2020年, 第49卷, 第12期　
刊出日期：2020-12-20

  

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专题——空间功能涂层技术
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  锌改性微弧氧化热控涂层的研究进展

  李涛, 姜利祥

  表面技术. 2020, 49(12): 1-7. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.001

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  航天器在轨工作时，由于处于独特的空间环境，将面对各种极端条件。因此为保障其安全稳定地运行和工作，在航天器结构材料表面构筑具有低吸收性能与高发射性能的热控涂层成为研究热点。微弧氧化(MAO)技术是一种新兴的热控涂层制备方法，具有操作简易、组成可调控性、涂层致密以及广泛适用性等优点，适用于制备长服役期高性能热控涂层。综述锌改性微弧氧化热控涂层的研究进展，阐述了材料热控性能的评价指标及热控材料的分类，重点概述了改性剂锌源种类(如Zn²⁺或ZnO纳米粒子)对微弧氧化过程、反应机理、涂层结构和组成以及热控性能等的影响。最后，针对原位构筑MAO热控涂层现在主要存在的问题进行了分析，并对未来发展趋势进行了展望。
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  铝合金表面ZnO/Y2O3/Al2O3微弧氧化涂层的制备及其热控性能研究

  李涛, 张鹏, 卢松涛, 吴晓宏

  表面技术. 2020, 49(12): 8-13, 37. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.002

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  目的 改善铝合金表面热控性能。方法 通过微弧氧化技术，采用六水合硝酸钇(Y(NO3)3.6H2O)为稀土改性剂，在铝合金表面原位构筑ZnO/Y2O3/Al2O3微弧氧化涂层。利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和扫描电子显微镜，分析涂层晶体结构、化学组成和表面形貌;利用红外发射率仪和紫外/可见/近红外分光光度计分别测量涂层的发射率与太阳吸收率，进而探究涂层热控性能及其影响因素。结果 实验表明，钇源的用量能够显著影响涂层结构和热控性能，当钇源质量浓度为6 g/L时，所得ZnO/Y2O3/Al2O3涂层的红外发射率为0.859，太阳吸收率为0.405，具有最低吸辐比0.471，显示出优异的热控性能。结论 原位构筑稀土元素Y改性的微弧氧化涂层可有效提高铝合金表面的热控性能。这得益于微弧氧化过程中所生成的Y2O3，它可有效调控涂层的形貌、粗糙度和厚度。此外，由于Y2O3具有较大的禁带宽度，可降低微弧氧化涂层中ZnO在高能紫外光波段的吸收。
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  Al2O3@5A沸石材料制备及其空间分子污染吸附性能

  宫向华, 祖丽颉, 吴金珠, 李杨, 吴晓宏

  表面技术. 2020, 49(12): 14-22. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.003

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  目的 采用原子层沉积技术(ALD)制备了Al2O3@5A沸石分子筛复合材料，以提高材料的综合应用性能。方法 采用三甲基铝为铝源，水为氧源，氮气为载气，工艺压力为26.6 Pa，沉积温度为150 ℃，循环周期为300，在5A沸石分子筛球体表面生长膜厚约为30 nm的Al2O3非晶薄膜，探究Al2O3薄膜对5A沸石分子筛的机械强度和吸附性能的影响。结果 Al2O3薄膜均匀牢度地包覆在5A沸石分子筛表面，有效抑制了分子筛的破裂掉粉。非晶态Al2O3薄膜呈现均匀粗糙的纳米岛状形貌，具有优异的疏水性。此外，Al2O3薄膜提供更多的活性铝，有利于与有机污染物分子发生化学吸附。结论 采用ALD技术制备了形貌均匀、结构致密的Al2O3非晶薄膜，实现了对基底材料5A沸石分子筛的表面改性，不但改善了材料的机械强度和使用稳定性，而且提高了材料对有机污染物的吸附能力。
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  铝合金不同氧化处理工艺对其表面溅射MoS2膜层耐磨性的影响

  李忠建, 肖金涛, 鞠鹏飞, 臧旭升, 徐州, 刁磊

  表面技术. 2020, 49(12): 23-29. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.004

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  目的 探究铝合金表面不同氧化处理工艺对磁控溅射制备MoS2固体润滑膜层性能的影响。方法 在溅射MoS2膜层前，对铝合金基底分别采用硫酸阳极氧化、微弧氧化、硬质氧化三种不同的氧化工艺进行预先表面处理，然后在其表面溅射沉积一层MoS2润滑薄膜。通过摩擦磨损试验对其耐磨性能进行评价，并通过SEM、XRD、EDS对薄膜表面形貌、结构及磨痕形貌、成分进行分析。结果 铝合金采用不同的氧化方式处理对表面MoS2膜层的结构不会产生影响。硫酸阳极氧化处理+磁控溅射双重表面处理技术制备的MoS2膜层表观最为致密均匀，粗糙度较低，呈花菜状。截面SEM照片显示，溅射膜层与基体之间结合紧密，溅射膜层厚度为2 μm。在10、20、30 N高载荷下，试样摩擦系数均小于0.1，磨损寿命分别高于45万转、30万转和9万转，均高于其他试样，且不同膜层试样均具有较好的耐环境湿热性能。在摩擦过程中，试样承受的载荷基本转移到氧化膜上，阳极氧化后镀膜试样表面粗糙度较小，在滑动运动过程中，所受切向应力较小，不会产生较严重的粘着磨损，从而使磨损损耗速度较慢，因此耐磨寿命较长。结论 铝合金阳极氧化预处理对提高铝合金表面溅射MoS2膜层耐磨性能的效果最佳。
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  空间辐照模拟环境对消杂光热控涂层性能的影响

  平托, 周颖, 余成武, 李春江, 白晶莹, 郑琰, 孟腾, 张家强

  表面技术. 2020, 49(12): 30-37. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.005

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  目的 研究空间辐照环境对SCB-1消杂光热控涂层性能的影响。方法 采用剂量为5000 ESH的真空-紫外辐照、总注量为2.5×10¹⁵ p/cm²的真空-质子辐照、总注量为2.5×10¹⁶ e/cm²的真空-电子辐照以及2.0× 10²¹atoms/cm²的原子氧辐照，分别对SCB-1型消杂光热控涂层进行模拟空间环境试验，分析空间辐照试验前后涂层太阳吸收比αS与半球发射率εH的变化，并通过X-射线光电子能谱(XPS)检测涂层表面元素状态变化，从而判断SCB-1涂层耐空间各项辐照因素的稳定性。结果 经真空-紫外辐照后，SCB-1涂层全波段αS下降了0.007~0.009，400~1100 nm αS下降了0.008~0.010;经原子氧作用后，SCB-1涂层全波段与400~1100 nm αS均下降了0.006~0.009;经真空-质子辐照后，全波段αS下降了0.004~0.005，400~1100 nm αS下降了0.005;经真空-电子辐照后，吸收比无明显变化。以上辐照过程中，SCB-1涂层的半球辐射率均无明显变化。结论 经历空间模拟辐照试验，SCB-1消杂光热控涂层展现出了极佳的抗空间辐照稳定性，可以满足后续GEO、LEO等航天器的长寿命设计使用需求。
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  KS-B高吸收高发射率无机热控涂层低轨环境效应

  丁为, 白晶莹, 蔺鹏婷, 吴琼, 孟腾, 张家强

  表面技术. 2020, 49(12): 38-43. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.006

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  目的 研究低轨环境对KS-B高吸收高发射无机热控涂层(简称KS-B涂层)性能的影响。方法 对KS-B涂层分别进行总剂量为3.9×10²² atoms/cm²的原子氧辐照、剂量为5000 ESH的真空-紫外辐照、总注量为9.30×10¹¹ p/cm²的真空-质子及总注量为1.108×10¹⁴ e/cm²的真空-电子综合辐照试验，分析空间模拟辐照环境中KS-B涂层太阳吸收比(αS)、半球发射率(εH)、表面形貌、表面组分含量、质量损失率等性能的变化规律，研究KS-B涂层的耐空间环境稳定性。结果 原子氧暴露后，KS-B涂层太阳吸收比增加0.003，半球发射率增加0.004;原子氧辐照后，KS-B涂层表面形貌出现了一定程度的糙化，表面Si、O元素含量下降。初始暴露时，KS-B涂层质量损失率逐渐提高，最终质量损失率为0.96%。真空-紫外辐照后，KS-B涂层太阳吸收比增加0.003，半球发射率无变化。真空-质子及真空-电子辐照前后，KS-B涂层太阳吸收比增加0.001，半球发射率无变化。结论 经历原子氧、真空-紫外、真空-质子及真空-电子模拟辐照后，KS-B涂层的太阳吸收比及半球发射率变化较小，具有较好的耐空间辐照性能，可以满足空间站等低轨航天器的长寿命服役需求。
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  空间用超轻LA141镁锂合金表面腐蚀产物及腐蚀机理研究

  孙理理, 王在铎, 刘凤娟, 宋轶军, 王萌, 雷辉, 姜舟, 李俊峰, 贺晨, 孟凡辉, 曾一兵

  表面技术. 2020, 49(12): 44-49. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.007

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  目的 明确空间用超轻LA141镁锂合金的腐蚀机理，为进一步设计防护涂层体系提供理论依据。方法 将未腐蚀和已在空气中放置一段时间表面形成灰黑色腐蚀膜的超轻LA141镁锂合金的一部分放置于水溶液中，一部分暴露在空气中，研究其随时间延长的腐蚀产物生成规律，并用SEM、偏光显微镜对其腐蚀产物的微观形貌进行观察，用EDS能谱分析、XRD、红外光谱手段对其成分进行鉴定。结果 超轻LA141镁锂合金放置于水溶液后，有细密的气泡(H2)逸出，并在表面迅速生成一层灰黑色腐蚀膜层。已生成腐蚀膜层的镁锂合金放入水中后，没有明显气泡逸出的现象，且腐蚀膜层厚度增加速度低于未生成腐蚀膜层的镁锂合金。通过在SEM、偏光显微镜下对腐蚀产物进行观察，并结合EDS、XRD和红外的分析结果，发现LA141镁锂合金放入水中后，锂金属优先腐蚀，生成大量氢气，同时也伴随着镁金属的腐蚀，生成氢氧化锂和氢氧化镁，氢氧化锂在空气中不稳定，接触空气后生成碳酸锂。结论 腐蚀产物主要为氢氧化镁及碳酸锂。另外，腐蚀膜层能在一定程度上减缓底部镁锂合金的进一步腐蚀。该研究结果对设计选用抑制镁锂合金腐蚀的材料具有一定的参考价值。
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  高紫外反射ZnO/SiO2复合粉体制备及其热控涂层性能研究

  王萌, 雷辉, 姜舟, 孙理理, 马剑钢, 贺晨, 李俊峰

  表面技术. 2020, 49(12): 50-54, 198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.008

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  目的 以ZnO/SiO2复合粉体为填料，开展新型热控涂层制备方法研究，提高传统白色热控涂层的紫外反射率, 研制出具有太阳全光谱高反射性能的热控涂层。方法 以硫酸锌和硅酸钠为原料，采用常温化学合成与高温热处理相结合的方法制备ZnO/SiO2复合粉体，通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜及紫外可见分光光度计等仪器，对复合粉体的微观结构及光学性能进行表征。然后以ZnO/SiO2复合粉体为填料，以无机硅酸钾为粘结剂，制备了ZnO/SiO2热控涂料，通过不同颜基比和厚度的优化，得到了太阳全光谱(200~ 2600 nm)高反射白色热控涂层的制备方法。结果 研制的ZnO/SiO2复合粉体在紫外波段的反射率均大于88%，与传统ZnO粉体相比具有明显提升。当以无机硅酸钾为粘结剂、颜基比为2:1、喷涂厚度为100~140 μm时，所制备涂层在太阳全光谱呈现高反射特性，此时涂层的太阳吸收比为0.12，红外发射率为0.92。结论 ZnO/SiO2热控涂层具有优异的热控性能，与传统白色热控涂层相比具有更低的吸收比，同时在太阳全光谱具有高反射特性，可以满足新一代大功率卫星长寿命和高效散热的技术需求。
研究综述
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  复合电沉积过程中的界面调控和界面结合研究进展

  饶晗, 耿楠, 高旭, 张陈扬, 刘慧丛, 李卫平

  表面技术. 2020, 49(12): 55-63. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.009

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  复合电沉积是一种获得功能镀层的表面防护技术。概述了界面调控与界面结合对复合镀层性能的重要影响。分析了提高界面结合能力的主要机理与方法，即:通过基体表面改性，如增加基体表面粗糙度、提高反应活性、提供外延生长条件和形成预镀层或转化膜层等，增强镀层与基体之间的机械结合、化学键合作用，进而提高镀层与基体间的界面结合力;通过颗粒改性，包括颗粒表面清洁、修饰与吸附等，以改变颗粒微观结构形态和荷电状态，利用静电机制、空间位阻机制和电胶束空间等理论来增强颗粒与颗粒间的分散能力、颗粒与金属离子间结合能力和颗粒所受电化学作用力等，从而提高颗粒与镀层之间的异质相界面结合能力。鉴于镍基复合电沉积的重要性以及颗粒改性对提高其界面结合的关键作用，综述了其颗粒改性工艺研究和影响，包括细化镍基复合镀层晶粒、改变颗粒表面接触状态、增加颗粒沉积量与其对镍基复合镀层性能的影响。最后对复合电沉积的界面调控和界面结合研究做了总结，指出现阶段还存在的问题，并展望了复合电沉积技术在界面调控和界面结合方面的研究发展方向。
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  高速列车转向架防冰雪设计研究进展

  郑强, 丁昊昊, 贺家豪, 王文健, 郭俊, 刘启跃

  表面技术. 2020, 49(12): 64-74. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.010

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  随着中国高寒地区铁路运输的发展，高速列车在高寒、风雪、霜冻等恶劣环境中运行面临严峻的考验，不仅会增加铁路系统的运营成本，还直接影响到列车运行的安全性和稳定性。列车底部处于无封闭状态，而且裸露在外的转向架结构又极其复杂，造成在高寒地区运行的列车存在转向架结冰积雪等新问题，目前尚无高效的解决方案。先对列车转向架区域结冰积雪状态、规律及形成机理进行了总结，提出影响结冰积雪状态的主要因素，包括雪粒在气场中的运动情况、转向架底部流场情况和转向架底部压差。详细阐述了国内外列车防冰雪及解决转向架积雪结冰问题在近年来的研究进展。随着新材料研发和表面技术水平的提高，具有抗覆冰效果的超疏水表面功能涂层成为一种切实有效的措施。结合已有的金属基体表面降低冰雪附着强度和延缓结冰时间的研究成果，整理出构造微/纳米粗糙结构及降低材料低表面能的具体方法，探讨了超疏水材料在防冰雪方面的应用，并以此基础提出了转向架防冰雪设计的研究方向。
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  超亲水防雾表面研究进展

  刘靖, 王威, 余新泉, 张友法

  表面技术. 2020, 49(12): 75-92. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.011

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  透明玻璃和树脂材料应用广泛，是未来世界重要的构成元素。但这些材料表面常易发生水蒸气凝结起雾现象，不但降低了材料本身的透明度，影响相关产品的使用，还会给设备的运行安全带来隐患。因此，如何防雾逐渐引起研究人员和产业届的关注。常见的防雾技术有自动擦拭、热力防雾、表面涂层等。其中，具有主动防雾性能的超亲水表面涂层技术在施工简便性、持续防护性及运行维护成本的经济性等方面具有独特优势，是最有发展潜力的防雾技术。详细介绍了超亲水防雾表面的设计和制造技术的最新进展，从起雾现象的机制出发，介绍了水滴的形核和生长，并由此引出超亲水表面的防雾机理。分类介绍了由不同制备方法所得到的超亲水防雾表面，重点综述了近年来超亲水防雾涂层技术的研究进展，包括有机超亲水涂层、无机超亲水涂层与有机无机杂化超亲水涂层。针对各种形式的超亲水涂层技术，分别从涂层的亲水性、防雾性、耐久性及制备膜层的结构与性能之间的关系等方面进行了归纳。最后，根据超亲水防雾表面在不同领域的实际应用，对其未来的发展进行了展望。
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  仿生非均匀润湿性表面研究进展及应用现状

  汪希奎, 张友法, 余新泉

  表面技术. 2020, 49(12): 93-115. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.012

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  介绍了固体表面的典型润湿理论，主要包括Young’s方程、Wenzel模型、Cassie-Baxter模型、Wenzel-Cassie模型之间的转换理论以及动态润湿模型。对仿生非均匀润湿性表面的国内外发展动态、表面制备技术以及表面结露特性等进行了归纳总结。针对仿生非均匀润湿性表面在集水、换热、脱盐、微流体控制以及抗结冰等方面的应用现状及潜在应用前景进行了阐述，揭示了非均匀润湿性表面利于强化结露及提高换热效率的主要原因为:亲水微区强化了表面形核结露，疏水微区保证了露滴脱附性能，从而使表面结露及脱附达到相对平衡而保证总体效果。最后指出了仿生非均匀润湿性表面目前存在设备昂贵、制备工艺复杂以及成本较高等限制其批量化制备应用的问题，阐明了利于批量化制备应用的涂层调控技术在非均匀润湿性表面制备中的优势，并对非均匀润湿性表面的工业应用前景和发展方向作了展望。
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  铝合金丝状腐蚀研究综述

  张杨广, 陈跃良, 卞贵学, 张勇, 张柱柱, 王安东

  表面技术. 2020, 49(12): 116-126. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.013

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  在综合国内外相关研究的基础上，对铝合金丝状腐蚀这一现象进行了描述，指出了铝合金发生丝状腐蚀的四个必要条件(高湿度、涂层缺陷、氧气及腐蚀性离子)。分析了腐蚀丝的引发和发展机理，列举了影响丝状腐蚀发展的重要因素(大气环境、基体金属、表面预处理和涂层)，总结对比了国内外常用的丝状腐蚀试验标准和研究方法(扫描开尔文探针检测法、电化学阻抗谱法、电化学仿真法以及自然环境试验法)。从环境控制、表面预处理和涂层使用等三个方面讨论了丝状腐蚀的抑制及防护措施。最后提出了尚需解决的四个问题:标准丝状腐蚀试验与实际大气腐蚀的相关性、有机涂层耐丝状腐蚀性能标准的制定、航空铝合金的丝状腐蚀研究、表面预处理方法的改进。
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  层状双金属氢氧化物在金属腐蚀防护领域的研究进展

  杨炳元, 王忠维, 麻彦龙

  表面技术. 2020, 49(12): 127-137. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.014

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  层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides，LDHs)是一种具有双金属氢氧化物层状结构的无机材料。LDHs因具有层间阴离子可交换这一特性，可以起到负载缓蚀剂、捕获腐蚀性离子等作用，在金属腐蚀防护领域拥有巨大的应用潜力。总结了LDHs粉体与LDHs薄膜常见的制备方法，包括制备粉体的共沉淀法、水热合成法、离子交换法、焙烧还原法、尿素合成法，以及制备薄膜的胶体沉积法、溶剂蒸发法、旋转涂抹法、剥层组装法、原位生长法，并对不同制备方法的优缺点进行了对比分析。对LDHs的层间阴离子交换机理、物理阻隔机理以及协同防腐蚀机理进行了阐述与分析。在防腐蚀机理基础上，根据LDHs的不同存在形态，将LDHs在金属腐蚀防护领域中的主要应用途径概括为三类:一是以粉体形式掺入防腐蚀涂层作为添加剂或者缓蚀剂的载体;二是直接在金属基体表面通过化学转化原位生长LDHs薄膜并负载缓蚀剂或者进行化学改性;三是对阳极氧化膜进行封孔处理。最后对LDHs在金属腐蚀防护领域的应用和发展趋势进行了展望。
表面功能化
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  18CrNiMo7-6渗碳钢相变塑性系数对残余应力的影响

  秦盛伟, 张棒, 赵辉辉, 张玉芳

  表面技术. 2020, 49(12): 138-143. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.015

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  目的 研究碳含量对相变塑性系数的影响，并精确仿真18CrNiMo7-6钢渗碳淬火后的残余应力分布。方法 制备四种不同碳含量(0.21%、0.49%、0.65%、0.87%)的全渗透试样，分别进行不同应力水平下的膨胀试验，测得不同碳含量试样的相变塑性系数K，并输入DEFORM-HT中进行残余应力仿真，同时对 16.72 mm的圆柱试样进行渗碳淬火试验，以验证残余应力模拟的准确性。结果 前三种碳含量下马氏体相变动力学参数α变化不大。基于此，提供了一种便于计算高碳含量试样不完整膨胀曲线的K值的方法，计算四种不同碳含量试样的相变塑性系数分别为7.16×10^–5、5.45×10^–5、5.53×10^–5、6.01×10^–5 MPa^–1。分别采用不考虑相变塑性即K=0 MPa^–1、取为基体值即K=7.16×10^–5 MPa^–1和试验测得与碳含量相关的相变塑性系数进行残余应力仿真，其中采用试验测得相变塑性系数仿真结果与实测的残余应力吻合度最高，残余压应力从表面到心部呈现先增大后减小的趋势。结论 经渗碳淬火后的试样表层存在碳梯度，不同碳含量下影响相变塑性系数数值的主导机制不同，导致相变塑性系数随着碳含量的增加而先降低后升高，且其对18CrNiMo7-6钢渗碳淬火后残余应力分布的影响显著。
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  数值模拟和稀土调控改性结合优化铝合金表面激光熔覆

  谢映光, 王成磊, 张可翔, 梁朝杰, 周承华, 林德民, 陈中敢

  表面技术. 2020, 49(12): 144-155. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.016

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  目的 改善铝合金激光熔覆后强化层的缺陷，丰富铝合金表面激光熔覆裂纹形成机理及防止措施的基础理论。方法 将优化激光熔覆的工艺参数和稀土调控改性相结合，通过ANSYS 14.0有限元分析软件，对6063铝合金表面激光熔覆制备Ni60合金强化层的过程进行温度场和应力场的数值模拟，从而为铝合金激光熔覆的工艺参数优化提供参考，并通过实验对工艺参数进行了优化。然后在6063铝合金表面，采用优化的最佳工艺参数激光熔覆Ni60+稀土Y2O3的合金粉末，研究不同稀土含量对强化层的影响，获得最佳的稀土含量，探讨激光熔覆裂纹形成机理和防控措施。结果 通过有限元模拟，优化激光熔覆工艺参数后，制备不同稀土含量的铝合金强化层。未加入稀土时，Ni60强化层中出现大量的气孔和裂纹;当稀土含量少于4%时，强化层的气孔和裂纹数量随稀土含量的增加而减少;当稀土含量为4%~5%时，强化层厚度达到1000 μm，截面形貌无明显气孔、裂纹，截面形貌较好;当稀土含量超过5%时，气孔和开裂现象增加。通过对强化层残余应力进行模拟分析，铝合金激光熔覆强化层开裂的形成机理为凝固裂纹和液化裂纹。结论 将有限元数值模拟优化激光熔覆的工艺参数和稀土调控改性结合起来，可以很好地改善铝合金表面激光强化层开裂的问题。
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  预烘烤对镀锡板表面膜层和润湿性的影响

  王志登, 王洺浩, 李宁

  表面技术. 2020, 49(12): 156-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.017

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  目的 提高镀锡板与涂料匹配性，研究预烘烤消除缩孔对镀锡板表面膜层和润湿性能的影响。方法 采用计时电位曲线、X光电子能谱仪、热重差热测试及表面接触角方法，分别评价烘烤处理前后的镀锡板表面钝化膜、氧化膜成分含量变化，并通过表面能对表面润湿性变化进行分析。结果 120 ℃烘烤不同时间下，钝化膜铬含量由4.30 μg/cm²增至5.16 μg/cm²，膜层中的Cr(OH)3/Cr2O3含量比例显著下降，使Cr(OH)3脱水缩合生成电活性的Cr2O3被检出。氧化膜含量(库伦法计算)由1.5 mC/cm²以上降至0.6 mC/cm²左右，其组成进一步被氧化生成SnO2，无法被阴极还原，降低了可被检出的氧化膜含量。水接触角由86°快速降至65°左右稳定，表面能值由37.5 mN/m最高增至50 mN/m，说明烘烤处理大幅提高了材料表面被水极性介质的润湿作用。结论 通过镀锡板涂膜前预烘烤处理，改变了镀锡板表面钝化膜和氧化膜组成以及含量比例，降低了水接触角，提高了表面能值，增强了材料对涂料表面张力适配范围，有利于漆膜稳定铺展，为涂料端配方优化，实现镀锡板缩孔控制提供了技术方向。
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  动车组车轴增材再制造材料选择和性能评价

  侯有忠, 齐先胜, 邓鸿剑, 李世亮, 牛富杰

  表面技术. 2020, 49(12): 162-169, 219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.018

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  目的 选择最佳材料用于动车组车轴的再制造，以符合车轴的力学性能及轮对压装技术要求。方法 以激光熔覆技术作为增材再制造技术工艺方法，选择不同化学成分的合金材料，通过熔覆金属的力学性能、线膨胀系数、过渡熔合区成分、稀释区组织以及硬度突变情况对比分析，确定最佳车轴再制造材料。对所选材料激光熔覆试件的宏观组织、微观组织、化学成分、硬度、力学性能进行检测，并开展轮对压装试验，通过光学显微镜、扫描电镜、纳米压痕法进行分析。结果 Schaeffler组分图预测Fe310、Fe314的激光熔覆金属熔合过渡区组织为奥氏体A+铁素体F组织，但是实际过渡区的硬度值高于600HV，说明有硬质马氏体相析出，而Fe310和NiCrMo合金的熔合区硬度值未发生突变，Fe310的力学性能略低于EA4T钢，且线膨胀系数与基体差距较大，因此不适用于车轴的再制造。选择NiCrMo合金作为车轴再制造增材材料，其熔覆金属的抗拉强度为790 MPa，屈服强度为542 MPa，冲击韧性为68 J/KU5，且具有相近的线膨胀系数。另外，NiCrMo合金纳米压痕的压缩弹性模量Er为180~185 GPa，与基体EA4T钢(185~190 GPa)相近，最终经再制造车轴的轮轴压装试验，其压装曲线的最大压装力在680~1160 kN范围内，曲线也符合标准要求。结论 选择NiCrMo合金作为动车组车轴再制造激光熔覆材料，其热膨胀系数、力学性能以及压缩弹性模量与基体EA4T钢相近，且激光熔覆金属过渡区域无脆硬的马氏体组织产生，并通过了轮对的压装试验，满足动车组压装曲线要求。
表面摩擦磨损与润滑
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  铜包石墨对酚醛树脂基复合材料摩擦学性能的影响

  张恩, 符蓉, 沈长斌, 高飞

  表面技术. 2020, 49(12): 170-176. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.019

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  目的 提高石墨与酚醛树脂的界面结合强度，改善酚醛树脂基复合材料的摩擦学性能。方法 用高温浸渗法制备铜包石墨，并制备铜包石墨-酚醛树脂基复合材料。通过摩擦磨损实验，研究铜包石墨对酚醛树脂基复合材料摩擦学性能的影响，并对比相同成分铜/石墨混合填充酚醛树脂基复合材料的摩擦学性能。通过扫描电子显微镜、能谱仪和光学显微镜对摩擦磨损表面进行分析，研究材料摩擦磨损机理。结果 石墨表面经过金属铜处理后，金属铜由分散的聚集态转变为附着态，制备的铜包石墨颗粒整体分散度高、形状好。铜包石墨-酚醛树脂基复合材料中石墨与基体界面结合紧密，保持了酚醛树脂的连续相结构，摩擦磨损表面相对平整，复合材料平均比磨损率为3.98×10^?6 mm³/(N.m)，瞬时摩擦系数波动幅度小，摩擦磨损机理以粘着磨损为主。相同成分制备的铜/石墨混合填充酚醛树脂基复合材料的界面结合度较差，摩擦磨损表面有较多裂痕，复合材料平均比磨损率为7.80×10^?6 mm³/(N.m)，瞬时摩擦系数波动幅度大，摩擦磨损机理以磨粒磨损和粘着磨损为主。结论 石墨通过表面金属铜处理，不仅能提高与基体界面结合强度，还能同时有效提高酚醛树脂基复合材料的耐磨性能和摩擦稳定性。
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  新型离子液体作为甘油润滑添加剂的摩擦性能

  曲铭海, 杨志权, 王将兵, 范丰奇, 张朝阳, 于强亮, 蔡美荣

  表面技术. 2020, 49(12): 177-183. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.020

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  目的 改善甘油作为润滑剂的摩擦学性能。方法 合成一种含脲基新型无卤素的功能化咪唑离子液体(M-16-DOSS)并作为甘油的润滑添加剂。通过核磁共振和高分辨四级杆飞行时间质谱对M-16-DOSS的结构进行表征。采用同步热分析仪测试甘油润滑体系的热稳定性。采用SRV-IV微动摩擦磨损试验机评价了甘油润滑体系的摩擦磨损性能，通过三维轮廓仪对磨损体积和磨斑形貌进行了表征。采用EDS和XPS分析了磨斑表面元素和元素化学形态。结果 合成的功能化咪唑盐离子液体结构正确、纯度合格。M-16-DOSS与甘油具有良好的相容性且能够提高甘油的热稳定性。M-16-DOSS作为甘油的润滑添加剂可显著改善甘油的摩擦学性能，添加量达到1.5%时，摩擦系数下降到0.1，磨损体积下降80%。结论 在摩擦过程中发生了摩擦化学反应，通过硫氮的协同作用与铁和氧等元素形成了化学反应保护膜，有效地阻止了摩擦副之间的直接接触和碰撞，提高了甘油的减摩抗磨性能。
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  Ti6Al4V表面氩弧熔覆Ti+BN复合涂层组织及耐磨性

  孟君晟, 金国, 史晓萍, 刘冰冰

  表面技术. 2020, 49(12): 184-190. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.021

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  目的 通过氩弧熔覆技术在Ti6Al4V钛合金表面制备陶瓷颗粒增强Ni基复合涂层，以改善其摩擦磨损性能。方法 将Ti粉、BN粉和Ni60A粉进行球磨混合，运用氩弧熔覆技术在Ti6Al4V钛合金表面原位合成多相陶瓷颗粒增强镍基熔覆层。通过X射线衍射分析仪、能谱分析仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜，分析熔覆层中陶瓷颗粒相的组成、形貌、尺寸、分布以及结构特点。用维氏硬度计和环-块式摩擦磨损试验机测试了熔覆层的显微硬度和摩擦磨损性能，并通过扫描电子显微镜对磨痕形貌进行分析。结果 熔覆层物相主要包括TiN、TiNi、TiB、TiB2和α-Ti。原位合成的陶瓷颗粒相弥散分布于熔覆层中，其中增强相TiN、TiB和TiB2的形貌分别以颗粒状、针状和棒状形式存在。熔覆层表面硬度可达1210~1250HV0.5。在相同磨损条件下，TC4合金基体与熔覆层的磨损量分别为34.23 mg和4.86 mg，熔覆层的磨损量明显降低。熔覆层的磨损表面无粘着痕迹，磨损机制为磨粒磨损。结论 与Ti6Al4V钛合金基体对比，熔覆层显微硬度值提高约4倍，多相陶瓷颗粒熔覆层可有效提高钛合金表面的耐磨性。
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  纳米调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层结构和性能的影响

  李助军, 包改磊, 刘怡飞, 张大童, 李兆南, 田灿鑫

  表面技术. 2020, 49(12): 191-198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.022

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  目的 研究纳米调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层结构及性能的影响。方法 采用电磁永磁共控的阴极电弧离子镀技术，使用纯N2和合金CrW靶及纯金属Mo靶，制备不同调制周期厚度的CrWN/MoN纳米多层涂层，对CrWN/MoN纳米多层涂层的物相结构、微观形貌、硬度、摩擦系数和磨损率等进行分析。结果 CrWN/MoN纳米多层涂层由面心立方CrWN与六方d-MoN两相组成。随着调制周期减小，CrWN/MoN纳米多层涂层衍射峰强度逐渐减弱，d-MoN(202)衍射峰消失，涂层表面的大颗粒数量减少，表面质量得到改善。随着调制周期由45 nm减小到13 nm，涂层的硬度由29.4 GPa逐渐减小到25.5 GPa，当调制周期为8 nm时，CrWN/MoN纳米多层涂层硬度与弹性模量均达到最大值，分别为30.2 GPa和354.6 GPa。随着调制周期的减小，CrWN/MoN纳米多层涂层平均摩擦系数由0.45逐渐减小到0.29，磨损速率由4.2×10^?7 mm³/(N.m)逐渐减小到3.3×10^?7 mm³/(N.m)。结论 调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层性能影响较大，调制周期厚度为8 nm时，CrWN/MoN纳米多层涂层的硬度最大，耐磨性能最好。
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  HiPIMS技术低温沉积CrN薄膜结构及性能研究

  贵宾华, 周晖, 郑军, 杨拉毛草, 张延帅, 汪科良

  表面技术. 2020, 49(12): 199-208. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.023

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  目的 实现性能优异的CrN薄膜在低温沉积条件下的可控制备。方法 利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)，通过调控脉冲放电波形(可调控脉冲放电模式-MPP、双极脉冲放电模式-BPH)制备了系列低温沉积工艺下的CrN薄膜。选用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米硬度测试仪及球盘摩擦试验仪表征了CrN薄膜的组织结构、微观形貌、摩擦学性能。结果 相对于传统的直流磁控溅射技术(DCMS)，HiPIMS具备高溅射材料离化率，偏压作用下产生的荷能离子对成膜表面的持续轰击作用，有效提升了低温沉积条件下成膜粒子的表面迁移能，显著抑制了贯穿柱状晶的连续生长，达到了细化晶粒，改善薄膜致密性的目的。BPH模式下沉积的薄膜表面光滑致密，表面粗糙度可达4.6 nm。细晶强化作用及薄膜致密性提升使得BPH模式下制备的CrN薄膜硬度最高，可达(15.6±0.8) GPa。此外，BPH模式下沉积的CrN薄膜具备最为优异的摩擦学性能，摩擦系数低(~0.3)且运行平稳，并且在高速及重载作用下，仍能表现出优异的摩擦磨损性能。结论 HiPIMS技术中的双极脉冲放电模式可显著提升沉积粒子表面迁移能，提升CrN薄膜沉积反应动力学过程，实现低温条件下性能优异的CrN薄膜的可控制备。
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  激光重熔对选区激光熔化成形4Cr5MoSiV1钢组织和性能的影响

  陈帅, 陶凤和, 贾长治, 孙河洋

  表面技术. 2020, 49(12): 209-219. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.024

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  目的 优化选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形4Cr5MoSiV1钢的激光重熔工艺，综合提升SLM成形4Cr5MoSiV1钢的力学性能。方法 通过调整SLM成形过程中的激光重熔工艺参数成形4Cr5MoSiV1钢试样，采用扫描电镜、显微硬度计、万能材料试验机和摩擦磨损试验机测试分析试样的表面形貌、显微组织、显微硬度、抗拉强度、断后伸长率和耐磨性。结果 SLM成形4Cr5MoSiV1钢试样表面的飞溅颗粒、杂质颗粒和弧形波纹数量较多，其显微硬度为599HV，抗拉强度为1050.2 MPa，断后伸长率为9.5%，磨损率为1.309′10^?10 kg/(N.m)。4Cr5MoSiV1钢试样经激光重熔后，其冶金质量明显改善，显微硬度、抗拉强度、断后伸长率和耐磨性均提高，且各项力学性能间呈正相关关系。冶金质量和细晶强化作用共同决定4Cr5MoSiV1钢试样的力学性能水平，且随激光重熔线能量密度增加，试样的力学性能均表现为先升高后降低的趋势。当激光重熔线能量密度为238 J/m时，试样的力学性能最高，其显微硬度为645HV，抗拉强度为1430.7 MPa，断后伸长率为16.9%，磨损率为0.354×10^?10 kg/(N.m)。SLM成形4Cr5MoSiV1钢试样的断裂机理为脆性解理断裂，激光重熔试样的断裂机理为准解理断裂。SLM成形4Cr5MoSiV1钢试样及激光重熔试样的磨损机制均以粘着磨损和氧化磨损为主。结论 SLM成形4Cr5MoSiV1钢试样的最优激光重熔线能量密度为238 J/m，经激光重熔后，试样的冶金质量和力学性能明显提高。
表面失效及防护
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  高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层对钛合金基体抗氧化性能的影响研究

  李玉阁, 朱小鹏, 吴彼, 雷明凯

  表面技术. 2020, 49(12): 220-227. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.025

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  目的 研究Ti6Al4V基TiAlSiN涂层在800 ℃下的抗循环氧化性能。方法 采用高功率调制脉冲磁控溅射技术，通过调节N2/Ar的流量比fN2，在Ti6Al4V合金和Si(100)上沉积了一系列不同Si含量的TiAlSiN涂层。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子探针、透射电镜和纳米压痕仪，表征了TiAlSiN涂层的成分、相组成、微结构和硬度，并通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜，进一步对TiAlSiN涂层在800 ℃下循环氧化后的微观结构和形貌进行分析。结果 脉冲平均功率为2 kW时，fN2由10%增至30%，TiAlSiN涂层的Si含量(以原子数分数计)由6.1%增加至16.4%，涂层中Ti和Al含量则相应地降低。当fN2为10%时，TiAlSiN涂层呈现典型的X射线非晶结构特征，涂层中N含量(以原子数分数计)约为47%;当fN2为30%时，TiAlSiN涂层呈现TiAlN和非晶相的混合结构。TEM结果表明，涂层中TiAlN晶粒尺寸约为5 nm并均匀镶嵌在非晶相上。所有沉积于Si基底上的TiAlSiN涂层均具有相近的纳米硬度、弹性模量及残余应力，分别为17 GPa、225 GPa和–300 MPa。选取fN2为10%和25%，溅射具有不同氮含量和特征微结构的TiAlSiN涂层作为Ti6Al4V合金防护涂层，研究涂层的抗循环氧化性能。在800 ℃高温循环氧化70 h后，TiAlSiN涂层保护的合金样品较原始样品呈现更优异的抗氧化性能，且fN2为25%制备的高Si含量TiAlSiN涂层较fN2为10%制备的涂层具有更为优异的抗循环氧化性能。循环氧化后，TiAlSiN氧化层结构完整致密并呈现柱状晶特征，氧化层由上至下分别形成富α-Al2O3、a-TiO2及r-TiO2三层结构。结论 高Si含量的TiAlSiN涂层具有更低的氧化速率，涂层的纳米复合结构和低压缩应力是其抗循环氧化能力提高的主要原因。
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  FeCrNiMo激光熔覆层组织与电化学腐蚀行为研究

  黄杰, 贺定勇, 杜开平, 杨延格, 郭星晔, 吴旭, 于月光, 周正

  表面技术. 2020, 49(12): 228-234. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.026

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  目的 研究所设计FeCrNiMo激光熔覆层的组织结构及电化学腐蚀行为，用于解决液压支架表面防护与修复问题。方法 采用激光熔覆技术在27SiMn钢表面制备FeCrNiMo合金熔覆层，通过XRD、光学显微镜和SEM表征其微观组织结构，利用动电位极化与交流阻抗谱技术研究熔覆层电化学腐蚀行为。结果 在适宜工艺条件下实现了单道熔覆层厚度达2 mm以上，且无明显气孔、裂纹等缺陷。熔覆层具有胞状枝晶组织特征，枝晶内为马氏体，晶间富Cr、Mo的铁素体有效缓解了马氏体相变的高应力，达到了较好的强韧化匹配。熔覆层在3.5%NaCl和0.5 mol/L H2SO4溶液中均呈现出明显的钝化行为，钝化区间宽度分别为300 mV和1310 mV，自腐蚀电位分别为–140.2 mV和2.3 mV，自腐蚀电流密度分别为5.0×10^–8A/cm²和1.3×10^–3 A/cm²，极化电阻分别为3.5×10⁵ ?.cm²和6261.4 ?.cm²，具有较为优异的耐腐蚀性能，且显著优于基体材料，但其双相组织特征易导致微区发生选择性腐蚀。结论 所设计的FeCrNiMo合金及相应激光熔覆工艺，满足实际工程对于熔覆层高效制备、成形质量及耐蚀性的要求，可用于液压支架表面防护与修复。
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  AZ91D镁合金耐腐蚀性膜层的腐蚀行为

  赖勇来, 李旺, 金华兰, 彭文屹, 郭洪民, 杨湘杰

  表面技术. 2020, 49(12): 235-243. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.027

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  目的 为了获得耐蚀性能更加优异的AZ91D镁合金。方法 研究了铸态、半固态、成膜铸态及成膜半固态AZ91D，在模拟生理盐水(0.9%NaCl)和模拟海水(3.5%NaCl)中的腐蚀特征，并引入分形理论表征其腐蚀程度及均匀性。通过对不同状态AZ91D进行NaCl溶液腐蚀、电化学腐蚀，运用扫描形貌(SEM)和能谱(EDS)分析各状态AZ91D的腐蚀形貌，引入分形理论对各状态AZ91D的腐蚀形貌进行计算及分析。结果 在同一腐蚀时间，各状态AZ91D在模拟海水中出现更多的腐蚀区域，成膜铸态及半固态的腐蚀最早出现于膜层组织的裂纹处。在电化学实验中，随着电解液NaCl质量分数升高至3.5%，未成膜铸态及半固态的腐蚀电位分别从–1.4111 V和–1.4323 V下降为–1.5066 V和–1.5089 V，电流密度分别从6.270×10^–10 A/m²和9.847×10^–10 A/m²上升为4.863×10^–9 A/m²和 8.396×10^–9 A/m²;成膜铸态及半固态的腐蚀电位分别从–1.3884 V和–1.3430 V下降为–1.4856 V和–1.4331 V，电流密度分别从5.854×10^–10 A/m²和8.592×10^–10 A/m²下降为2.050×10^–11 A/m²和1.189×10^–11 A/m²。结论 在分形计算中，随着腐蚀液浓度或腐蚀时间的上升，铸态及半固态AZ91D的腐蚀倾向和腐蚀速率提高;膜层的腐蚀倾向提高，腐蚀速率降低。同时，各状态AZ91D的分形维数DH随腐蚀程度的增加而增大，Δa值随腐蚀均匀性的降低而增大。
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  镀液组成对碱性体系Zn-Ni合金镀层性能的影响

  曾邱, 李智勇, 马梦婷, 宋超, 盛旺迪, 詹东平, 田中群, 蒋利民

  表面技术. 2020, 49(12): 244-251. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.028

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  目的 发现最优工艺条件，了解Zn-Ni电沉积机理。方法 通过场发射电镜分析、能谱分析以及电化学分析等方法，研究以一种胺羧多官能团配体为Ni²⁺络合剂的碱性锌酸盐电解液体系中，锌/镍离子物质的量之比与锌镍离子总浓度对镀层的光泽度、镍含量、耐蚀性、表观质量和微观结构的影响。结果 锌/镍离子物质的量之比增加会使得镀层镍含量降低，最后稳定在15%~19%，镀层微观结构由晶粒细致平滑型转化为粗大疏松型。物质的量之比为1.9时，镀层的腐蚀电流最小。锌镍离子总浓度增加会使得镀层镍含量缓慢减小，镀层微观结构由晶粒细致疏松型转化为细致紧密型，最后又转变为粗大疏松型，镀层的腐蚀电流先减小后急剧增大，即镀层的耐蚀性先增加后急剧降低。结论 在锌/镍离子物质的量之比为1.9、锌镍离子总浓度为0.12 mol/L时，所得镀层的综合性能最好。镀层锌/镍含量变化趋势符合Brenner吸附膜理论。
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  304L不锈钢在高温高压水蒸气中的应力腐蚀开裂行为

  刘欢欢, 周慧云, 杨小川, 刘光明, 汪元奎, 官宇, 张帮彦

  表面技术. 2020, 49(12): 252-258. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.029

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  目的 研究304L不锈钢在高温高压水蒸气中的应力腐蚀开裂行为及机理。方法 采用慢应变速率试验分别研究了304L不锈钢在常温常压水、高温高压水、高温高压水蒸气环境中的应力腐蚀开裂行为。利用SEM、三维立体显微镜和XPS，分析试样氧化后断口区域的形貌及元素分布。结果 304L不锈钢在常温常压水中的抗拉强度为730 MPa，拉伸率为94.32%。在高温高压水、高温高压水蒸气环境中的抗拉强度分别为382、379 MPa，拉伸率分别为44.98%、47.38%。304L不锈钢在三种试验环境中慢拉伸后的断口表面布满大量韧窝，断口全貌呈韧性断裂特征，高温高压水、高温高压水蒸气中试样的抗拉强度较常温常压水中明显下降。304L不锈钢在高温高压水环境和水蒸气环境中得到的XPS谱图中各结合能峰位置几乎相同，峰的相对强度因载荷的不同而发生变化。施加载荷后，在高温高压水环境中304L不锈钢表面氧化物中的Cr含量增加，而在高温高压水蒸气环境中的Cr含量略有下降。结论304L不锈钢在高温高压水和高温高压水蒸气环境中具有相似的最大抗拉强度和最大应变值。施加载荷将影响304L不锈钢氧化过程中金属元素扩散的速度，进而影响氧化产物的成分。
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  π型管的冲刷腐蚀数值模拟

  王彦骅, 吴玉国, 张绍川, 张婉莹

  表面技术. 2020, 49(12): 259-266. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.030

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  目的 基于液固两相流体在管道流输的情况，研究π型管在不同影响因素作用下的冲刷腐蚀程度。方法 目前对π型管的研究尚少，因此确定模型为π型管。针对输气管道中π型管冲蚀磨损失效的问题，运用Ansys fluent软件中的DPM模型和k-ε模型，针对通入气液两相流介质时，液体中颗粒冲击π型管壁面的问题开展数值模拟研究。运用控制变量(管道进口流速、颗粒质量流量、颗粒直径)的方法，观察不同参数对π型管磨损的影响情况。结果 π型管存在A、B两处腐蚀。在一定范围内增加π型管的入口流速，整体最大冲蚀率也发生明显改变，且逐渐递增。在一定范围内增加π型管内固体颗粒粒径，整体最大冲蚀率也发生明显改变，且逐渐减少。在一定范围内增加π型管的质量流量，整体最大冲蚀率也发生明显改变，且逐渐递增。结论 A处的腐蚀范围大于B处的腐蚀范围。整体的最大冲蚀率随着流速的增大而增大。速度越大，流体的曳力越强，对腐蚀程度造成的影响越大。整体的最大冲蚀率随着质量流量的增大而增大。速度增长与最大腐蚀率近似可以看成线性增长，存在正相关关系。改变几组不同粒径颗粒的质量流量，观察整体最大冲蚀率与质量流量近似成线性相关，存在正相关关系。整体的最大冲蚀率随着颗粒直径的减少而逐渐减弱。颗粒直径越小，流体所携带的颗粒能力越强，造成的腐蚀程度越强。通过对比分析不同参数腐蚀程度，从而预测出冲蚀最容易发生腐蚀的位置为A、B两个弯头处。
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  700 ℃下Nb对HR3C奥氏体耐热钢蒸汽氧化行为的影响

  尹泽华, 周永莉, 鲁金涛, 王金龙, 陈明辉, 王福会

  表面技术. 2020, 49(12): 267-273. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.031

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  目的 研究Nb含量对奥氏体耐热钢在水蒸气高温环境下氧化行为的影响。方法 选取两种不同成分的HR3C奥氏体耐热钢，在700℃、25 MPa纯水蒸气环境中进行氧化实验，实验周期为1000 h。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及光学显微镜，比较两种合金的高温氧化动力学结果，并对氧化物的微观形貌和成分以及合金的组织形貌进行观察和分析，探究Nb对HR3C奥氏体耐热钢蒸汽氧化的影响机制。结果 Nb的含量对HR3C奥氏体耐热钢的蒸汽氧化性能产生了显著的影响，HR3C-0#合金的氧化质量增量为0.7746 mg/cm²，显微硬度为258.9HV，HR3C-1#合金的氧化质量增量为1.716 19 mg/cm²，显微硬度为201.4HV，并且两种合金在蒸汽氧化过程中均出现了晶粒细化。结论 当Nb的含量在相对较低范围时，HR3C奥氏体耐热钢表现出良好的抗蒸汽氧化性能及较高的硬度;当合金中Nb的含量过高时，会恶化合金的抗蒸汽氧化性能以及显微硬度，样品表面生成了大量非保护性的岛状Fe2O3，并且伴随着组织结构发生晶粒细化的现象。
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  含La2O3奥氏体不锈钢堆焊合金层晶粒细化机制及对其耐腐蚀、磨损性能的影响

  王子荣, 郭铮, 马玉华, 李少峰, 焦小勇, 任学军, 杨庆祥

  表面技术. 2020, 49(12): 274-281, 329. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.032

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  目的 通过在超低碳Cr19Ni10不锈钢堆焊合金中加入稀土氧化物La2O3，细化其微观组织，获得力学性能、耐腐蚀性能和耐磨性能等综合性能优良的堆焊合金层。方法 采用添加La2O3的超低碳Cr19Ni10不锈钢焊条制备了四种不锈钢堆焊合金。采用X射线荧光光谱、红外碳硫分析仪和X射线衍射分析仪，对堆焊合金层的元素组成和相组成进行了测定。采用金相显微镜和晶粒度统计软件，对堆焊合金层的微观组织形貌进行观察，并对晶粒度进行了统计分析。采用显微维氏硬度计和纳米压痕仪对堆焊合金层的硬度和杨氏模量进行了测定。采用电化学工作站和CSM摩擦磨损试验机对堆焊合金层的耐腐蚀性能和耐磨性能进行了评价，并且采用白光共聚焦显微镜对磨损后的磨痕形貌和尺寸进行了观察和测定。采用二维晶格错配度理论，对La2O3/γ-Fe界面间的晶格错配关系进行了计算。结果 在堆焊合金层中加入La2O3，随着La2O3加入量的增加，堆焊合金层奥氏体晶粒细化越明显。当La2O3的添加量由0%增加至1.5%时，奥氏体晶粒平均面积由400 μm²减少为210 μm²。堆焊合金层加入La2O3，可以明显提高其力学性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能。当La2O3的添加量由0%增加至1.0%时，堆焊合金层的微观硬度由180HV增加到225HV，宏观硬度由125HBS增加到150HBS，杨氏模量由186 GPa左右增加到217 GPa，腐蚀电位由?0.4 V增加到?0.25 V，磨痕深度由50 μm减小到10 μm。La2O3(001)面和γ-Fe(110)面的二维晶格错配度为8.7%(<12%)，说明La2O3可以作为γ-Fe的中等有效异质形核基底，从而细化了堆焊合金层中的奥氏体晶粒。结论 La2O3可以有效地细化奥氏体晶粒，改善堆焊合金层的力学性能，提高其耐腐蚀和耐磨损性能。但是，La2O3加入量存在一个最佳值，当La2O3的加入量为1.0%时，堆焊合金层的综合性能最好。
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  电沉积Ni-Mo镀层不同温度退火前后微观组织与力学性能研究

  刘释轩, 马晨, 许泉辉, 薛梦涵, 李杨辉, 尤杰, 张超

  表面技术. 2020, 49(12): 282-287. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.033

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  目的 提高Ni基镀层的高温热稳定性与硬度。方法 在酸性条件下，通过直流电沉积的方式，在黄铜基体表面制备不同Mo含量的Ni-Mo镀层，研究不同浓度的二水钼酸钠(20、40、60 g/L)以及不同温度的退火处理(300、400、500 ℃)对Ni-Mo镀层微观组织及硬度的影响规律。通过XRD、SEM、EDS以及纳米压痕仪等设备对镀层的微观组织与性能进行表征。结果 随着镀液中钼酸钠含量的增加，镀层中Mo含量也会逐渐提高，晶粒尺寸减小，结晶度下降。随着退火温度的提高，晶粒尺寸增大，镀层开始从非晶态向晶态转变。同时物相分析表明，镀层中Ni、Mo是以固溶体的形式存在，起到了固溶强化的作用，增加了材料的硬度。通过纳米压痕试验，发现镀层的硬度随着钼含量的增加而提高。Mo含量较低时，镀层硬度随着退火温度的升高而降低;Mo含量较高时，镀层硬度随着退火温度的升高出现先升高后降低;但两种情况下镀层的硬度均远高于基体铜片。结论 与沉积态相比，经300 ℃退火处理后，Ni-Mo镀层硬度未呈现显著变化;500 ℃退火处理后，镀层硬度则有所降低。因此，Mo元素的加入可以提高Ni基镀层的热稳定性与力学性能。
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  故宫古建筑用铁钉基体、铁锈剖析及缓蚀保护

  颉薇, 高峰, 王智慧, 王菊琳

  表面技术. 2020, 49(12): 288-295. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.034

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  目的 对故宫古建筑用铁钉进行检测并保护。方法 利用金相显微镜对铁钉基体进行金相组织分析，采用体视显微镜对锈层表面进行观测，借助扫描电镜、X-射线能谱仪(SEM-EDX)及X射线衍射仪(XRD)，对锈蚀产物化学组成进行了成分测试。测定动电位极化曲线以研究硅酸盐复配缓蚀剂对铸铁电极预膜缓蚀后的电化学行为，通过加入聚乙二醇(PEG)的方法对硅酸盐复配缓蚀剂进行改性。结果 故宫古建筑用铁钉基体组织为球墨铸铁，表面锈蚀产物主要呈现红褐色及黑褐色，经分析主要由Fe2O3、Fe3O4和α-FeOOH组成，铁钉表面白色物的主要成分为CaCO3。极化曲线法测得硅酸盐复配缓蚀剂预膜后的缓蚀效率为20.53%，改性后的缓蚀效率达到81.20%。交流阻抗测试、耐盐雾测试及室外暴露测试都表明，改性后缓蚀剂具有一定的缓蚀性能。结论 故宫古建筑用铁钉表面锈蚀严重，需要通过系列保护手段减缓腐蚀速率。硅酸盐复配缓蚀剂预膜使用效果不佳，改性后的缓蚀剂对模拟铁钉的铸铁试样起到一定的缓蚀效果，且表面颜色变化小，满足铁质文物保护需求。
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  高温高压条件下流速对X70钢CO2冲刷腐蚀行为的影响

  樊学华, 柳伟, 祝亚茹, 蔡峰, 于勇, 孙万卿, 李向阳

  表面技术. 2020, 49(12): 296-304. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.035

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  目的 研究X70管线钢在高温高压CO2饱和溶液中不同流速下的冲刷腐蚀行为。方法 通过流体动力学模拟的方法，获得不同喷射流速下壁面切应力的变化规律。采用喷射冲击试验装置，利用扫描电镜、表面形貌测试仪、维氏硬度仪等设备和失重测量方法，分析喷射速度对X70管线钢CO2冲刷腐蚀行为的影响。结果 随着喷射流速Uexit的增大，试样表面的壁面切应力和壁面压应力逐渐增大。随距喷射中心距离(径向距离)的增大，壁面切应力先增大后减小，壁面压应力急剧减小。在低流速(Uexit≤10 m/s)情况下，最大壁面切应力所对应的特征攻角大约为23°;当流速Uexit≥20 m/s时，特征攻角迅速增至45°左右，且变化很小。试样表面形貌表现出明显的三个区域:停滞区、过渡区、壁面喷射区，且在低流速下，三个区域划分更为明显。在20 m/s喷射速度下，壁面切应力呈现中心轴对称变化，为“M”形状，试样表面的冲蚀轮廓(冲蚀深度)呈现中心对称的“W”形状变化，大约在距中心滞点4 mm左右，即最大壁面切应力附近出现最大冲蚀深度，约55 μm。试样表面硬度随径向距离的增大而减小，中心停滞区硬度高达340HV10。喷射流速从10 m/s增加到40 m/s时，冲蚀速率由11.86 mm/a增加到32.97 mm/a。结论 X70管线钢的典型形貌特征与喷射流体的壁面切应力大小和CO2腐蚀有关，最大壁面切应力处产生的冲蚀最为严重，冲蚀速率(Rcorr)与喷射流体的流速呈现线性关系，即Rcorr=4.861+0.714×Uexit。
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  基于层次分析法的储罐外涂层老化评价研究

  娄亮杰, 林竹, 刘苒, 杨恒, 王磊, 王志涛, 张彦军

  表面技术. 2020, 49(12): 305-310. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.036

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  目的 结合涂层老化评价标准，利用层次分析法，量化评价储罐外涂层的老化状态。方法 通过研究涂层老化评级方法的标准，并引入层次分析法，计算得到单项老化性能指标占综合指标的权重，进一步构建涂层老化的数学模型以量化评价涂层状态。结果 利用层次分析法计算得到生锈、剥落、开裂、气泡和粉化5项指标所占权重分别为0.508、0.292、0.107、0.061和0.032，其中生锈所占权重最高。对南宁某油库外涂层防腐老化性能进行检测评价，检测结果显示，罐壁8层罐圈板仅有3层涂层老化状态得分处于45~50分之间，其余5层罐圈板以及罐顶、附件涂层老化状态均小于44分，综合老化情况及经济效益，建议对该罐外涂层整体进行重涂。结论 目前的涂层老化评价标准仅对涂层老化的评价方法以及评级进行了规定，但存在量化不足、未给出维修建议等缺点，引入层次分析法，可量化外涂层的老化状态，并可以根据量化评价结果给出维修建议。
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  钛表面Al/NiCr复合涂层改性反应机理及抗氧化性能

  贾倩倩, 李德元, 李斌, 赵文珍

  表面技术. 2020, 49(12): 311-318, 329. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.037

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  目的 使Al/NiCr复合涂层之间发生改性反应，并原位生成具有一定抗氧化性能的Ni-Al金属间化合物防护涂层。方法 利用电弧喷涂结合等离子喷涂的工艺方法在工业纯钛表面制备了Al/NiCr组合涂层，对喷涂态Al/NiCr/Ti试件于炉中进行700 ℃加热改性处理，研究了加热改性处理前后涂层的微观组织形貌及Ni-Al金属间化合物的形成机理。此外，还对经加热和打磨处理后的Al/NiCr/Ti试件及无防护涂层的Ti块进行了800 ℃/100 h的高温氧化试验。结果 Ti基体表面Al/NiCr涂层经700 ℃炉中加热改性处理后，Al、NiCr涂层之间发生改性反应，并原位生成了固溶有一定Cr元素的Ni2Al3及NiAl金属间化合物。另外，在整个Al、NiCr扩散反应区中，弥散分布有Al液和Cr2O3、NiO组成的混合物组织。但是生成的Ni2Al3相金属间化合物有熔化现象发生，只有高熔点的NiAl金属间化合物能够稳定存在。结论 经改性反应所得的NiAl金属间化合物层对Ti基体起到了较好的高温防护作用。
表面质量控制及检测
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  TiN和TiAlN涂层刀具铣削铝锂合金表面质量试验对比研究

  李强强, 石文天, 袁美霞, 刘玉德, Bing Ren

  表面技术. 2020, 49(12): 319-329. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.038

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  目的 比较TiN和TiAlN涂层刀具加工铝锂合金的切削性能和表面质量。方法 使用硬质合金、TiN涂层和TiAlN涂层三种刀具，对2198-T8型铝锂合金进行干式铣削试验。改变切削因素的水平，比较刀具磨损、铝锂合金的表面粗糙度、切削力和切屑形态。结果 铣削铝锂合金时，刀具主要磨损为粘附磨损，TiN涂层的粘附程度最低，硬质合金次之，TiAlN涂层表面粘附最严重，切削效能最低。粘附磨损严重影响铣削成形的表面粗糙度，并使铣削力增加。铣削速度是影响工件表面粗糙度的主要因素，通过提高铣削速度可明显降低材料的粘结程度，降低表面粗糙度与铣削力，TiN涂层在铣削铝锂合金时最小表面粗糙度可达到0.5 μm以下。在相同的切削参数下，TiN涂层断屑均匀，切屑表面较为光滑，切屑塑性变形最小。硬质合金刀具产生的切屑尺寸较短，切屑表面有少量带状条纹，TiAlN涂层刀具产生的切屑发生了严重的塑性变形。结论 与TiAlN涂层和硬质合金刀具相比，TiN涂层刀具在铣削铝锂合金时的切削效能最好，可以达到最好的表面粗糙度和加工效果。
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  偏压对AlTiN涂层的物性及车削GH4169性能的影响

  姜涛

  表面技术. 2020, 49(12): 330-335. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.12.039

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  目的 研究不同基体偏压对AlTiN涂层性能的影响，以得到车削高温合金性能最佳的AlTiN涂层。方法 采用多弧离子镀技术，在不同偏压下在WC-Co硬质合金表面沉积AlTiN涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)及其所附能谱仪(EDS)观察涂层的表面和截面形貌以及分析涂层的成分，X射线衍射仪分析涂层的物相结构及内应力，用CSM纳米硬度计测试涂层的纳米硬度H、弹性模量E、抗塑形变形因子H³/E*²、显微硬度耗散系数MDP等性能指标。对比不同偏压制备的AlTiN涂层车削高温合金GH4169的切削性能表现，并分析其切削失效形式，同时探究涂层物性对月牙洼磨损失效的影响。结果 不同偏压制备的AlTiN涂层结构致密，物相均为NaCl型面心立方结构，–40 V偏压制备的涂层以(200)方向择优，–120 V制备的涂层以(111)方向择优。不同偏压制备的涂层均为压应力，其内应力随着偏压的增大而增大。与–80 V及–120 V制备的涂层相比，–40 V偏压制备的涂层表现出更低的硬度与更优的韧性。在车削高温合金GH4169时，–80 V偏压制备的涂层抗月牙洼磨损能力最好，–40 V与–120 V的切削性能相当。结论 对AlTiN涂层而言，–80 V偏压制备的涂层硬度与应力之间达到平衡，硬度与应力间的平衡有助于提升涂层的抗月牙洼磨损能力。在车削GH4169时，–80 V偏压制备的AlTiN切削性能表现最优。