2020年, 第49卷, 第3期　
刊出日期：2020-03-20

  

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专题——酸性油气田H2S/CO4工况下金属材料的腐蚀和应力腐蚀开裂
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  不锈钢应力腐蚀开裂综述

  表面技术. 2020, 49(3): 1-13. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.001

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  应力腐蚀开裂一直以来是不锈钢领域的重要研究课题，也是许多行业亟需解决的工程问题。应力腐蚀开裂是材料、环境和应力三者相互作用的结果，由于其复杂性，目前人们对不锈钢发生应力腐蚀开裂的机理尚存在许多不同的见解，但是经过近一个世纪的研究，从材料选择、环境控制等方面入手，预防不锈钢发生应力腐蚀是能够达到的。综述了应力腐蚀开裂的特征、机理和三个影响因素（应力、材料和环境）。对应力腐蚀的阳极溶解机理和氢致开裂机理进行了概述，阐述并探讨了不锈钢应力腐蚀开裂的滑移溶解机理、氧化膜开裂机理以及氢致开裂机理。归纳了组织结构对不锈钢应力腐蚀的影响，分析了材料成分如（Ni、Mo和N）的添加与应力腐蚀敏感性的关系，总结了环境因素在应力腐蚀中的作用，对特定介质中不锈钢的应力腐蚀规律进行了归纳，并探讨了温度变化对不锈钢应力腐蚀的影响。介绍了近年来关于控制不锈钢应力腐蚀开裂方法的研究进展，如晶界工程、细化晶粒以及涂层等。最后展望了不锈钢应力腐蚀开裂未来的研究方向。
专题——酸性油气田H2S/CO8工况下金属材料的腐蚀和应力腐蚀开裂
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  不同状态310S奥氏体不锈钢在H2S/CO2环境中的应力腐蚀行为

  张德龙, 刘传森

  表面技术. 2020, 49(3): 14-22. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.002

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  目的 探究不同状态310S奥氏体不锈钢在H2S/CO2环境中的应力腐蚀行为。方法 研究三种不同状态310S奥氏体不锈钢在湿H2S环境中的应力腐蚀行为和电化学测试，并探究影响310S应力腐蚀开裂的因素及其机理。结果 经过冷变形处理后，310S奥氏体不锈钢的抗应力腐蚀性能有所提升，而900 ℃时效处理会使310S钢材更易遭受应力腐蚀的影响。此外，施加载荷会使材料的耐蚀性变差。在SSRT实验中，固溶处理后的试样应力腐蚀敏感性为88.1%，时效处理后则升高至91.5%，冷轧后则降低至85.3%。另外还观察到，裂纹通常起源于试样表面局部腐蚀处。通过准原位充氢-TEM实验发现，氢原子扩散进基体后，会促进位错运动，导致位错更易发生塞积，从而引发应力集中。结论 冷轧态310S具有最好的耐蚀性能，其次为固溶态，时效态310S的耐蚀性能最低。在湿H2S环境下，冷轧态310S的应力腐蚀敏感性最低，时效处理则会提高试样的应力腐蚀敏感性。H原子进入到310S内部会促进位错的运动、增殖与塞积，导致应力集中，从而降低局部的耐蚀性能。
专题——酸性油气田H2S/CO9工况下金属材料的腐蚀和应力腐蚀开裂
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  Cl–对冷变形316L奥氏体不锈钢在H2S环境下应力腐蚀的影响

  表面技术. 2020, 49(3): 23-27. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.003

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  目的 研究H2S环境下不同Cl–浓度对冷变形316L奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响，探究Cl–造成影响的原因，为不锈钢安全服役提供理论数据。方法 采用力学方法研究了冷变形316L奥氏体不锈钢的力学行为，通过计算延伸率损失表征材料的应力腐蚀敏感性，通过电化学手段表征了点蚀电位。最后为了研究点蚀与基体中氢含量的关系，进行了扩散氢含量的测试，通过测量试样的扩散氢含量，进一步理解应力腐蚀行为。结果 随着Cl–浓度的增加，316L奥氏体不锈钢的延伸率损失逐渐增大，应力腐蚀敏感性增强。断口形貌从杯状的等轴韧窝转变为解理型脆性断裂。动电位极化测试表明，Cl–浓度的增加，点蚀电位逐渐降低，直至–0.0228 V，试样更容易发生点蚀。扩散氢含量的测量进一步显示了点蚀坑的存在促进了氢进入到金属内部。结论 Cl–对316L奥氏体不锈钢在H2S环境中的应力腐蚀行为有重要影响，随着Cl–浓度的增加，应力腐蚀敏感性增强，结合点蚀电位的测量结果，可能是由于Cl–破坏金属表面的钝化膜，产生点蚀坑，裂纹形核并扩展，同时点蚀坑还促进了氢进入金属内部，应力腐蚀敏感性增强。
专题——酸性油气田H2S/CO16工况下金属材料的腐蚀和应力腐蚀开裂
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  腐蚀产物晶体结构及离子选择性对P110S低合金钢在H2S/CO2环境中腐蚀行为的影响

  于浩波, 刘家宁, 杨明

  表面技术. 2020, 49(3): 28-34. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.004

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  目的 研究P110S低合金钢在H2S/CO2环境中的腐蚀行为及腐蚀产物对其影响机理。方法 通过P110S低合金钢在不同温度下的腐蚀失重实验、微观SEM形貌观察、XRD分析和离子选择性实验，探究腐蚀产物的晶体结构以及离子选择性对腐蚀行为的影响。腐蚀实验环境为模拟我国西北某油田现场不同井深的腐蚀工况，其中CO2与H2S的分压比为2.5。结果 温度低于100 ℃时，腐蚀产物主要为马基诺矿型FeS，其为阳离子选择性，能够阻碍阴离子与基体接触，起到抑制腐蚀的作用，因此腐蚀速率较低，约为0.15 mm/a，且随温度升高基本保持不变，试样表面的腐蚀产物膜平整未脱落；温度达到120 ℃后，腐蚀速率急剧增大，部分腐蚀产物由马基诺矿转变为磁黄铁矿，腐蚀产物膜因下层腐蚀产物挤压而发生破裂脱落，试样发生局部腐蚀；温度高于160 ℃时，腐蚀产物全部为磁黄铁矿型FeS，其为阴离子选择性，无法阻碍阴离子穿过腐蚀产物膜与基体接触，因此随着温度的升高，腐蚀速率逐渐增大并趋于平缓，达到3.6 mm/a。结论 H2S/CO2环境中低合金钢腐蚀行为与腐蚀产物晶体构型及离子选择性密切相关，若腐蚀产物为马基诺矿型FeS时，其具有阳离子选择性，能够抑制金属基体腐蚀溶解；而若腐蚀产物为磁黄铁矿型FeS时，因其具有阴离子选择性，则不能抑制金属基体发生腐蚀溶解。
专题——酸性油气田H2S/CO20工况下金属材料的腐蚀和应力腐蚀开裂
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  超临界CO2环境中温度和流速对N80碳钢腐蚀行为的影响

  刘丹, 张国安

  表面技术. 2020, 49(3): 35-41. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.005

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  目的 研究超临界CO2环境中温度和流速对N80碳钢腐蚀行为的影响，探讨N80碳钢在超临界CO2环境中的腐蚀机制。方法 利用高压釜进行失重和电化学测试，同时利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）进行腐蚀形貌观察和腐蚀产物成分分析。结果 当温度为40 ℃时，腐蚀速率最小，电化学阻抗随时间延长持续减小，此条件下并没形成FeCO3保护膜。升高温度导致腐蚀初期的腐蚀速率明显增大，然而腐蚀某个时刻后，电化学阻抗突然增大，意味着FeCO3保护膜的形成。温度越高，腐蚀24 h后的阻抗越大，产物膜越致密，保护性越好。另外，腐蚀失重速率随流速的增加而增大，电化学测试也表明流速越大，阻抗越小，腐蚀电流密度越大。SEM形貌分析表明，流体流动破坏了FeCO3膜的致密度，降低了其对N80碳钢基体的保护作用。结论 尽管升高温度加速了N80碳钢的腐蚀，但却有利于保护性FeCO3膜的形成。温度越高，FeCO3膜越致密。流体流动破坏了保护性FeCO3膜的致密性，加速了N80碳钢腐蚀。
专题——酸性油气田H2S/CO28工况下金属材料的腐蚀和应力腐蚀开裂
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  基于优化随机森林的H2S腐蚀产物类型及腐蚀速率预测

  表面技术. 2020, 49(3): 42-49. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.006

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  目的 研究H2S环境下碳钢腐蚀产物类型及失重腐蚀速率预测模型，为含硫油气田管道腐蚀防护设计与选材提供依据。方法 整合H2S腐蚀模拟实验数据，采用随机森林算法对各腐蚀因素重要性进行排序，一方面以腐蚀产物类型为输出量，通过随机森林分类算法建立硫铁腐蚀产物类别预测模型，另一方面以腐蚀速率为输出量，通过随机森林回归算法建立腐蚀速率预测模型，并与其他模型进行比较。运用网格搜索方法对各类算法的超参数进行优选，以提高预测可靠性。结果 随机森林算法得出的影响H2S腐蚀产物类型的因素重要性排序为：H2S分压、温度、pH值、实验周期、总压、CO2分压。基于网格搜索优化的随机森林分类模型交叉验证得分超过0.9，f1得分达到0.96，优于其他三种常用分类模型。采用网格搜索优化的随机森林回归模型预测结果与实际值的均方误差为0.86%。相关系数R值为0.979，优于其他两个回归模型。结论 网格搜索优化后的随机森林分类、回归模型对含H2S复杂环境下的碳钢腐蚀产物类型及腐蚀速率预测准确性较高，能够为油气田管道腐蚀防护提供参考。
研究综述
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  化学机械抛光中的接触状态研究概述

  张朝辉, 耿旭, 李梓万, 王智源, 鲁智德

  表面技术. 2020, 49(3): 50-56. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.007

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  化学机械抛光是获取高表面平整度的有效关键技术，获得了广泛的研究和应用，其表面材料的去除作用依赖于所处的真实接触状态。归纳了抛光垫/晶圆相互作用的形式，即相互滑过而没有直接接触、混合润滑和直接接触。分析了接触状态及其转变过程中的影响因素，包括抛光垫的变形、釉化和磨损，抛光液中磨粒的影响及表面活性剂对钝化层厚度的改变等。重点总结了化学机械抛光中接触状态问题的研究进展，包括光学显微镜测量计算接触面积比、薄膜传感器测量接触面积比、利用双发射激光诱导荧光技术测量抛光液厚度、抛光垫表面形貌演变对材料去除速率的建模等方法的特点及存在的问题。最后提出了纳米间隙测量技术测量化学机械抛光中接触率动态变化，从而得到真实接触状态和接触状态转变规律的新思路。
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  冷喷涂制备金属涂层及其在增材制造应用中的研究进展

  邓楠, 董浩, 车洪艳, 李少夫, 周张健

  表面技术. 2020, 49(3): 57-66. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.008

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  冷喷涂由于具有粉末加热温度低、涂层中氧含量及孔隙率较常规热喷涂涂层显著降低等特点，而广泛应用于制备各种类型的涂层或块体材料。近年来，冷喷涂设备及工艺的改善使其在增材制造和零件修复方面也具有极大的应用前景。综述了冷喷涂制备高性能软质相金属和硬质相金属/非金属涂层的研究进展，重点围绕原始颗粒结构、冷喷涂工艺参数、添加第二相和后处理手段对涂层制备及性能优化的效果进行总结，并对冷喷涂制备复合涂层的结合机理进行了阐述，包括软质相颗粒形成单一涂层和添加硬质相颗粒复合涂层的结合机理，且涂层中颗粒之间的结合主要为机械结合、物理结合、冶金结合和化学结合中的一种或多种结合形式。同时，介绍了冷喷涂技术在增材制造领域和零件修复方面的研究进展和存在的问题。最后，分析总结了冷喷涂的应用前景和存在的问题。
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  韧性体应力腐蚀机理模型

  朱龙奎

  表面技术. 2020, 49(3): 67-73. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.009

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  工业上常见的应力腐蚀（SCC）是一种具有低应力脆性解理特征的失效模式，同时SCC机理一直是近百年来的科学难点和研究热点。结合最新研究进展，综述了韧性体SCC机理模型。宏观上，SCC通常由敏感材料、特定环境和应力三因子构成，其失效准则遵循Griffith理论。微观上，重点分析了近几十年提出的SCC机理的构型、适用性和局限性。大体上，SCC微观机理主要包括滑移溶解模型、择优溶解模型、膜致解理模型、腐蚀促进塑性变形模型和环境断裂一致性模型。尽管各模型对SCC的物理化学本质尚存争议，但从阳极溶解到膜破裂、位错滑移到脆性解理、氢的促进作用到电负性粒子的耦合作用，各模型对SCC的认识已逐步深化，已深入至原子尺度，具有重要理论意义和应用价值。此外，还展望了SCC前沿科学与应用前景。
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  铁基材料表面激光熔覆不锈钢涂层的研究进展

  朱红梅, 胡际鹏, 李柏春, 李勇作, 邱长军

  表面技术. 2020, 49(3): 74-84. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.010

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  激光熔覆技术作为推动国家制造业升级的重要绿色制造和再制造技术，在航空航天、海工交通、冶金机械等重点领域具有广阔的应用前景。激光制造用粉末材料是影响该技术应用和发展的关键因素之一，其中铁基合金材料具有成本低、力学性能好、应用范围广等优势，特别是不锈钢体系的铁基合金因其良好的力学性能和优异的耐蚀性能而逐渐成为研究关注的焦点。全面综述了国内外在铁基材料表面激光熔覆不锈钢涂层的相关研究进展。根据显微组织的不同，目前采用激光熔覆技术制备的不锈钢涂层的类型主要有：奥氏体型不锈钢、马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢以及双相型不锈钢。重点综述了激光工艺参数（激光功率、扫描速度、熔覆方式等）、合金元素（Al、Ni、B、Mo等）、添加物（SiC、WC、VC、Cr3C2、Al2O3等陶瓷相）以及热处理（固溶处理、低温回火等）等因素对激光熔覆不锈钢涂层组织和性能的影响，主要包括对熔覆层的相组成、截面几何尺寸、稀释率、残余应力、力学性能、耐蚀性能等的影响规律及微观机制。同时，指出了目前在铁基材料表面激光熔覆不锈钢涂层领域中存在的主要问题及今后的发展方向。
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  自纳米化结构金属材料摩擦磨损研究现状

  李庆达, 王志明, 郭建永, 胡军, 王宏立, 赵胜雪

  表面技术. 2020, 49(3): 85-96. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.011

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  从自纳米化结构金属材料的形成机理及制备方法入手，阐述了表面自纳米化技术的优势，包括工艺简单、无增材处理、纳米结构层呈梯度变化且与基体无明显界限、适用性强等。在此基础上，重点综述了国内外学者对于自纳米化结构金属材料摩擦磨损的研究现状，包括钢铁合金、镁合金、铝合金、钛合金以及其他金属。同时分析出自纳米化结构金属材料摩擦磨损研究存在的问题，包括制备工艺参数的合理选择、高温钛合金表面自纳米化摩擦磨损性能的研究、腐蚀磨损特性的研究等。针对进一步拓展自纳米化结构金属材料的工业应用，提出了该领域未来可行的研究方向，以期为自纳米化结构材料研究提供有价值的参考。
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  泡沫铜表面改性对化学气相沉积高质量泡沫金刚石的影响

  安俊杰, 魏秋平, 叶文涛, 张龙, 包胜友, 李崧博, 于杨磊, 周科朝, 马莉, 尹登峰

  表面技术. 2020, 49(3): 97-105. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.012

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  目的 选择合适的过渡层材料改善三维连通泡沫铜衬底与金刚石之间的结合性，制备出三维连通结构的泡沫金刚石。方法 选择三维连通的泡沫铜作为衬底，使用磁控溅射技术在其表面沉积Ti、Cr过渡层，然后通过热丝化学气相沉积技术（HFCVD）在表面改性后的泡沫铜衬底上沉积金刚石涂层。通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、拉曼光谱仪及红外热成像仪等仪器，对样品的表面/截面形貌、成分结构及热扩散性能进行检测与分析。结果 经过Ti、Cr过渡层改性后，泡沫铜表面均能沉积出连续致密的高质量金刚石涂层，在相同的CVD沉积参数下，Cr过渡层泡沫金刚石（Cu-Cr/Dia）的晶粒尺寸更大（~5 μm），晶粒质量更高，且膜层厚度大于Ti过渡层泡沫金刚石（Cu-Ti/Dia），Cu-Ti/Dia与铜衬底的结合性要优于Cu-Cr/Dia。Cu-Cr/Dia和Cu-Ti/Dia的热扩散性能均优于泡沫铜，其中Cu-Cr/Dia的热扩散能力略高于Cu-Ti/Dia。结论 镀覆Ti、Cr过渡层有效增强了金刚石与泡沫铜衬底之间的界面结合，成功制备了三维连通结构的泡沫金刚石。
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  微纳复合结构超疏水铝表面抑霜特性研究

  鲁祥友, 潘雨阳, 谢远来

  表面技术. 2020, 49(3): 106-111. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.013

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  目的 从微观上揭示超疏水表面的抑霜机理。方法 运用化学刻蚀法制备微纳复合结构超疏水铝表面，在制冷实验台上对试件结霜过程进行微观可视化观测，并分析试件的霜晶演化规律。将超疏水铝片冷面温度分别设置为–5、–10、–15 ℃三个档次，通过对比普通铝片和超疏水铝片表面的霜晶高度与霜晶质量，结合相变动力学、经典成核理论、传热与传质理论解释相关结霜与抑霜机理。结果 不同的实验阶段及不同的实验温度条件下，超疏水铝表面本身的抑霜效果虽然有差异，但是相比普通铝表面的抑霜特性，超疏水铝表面都具有一定的抑霜效果，结霜过程整体滞后，霜层高度发展相对缓慢，实验进行了10 min后，超疏水表面的霜层高度只有普通表面的35%。结论 由于冷凝水珠在冷表面形成Wenzel状态，水珠浸润在微细结构中，在一定的条件下，超疏水铝表面可有效延缓冷凝水珠的生成，从而抑制结霜。在结霜后期，当冷凝水珠冻结，且在表面布满霜晶后，抑霜效果相对恶化。在经月桂酸修饰后，普通铝表面也具有一定的抑霜性能，但效果明显弱于具有微纳复合结构的超疏水表面，因此建议在制作表面有抑霜需求的材料时，可以以延缓冷凝水珠的生成为技术手段，制作合适的表面微纳结构，以期达到最大程度地抑霜的目的。
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  850 nm滤光片的设计、制备及激光损伤特性

  王建, 徐均琪, 苏俊宏, 李绵, 胡景波

  表面技术. 2020, 49(3): 112-118. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.014

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  目的 采用热蒸发沉积技术制备可用于人脸部识别的850 nm滤光片，研究滤光片的激光损伤阈值以及薄膜内部的电场分布。方法 采用TFC膜系仿真设计软件完成850 nm滤光片的设计与优化。采用真空箱式镀膜机，通过增加挡板、调整监控波长，以离子束辅助热蒸发沉积技术完成滤光片的制备。结果 通过紫外-红外分光光度计实现了在中心波长透射率为83.05%、其他波段T<5%的光谱特性测试。采用R-on-1的激光损伤测试方法得到TiO2/SiO2组合滤光片的激光损伤阈值达4.2 J/cm2，ZnS/MgF2组合滤光片为2.8 J/cm2。TiO2/SiO2组合滤光片空气-薄膜界面电场强度为0.3474，ZnS/MgF2组合滤光片为0.9357。分析显微镜下的微观结构得到，相比TiO2/SiO2组合，同一能量下，ZnS/MgF2组合的薄膜激光损伤斑较大，易出现损伤。结论 可以通过增加挡板、调整监控波长的方式实现窄带滤光片的制备。为了更好地获得激光损伤阈值较高的滤光片薄膜，在设计滤光片时尽可能地降低薄膜与空气界面处的电场分布，即界面处电场强度分布越小，薄膜表面抗激光损伤的能力越强。同时发现TiO2/SiO2组合滤光片激光损伤阈值大于ZnS/MgF2组合滤光片。
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  影响硅橡胶涂层疏水性的因素

  王崇鑫, 刘利国, 周雯, 刘玥, 孙达云, 路宽

  表面技术. 2020, 49(3): 119-123. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.015

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  目的 寻找影响硅橡胶涂层疏水性的因素，并找到相应的提升改进方法。方法 以液体硅橡胶为基体，通过燃烧橡胶条熏附、添加纳米SiO2粉末混合和喷洒纳米SiO2粉末附着这三种不同方式，来制备超疏水表面涂层。通过改变纳米粉末的加入方式、加入质量，研究疏水性的最佳条件。并通过光学显微镜测量静态接触角评价表面疏水性能，寻找影响其疏水性的因素。结果 最佳的方法为熏烧的烟尘附于液体硅橡胶涂层表面，大多数试验样本出现超疏水特性，静态接触角最高可达159°，平均值150°，静态接触角提高40°以上；次之为均匀喷洒纳米SiO2粉末，部分试验样本出现超疏水特性，静态接触角最高为145°，平均值135.5°，静态接触角提高30°~40°；简单搅拌混合的提升效果最差，没有试验样本出现超疏水特性，静态接触角最高可达124°，平均值108.5°，静态接触角只提高5°~15°。结论 构建超疏水涂层的关键在于能否成功构建出微纳米的二级微观结构，简单的物理混合、搅拌会使纳米粉末被覆盖掉，无法表现出其特性。涂层的疏水能力与接触周围的实际微观长度有关。
表面摩擦磨损与润滑
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  缸套-活塞环织构化耦合机理及减摩性能研究

  缪晨炜, 郭智威, 袁成清, 许昌, 盛晨兴

  表面技术. 2020, 49(3): 124-133. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.016

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  目的 在工况恶劣的船舶柴油机中，运用表面织构技术提高缸套-活塞环的表面摩擦性能。方法 选用实船上的两种缸套-活塞环材料M与W，加工成销盘样式，利用激光打标机在活塞环销上加工圆形凹坑织构，在缸套盘上加工沟槽织构。将未织构化缸套和活塞环与织构化缸套和活塞环互相配对，在RTEC多功能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验。从摩擦系数、磨损量、磨损形貌、能谱等方面，进行光滑、单一织构与耦合织构减摩性能的对比分析。结果 相比于未织构与单一织构化表面，两种材料的耦合织构均拥有最低的摩擦系数，其中M材料的减摩性能最高增强21.52%，W材料最高增强27.29%。耦合织构还拥有最低的磨损量，使M、W材料的抗磨损能力分别提高81.10%、36.14%。耦合织构能显著降低M、W材料磨损后的表面粗糙度，并提升其润滑油滞留能力。织构内部与接触面的Fe、C分布呈现区域性，在缸套表面磨痕处发现少量Cu元素。结论 沟槽与凹坑织构的耦合作用能有效增强油膜的形成与稳定能力，沟槽与凹坑织构可储存磨屑，提升磨屑捕集效率，防止磨屑持续划伤表面。缸套材料中的Cu与耦合织构协同作用，吸附在表面磨痕处，形成软膜，提高承载能力，降低磨损与粗糙度。
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  车轮辐板阻尼涂层对钢轨波磨的影响

  夏晨光, 陈光雄, 朱旻昊, 赵晓男

  表面技术. 2020, 49(3): 134-140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.017

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  目的 研究车轮辐板涂敷有阻尼性能的涂层对小半径曲线钢轨波磨的影响，并根据试验结果提出减缓或抑制钢轨波磨的建议。方法 基于摩擦自激振动导致钢轨波磨机理，利用ABAQUS有限元仿真软件，建立轮对、钢轨、轨枕、车轮辐板涂层有限元模型，模拟曲线半径为300 m的工况，采用ABAQUS中内置的复特征值分析方法，分析轮轨系统在小曲线半径工况下的稳定性。结果 在曲线半径为300 m的工况下，轮轨间因存在饱和蠕滑力引起自激振动，于频率f=502.32 Hz时产生不稳定振动，从而引起钢轨波磨。通过在车轮辐板内侧和双侧涂敷有阻尼涂层，可有效增强轮轨系统的稳定性，减缓钢轨波磨的发生趋势。只在车轮辐板外侧添加涂层会增加钢轨波磨的发生概率。车轮辐板双侧和内侧涂层模型中，涂层厚度的增加会提高系统稳定性；外侧涂层模型中，涂层厚度的增加会降低系统的稳定性。涂层的阻尼系数对钢轨波磨有较大影响，提高涂层阻尼系数可有效减缓钢轨波磨发生趋势。结论 在地铁小半径曲线上，通过在车轮辐板内侧涂敷有阻尼涂层，可有利于减缓钢轨波磨现象，当涂层阻尼系数增大至1.5e–3时，可有效抑制钢轨波磨。
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  偏压对DLC薄膜结构及摩擦学性能的影响

  刘长鑫, 李璐璐, 王少峰, 杨庆祥, 周野飞

  表面技术. 2020, 49(3): 141-147. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.018

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  目的 通过调节偏压，改善无氢DLC薄膜的微观结构，提高其力学性能和减摩抗磨性能。方法 采用离子束辅助增强磁控溅射系统，沉积不同偏压工艺的DLC薄膜。采用原子力显微镜（AFM）观察薄膜表面形貌，采用拉曼光谱仪对薄膜的微观结构进行分析，采用纳米压痕仪测试薄膜硬度及弹性模量，采用表面轮廓仪测定薄膜沉积前/后基体曲率变化，并计算薄膜的残余应力，采用大载荷划痕仪分析薄膜与不锈钢基体的结合力，采用TRB球-盘摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦学性能，采用白光共聚焦显微镜测量薄膜磨痕轮廓，并计算薄膜的磨损率。结果 偏压对DLC薄膜表面形貌、微观结构、力学性能、摩擦学性能都有不同程度的影响。偏压升高导致碳离子能量升高，表面粗糙度呈现先减小后增加的趋势，-400 V的薄膜表面具有最小的表面粗糙度且C─C sp3键含量最多，这也导致了此偏压下薄膜的硬度最大。薄膜的结合性能与碳离子能量大小呈正相关，-800 V时具有3.98 N的最优结合性能。不同偏压工艺制备的薄膜摩擦系数随湿度的增加，均呈现减小的趋势，偏压为-400 V时，薄膜在不同湿度环境中均显示出最优的摩擦学性能。结论 偏压为-400 V时，DLC薄膜综合性能最优，其表面粗糙度、硬度、结合力和摩擦系数分别为2.5 nm、17.1 GPa、2.81 N和0.11。
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  稀土含量对Ti6Al4V钛合金等离子渗氮层组织和摩擦学性能的影响

  韦乃安, 韦春贝, 代明江, 柏松, 林松盛, 侯惠君, 李洪, 苏一凡, 唐鹏

  表面技术. 2020, 49(3): 148-154. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.019

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  目的 研究稀土含量对Ti6Al4V钛合金表面等离子体渗氮层结构和性能的影响。方法 运用等离子表面改性技术对Ti6Al4V（TC4）钛合金进行等离子渗氮处理，渗氮过程中通入不同含量的稀土作为催渗剂，以获得钛合金表面强化层。利用金相显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察渗氮层组织，用X射线衍射仪（XRD）分析渗层相组成，用能谱仪（EDS）检测渗层的化学成分，用维氏显微硬度计测量渗层的显微硬度，用球-盘式摩擦磨损试验机和三维轮廓仪检测渗层的摩擦磨损性能。结果 TC4钛合金表面等离子渗氮层结构包括表面化合物层（主要成分为δ-TiN）和扩散层（主要为N原子扩散形成的N-Ti固溶体），加入稀土可以促进N原子向基体的扩散，提高渗氮速度。渗层厚度增加，硬度和耐磨性能提高，扩散层使钛合金基体与化合物层之间的硬度梯度更加平缓。当稀土通入速率为60 mL/min时，渗层厚度可达155 μm，表面硬度为1275HV0.05，摩擦系数降到0.27，磨损率明显降低。结论 钛合金等离子渗氮过程中加入稀土可以有效提高渗速，改善渗氮层硬度，提高材料表面的耐磨性能。
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  使用温度对特氟龙食品接触用不粘涂层摩擦学性能的影响

  吕显成, 孙航, 曹磊, 秦浩峰, 万勇, 高建国

  表面技术. 2020, 49(3): 155-161. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.020

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  目的 模拟日常使用情况，考察使用温度对食品接触用特氟龙不粘涂层表面特性及摩擦学性能的影响。方法 利用马弗炉，在大气环境下，对特氟龙不粘涂层在不同温度下加热处理30 min。采用扫描电子显微镜、Raman光谱仪、接触角测量仪、摩擦磨损试验机等对热处理前后涂层的结构及摩擦学性能进行测试。结果 当热处理温度低于500 ℃时，不粘涂层的表面润湿性、硬度及摩擦学性能变化不大。当热处理温度达到550 ℃时，涂层的表面结构发生明显的变化，部分涂层从底材剥落，同时观察到涂层中含氟树脂已完全分解。此时涂层的表面对去离子水和橄榄油的接触角分别为10°和12°，表现为明显的亲水和亲油性能，硬度仅为未处理涂层的1/5。涂层在干摩擦条件下及去离子水介质中，摩擦系数和磨损体积均急剧增大。 结论 使用温度对食品接触用特氟龙不粘涂层的表面结构及摩擦学行为影响较大。
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  38CrMoAl钢喷丸预处理与稀土催渗等离子多元共渗复合工艺研究

  钟厉, 门昕皓, 周富佳, 韩西

  表面技术. 2020, 49(3): 162-170. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.021

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  目的 探索38CrMoAl喷丸预处理与稀土离子多元共渗复合强化新工艺的效果及其机理。方法 通过设计正交实验筛选出最优处理工艺，在最优工艺参数条件下进行对比试验，分别测定渗氮后各试样的表 面硬度及渗层厚度，观察其金相组织，利用SEM和能谱分析研究每组试样渗氮层的性能及产生原因。 结果 38CrMoAl钢喷丸预处理与稀土催渗离子多元共渗的最优工艺参数为：渗氮温度540 ℃，氨气流量2.0 L/min，保温时间9 h。38CrMoAl钢试样的最大硬度为1221HV，渗层厚度为355 μm。38CrMoAl钢试样的金相显微组织分析表明，喷丸预处理、稀土催渗对等离子多元共渗有促进作用，两者复合工艺的多元共渗作用效果大于单一稀土催渗和等离子多元共渗工艺。38CrMoAl钢试样渗层的能谱检测结果显示，复合处理工艺与单一处理工艺相比，在同一深度渗入的氮、碳、氧元素含量以及渗层深度均有明显提高。结论 喷丸预处理与稀土催渗离子多元共渗工艺优于普通多元共渗和稀土多元共渗，喷丸和稀土的复合处理可以显著增强渗层厚度和渗入元素含量，有利于材料表面性能的提升。
表面失效及防护
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  Ti65合金磷酸盐涂层抗高温氧化性能研究

  李佳忆, 孔令艳, 刘建荣, 熊天英

  表面技术. 2020, 49(3): 171-179. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.022

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  目的 通过表面涂层提高高温钛合金Ti65的抗高温氧化性能。方法 采用喷涂法在Ti65合金基体上制备以磷酸铝为粘结剂、Al和Al/SiC为填料的两种磷酸盐抗高温氧化复合涂层。研究Ti65合金和涂层样品在650 ℃准等温、静态空气条件下的氧化动力学行为。用XRD和SEM/EDS分别对涂层样品氧化前后的物相组成、组织形貌和微区成分进行表征分析；用电子探针（EPMA）分析涂层样品的元素分布情况。结果 650 ℃抗高温氧化实验结果表明，磷酸盐涂层样品的准等温氧化动力学曲线均符合抛物线规律，两种涂层样品的抛物线氧化速率常数kp分别为3.922×10-2、1.768×10-2 mg/(cm2?h1/2)和2.48×10-2、3.385×10-4 mg/(cm2?h1/2)，均小于Ti65合金，氧化增重显著降低。以Al/SiC为填料的磷酸铝涂层的抗氧化性能最好，氧化1000 h，质量增加0.20 mg/cm2，约为Ti65基体氧化增重（1.13 mg/cm2）的1/6。微观分析结果表明，两种磷酸盐涂层样品在650 ℃准等温氧化后，涂层与基体形成扩散层，生成TiAl3金属间化合物，涂层表面均保持完好，没有裂纹和孔隙，有效阻止了氧元素向Ti65基体的扩散，保护基体不受氧化。结论 磷酸盐涂层能有效阻止650 ℃温度下氧向Ti65合金基体的扩散，具有优异的抗高温氧化性能。
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  20%NiCr-80%Cr3C2涂层抗热冲击和抗氧化性能研究

  李旭强, 汤鹏君, 姜欣, 张学东, 任伟, 翟海民, 李文生

  表面技术. 2020, 49(3): 180-188. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.023

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  目的 针对工作温度较低（低于550 ℃）的热作模具，研究热喷涂20%NiCr-80%Cr3C2涂层在5CrNiMo热作模具钢基体上的抗热冲击和抗氧化性能。方法 利用超音速火焰喷涂技术（HVOF）在5CrNiMo热作模具钢基体上制备20%NiCr-80%Cr3C2涂层。采用维氏显微硬度计和万能力学试验机分别测试涂层表面的显微硬度和结合强度；采用管式炉研究涂层在250~550 ℃之间的抗循环热冲击及抗氧化性能；采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪分析表征涂层经循环热冲击试验前后样品的形貌、组织结构及物相组成。结果 20%NiCr-80%Cr3C2涂层组织均匀致密，具有极高的表面显微硬度（818.9HV）和结合强度（64.0 MPa）。200次循环热冲击后，涂层内部产生了微裂纹，但并未相互连通，样品表面依旧保持光洁平整，且粘接相中析出的碳化物颗粒使涂层硬度大幅提高（1029.0HV）。涂层与基体界面形成了Fe和Cr元素的氧化物层，但其厚度增至约1 μm后处于稳定阶段，且该氧化层连续致密，与基体和涂层结合良好，并未表现出使涂层剥离的倾向。结论 利用HVOF制备的20%NiCr-80%Cr3C2涂层抗循环热冲击性能良好，且能够有效提高5CrNiMo热作模具钢工作表面的硬度和抗氧化性能。
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  EB-PVD热障涂层系统界面应力的理论分析

  周思博, 吴敬涛, 邓文亮, 岳珠峰

  表面技术. 2020, 49(3): 189-198. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.024

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  目的 获得热障涂层系统危险界面应力解析解及其变化规律。方法 基于弹性理论，推导出能同时考虑氧化物热生长及其形貌、CaO-MgO-Al2O3-SiO2（CMAS）沉积、温度变化、材料参数不匹配的危险界面应力分布的解析解。分别研究热循环中氧化层热生长和CMAS沉积对热障涂层界面应力的影响，并从应力演化的角度对危险界面微裂纹的萌生和扩展进行预测。结果 理论分析显示，当系统经历24个热循环后，陶瓷层/氧化物层界面波谷应力σv从最初的0增加到301.44 MPa。氧化物层/粘结层界面波峰应力σp从最初的617 MPa增加到1189.89 MPa。当CMAS沉积深度hCMAS从0增加到150 μm时，应力σv从170.26 MPa增加到443.37 MPa，应力σp从1317.83 MPa减小到1050.17 MPa。结论 氧化物热生长可以促使陶瓷层/氧化物层界面波谷和氧化物层/粘结层界面波峰裂纹的萌生和扩展。CMAS沉积将进一步促使陶瓷层/氧化物层界面开裂，然而对氧化物层/粘结层界面的开裂有抑制作用。解析解的计算结果与先前的有限元分析结果和模型试验结果相近，证明了该理论方法计算界面应力的准确性。
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  油气管道内外壁腐蚀缺陷干涉作用影响因素研究

  黄坤, 杨磊, 李安然

  表面技术. 2020, 49(3): 199-204. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.025

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  目的 研究油气管道内外壁腐蚀缺陷干涉作用机理及影响因素，为管道安全运行提供依据和保障。方法 采用ABAQUS有限元分析软件，结合二倍弹性斜率法和控制变量法，改变内外壁腐蚀缺陷尺寸（相对深度、相对长度、相对宽度）和缺陷轴向表面间距，求解含内外腐蚀缺陷管道极限载荷，以极限载荷的变化为依据，通过5%极限影响判定标准，求得内外腐蚀缺陷干涉作用极限影响距离，同时利用MATLAB软件建立管道内外腐蚀缺陷-干涉极限影响距离函数关系，拟合得到公式。结果 当外缺陷深度a1/t、内缺陷深度a2/t在0.1~0.3变化时，双缺陷干涉极限距离从46 mm增大到193 mm，且变化速率越来越大；当外缺陷长度 、内缺陷长度 在0.5~2.5变化时，双缺陷干涉极限距离从71 mm增大到219 mm，但变化速率越来越小。随着内外缺陷宽度c1、c2的增大，管道极限载荷几乎不减小，双缺陷干涉极限影响距离基本不变。构建的四元三次多项式拟合公式R2=0.9898、SSE=0.5361、RMSE=7.3219，离散性低，精度较高。结论 缺陷深度是影响干涉极限距离的最主要因素，缺陷长度次之，缺陷宽度基本不影响。
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  16Mn管线钢的焊缝表面冲蚀机理研究

  武刚, 李德君, 罗金恒, 白强, 李丽锋, 朱丽霞

  表面技术. 2020, 49(3): 205-212. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.026

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  目的 在管道工程中，16Mn管线钢异径接头-管体焊缝（简称焊缝）表面冲蚀行为是引发失效的主要原因之一，通过研究焊缝余高和管体流体作用，以此来探究焊缝表面冲蚀机理。方法 以16Mn管线钢为研究对象，针对焊缝区表面冲蚀行为开展基础研究，通过电化学和腐蚀模拟实验，研究了流体初期焊缝区表面腐蚀行为，并通过流体模拟实验，研究了焊缝余高和流体速度对焊缝区冲蚀过程的影响，揭示了管线钢焊缝的冲蚀机理。结果 在腐蚀模拟实验中，焊缝、接头母体和管体的开路电位分别为-0.717、-0.686、-0.687 V，焊缝区发生电化学腐蚀的倾向在模拟腐蚀液中最严重，焊缝的自腐蚀电流密度为7.9 μA/cm2，母材的自腐蚀电流密度为3.2 μA/cm2，焊缝的电化学腐蚀倾向性更大，焊缝区金属腐蚀速率最大，在焊缝表面形成了疏松的FeO产物层。在流体模拟实验中，流体在焊缝余高作用下形成了湍流，流速的增加也提高了湍动能，流速为15 m/s和30 m/s时，焊缝凹槽的深度分别为3 mm和8 mm，焊缝凹槽相差5 mm。湍动能在焊缝余高的FeO腐蚀产物表面产生了变形磨损和切削效应，使得焊缝表面疏松的FeO产物层脱落，加速了腐蚀过程，最终形成了冲蚀凹陷区。结论 16Mn管线钢焊缝的冲蚀行为是腐蚀和流体冲蚀共同作用的结果，可分为初期的腐蚀和流体冲蚀两个阶段，形成了腐蚀与冲蚀循环交替过程。焊缝余高和流体速度对冲蚀影响较大，内焊缝余高和流体速度的增加将导致余高处的湍动能急剧增加，加速焊缝金属腐蚀产物层剥离，导致焊缝表面冲蚀。研究结果可以为管道失效行为和安全服役设计提供理论基础。
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  等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

  刘光, 张啸寒, 贾利, 王亮, 庞铭, 安宇龙

  表面技术. 2020, 49(3): 213-223. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.027

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  目的 研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法 设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层，并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型，模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化，研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果 随着径向距离的增大，粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力，并且在涂层边缘位置，径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置，伴随着陶瓷层厚度的增加，粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化，且轴向残余应力的数值几乎为0；在6~12.5 mm路径范围内的同一位置，伴随着陶瓷层厚度的增加，其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时，涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时，涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时，将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52，涂层具有最低的热失配。结论 通过设计功能梯度热障涂层，并合理调控热障涂层系统的结构参数，可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况，提升基体与涂层的结合强度。
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  低共熔溶剂中电化学剥离制备GO及脉冲电沉积Ni-GO复合镀层性能研究

  安景花, 郭惠霞, 梁军

  表面技术. 2020, 49(3): 224-233. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.028

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  目的 在低共熔溶剂中实现电化学剥离制备氧化石墨烯（GO）及电沉积制备Ni-GO复合镀层，提高Ni镀层的耐腐蚀和摩擦磨损性能。方法 以石墨棒为阴极，铂片为阳极，低共熔溶剂为电解液，采用直流电源电化学剥离石墨制备氧化石墨烯纳米片（GO），然后在此电解液中，采用脉冲电沉积的方式制备Ni-GO复合镀层。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子电镜（TEM）、紫外分光光度计（UV）、红外光谱仪（IR）、拉曼光谱仪（Raman）、X射线衍射仪（XRD），表征GO的结构和组成。采用扫描电子显微镜（SEM）观察镀层的表面形貌，采用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）分析镀层的结构特征。采用电化学工作站、纳米压痕仪和摩擦磨损实验机分析镀层的耐腐蚀性能、机械性能和摩擦磨损性能。结果 采用电化学剥离法在低共熔溶剂中成功制备了GO，GO呈现大的片层状结构，表面存在褶皱，边缘弯曲，上下表面层含有大量羟基和环氧基。性能检测表明，Ni-GO复合镀层的腐蚀电流密度由纯Ni镀层的6.10×10-5 A/cm2降低为5.78×10-7 A/cm2，硬度由纯Ni镀层的(8.95±0.43) GPa提高到(13.75±0.75) GPa，弹性模量由纯Ni镀层的(184.55±8.12) GPa提高到(201.38±11.20) GPa，摩擦系数由纯Ni镀层的0.72降低为0.56，磨损率比纯Ni镀层降低了35.16%。结论 在低共熔溶剂中实现了电化学剥离石墨制备GO，并用于Ni-GO金属基复合镀层一步制备的电化学途径，为均匀分散的氧化石墨烯的制备和金属基复合镀层的制备提供了新的方法。以此为电解液制备的Ni-GO复合镀层相比于纯Ni镀层，其晶粒细化，耐腐蚀性能增强，机械性能提高，摩擦系数减小，耐磨性能增强。
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  钢铁表面常温超声磷化研究

  胡秀英, 胡贵芳, 宋皖杰, 李明红

  表面技术. 2020, 49(3): 234-238. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.029

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  目的 通过在钢铁件表面磷化处理中引入超声波，提高磷化膜的外观及耐蚀性。方法 首先采用正交实验确定了磷化液的最优配方，其次采用单因素实验考察了超声波作用下磷化pH值、磷化温度、磷化时间、超声功率对磷化膜性能的影响，最后采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪，对超声磷化膜和普通磷化膜的微观形貌和物相组成进行了分析。结果 正交实验得到的最优磷化液配方为：氧化锌15 g/L，磷酸90 g/L，硫酸羟胺（HAS）10 g/L，硝酸锰4 g/L。各因素对磷化影响主次顺序为：磷酸>硝酸锰>氧化锌>HAS。最佳磷化工艺条件为：磷化液pH值2.3~2.6，磷化温度30 ℃，磷化时间45 min，磷化超声功率210 W。最优配方及最佳磷化工艺条件下制得的磷化膜结构均匀致密，硫酸铜点滴时间为320 s。超声磷化膜和普通磷化膜相比，前者晶粒长径比接近1，后者晶粒的长径比接近4，前者晶粒分布均匀致密，后者表面颗粒分布不均匀，晶粒间存在较多孔隙。前者物相组成主要是Zn3(PO4)2?4H2O和MnHPO4?3H2O，后者物相组成比前者多了组分Zn2Fe(PO4)2?4H2O。结论 超声磷化比普通磷化得到的磷化膜，外观及耐蚀性更优越。
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  胡萝卜茎叶提取物对碳钢在0.5 mol/L H2SO4溶液中的缓蚀作用

  李冬伊, 张盼盼, 郭心瑜, 赵晓伟, 许英

  表面技术. 2020, 49(3): 239-247. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.030

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  目的 研究胡萝卜茎叶提取物（DCSLE）在硫酸介质中对碳钢的腐蚀抑制作用及机理。方法 通过超声辅助的手段，用水浸提获得DCSLE，利用红外光谱（FTIR）对其含有的主要官能团进行表征。在25~40 ℃下，采用失重法、电化学极化和阻抗法（EIS）评价DCSLE在0.5 mol/L H2SO4溶液中对碳钢的缓蚀性能，并讨论了其缓蚀机理。结果 DCSLE对碳钢在0.5 mol/L H2SO4溶液中的腐蚀具有良好的抑制效果，其缓蚀效率随浓度的增加而增加，随温度的增加而先增加后降低（40 ℃<25 ℃<30 ℃<35 ℃），35 ℃下，质量浓度为0.6 g/L时，缓蚀效率为92.85%。电化学测试表明，DCSLE是混合型缓蚀剂，但主要是抑制阴极的反应。其缓蚀机理是：DCSLE以物理和化学混合吸附的方式吸附在碳钢表面，形成一层保护膜，从而阻止酸溶液的侵蚀，且吸附遵循Langmuir吸附等温模型。扫描电镜（SEM）观察到加入DCSLE后，碳钢的腐蚀得到了明显控制。结论 DCSLE可以有效抑制碳钢在0.5 mol/L H2SO4溶液介质中的腐蚀，是一种具有广泛应用前景的天然绿色缓蚀剂。
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  纳米二氧化钛硅烷接枝密度对水性环氧涂层耐蚀性能的影响

  安成强, 李庆鲁, 郝建军

  表面技术. 2020, 49(3): 248-254. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.031

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  目的 研究水性环氧/硅烷化纳米TiO2复合防护涂层在3.5%NaCl溶液中的失效规律和防腐性能。 方法 采用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）化学接枝改性纳米TiO2颗粒，将硅烷改性纳米TiO2均匀分散在水性环氧涂料中，并把混合涂料涂覆在Q235钢试样上。采用傅里叶红外光谱仪（FTIR）和热重分析仪（TGA）测试纳米TiO2表面化学接枝改性情况，采用电化学工作站测试复合涂层的电化学性能，采用激光共聚焦显微镜观察复合膜层的表面形貌。结果 使用质量分数10% APTES改性纳米TiO2，单齿螺旋结构占有的比例更高；使用质量分数20% APTES改性纳米TiO2，具有最高的接枝密度，为11.78 APTES/nm2。电化学测试结果显示，环氧/TiO2复合涂层比纯环氧涂层具有更好的耐蚀性能，其中加入质量分数20% APTES改性纳米TiO2的环氧/TiO2复合涂层对基体的保护性能最好，其涂层电阻是纯环氧涂层的12倍，电荷转移电阻是纯环氧涂层的18倍。在相同的腐蚀条件下，单齿螺旋结构更容易被破坏。加入硅烷纳米TiO2颗粒后，可以显著减少涂层表面尖峰状突起和孔洞。结论 纳米TiO2的APTES接枝分子密度，是水性环氧/硅烷化纳米TiO2复合防护涂层耐腐蚀性能提高的直接原因。
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  耐候钢表面锈层稳定化处理技术研究

  高立军, 杨建炜, 张旭, 曹建平, 姜杉, 王胜荣

  表面技术. 2020, 49(3): 255-261. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.032

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  目的 解决耐候钢裸露使用初期锈液流失导致污染环境的问题。方法 制备了耐候钢表面锈层稳定化处理溶液。通过周期浸润循环腐蚀试验、锈层微观分析和电化学测试等方法，研究了在模拟工业大气环境下，表面处理溶液对耐候钢锈层结构及耐腐蚀性能的影响。结果 表面处理后，耐候钢的开路电位由处理前的-0.395 V降低到-0.475 V，表面快速生成一层连续致密的氧化层。加速腐蚀16 d后，耐候钢的腐蚀速率由未处理时的0.209 mg/(cm2?d)降低到表面处理后的0.106 mg/(cm2?d)，降低了约49%；锈层的自腐蚀电位由未处理的-0.216 V提高到处理后的-0.073 V，提高了约66%，自腐蚀电流密度由未处理时的7.41 μA/cm2降低到1.58 μA/cm2，降低了约79%。随着腐蚀时间从1 d延长至16 d，处理后的耐候钢锈层中α-FeOOH的质量分数由2.96%增加到4.46%，增加了51%，γ-FeOOH的质量分数由2.06%降低到1.65%。表面处理后的耐候钢锈层中，Cu和Cr元素在锈层与基体结合处和锈层内部发生富集。结论 处理溶液降低了耐候钢表面的开路电位，可使耐候钢快速生成致密且连续的锈层，锈层中Cu、Cr元素富集促进了γ-FeOOH向α-FeOOH的转化，提高了锈层电化学保护性能，降低了后期腐蚀速率，缩短了稳定化进程。
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  高压直流换流阀散热器腐蚀机理及防控技术研究

  国建宝, 崔鹏飞, 关胜利, 卢志良, 汪广武, 王海军, 陈建业, 黄克峰, 耿曼, 傅宇湘, 杨伟龙, 吴安兵, 邓龙龙, 吕闯

  表面技术. 2020, 49(3): 262-268. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.033

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  目的 研究高压直流换流阀散热器的腐蚀机理及其防控技术。方法 通过搭建散热器水冷系统运行平台，搭载化学镀镍和未镀镍两种不同的水冷散热器，研究水冷内流道的腐蚀情况及其影响。通过SEM及元素分析仪分析腐蚀情况及腐蚀产物的组成，并通过万能试验机对金属材质的力学性能进行研究，推导腐蚀机理。另外，对比镀镍和未镀镍水冷器换热效率的变化规律。结果 成功搭建能评估水冷散热器腐蚀性能的试验平台，且在试验平台模拟下，镀镍的水冷散热器在水冷设备上运行3个月后表面光亮，无明显腐蚀物和腐蚀痕迹；而未镀镍的水冷散热器宏观微观上都有较明显的腐蚀产物，主要为含羟基铝石、硫酸铝以及氯化铝等物质，且化学镀镍阴极保护处理后，可使流体在对流换热时的导热热阻减小，让流体在流道里面的流动变成剧烈无序的湍流状态。结论 采用化学镀镍的冷却系统的耐腐蚀性能更为优异，且同时可降低水冷散热器的热阻，从而强化换热效果，改善了水冷散热器的换热性能。
膜层材料与技术
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  Sb对锌液与X80钢表面润湿性影响的研究

  崔德荣, 雷云, 李智伟, 苏旭平, 刘亚, 彭浩平

  表面技术. 2020, 49(3): 269-274. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.034

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  目的 通过添加不同量的Sb元素降低锌液表面张力，提升X80管线钢热浸镀锌可镀性及镀层质量。方法 采用改良座滴法在450 ℃下进行润湿实验，利用轴对称液滴分析软件（ADSA），计算不同Zn-Sb合金熔体在X80钢基板上的接触角，得到450 ℃时Zn-Sb合金熔体表面张力。通过能谱仪和扫描电子显微镜对镀层表面及截面的微观形貌和组织结构进行分析。结果 当Sb添加量为1.0%时，450 ℃下Zn-Sb合金表面张力约为0.63 N/m，随Sb含量的增加，表面张力逐渐减小，当Sb含量增加到4.0%时，表面张力达到0.46 N/m，远低于纯锌液的0.79 N/m。同时，Zn-Sb合金熔体与X80钢的接触角也从最初的57°逐渐减小到43°。锌合金熔体与X80钢界面处形成铁锌化合物组成的连续反应层，且在反应三相线外存在前驱膜，前驱膜的形成使随后的合金液在其上铺展，促进了润湿。结论 Sb的添加能有效降低锌液表面张力，减小Zn-Sb合金熔体与X80钢间的接触角。Sb的表面张力较小，倾向于在锌合金表面富集，其作为表面活性元素降低锌液表面张力，从而提高润湿性。
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  基于特征划分熔覆轨迹的干涉检测及修正

  刘金朵, 孙文磊, 张冠, 黄勇

  表面技术. 2020, 49(3): 275-280. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.035

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  目的 激光再制造技术在实际加工过程中会遇到多种复杂曲面的零件，合理的激光路径规划是获得高性能涂层的关键因素。方法 将当前光束向量平移一定距离，平面空间被分割成正域和负域，利用特征属性判断当前点的归属关系，快速排除肯定不与零件发生干涉的激光束。转入精确检测，计算干涉因子λ，确定矢量h，将曲面划分成规则的微元对象block，分析光束与block的交点信息，完成干涉检测的精确搜索。在保证熔覆层质量理想的条件下，计算相应干涉量?，以当前点为焦点，切线方向为固定轴旋转角度?，调整光束姿态至安全区域。结果 编写C程序算法，对实际零件三维建模并进行轨迹仿真。预期点集共47 883个，其中失效点7341个，计算相应干涉量在10°范围内。完成所有干涉光束的有效修正，生成优化后的机器人路径程序。结论 再制造前处理阶段，该算法通过仿真实验模拟对象间的碰撞检测，及时消除激光加工中存在的安全隐患，形成合理的熔覆轨迹，提高加工效率，节约生产成本。
表面质量控制及检测
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  氮化硅陶瓷磨削表面质量的建模与预测

  吴玉厚, 王浩, 孙健, 王贺, 李颂华

  表面技术. 2020, 49(3): 281-289. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.036

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  目的 提升氮化硅陶瓷加工质量和效率，提高粗糙度模型预测精度。方法 提出塑性与塑-脆性去除转变临界切深hc1和塑-脆性与脆性转变临界切深hc2，然后对原有模型进行修正，并引入塑性去除粗糙度修正系数φ1、τ1和塑-脆性去除粗糙度修正系数φ2、τ2，建立基于不同去除方式的粗糙度Ra预测模型，后通过磨削实验对系数进行求解，并得出磨削参数对粗糙度和表面形貌的影响。结果 塑性去除粗糙度修正系数φ1=5.872×10–6、τ1=0.1094，塑-脆性去除粗糙度修正系数φ2=1.299×10–5、τ2=0.1582。砂轮线速度vs由30 m/s增大到50 m/s，粗糙度Ra由0.366 μm减小到0.266 μm，去除方式由脆性断裂向塑性变形转变，表面质量变好。磨削深度ap由5 μm增大到45 μm，粗糙度Ra由0.252 μm增大到0.345 μm，去除方式由塑性变形向脆性断裂转变，表面质量变差。工件进给速度vw由1000 mm/min增大到9000 mm/min，粗糙度Ra由0.227 μm增大到0.572 μm，去除方式由塑性变形向脆性断裂转变，表面质量变差。模型预测值与实验值的相对误差δ在2.1%~8%之间。结论 在加工中应控制磨削深度和工件进给速度，适当提高砂轮线速度，以保证加工精度和效率。基于不同去除方式的粗糙度预测模型，可较为精准地预测实际加工情况。
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  钛合金曲面超声辅助磁性磨料光整加工材料去除规律及去除函数

  马付建, 姜天优, 刘宇, 杨大鹏, 沙智华, 张生芳

  表面技术. 2020, 49(3): 290-299. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.037

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  目的 研究工件曲率半径、驻留时间以及加工角度对钛合金曲面超声辅助磁性磨料光整加工材料去除深度和材料去除曲线偏置程度的影响，建立不同走刀方式下的材料去除函数。方法 在不同工件曲率半径、驻留时间和加工角度下，对钛合金曲面工件进行单点抛光试验，利用方差分析法，研究各因素水平对材料去除深度及材料去除曲线偏置程度的影响规律，采用最小二乘法拟合材料去除点坑在xoz平面和yoz平面内的材料去除曲线，基于二次多项式逐步回归方法，构建不同加工工艺参数下，材料去除曲线函数系数与加工工艺参数间的函数表达式，建立不同走刀方式下的材料去除函数，并对其进行准确性检验。结果 由材料去除深度方差分析可得：驻留时间的F值为8.06，加工角度的F值为2.296，材料去除深度随驻留时间和工件曲率半径的增加而增加，随加工角度的增大，先增加后减小。由材料去除曲线偏置程度方差分析可得：工件曲率半径的F值为2.176，加工角度的F值为7.647，材料去除曲线偏置程度随工件曲率半径的增大而减小，随驻留时间和加工角度的增加而增加。此外，拟合的材料去除函数相关系数值R2在0.97~0.99范围内。结论 驻留时间对材料去除深度的影响最显著，加工角度次之，工件曲率半径影响最小。加工角度对材料去除曲线的偏置程度影响最显著，工件曲率半径次之，驻留时间影响最小。材料去除函数拟合结果较为准确，能满足实际的加工要求。
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  U71Mn钢轨铣削用PVD-TiAlN涂层刀片失效分析

  王梦超, 王丽君, 陈辉

  表面技术. 2020, 49(3): 300-308. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.038

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  目的 分析研究PVD-TiAlN涂层刀片铣削钢轨（U71Mn）后的失效行为，确定涂层刀片铣削U71Mn的磨损机制及失效机理，为进一步改进铣削U71Mn用涂层刀片的使用性能提供指导。方法 采用多弧离子镀技术在硬质合金基体刀片上制备了厚度约2.13 μm的TiAlN涂层，通过扫描电子显微镜、能谱仪、金相检测仪等仪器，检测了刀片基体和涂层的显微组织和金相结构。采用立式铣床对U71Mn进行铣削，通过扫描电子显微镜观察失效刀片前刀面、刃口和后刀面的微观形貌，结合能谱仪微区成分分析，确定涂层刀片的磨损机制和失效机理。结果 通过金相检测仪和扫描电子显微镜检测，YG10细晶粒硬质合金基体无明显组织缺陷。采用多弧离子镀制备的涂层膜基结合力等级为HF1，具有较好的膜基结合强度。失效刀片的刃口处存在贯穿前刀面、刃口和后刀面的裂纹，并且刃口区域的裂纹内部有被加工材料的填充物。后刀面裂纹尖端有涂层的微崩裂，前刀面的磨损带边界较后刀面磨损带边界平齐。刃口附近的涂层表面上出现了相互交联的裂纹。失效刃口多出现锯齿形缺口，缺口内部有大量的碎屑填充物，缺口对应的后刀面处分布着深浅不同的沟槽。磨损的刃口上粘接有大量的被加工材料。结论 刀片的磨损机制有磨粒磨损、粘接磨损和氧化磨损。另外，刃口的崩裂在刀片失效过程中也扮演着重要角色，崩裂的缺口会为硬质颗粒提供存储空间，从而加剧磨料磨损，在多种磨损机制共同作用下，刀片刃口最终被磨耗而失效。可通过提高基体的强韧性、合理的刃口设计、改善涂层的韧性和结合力、提高涂层的抗氧化性等方面，提高涂层刀片铣削U71Mn的性能。
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  超声滚压参数对18CrNiMo7-6齿轮钢表面性能的影响

  刘治华, 张天增, 杨孟俭, 张银霞, 王栋

  表面技术. 2020, 49(3): 309-318. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.039

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  目的 研究在不同加工参数下，对18CrNiMo7-6齿轮钢进行超声滚压加工后表层质量的变化，并得出其显著性顺序。建立表面粗糙度的解析模型，研究进给量、滚压次数和初始表面粗糙度对表面质量的影响，并与试验结果作对比。方法 采用车刀将固定在车床卡盘上的18CrNiMo7-6齿轮钢棒状材料的端面进行精车后，采用超声滚压试验装置对精车后端面进行加工处理。采用三维形貌测量仪等专用设备，对加工完成后的试样表面表面粗糙度、表层显微硬度、表面二维形貌和表层残余应力等进行检测，然后利用正交试验，寻找对试样表面粗糙度影响的显著性因素，建立表面粗糙度的解析模型，对比试验数据和解析模型数据，研究超声滚压对表面粗糙度、表面二维形貌、表层显微硬度和表层残余应力的影响。结果 得到的显著性顺序为进给量、主轴转速、次数、振幅、静压力，并且前述给出的粗糙度解析模型可以较好地预测超声滚压后的表面粗糙度，计算得到的理论数据与试验数据较为接近。试样表面的粗糙度Ra由车削加工的3.003 μm减小为0.468 μm，齿轮钢表层形成了明显的加工硬化层，其深度约为260 μm；表层显微硬度从未处理的360.9HV升至417.6HV，比率为15.7%；表层内形成了勺形分布的残余应力，在距离表层60 μm处，最大残余压应力形成，为–790.97 MPa，残余压应力层深度达到了800 μm。结论 超声滚压加工可以显著提高18CrNiMo7-6齿轮钢试样的表面性能，其中以滚压进给量的影响最为显著。
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  铍铜合金断续切削后刀面磨损机理研究

  郑嘉灿, 林有希, 左俊彦

  表面技术. 2020, 49(3): 319-326. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.040

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  目的 研究断续切削过程温度变化对刀具粘结现象、涂层剥落和刀具磨损的影响。方法 搭建了仿铣削加工的断续车削实验平台，采用热电偶法测量了断续切削过程中刀具后刀面在不同速度下的切削温度，利用带有能谱仪（EDS）的扫描电镜（SEM）观察后刀面随速度变化的磨损形貌并分析后刀面磨损区域的元素组成，阐述了后刀面温度和刀具磨损之间的联系，研究了TiAlN涂层硬质合金刀具断续切削铍铜合金C17200时的后刀面磨损机理。结果 随着切削速度的增加，刀具温度在v=500 m/min出现峰值，温度越高，后刀面的涂层剥落和粘结磨损现象越严重，涂层剥落和粘结磨损现象在切削速度为500 m/min时最严重，而后随着刀具温度的降低而减缓，切削速度600 m/min时的涂层剥落和粘结磨损现象相比500 m/min时有所减轻。结论 断续切削过程中，刀具持续性地经受“负载—卸载”、“升温—降温”产生的高温、冲击和加工环境的不稳定性，是引起粘结现象、涂层剥落和刀具磨损的主要原因。涂层剥落和粘结磨损是导致铍铜合金断续切削刀具失效的主要磨损形式。
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  基于单因素法对7A09铝合金铣削表面质量的研究

  罗恒, 王优强, 张平

  表面技术. 2020, 49(3): 327-333. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.041

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  目的 通过对工件表面粗糙度、表面形貌和残余应力的分析，探究铣削用量对7A09铝合金铣削表面质量的影响，从而为7A09铝合金铣削加工表面质量的控制提供一定的理论基础。方法 基于KVC800-1型数控加工中心，采用单因素法对7A09铝合金进行平面铣削试验，试验变量为铣削速度、每齿进给量和铣削深度，以此便可得平面铣削中铣削用量对7A09铝合金已加工表面质量的影响规律。结果 7A09铝合金的表面粗糙度随铣削速度的增大和每齿进给量的降低而得以改善，但铣削深度对表面粗糙度的影响则较小。由已加工面的二维轮廓图和三维表面形貌图可知，铣削加工后，工件表面出现明显的犁沟，且沿进给方向的波峰和波谷都在一定范围内起伏变化，呈现出明显的规律性。当铣削用量改变时，其残余应力曲线均呈“勺”形分布，且残余应力对铣削速度和每齿进给量的变化都较为敏感，而对铣削深度的敏感性则较低。结论 通过分析铣削用量对7A09铝合金已加工表面质量的影响，得出vc= 240 m/min、fz= 0.14 mm/z、ap= 0.15 mm时，工件可获得最佳表面质量。
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  6016铝合金的电磁驱动机械锤击平整加工

  林晓辉, 杨帆, 陈博伦, 刘建春, M. Saleh

  表面技术. 2020, 49(3): 334-339. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.03.042

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  目的 探究机械锤击平整加工对提高铝合金表面完整性和硬度的作用效果，研究锤击参数对平整表面质量的影响规律。方法 采用电磁驱动机械锤击技术对6016铝合金进行平整加工，研究基于光栅路径的电磁驱动机械锤击加工机理，并提出主要锤击参数，进而分析主要锤击参数对平整表面质量的影响规律。利用泰勒霍普生轮廓仪、光学显微镜和维氏硬度仪分别获得机械锤击后铝合金的表面粗糙度、表面形貌以及硬度。结果 电磁驱动机械锤击后，铝合金表面粗糙度达到0.05 μm，获得了类似镜面的锤击表面。相对于铣削后的表面，机械锤击可消除铣削痕迹，没有明显的表面缺陷和划痕，具有良好的表面平顺能力，同时硬度可提升大约25%~32%。小节距和进给速度、高锤击频率有助于减小表面粗糙度和提高硬度。此外，节距是最重要的锤击参数，极大地影响表面粗糙度和加工效率。结论 电磁驱动机械锤击对6016铝合金具有很好的表面强化和平整能力，可大幅减小表面粗糙度，并适当提高表面硬度，是一种新颖、有效、绿色的平整方式。