薄片（拉曼光谱特征峰波数差为18.32 cm-1）。随着保温时间的延长，薄片之间开始“拼接”成膜，并最终在此膜层上再次形核生长出体相MoS2薄片。结论 二维MoS2薄片的生长模式随着生长阶段而表现不同，最开始以非二维生长模式产生形核点，而非形核点区域以二维生长模式进行生长。在持续长大阶段，薄片以二维生长的模式为主导。在“拼接”阶段，出现多层MoS2区域。在第二层生长阶段，MoS2薄片以三维生长的模式生长。
表面质量控制及检测
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  单晶碳化硅的电磁场励磁大抛光模磁流变抛光

  尹韶辉, 邓子默, 郭源帆, 刘坚, 黄帅, 尹建刚, 卢建刚, 彭博

  表面技术. 2020, 49(10): 309-315. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.036

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  目的 研发一种高精高效单晶碳化硅表面抛光技术。方法 采用电磁场励磁的大抛光模磁流变抛光方法加工单晶碳化硅，利用自制的电磁铁励磁装置与磁流变抛光装置，进行单因素实验，研究电流强度、工作间隙和抛光时间等工艺参数对单晶碳化硅磁流变抛光加工性能的影响，并检测加工面粗糙度及其变化率来分析抛光效果。结果 在工作间隙1.4 mm、电流强度12 A的工艺参数下，加工面粗糙度值随着加工时间的增加而降低，抛光60 min后，加工面粗糙度值Ra达到0.9 nm，变化率达到98.3%。加工面粗糙度值随通电电流的增大而减小，随着工作间隙的增大而增大。在工作间隙为1.0 mm、通电电流为16 A、加工时间为40 min的优化参数下抛光单晶碳化硅，可获得表面粗糙度Ra为0.6 nm的超光滑表面。结论 应用电磁场励磁的大抛光模盘式磁流变抛光方法加工单晶碳化硅材料，能够获得亚纳米级表面粗糙度。
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  铁电效应对钽酸锂固结磨盘加工的影响研究

  刘敏, 凌洋, 袁巨龙, 杭伟

  表面技术. 2020, 49(10): 316-323. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.037

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  目的 研究铁电效应对钽酸锂加工的潜在影响。方法 选用3000#的金刚石粉料制作的金刚石丸片，将其固结在设计的夹具中制成一种新型固结磨盘，并与游离磨料研磨加工结果进行比较，然后采用恒温水浴装置将冷却液温度控制在低温状态，并添加电解质溶液，以材料去除率、表面形貌及粗糙度作为指标，进一步分析铁电效应对固结磨盘加工钽酸锂的结果影响。结果 游离磨料加工10 min后，钽酸锂晶片表面粗糙度Sa从初始的419.112 nm降至232.319 nm，材料去除率MRR为36.78 μm/h，晶片表层存在磨粒嵌入、大量凹坑及深划痕等缺陷，且研磨过程中易破损。同样的加工条件下，固结磨盘研磨钽酸锂晶片的表面粗糙度Sa从419.112 nm降到97.004 nm，材料去除率MRR为57.19 μm/h，相对于游离磨料加工结果，晶片表面磨粒嵌入情况极少，划痕深度变浅、凹坑数量减小，表面更光滑。在冷却液温度为5 ℃并添加0.5%（体积分数）的电解质溶液时，使用固结磨盘研磨10 min后，表面粗糙度Sa进一步下降到37.943 nm，材料去除率为58.75 μm/h。材料表面无磨粒嵌入，无较深沟槽和凹坑，仅存在少许浅划痕。结论 相同加工条件下，固结磨料比传统游离磨料研磨后的表面粗糙度值更低，表面质量更好，去除率更高，加工效率和成品率更优。低温状态和加入电解质溶液能够有效抑制钽酸锂的内应力，防止裂纹产生及扩展，改善晶片的表面损伤，进一步提高了晶片表面质量。
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  基于BP和RBF神经网络的表面质量预测研究

  彭彬彬, 闫献国, 杜娟

  表面技术. 2020, 49(10): 324-328. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.038

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  目的 研究RBF和BP神经网络在铣削加工中的作用，实现对铣削加工质量的预测，改善铣削性能。方法 对环形铣刀与常用的球形铣刀进行对比，然后基于MATLAB平台，建立以铣削速度、进给量和铣削深度为输入参数，表面粗糙度为输出参数的RBF神经网络模型。通过大量的试验数据对RBF神经网络模型进行训练，然后再用训练好的RBF神经网络模型预测表面粗糙度，将预测值与实测值进行比较，验证RBF神经网络的预测性能。将训练好的BP神经网络模型与RBF神经网络所建模型的预测结果进行比较。结果 发现用RBF方法预测的表面粗糙度相对误差的绝对值不超过6%，最大误差为0.056 098，平均误差为0.022 277，而BP方法的最大误差为0.074 947，平均误差为0.036 578。结论 环形铣刀加工质量更好。RBF神经网络的预测精度较高，具有比BP神经网络更优的预测能力，且拥有建模时间短、收敛速度高、训练过程稳定以及学习速度快等优点，能有效进行铣削质量预测。
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  铝合金锥镜化学增强力流变抛光优化实验研究

  杨易彬, 吕冰海, 宋志龙, 邵琦, 柯明峰, 袁巨龙, Duc-nam Nguyen

  表面技术. 2020, 49(10): 329-337. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.039

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  目的 为获得光滑表面并提高铝合金（Al 6061）锥镜全景反射光路集中度，采用力流变抛光方法去除工件在金刚石刀具切削后划痕、凹坑和凸起等表面缺陷，并消除这些表面缺陷导致的锥镜发射光路散射。方法 通过田口法分析力流变抛光过程中四个关键工艺参数——抛光速度、CeO2磨粒的组分（平均粒径为1.6 μm的大颗粒）/（平均粒径为200 nm的小颗粒）、磨粒浓度和抛光液pH值对抛光后工件表面粗糙度的影响。同时，对铝合金锥镜反射光路集中度进行了观测实验，讨论了表面形貌对反射光集中度的影响。结果 用信噪比分析发现，实验条件下抛光液pH值对抛光后的表面粗糙度影响最大，抛光速度和磨粒浓度次之，CeO2磨粒组分影响最小。优化得到的最佳抛光参数组合为：大/小磨粒组分比7∶3，磨粒质量分数4.5%，抛光速度1.38 m/s，抛光液pH=5。在该条件下抛光20 min后，表面粗糙度（Ra）从64.9 nm降低至8.1 nm，基本消除了切削的表面缺陷。结论 利用力流变抛光方法可以有效去除铝合金锥镜表面金刚石切削后的表面缺陷。铝合金材料硬质点Mg2Si对抛光后的表面形貌有重要影响，在优化的力流变抛光条件下，通过化学反应与磨粒机械去除的平衡，可以同时去除工件基体材料和硬质相，获得没有凹坑和凸起的光滑表面。
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  电解抛光法制备铝合金EBSD试样方法研究

  何敏, 朱易捷, 赵恩兰, 颜林泉

  表面技术. 2020, 49(10): 338-345. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.040

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  目的 为在导电单相金属中获得高质量EBSD试样表面，研究电解抛光法制备铝合金试样的方法，并提供理论支持。方法 基于Jacquet黏膜模型和金属阳极原理，提出利用阳极极化曲线、电流-时间曲线和扫描电镜二次电子图像获得电解抛光工艺参数，批量制备铝合金EBSD试样的理论方法。采用恒电位法中的静态法记录稳定的电压-电流走势，以获得电流稳定的实验时间，在90 s内进行各电压下的电解抛光实验，获得电压与稳定电流的对应关系，并绘制阳极极化曲线。电流由持续稳定转至持续上升后的斜率与电压横坐标相交处为理论最低分解电压值。结合扫描电镜二次电子图像在最低分解电压以上观察抛光表面。结果 获得最优抛光电压值为31 V。利用电流随时间的变化曲线，结合黏膜模型分析，并通过扫描电镜二次电子图像验证，最优电压下的最佳抛光时间为12 s，该值是电流-时间曲线中的电流最低点。此工艺使制备的铝合金EBSD样品标定率为97%，是理想的电解抛光工艺。结论 采用阳极极化曲线获得的最优电压和最优电压下的最小电流规律由Jacquet黏膜模型支持，其所获得的电解抛光工艺能够制备出优质的样品表面，也能够为其他金属块体导电材料和其他需要电解抛光的实验类型提供获得最佳电解抛光工艺值的理论方法。
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  基于功能参数的渐进成形件表面质量表征研究

  赵仕宇, 周超, 詹艳然

  表面技术. 2020, 49(10): 346-352. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.041

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  目的 以圆锥台成形件为例，基于粗糙表面的区域支承率曲线，进行了用功能参数表征表面几何形貌的研究，以全面、准确、定量地表征渐进成形件的表面质量，预测表面性能。方法 用渐进成形工艺加工成形角分别为35°、45°和55°的圆锥台件，将各圆锥台的成形面分为顶部、中部和底部三个区域，并使用三维表面轮廓仪，在上述三个区域中随机测量各4个样本。根据ISO 25178-2:2012，将各样本表面的区域支承率曲线分为峰区、核心区和谷区，选用部分功能参数——核心区高度Sk、峰区材料体积Vmp、核心区材料体积Vmc和谷区空隙体积Vvv表征表面，并与常用的高度表征参数——Sa、Sq、Ssk和Sku进行比较。结果 成形件表面的Ssk和Sku的计算值极不稳定，变异系数（标准偏差与均值之比）最高值分别可达127.67%和39.11%，Sa、Sq的最大变异系数分别为4.41%和4.26%，虽然它们的参数计算值较为稳定，但常无法体现表面形貌的实际差异。功能参数独立表征不同功能区，Sk和Vmc的最大变异系数分别为9.32%和7.73%，说明同一表面各处，在长期工作阶段具有较为一致的表面性能，Vmp和Vvv的最大变异系数分别为60.53%和31.25%，说明表面各处峰、谷区的形貌有所不同，因而在磨合时间、磨粒存储等方面会有不同的表现。结论 粗糙表面的三维本质要求用三维表征参数才能全面表征其几何形貌。高度参数虽然计算简单，但常难以解读它们的物理意义，无法定量评价表面性能；功能参数具有明确的物理意义，可为表征表面质量、预测表面性能提供定量、实用的方法。
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  高锰钢精密超精密镜面加工技术及试验研究

  关佳亮, 徐真真, 张孝辉, 尚海洋, 郭奎崇, 王建杰

  表面技术. 2020, 49(10): 353-361. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.042

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  目的 利用ELID磨削技术对ZGMn13Cr2高锰钢进行精密超精密镜面磨削加工试验研究，解决其加工性能差的问题，以提升表面质量，采用二次回归通用旋转设计试验，探究不同试验因素对ZGMn13Cr2高锰钢加工表面质量的影响规律，并对各因素工艺参数进行优化。方法 对MSG-612 CNC超精密成型平面磨床进行ELID磨削工艺模块化改造后，采用240#、W10粒度的金属结合剂金刚石砂轮对直径f50 mm、厚度10 mm的样件进行ELID磨削加工，对比两种粒度砂轮的加工效果。应用二次回归通用旋转设计进行工艺试验，搭建表面粗糙度二次回归数学模型，探究不同试验因素对工件表面质量的影响程度，使用判定系数R2检验二次回归模型对实际情况的拟合程度。最后，由lingo软件对二次回归数学模型进行优化，得出ZGMn13Cr2高锰钢ELID磨削各试验因素工艺参数的最佳组合。结果 经W10金属结合剂金刚石砂轮加工后，样件获得较高精度的镜面效果，两种粒度所加工的样件表面均无烧伤。判定系数R2检验二次回归模型对实际情况的拟合度为99.24%，模型的预测结果对实际加工有指导意义。优化得出的最佳工艺参数组合为：砂轮线速度35 m/s，电解电压90 V，砂轮进给量2 μm，电解间隙0.734 mm。结论 ELID精密超精密镜面磨削加工技术可大幅提高ZGMn13Cr2高锰钢的加工效率和加工精度，减少工件表面烧伤，在高锰钢磨削加工方面具有良好的应用价值。
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  一种基于改进Faster RCNN的金属材料工件表面缺陷检测与实现研究

  代小红, 陈华江, 朱超平

  表面技术. 2020, 49(10): 362-371. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.10.043

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  目的 针对传统检测算法在工件表面缺陷检测上的局限性，以及检测精度不高、准确率较低、检测过程繁琐等问题，提出了一种基于改进RCNN的金属材料工件表面缺陷检测算法。方法 图像预处理过程中，运用了图像缺陷定位标注与图像数据的增强处理的方法。模型训练时为了避免某些分类数据不足，防止因数据集过小导致系统测试模型出现过拟合现象，使用了对原图像进行数据扩增处理。检测网络模型设计时，采用非极大值抑制算法对缺陷图像进行候选区域筛选，构建了区域建议网络，实现网络多层特征的复用和融合，在减少候选区域冗余的基础上提高系统的检测精度。引入多级ROI池化层结构设计算法，消除ROI池化取整而产生的系统偏差，实现高效并准确检测零件表面缺陷的目的。基于ROI-Align算法的原图位置坐标改进，利用双线性插值法获得原图的位置坐标，克服了基于最近邻插值法的ROI-Pooling设计算法带来的像素位置偏移和检测不匹配（misalignment）的问题。结果 设计的检测方法在测试集上，金属材料工件表面目标缺陷检测速度达22 帧/s，准确率达97.36%，召回率达 95.62%。结论 与传统的工件表面检测方法相比，改进的FasterRCNN方法对目标识别与定位处理具有较快的速度与较高的准确度，能在复杂场景条件下，提升工件表面缺陷的检测性能。