2020年, 第49卷, 第4期　
刊出日期：2020-04-20

  

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专题——高性能表面抛光加工方法
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  增材制造金属零件抛光加工技术研究进展

  王宣平, 段合露, 孙玉文, 高航

  表面技术. 2020, 49(4): 1-10. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.001

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  金属增材制造在航空航天、医用植入等领域有良好的应用前景，但成型表面质量差，未经后处理加工无法满足高使役性要求，抛光加工是高性能金属增材制造技术链中的关键环节。概述了增材制造金属零件应用现状和生长过程固有的阶梯效应、球化效应、粉末粘附等特性，以及成型表面高粗糙度等形貌特征。在此基础上，重点综述了增材制造金属零件抛光加工中应用较广的电化学、激光、磨料流三种抛光技术的研究进展，以不同制造工艺、不同金属粉末材质、不同结构形式（多孔结构、高长径比流道等）的增材制造样件为主线，通过表面粗糙度、材料去除、表层残余应力、廓形精度保持性等技术指标，对增材制造金属零件抛光加工研究成果进行了归纳总结。最后展望了增材制造金属零件抛光技术的发展方向。
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  金刚石化学机械抛光研究现状

  袁菘, 郭晓光, 金洙吉, 康仁科, 郭东明

  表面技术. 2020, 49(4): 11-22. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.002

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  金刚石由于其独特的性质成为未来科技的重要材料，但较差的表面质量会影响其在高科技领域的应用，因此实现金刚石超精密加工是提高金刚石应用的关键。化学机械抛光（CMP）是集成电路中获得全局平坦化的一项重要工艺，能够实现金刚石的超精密加工。介绍了现有的金刚石加工方法和金刚石化学机械抛光的研究现状，并与其他的加工方法（机械抛光、摩擦化学抛光、热化学抛光等）进行了对比，其他加工方法存在加工后表面损伤严重、加工表面粗糙度无法满足需要等问题。金刚石的化学机械抛光工艺经历了由高温抛光向常温抛光的发展过程，该加工方法设备简单、成本低、抛光后的表面粗糙度（Ra）可以达到亚纳米级别。此外，金刚石的分子动力学模拟（MD）使人们从原子尺度对金刚石抛光过程中纳米粒子的相互作用和抛光机理有了深入了解。虽然金刚石化学机械抛光还存在着许多亟待解决的问题，但是其发展前景依旧十分乐观。
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  基于遗传算法和神经网络的软脆工件研磨加工工艺智能决策系统

  郭继通, 郑方志, 徐成宇, 朱永伟

  表面技术. 2020, 49(4): 23-29. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.003

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  目的 解决研磨抛光工艺决策中工艺试验耗时耗力的问题，实现在研磨抛光加工中根据加工工艺参数对加工质量进行预估。方法 采用遗传算法优化的BP神经网络为主要算法，构建智能预测模型，建立研磨加工中输入参数和输出参数之间的映射关系。然后收集有效的输入参数和输出参数作为网络训练和测试的样本数据集，通过遗传算法对神经网络的初始化权值和偏置进行优化，用样本数据集训练神经网络。同时，在决策系统的理论基础上，将神经网络与决策系统进行结合，利用神经网络的学习能力建立智能决策的数据库和规则库，最终建立智能决策系统。结果 与无改进的BP神经网络的决策方法相比，无论是在预测精度，还是学习速度上，遗传算法优化的神经网络性能更加优异，决策系统的决策效果更好。结论 研磨加工工艺智能决策系统是可行的，为研磨加工的工艺决策提供了一种新的思路。
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  钛合金材料砂带磨削表面残余应力形成模型及其实验研究

  黄云, 刘帅, 黄涛, 肖贵坚, 代文韬, 贺毅, 王文玺

  表面技术. 2020, 49(4): 30-37. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.004

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  目的 建立钛合金材料砂带磨削参数到磨削后表面残余应力之间的数学模型并验证其有效性。方法 综合应用弹性力学和碰撞力学建立材料表面微观结构力学模型，通过对外力作用下的力学模型的分析计算得到数学模型，再利用Simulink对其进行仿真分析，得到了一定磨削参数下钛合金砂带磨削表面残余应力与时间的关系图，最后进行了钛合金砂带磨削实验，验证了该数学模型的有效性并进行误差分析。结果 所构建的数学模型仿真值与实测值变化趋势相似，有着较好的仿真效果。但是，在引入热量系数t之前，最大误差为62.98%，平均误差为16.43%，结果不够理想；而在引入热量系数t之后，最大误差为9.87%，平均误差为5.75%，精度上升明显，能够有效地预测表面残余应力的取值。结论 综合应用弹性力学和碰撞力学来构建出钛合金材料砂带磨削表面残余应力形成模型，能够有效地表征其在一定加工参数下的表面残余应力。
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  含双氧水磨液对铝合金滚磨光整加工的影响

  石慧婷, 杨胜强, 李秀红, 高志森, 王嘉明

  表面技术. 2020, 49(4): 38-46. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.005

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  目的 探索含双氧水磨液对铝合金试件滚磨光整加工后表面质量的影响及作用机理。方法 在相同条件下，配制含不同浓度双氧水的磨液作为液体介质，对铝合金试件进行滚磨光整加工实验及摩擦磨损实验，测量铝合金试件滚磨光整加工前后的表面粗糙度值，并表征铝合金试件滚磨光整加工前后的表面形貌以及摩擦磨损实验后的磨痕形貌。分析摩擦磨损实验后，铝合金试件表面元素的变化情况，以及滚磨光整加工后，铝合金试件硬度随表面深度的变化情况。结果 含双氧水磨液作用下的试件的表面粗糙度值下降率大于去离子水条件下的值，且其摩擦系数和磨损量明显小于去离子水及干式摩擦磨损作用下的值。试件表面初始粗糙度值较小时，含双氧水磨液对滚磨光整加工铝合金试件的作用明显，其中双氧水体积分数为0.3%的磨液作用下Ra从未加工时的0.220 μm减小到0.055 μm，表面粗糙度值下降率为74%。结论 含双氧水的磨液对较低初始表面粗糙度值的铝合金试件经滚磨光整加工后的表面质量具有重要作用。由于磨液对铝合金的吸附、润湿作用，使得其在滚磨光整加工中具有一定的润滑性、清洗性，并且摩擦作用下会使铝合金表面发生一定的摩擦化学反应。磨液中的双氧水加快了铝合金表面的腐蚀氧化反应，并将氧化产物以颗粒的形式拔出表面。滚磨光整加工作用硬化了铝合金表面，提高了其机械性能。
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  磁性磨具光整加工中基于Halbach Array的磁场设计与实验研究

  刘乐, 李秀红, 李文辉, 丁宇亭, 白小云, 闫涛

  表面技术. 2020, 49(4): 47-54. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.006

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  目的 提高磁性磨具表面光整加工技术对30CrMnSi高强度结构钢表面的加工效率，解决以往永磁式磁性磨具光整加工中磁场强度弱、磁能利用率低的问题。方法 首先对30CrMnSi导磁工件的材料去除机理进行分析，探讨了磁感应强度B对工件材料去除的重要性。然后基于海尔贝克阵列（Halbach Array）进行了磁场的设计，通过理论计算和仿真分析，确定了永磁单元尺寸和磁场布置方案。最后以自制粘接性磁性磨料，对30CrMnSi板材进行单因素光整加工实验。结果 根据磁场计算和仿真结果，确定了Halbach Array永磁阵列两个周期为最佳的磁场布置方案，并获得了理想的磁场强度和最佳的磁场分布。对30CrMnSi板材的加工实验表明，粗糙度下降百分比（%ΔRa）随着磁极转速和磨粒目数的增大而增大；磁性磨料中铁磁相与磨粒相质量比为3∶1、磁极转速为500 r/min、磨粒目数为240目时，加工效果最好，获得了Ra=0.129 μm的表面，粗糙度最大下降百分比为90.74%。结论 使用Halbach Array的方法对永磁场进行设计，可以增大加工区域的磁场强度并改善磁场分布，从而提高对30CrMnSi高强度结构钢表面的加工效率。
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  磁流变动压复合抛光基本原理及力学特性

  付有志, 路家斌, 阎秋生, 谢殿华

  表面技术. 2020, 49(4): 55-63. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.007

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  目的 探究磁流变动压复合抛光基本原理及抛光力学特性。方法 通过建立磁流变动压复合抛光过程中流体动压数学模型，分析抛光盘面结构化单元对抛光力学特性的影响规律，并优化其结构。搭建磁流变动压复合抛光测力系统，探究工作间隙、抛光盘转速、工件盘转速和凸轮转速对抛光力的影响规律，基于正交试验，优化抛光效果。结果 抛光盘面结构化单元的楔形区利于流体动压效应的产生，且流体动压随楔形角和工作间隙的增大而减少，随楔形区宽度的增大而增大。结构化单元较为合理的几何参数为：楔形角3°~5°，工作间隙0.2~1.0 mm，楔形区宽度15~30 mm。法向力Fn随工作间隙的增大而减小，随工件盘转速的增大而增大，随抛光盘和凸轮转速的增大而先增大后减小；剪切力Ft随工作间隙的增大而减小，随工件盘、抛光盘和凸轮转速的增大均呈现先增大后减小的规律。通过正交试验获得优化工艺参数为：抛光盘转速60 r/min，工件盘转速600 r/min，凸轮转速150 r/min。在羰基铁粉（粒径3 μm、质量分数35%）、SiC磨料（粒径3 μm、质量分数5%）、工作间隙0.4 mm和磁感应强度0.1 T工况下，抛光2 in单晶硅基片4 h后，表面粗糙度Ra由20.11 nm降至2.36 nm，材料去除率为5.1 mg/h，初始大尺度纹理被显著去除。结论 磁流变动压复合抛光通过在抛光盘面增设结构化单元，以引入流体动压效应，强化了抛光力学特性，并利用径向往复运动的动态磁场实现柔性抛光头的更新和整形，最终达到了提高抛光效率和质量的目的。
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  单晶SiC化学机械抛光基础研究——电芬顿反应条件优化及6H-SiC氧化效果分析

  邓家云, 潘继生, 阎秋生

  表面技术. 2020, 49(4): 64-73. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.008

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  目的 揭示电芬顿参数对生成羟基自由基（?OH）最大浓度和?OH总量的影响规律，实现电芬顿反应对单晶6H-SiC氧化腐蚀的最大化。方法 通过6因素5水平正交试验，分析电压大小、电极种类、氧化剂过氧化氢（H2O2）浓度、催化剂种类、催化剂浓度以及反应液pH等参数对电芬顿反应生成?OH最大浓度和?OH总量的影响规律，找出最佳试验组合和主要影响因素，并利用最佳试验组合与同等条件下的芬顿反应对单晶6H-SiC进行氧化腐蚀对比分析。结果 影响电芬顿反应生成?OH最大浓度和?OH总量的主次顺序为：催化剂种类>电压大小>H2O2浓度>催化剂浓度>pH>电极种类。其中，催化剂种类、电压、氧化剂浓度影响显著，影响因子分别为45%、22%、12%和30%、19%、41%。与同等条件下的芬顿反应相比，电芬顿反应生成的?OH最大浓度、?OH总量分别提高了61.34%和68.62%，在6H-SiC表面能形成更多SiO2氧化层。结论 电芬顿反应通过控制电参数，能够加速Fe3+向Fe2+转化并原位生成部分H2O2，补充反应过程中H2O2的消耗，提高?OH生成总量，加速?OH对单晶SiC基片的氧化腐蚀作用。
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  超声振动复合研磨K9光学玻璃工艺研究

  朱子俊, 刘顺, 韩冰, 陈燕

  表面技术. 2020, 49(4): 74-80. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.009

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  目的 探究超声振动复合研磨对光学玻璃研磨可行性，通过响应面法寻求超声振动研磨最优的工艺参数组合。方法 在传统研磨装置基础上，添加超声振动装置、蠕动泵、旋转工作台构成超声振动复合研磨装置。添加轴向超声高频振动提高研磨效率，添加旋转工作台提高研磨均匀性，添加蠕动泵便于循环和更新研磨液。利用响应面法优化超声振动复合研磨加工中的主轴转速、振动频率、加工间隙三个变量参数，并进行实验研究，可得出两两变量关联度，从而得出研磨中影响最大的因素。结果 通过响应面优化后得到超声振动复合研磨最佳工艺参数为主轴转速1000 r/min、加工间隙 0.4 mm、振动频率 12 kHz，主轴转速和间隙参数对工件表面研磨加工的影响较大。经25 min研磨，无超声振动的传统研磨方法使表面粗糙度值Ra从0.3 μm下降到0.1 μm；增加超声振动复合研磨使表面粗糙度值Ra从0.3 μm下降到0.04 μm。结论 经超声振动复合研磨后，光学玻璃表面存在的凹坑、凸起均得到了有效去除，表面粗糙度值下降快，表面形貌均匀、平整。
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  双磁极式磁粒研磨机理分析及试验研究

  程淼, 陈松, 赵杨, 李文龙, 吕旖旎, 陈燕

  表面技术. 2020, 49(4): 81-89. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.010

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  目的 解决平面磁粒研磨中压力不均匀和需要反复调整研磨间隙的问题，设计双磁极式研磨方法。方法 首先对双磁极式研磨方法机理进行分析，并对研磨区域单颗磨粒进行受力分析，寻找影响研磨压力的主要因素；其次利用Ansoft Maxwell软件对两种研磨方法进行磁场仿真，分析两种研磨方法的研磨区域磁场梯度变化，通过面积积分法对比磁感应强度的影响程度；最后设计试验装置，通过试验对理论分析及有限元分析的结果进行验证，对比研磨前后工件表面粗糙度及微观形貌变化。结果 双磁极式研磨方法中磨粒的研磨压力完全由磁场力提供，与研磨区域磁感应强度成正比，研磨区域磁感应强度比“铣削式”研磨方法提高约34.56%。两种方法在相同试验条件下对SUS304不锈钢板研磨40 min，双磁极式研磨方法研磨后，工件表面原始纹理基本被去除，表面粗糙度值由原始的0.25 μm下降至0.16 μm，下降率为36%，比“铣削式”研磨方法提高约80%，粗糙度曲线波动平缓，波峰波谷高度差变化均匀且表面形貌光滑平整。结论 双磁极式研磨方法研磨区域磁场梯度变化明显，利于磨粒流动更新，研磨压力相对稳定，表面粗糙度下降率高，研磨后工件表面形貌光整，与“铣削式”研磨方法相比具有较明显的优势。
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  氧化锆陶瓷旋转超声加工脆塑转变特性研究

  杨宇辉, 陈海彬, 马文举, 赵恒, 隆志力

  表面技术. 2020, 49(4): 90-97. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.011

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  目的 揭示旋转超声振动对硬脆材料脆塑转变特性及工艺参数对材料脆塑转变临界切削深度的影响规律。方法 以氧化锆陶瓷为研究对象，在硬脆材料压痕断裂试验基础上，从理论上分析了超声振动加工硬脆材料脆塑转变的临界条件，并进行了纵向振动及纵扭共振形式的旋转超声振动划痕与普通划痕对比试验。结果 在相同试验条件下，超声振动划痕较普通划痕有较高的材料脆塑转变临界切削深度。适当地增大超声能量，纵扭共振比纵向振动具有更大的脆塑转变临界切削深度值；而随着进给速度的增大，纵向振动比纵扭共振具有更大的材料脆塑转变临界切削深度。结论 通过不同划痕条件的对比，超声振动能有效提高氧化锆陶瓷的脆塑转变临界切削深度，增大塑性域加工范围，提高材料表面加工质量，验证了理论分析的正确性。
专题——热喷涂技术研究及应用
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  等离子喷涂超高温热障涂层用纳米结构La2(Zr0.75Ce0.25)2O7球形喂料的研究

  周飞飞, 刘敏, 邓春明, 张小锋, 王铀

  表面技术. 2020, 49(4): 98-103. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.012

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  目的 通过纳米粉体造粒技术制备出适合热喷涂超高温用纳米结构La2(Zr0.75Ce0.25)2O7球形喂料，进而采用热喷涂方法制备出纳米结构的热障涂层，以满足下一代热障涂层服役温度需求。方法 以化学共沉淀法合成的纳米La2(Zr0.75Ce0.25)2O7粉末为原料，通过球磨、喷雾干燥及热处理工艺制备出纳米结构的La2(Zr0.75Ce0.25)2O7喂料，进而采用大气等离子喷涂方法制备出纳米结构La2(Zr0.75Ce0.25)2O7热障涂层。利用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对原始纳米粉体、纳米喂料及喷涂态涂层进行显微形貌和组织结构分析。此外，通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）对制备的纳米喂料进行成分分析。结果 制备出的纳米结构La2(Zr0.75Ce0.25)2O7喂料表面光滑、呈球形，成分与化学计量比基本一致。相对于原始纳米粉末，喂料晶粒长大并不显著。喷涂态涂层部分晶粒长大，但仍保留纳米结构。结论 成功制备出纳米结构La2(Zr0.75Ce0.25)2O7球形喂料及纳米结构热障涂层，有望作为下一代超高温热障涂层材料。
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  AH32钢表面等离子喷涂制备疏水涂层及其耐腐蚀性能研究

  康红伟, 陈东旭, 王亚男, 周艳文, 吕哲, 高鹏

  表面技术. 2020, 49(4): 104-112. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.013

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  目的 提高AH32海洋用钢表面的疏水性及耐蚀性，并给出最佳性能的喷涂涂层成分。方法 采用大气等离子喷涂技术，在AH32钢表面制备了三种不同成分的涂层。利用微量进样器结合半球法测量了涂层的接触角，并利用Qwen-Wendt 公式对涂层的表面能进行了计算，利用扫描电子显微镜观察涂层的表面形貌，利用表面粗糙度仪测量涂层的表面粗糙度，利用冲刷实验及电化学工作站测量了不同涂层的耐蚀性能，并讨论了不同涂层的疏水机制及相应的腐蚀机理。结果 等离子喷涂涂层显著改善了AH32钢的疏水性能。相比而言，等离子喷涂Co基涂层及等离子喷涂Ni基涂层与水的静态接触角达到了130°以上，均具有较好的疏水效果。三种涂层均明显改善了AH32钢的耐海水冲刷腐蚀能力，其中AH32钢基体腐蚀30 d后的失重为1.68×10-2 g/cm2，等离子喷涂Ni基涂层的腐蚀失重最小，约为4.2×10-3 g/cm2。极化曲线测试结果也表明，三种涂层的自腐蚀电位较基体提高了300 mV左右，并且腐蚀电流密度较基体降低了1个数量级以上，另外Co基涂层的腐蚀电流密度高于Ni基涂层的腐蚀电流密度，因此Co基涂层在腐蚀过程中表面会产生较多的羟基基团，导致其与水的静态接触角降低，最终导致其疏水性能下降。结论 等离子喷涂Ni基涂层的疏水性能最好，腐蚀速率最小，耐冲刷腐蚀性能最佳，与基体相比，其腐蚀失重减小了1.26×10-2 g/cm2。
研究综述
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  齿轮齿面喷丸强化研究现状与展望

  朱鹏飞, 严宏志, 陈志, 伊伟彬, 吴顺兴

  表面技术. 2020, 49(4): 113-131. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.014

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  疲劳与磨损是齿轮啮合过程中齿面的主要失效形式，严重影响齿轮的综合使用性能。喷丸强化工艺能够有效提高齿面抗疲劳和耐磨损性能，是一种重要的齿轮齿面强化方法。通过国内外文献分析可知：喷丸强化主要存在应力强化和组织强化两种强化机制。喷丸工艺参数对齿轮表面完整性影响的主要规律包括：残余压应力大小与工件硬度、强度成正比，而工件材料硬度越高，冷作硬化效果越弱；齿面粗糙度随覆盖率适当地增加而减小，随喷丸强度的提高而增大；喷丸强度、覆盖率、弹丸直径等喷丸工艺参数决定了残余奥氏体的转化量等。同时，国内外在喷丸强化工艺对齿轮接触疲劳性能、传动性能、磨削烧伤作用机理方面开展了大量研究，主要结论如下：残余压应力、硬度、晶粒细化程度的增加是齿轮接触疲劳性能提升和磨削烧伤修复的主要原因，喷丸引起的齿面粗糙度升高制约了齿轮使用性能的提升，可通过齿面抛光等精加工工艺来改善。此外，介绍了微粒喷丸、二次喷丸、振动喷丸等新型喷丸强化方法，从表面性能、环保、工程应用、疲劳性能等方面，客观评价了新型喷丸强化方法的优点与不足。最后，对齿轮齿面喷丸强化工艺进行总结，并对其发展趋势进行了展望。
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  氧化物陶瓷阻氚涂层的研究进展

  吴宝珍, 陈鸿, 孙森, 杨朝明, 张健聪, 曹潆心, 罗栋威, 汪渊

  表面技术. 2020, 49(4): 132-140. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.015

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  利用阻氚涂层（TPB）降低结构材料中的氚损失，是聚变堆发展中的热点研究之一。陶瓷具有低氚渗透性、耐腐蚀性、高硬度和高热稳定性等特性，是目前聚变堆阻氚涂层首选材料。相对于硅化物、钛基等非氧化物陶瓷材料，氧化物陶瓷涂层具有熔点高、化学性质稳定、耐腐蚀性和阻氚渗透因子（PRF）高等优势，因此针对氧化物陶瓷阻氚涂层的研究较多。主要综述了单一氧化物陶瓷、复合氧化物陶瓷阻氚涂层近年来的研究现状与发展，如Y2O3、Er2O3、Al2O3等及其复合氧化物陶瓷材料，其中，因Al2O3及其复合物涂层具有优异的阻氚性能，得到了广泛的关注和研究。重点阐述了制备工艺、基体效应和辐照等影响氧化物陶瓷涂层阻氚性能的因素及氚在材料中的渗透机制，并分析了当前阻氚涂层在材料制备以及模拟服役环境等方面存在的不足与今后的研究重点，指出了未来可能的氧化物陶瓷阻氚涂层，以期为阻氚涂层的研究与后续实验提供一定的方向。
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  不同接触尺度下石墨烯摩擦学性能研究进展

  裴露露, 鞠鹏飞, 吉利, 李红轩, 周惠娣, 陈建敏

  表面技术. 2020, 49(4): 141-150. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.016

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  石墨烯是石墨的基本结构组成单元，是由碳原子以sp2杂化轨道组成、呈六角型蜂巢状且具有独特二维结构的纳米材料。由于其优异的机械及润滑特性，成为近年来国内外摩擦学领域研究的聚点和热点。大量研究表明：石墨烯不仅在微纳接触尺度下展现出超润滑性能，而且在宏观接触方式下也展现出非凡的摩擦学特性。详细介绍了石墨烯在微观接触和宏观接触状态下摩擦学性能的影响因素。在微观接触状态下，滑动发生在完美、平滑的基础面晶面上，施加的载荷小，接触面小，其摩擦学性能主要受到结构形变、表面清洁（包括缺陷、环境、化学官能团）、公度/非公度结构等因素影响。在宏观接触状态下，施加的载荷大，接触面积大，影响因素众多，除了上述在微观接触状态时提到的影响因素，还涉及材料本身存在的各向异性、晶界以及宏观力的破坏等作用，受到棱边键及摩擦引起的悬键暴露和定序摩擦界面的形成的影响。基于此，分析了石墨烯获得不同尺度超低摩擦所需的必要条件和润滑机制，展望了石墨烯摩擦学研究未来发展方向和仍需解决的问题。
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  钙钛矿稀土镍酸盐SmNiO3薄膜的研究进展

  贾理男, 富一博, 赵哲, 苏建业

  表面技术. 2020, 49(4): 151-160. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.017

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  强关联性量子材料SmNiO3属于钙钛矿镍氧化物，在海水中具有与鲨鱼壶腹相似的弱电感知能力，是新型水下电场传感器敏感元件，可监测海洋中的舰船、无人潜航器，为反潜提供新的探测手段，引起了广泛的关注。对SmNiO3薄膜的制备方法及优缺点对比进行了详细的论述，由于SmNiO3具有正的吉布斯自由能（ΔG），常温常压下SmNiO3中的Ni3+处于亚稳态，制备过程中易于发生Ni3+→Ni2+，为保持电中性，氧空位会作为其补偿形式，而氧缺陷会导致SmNiO3薄膜晶格参数变大，从而摧毁金属-绝缘体转变，因此制备SmNiO3需要高温高氧压苛刻的实验条件来降低ΔG。重点介绍了SmNiO3薄膜材料的相变类型、机制及影响相变温度的主要因素，大多数研究认为，SmNiO3的MI相变是基于Mott的电子-电子强关联引起的，实际上无序和电子-电子相互作用应该同时存在，不应该单独考虑某一种相变类型，MI相变实质是低温下载流子之间的库伦作用，应将热激活机制、Mott变程跳跃传导和Efros-Shklovskii变程跳跃传导机制在一定温度范围内综合考虑；在电场、温度、光及压力等外界环境作用下，SmNiO3薄膜会发生明显的金属-绝缘体相变，相变温度TMI也随之改变。最后展望了SmNiO3薄膜在电场传感器元件、数据存储、智能窗帘以及调制开关等方面的发展前景。
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  超声加工技术研究进展

  冯真鹏, 肖强

  表面技术. 2020, 49(4): 161-172. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.018

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  超声加工技术依靠瞬时高频振动撞击对工件断续加工，具有极强切削能力的同时，具有较小的宏观切削力，主要用于硬脆材料的精密加工，能提高加工精度和表面质量。首先，阐明了超声加工技术的基本原理及其基本应用范围。其次，综述了超声辅助切削加工技术的研究进展，着重论述了超声辅助铣削净切削时间模型的建立以及模型正确性验证，总结了加工参数对刀具运动轨迹、工件表面质量的影响，阐明了椭圆振动切削能有效抑制切削颤振带来不利影响的原因；探讨了超声辅助磨削技术在加工非金属和金属材料时，对表面质量以及工件表面温度分布的影响；综述了超声辅助钻削技术的切削力和进给速度与普通钻削参数的比较。再者，介绍了超声波加工技术的新发展方向，包括三维椭圆超声振动切削技术、超声ELID复合磨削技术、超声EDM复合加工技术、超声辅助抛光的工作原理及最新研究趋势和能实现的试验效果。最后，总结了目前对超声加工技术及超声辅助或复合技术的研究。
表面摩擦磨损与润滑
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  铝合金表面Al2O3-Ni涂层的制备及耐磨性研究

  邵若男, 贺甜甜, 杜三明, 王家威, 蔡宏章, 张永振

  表面技术. 2020, 49(4): 173-179. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.019

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  目的 研究Al2O3含量对Al2O3-Ni复合涂层摩擦磨损性能的影响。方法 采用大气等离子喷涂技术，在6082-T6铝合金基体表面分别制备Al2O3含量为30%、50%和70%的30%Al2O3-70%Ni、50%Al2O3-50%Ni、70%Al2O3-30%Ni复合涂层。对三种涂层的显微硬度和摩擦磨损性能进行对比研究，并分析原始粉末和涂层的相组成、涂层组织结构、磨损形貌和磨损机制。结果 原始粉末中的部分α-Al2O3相在急冷条件下转变成γ-Al2O3新相，涂层中各衍射峰出现明显的宽化现象，有Al2O3非晶相生成。三种试样均由基体、打底层、涂层组成，基体与打底层之间有明显的分界面，打底层因与涂层化学成分相似使分界面不明显，层与层之间结合良好。涂层的显微硬度明显高于基体，约为基体硬度的4~5倍，且其随着Al2O3含量的增加而增加。在试验条件下，涂层的摩擦系数、磨痕宽度、磨损率均随着Al2O3含量的增加而减小，相较于30%Al2O3-70%Ni涂层，70%Al2O3-30%Ni涂层的摩擦系数降低了13%，磨损率降低了66.7%。30%Al2O3-70%Ni涂层磨损最严重，磨痕表面剥落明显，而50%Al2O3-50%Ni涂层与70%Al2O3-30%Ni涂层磨损后，磨痕表面产生大量即将剥落的“橘皮状”氧化物，磨损机制均为氧化磨损与粘着磨损的混合。结论 Al2O3-Ni复合涂层中增加Al2O3含量可以提高复合涂层的耐磨性。
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  沉积压力对磁控溅射WS2薄膜摩擦学性能的影响

  贺江涛, 蔡海潮, 薛玉君

  表面技术. 2020, 49(4): 180-187. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.020

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  目的 研究不同沉积压力对磁控溅射WS2薄膜微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。方法 采用射频磁控溅射法制备WS2薄膜。利用扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对薄膜微观形貌、成分和晶相结构进行表征。用纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果 随着沉积压力增大，WS2薄膜疏松多孔结构明显降低，粗大柱状晶显著细化，薄膜致密度得到有效改善。沉积压力大于0.8 Pa时，WS2薄膜表现出明显的(101)晶面择优取向。WS2薄膜硬度变化与薄膜中S/W原子比变化趋势相反，弹性模量逐渐减小。沉积压力0.4 Pa时，由于WS2薄膜大部分易滑移(002)晶面平行于基体表面，摩擦系数最低，为0.092，但其耐磨性能最差。沉积压为1.6 Pa时，WS2薄膜的磨损率最低，为2.34×10-7 mm3/(N?m)，表现出良好的耐磨性能。结论 改变沉积压力可以显著提高WS2薄膜致密度，改善薄膜的力学性能，提升WS2薄膜的摩擦磨损性能。
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  冻融循环-紫外辐照复合侵蚀下钢化玻璃表面受风沙冲蚀损伤的力学机理

  郝贠洪, 郭鑫, 赵呈光, 吴日根

  表面技术. 2020, 49(4): 188-197. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.021

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  目的 研究冻融循环-紫外辐照复合因素侵蚀作用对钢化玻璃抗冲蚀性能的影响，并探究钢化玻璃表面冲蚀损伤的力学机理。方法 根据内蒙古中西部地区风沙环境特征，对冻融循环-紫外辐照复合因素侵蚀作用下的钢化玻璃进行风沙冲蚀试验，并结合接触力学、断裂力学、摩擦学理论，在单颗粒冲蚀普通环境钢化玻璃的情况下，分析钢化玻璃冲蚀损伤的一般力学机理，应用扫描电子显微镜（SEM）和激光共聚焦显微镜（LSCM）分析二维、三维损伤形貌，并与理论分析进行对比。结果 钢化玻璃冲蚀率随着冻融循环次数及紫外辐照等效时间的增加而增加。冲蚀速度由14 m/s增加到30 m/s时，钢化玻璃冲蚀率从0.010 mg/g增加到0.768 mg/g。冲蚀角度由15°增加到90°时，钢化玻璃冲蚀率从0.004 mg/g增加到0.453 mg/g。结论 冻融循环-紫外辐照复合侵蚀作用会使钢化玻璃的抗冲蚀性能减弱。冲蚀速度的增大会使冲蚀颗粒在钢化玻璃表面产生更大的冲击接触力，使压痕深度和径向裂纹增大，从而使钢化玻璃在颗粒反复冲击下的剥落材料体积增大，故冲蚀率随冲蚀速度的增大而增大，高冲蚀速度下钢化玻璃表面压痕深度及径向裂纹长度的增长率更快，故钢化玻璃冲蚀率在高冲蚀速度下增长更快。钢化玻璃冲蚀率随着冲蚀角度的增大而增大，钢化玻璃在中高角度下的冲蚀机理为微观切削原理，冲蚀范围较广，冲蚀深度较浅，极高角度下的冲蚀机理为压痕断裂，冲蚀范围较为集中，冲蚀深度较大。
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  不锈钢表面复合微结构的冰摩擦性能

  弯艳玲, 王博, 奚传文, 于化东

  表面技术. 2020, 49(4): 198-204. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.022

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  目的 探究不锈钢表面复合微结构的冰摩擦性能。方法 采用纳秒光纤激光器在不锈钢表面构建类莲藕型沟槽复合结构，并对不同润湿性、粘附性和摩擦速度下的冰摩擦性能进行了观测与分析。结果 微米-亚微米级复合结构是不锈钢表面超疏水高粘附的主要原因，热处理消除了样件表面的时效性，化学修饰实现了超疏水由高粘附性到低粘附性的转换。温度的变化改变了水滴在样件表面的接触状态。在滑动速度为0~1 mm/s、载荷为2 N的条件下，随着滑动速度的增加，疏水性越好、粘附性越低的表面具有较小的摩擦系数，因为摩擦热产生的水膜形成了润滑层，使冰摩擦处于混合摩擦阶段，降低了摩擦阻力。但过多的水膜会形成大量毛细管桥，增大阻力。结论 超疏水表面由于其独特的类莲藕复合结构，减小了材料的接触面积，降低了毛细管桥的积聚，从而降低了冰摩擦表面的平均摩擦系数。同时，低粘附性降低了表面与水的粘滞性，阻止了更多毛细管桥的形成，是影响冰摩擦系数的另一重要因素。
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  等温淬火处理对感应重熔镍基合金涂层摩擦学性能的影响

  解芳, 翟长生, 王迎春, 秦晓, 翟群智, 李超, 马世榜

  表面技术. 2020, 49(4): 205-212. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.023

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  目的 改善镍基合金涂层的摩擦学性能。方法 分别采用感应重熔工艺及感应重熔-等温淬火一体化工艺，在GCr15钢基体表面制备了两种镍基合金涂层，并通过销盘摩擦磨损试验、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度测试对其摩擦磨损性能、微观组织、表面硬度进行了对比研究，探讨了等温淬火处理对感应重熔镍基合金涂层摩擦学性能、微观组织、表面硬度的影响，揭示了其增强机理。结果 经等温淬火后的重熔涂层比感应重熔涂层具有更低的摩擦系数和磨损失重，摩擦稳定阶段的摩擦系数为0.301，比后者低23.8%，相对耐磨性是后者的1.71倍。感应重熔涂层同时存在着磨粒磨损和粘着磨损两种机制，而经等温淬火后的重熔涂层以磨粒磨损为主，比前者具有更优异的抵抗磨粒磨损和粘着磨损的能力。感应重熔涂层及经等温淬火处理后的重熔涂层平均显微硬度分别为818.0、873.6HV0.5，硬度极差分别为170.9、132.6HV0.5，形状参数分别为18.5057、22.6189，后者比前者具有更高的平均硬度值、更小的硬度极差以及更加稳定的涂层性能。经过微观组织分析发现，重熔涂层在经等温淬火处理后，其晶粒的细化、硬质相的相对均质弥散性、共晶相的减少、丰富的耐磨陶瓷相和快速凝固的定向晶粒结构的协同作用，是其具有优异的显微硬度Weibull分布特性，以及耐磨性得到进一步提高的根本原因。结论 合适的等温淬火热处理工艺能够改善感应重熔镍基合金涂层的微观组织，从而有效减小其摩擦系数，并提高其耐磨性。
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  羟基硅酸镁粉体表面改性及作为润滑油添加剂的摩擦学性能研究

  贾陆营, 连勇, 张津, 黄进峰, 马旻昱, 张曙光, 赵超, 余强

  表面技术. 2020, 49(4): 213-221. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.024

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  目的 研究羟基硅酸镁粉体表面改性及作为润滑油添加剂的摩擦学性能，提高羟基硅酸镁粉体在设备磨损表面的成膜性能，减少磨损，延长使用寿命。方法 采用同步热分析仪（SDT Q600），分析羟基硅酸镁粉体的相变过程。采用不同的表面改性剂对羟基硅酸镁进行改性，采用MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机，研究不同添加量和热处理温度对羟基硅酸镁摩擦性能的影响。结果 羟基硅酸镁在常温到500 ℃之间，脱失吸附水；500~800 ℃之间，脱去层间水和结构水，生成新的物相镁橄榄石；800~860 ℃之间，晶体结构发生重组；860~1100 ℃之间，发生镁橄榄石-顽辉石物相转变。经过油酸表面改性后，羟基硅酸镁粉体表面引入了有机长链，表面改性剂改性效果为：油酸>司盘80>硬脂酸>吐温80>KH270>KH560。粉体质量分数为10%时，短时间内易于达到磨损-自修复动态平衡，具有良好的抗磨减摩效果。经过200、400 ℃热处理的粉体具有较高的活性、分散性能和成膜性能。结论 油酸能有效改善羟基硅酸镁粉体在润滑油中的分散性能，200、400 ℃热处理能有效提高羟基硅酸镁粉体在润滑油中的分散性能和摩擦过程中的成膜性能。
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  电火花沉积Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层的组织及性能研究

  耿铭章, 王文权, 张新戈

  表面技术. 2020, 49(4): 222-229. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.025

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  目的 提高H13模具钢的表面耐磨性，探索金属陶瓷涂层的应用。方法 分别用Ti(C,N)基金属陶瓷棒和纯镍棒作为电极，氩气为保护气体，在H13钢表面电火花沉积制备Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层。使用X射线衍射仪对涂层的相组成进行了分析，并用扫描电子显微镜及能谱仪观察涂层的微观结构和元素分布情况，采用显微硬度计和CSM球盘式摩擦计对涂层的显微硬度和不同载荷下的耐磨性进行测试。结果 涂层表面为单脉冲沉积斑点堆积而成的溅射状形貌，Fe和Ti元素整体上呈现出分区富集的特征，强化层主要物相包括TiC0.7N0.3、Ni17W3、Ni-Cr-Co-Mo和Fe3Ni2。涂层截面组织均匀，缺陷较少，厚度约为31 μm，Fe、Ti和Ni元素均在界面处发生扩散，形成了良好的冶金结合，过渡层与基体相互混合，呈现出机械式的咬合结构。涂层的显微硬度实测最高值达1420HV，约为基体的5.4倍。涂层具有比基体更低的摩擦系数，且30 min内的磨损质量损失仅为基体的1/2，涂层磨损机理主要为粘着磨损和轻微的磨粒磨损。结论 在H13钢表面电火花沉积制备的Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层可提高其表面的硬度、耐磨性，且具有一定减摩性，可以起到延长模具寿命的作用。
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  高频微振对激光熔覆镍基WC增强涂层的影响

  申井义, 林晨, 姚永强, 刘佳, 徐欢欢

  表面技术. 2020, 49(4): 230-237. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.026

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  目的 改善传统激光熔覆工艺制备的涂层组织粗大，物相分布不均匀，易出现气孔裂纹等缺陷。 方法 采用松香酒精溶液作为粘接剂，将涂层材料（镍包碳化钨粉末）预置于Q235钢基体表面，选用最优激光参数（功率P=1600 W、光斑直径d=5 mm、扫描速度ν=4 mm/s），并在高频微振辅助工艺下进行熔覆试验，最终制备出镍基碳化钨增强涂层。分别使用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、显微硬度仪及万能摩擦磨损试验机（UMT）对涂层的显微组织、元素成分及物相、显微硬度和耐磨性能进行测量分析。结果 在高频微振产生的激振力作用下，涂层组织由粗大的树枝晶向等轴晶及细小枝晶转变，物相成分主要为γ-Ni(Fe)、Ni3Fe、WC、M23C6型化合物等，深色硬质相分布均匀，气孔裂纹等缺陷基本消失，涂层磨损机制主要为轻微磨粒磨损。与无高频微振辅助的涂层相比，显微硬度提高了17%，摩擦系数减小了29%，耐磨性提高了49%。结论 利用高频微振辅助激光熔覆工艺，可使制备出的涂层质量显著改善，微观组织更加致密，成分分布更加均匀，细晶强化和弥散强化效果增强，硬度、耐磨性等力学性能得到明显提升。
表面失效及防护
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  锆合金微弧氧化后喷丸致密化研究

  徐明波, 黄小波, 高玉魁

  表面技术. 2020, 49(4): 238-244. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.027

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  目的 提高锆合金微弧氧化后表面氧化膜的致密度。方法 先对锆合金进行微弧氧化处理，在表面形成氧化锆陶瓷层，再进行不同工艺下的喷丸处理，以提高锆合金表层氧化膜的致密度。通过表面粗糙度测试，表征不同喷丸工艺下试样表面的塑性变形程度，并通过扫描电子显微镜对氧化膜表面形貌和横截面厚度进行分析，最后计算表面膜层中的孔隙率，以表征微弧氧化后喷丸的致密化效果。结果 较高的喷丸强度和较长的喷丸时间均会使得膜层表面发生剧烈的塑性变形，导致表面氧化膜脱落，对锆合金的表面完整性具有不利影响。当使用AGB35玻璃丸在0.2 MPa气压下喷丸10 s时，取得了较好的致密化效果。与微弧氧化后的原始试样相比，气压控制在0.2 MPa，时间控制在10 s的喷丸处理，可以减小膜层中孔洞的尺寸和数量，使氧化膜中的孔隙率从原始的16.45%降低至7.27%，有效提高了膜层的致密度。随着喷丸气压增加至0.3 MPa或喷丸时间延长至30 s，氧化膜发生大面积脱落，部分基体与氧化膜之间产生孔隙，氧化膜中的孔隙率反而增加至20.20%，这对锆合金的表面完整性具有不利影响。结论 合理控制微弧氧化后的喷丸工艺参数，可以致密化锆合金表面的氧化膜，使其更具有保护性，而过高的喷丸强度和过长的喷丸时间均不能实现较好的致密化效果。
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  热处理工艺对22MnB5钢铝硅镀层氧化层厚度和组织演变的影响

  谢昀映, 成毅, 吴广新

  表面技术. 2020, 49(4): 245-253. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.028

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  目的 探究奥氏体化工艺对铝硅镀层氧化层厚度和微观组织的影响规律及其演变机理。方法 以热浸镀Al-10%Si的22MnB5为研究对象，采用扫描电子显微镜（SEM）、辉光放电光谱仪（GD-OES）和X射线衍射仪（XRD）等仪器，观察镀层在奥氏体化过程中氧化层厚度的变化和微观组织的演变规律。结果 当试样以15 ℃/s的速率升温到900 ℃后立即水淬，镀层氧化层最薄，当试样升温到900 ℃保温5 min后水淬，镀层氧化层出现了不同程度的开裂，镀层表面出现孔洞和脱落的现象，氧化层厚度明显增加。结论 奥氏体化保温时间比奥氏体化升温速率对镀层氧化层厚度的影响更大，保温时间越长，氧渗入镀层的深度越深，氧化层越厚，奥氏体化时间的延长不利于镀层氧化层保持完整性，影响镀层对钢基体的保护功能。镀层及其氧化层的微观组织演变规律为：镀层中首先形成Al2Fe3Si3（τ1）和Fe2Al5相，随后Fe2Al5相生长并伴随FeAl2相形成，而后FeAl2+Fe2Al5相生长且有FeAl析出，随后FeAl相生长，氧化层出现孔洞，最后氧化层破裂，镀层表面孔洞增加，最终组织为FeAl2+Fe2Al5+FeAl。
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  铝合金PEO涂层表面原位制备Mg-Al LDH膜及其耐蚀性能研究

  任魏巍, 梁思琰, 符殿宝, 李强, 陈俊锋

  表面技术. 2020, 49(4): 254-262. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.029

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  目的 优化Mg-Al LDH/MAO涂层的制备工艺，提高铝合金的耐蚀性。方法 将微弧氧化样置于不同pH溶液中，在不同反应时间和反应温度下，采用原位生长法在2024铝合金表面制备层间含NO3–的MgAl-LDHs/MAO复合涂层。借用SEM、EDS、XRD研究LDH/MAO的微观组织结构，并利用电化学法表征MgAl-LDH/MAO复合涂层试样的腐蚀行为，揭示复合涂层的耐蚀机理以及最优异的工艺条件。结果 pH值为6和7的溶液制备出的涂层，生成了少量的LDHs，多数集中在孔洞附近，且生长不完全。相比之下，pH值为9的溶液制备出的涂层生成的片状水滑石更多，且较均匀，腐蚀电流较低，腐蚀电位较高。反应时间为12 h时，生成的水滑石较少，只有部分孔洞处会看到一些；反应时间为24 h和48 h制得的合金形貌相差不大，水滑石皆明显多于12 h的样品，且更加均匀。反应温度为180 ℃和220 ℃的合金形成的LDHs较多、较均匀，且生长较好，呈现很明显的片状结构。结论 弱碱的制备环境、反应温度的升高和反应时间的延长，促进了水滑石的生成，所得Mg-Al LDH/MAO复合涂层有效地改善了2024铝合金的耐蚀性。
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  钼电极表面Y2O3-玻璃基涂层抗氧化性能研究

  朱鹏飞, 刘伟, 曹俊, 王飞鸿, 李继文, 潘昆明, 魏世忠

  表面技术. 2020, 49(4): 263-270. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.030

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  目的 提高钼电极在玻璃炉窑烘窑过程中的抗氧化性能。方法 在纯钼基体表面制备不同Y2O3含量的玻璃基抗氧化涂层。对涂层分别在800、1000、1200 ℃下进行抗氧化测试，利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）对涂层在氧化前后的形貌、成分和物相进行检测，利用热分析仪对涂层粉体进行差热分析（DTA）。结果 随着Y2O3成分含量的增加，硅酸盐玻璃的软化点温度不断降低，晶化放热峰也越来越低。Y2O3含量为10%和20%的涂层表面结构完整，整体比较致密，在1200 ℃高温氧化条件下，在第1 h内出现增重，之后随着加热时间的延长，增重趋于稳定。Y2O3含量为30%的涂层表面呈致密片状结构，部分出现脱落，样品在氧化过程中出现明显失重。结论 Y2O3含量为10%的Y2O3-玻璃基涂层经过1200 ℃抗氧化实验后，表面完整，试样增重较少，性能优良。涂层截面分为过渡层、中间层和最外层。过渡层主要为MoO2和MoO3，中间层主要是BaMoO4，最外层主要是SiO2。涂层抗氧化机理为互熔反应型保护机理和惰性熔膜屏蔽型保护机理。
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  激光增材制造WC增强铁基复合材料组织结构及性能研究

  李刚, 熊梓连, 曾永浩, 汪国发, 刘囝

  表面技术. 2020, 49(4): 271-277. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.031

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  目的 采用激光增材制造技术制备WC增强铁基复合材料，并对其显微组织结构及性能进行表征测试，为后续制备大体积激光增材做技术理论及工艺储备。方法 加入质量分数为10%的WC粉末，利用激光增材制造技术在40Cr钢表面制备WC增强铁基复合材料层，采用X射线衍射仪（XRD）、金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、硬度计、磨粒磨损机、电化学工作站等，分析激光增材层逐层组织结构、力学性能及其变化规律。结果 激光增材层与基体呈良好冶金结合，相组成为α-(Fe,Cr)、Fe2C、Fe2W、Fe3B。表层、亚表层及中层区显微组织为鱼骨状树枝晶，在其周围存在硬质颗粒，随着表面距离的增加，底层区出现胞状晶。亚表层区晶粒最为细小均匀，硬度最高，为1057HV，是基体的4.2倍。中层区磨损率最低（0.29 mg/mm2），耐磨性最好，自腐蚀电位最高（-205.86 mV），耐蚀性能最好。底层区钝化电流密度最小，为0.1865 μA/cm2，腐蚀速度最慢。结论 加入的WC颗粒与铁基粉反应生成的Fe2C与Fe2W形成第二相强化，提高了基体的硬度、耐磨性及耐蚀性，且增材层亚表层区硬度最高，中层区耐磨性、耐蚀性最好。
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  腐蚀和残余应力对油气管道不规则区可靠性的影响分析

  王晓敏, 骆正山, 赵乐新

  表面技术. 2020, 49(4): 278-283. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.032

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  目的 针对油气管道的运行安全问题，建立油气管道局部腐蚀模型，对管道不规则区域的可靠性进行准确分析。方法 首先，对管网中不同的不规则区域管道的腐蚀进行简单分析，每个区域都有局部腐蚀缺陷，任何区域的破坏都会导致整个管网的破坏。其次，定义各区域的有限元模型，考虑文献中给出的局部腐蚀模型和常用应力模型。再次，利用概率分析方法给出真实的腐蚀参数和时间模型，并采用蒙特卡洛模拟算法进行求解，得出不同腐蚀速率下管道的不规则区域的失效概率。最后，以三种不同腐蚀速率的数值算例分析各种因素对腐蚀管道可靠性的影响。结果 受腐蚀和残余应力的影响，不规则区域的可靠性明显大于规则区域。考虑不同区域的残余应力，破坏概率随残余应力的增加而增加，特别是高腐蚀速率时，失效概率增加，而低腐蚀速率时，这种敏感性降低。法兰的可靠性更受有无残余应力腐蚀的影响。常规区（基）的可靠性最好。结论 管道不规则区域对腐蚀和残余应力的响应机制不同于规则区域，所提出的方法相比于传统方法，能够更有效地评价不规则区域的可靠性。
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  表面曲率对激光冲击曲面材料表面残余应力场分布的影响

  葛良辰, 曹宇鹏, 花国然, 王帅, 张悦, 曹晨

  表面技术. 2020, 49(4): 284-291. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.033

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  目的 针对曲面材料在激光冲击作用下，表面曲率对激光冲击波传播存在影响，使其残余应力场分布情况不同于平面，分析其形成机理。方法 将研究对象设置为凸模型，借助有限元软件ABAQUS，模拟了1500 MPa冲击压力下，激光冲击波分别加载1/5、1/10、1/15曲率的7050铝合金试样。设置相应的平面试样作为对照组，并采用相同参数条件进行实验验证。结果 当曲率为1/5时，冲击后的材料表面残余应力场分布不均匀，在母线方向的光斑边缘处，残余压应力仅为-237.0 MPa，塑性应变层深为0.5878 μm；在圆周方向的光斑边缘处残余压应力为-258.5 MPa，较母线方向增加9.07%，塑性应变层深达到1.235 μm，较母线方向增加110.11%。这一现象随着曲率的减小而逐渐消失，当曲率小于1/15时，表面残余应力场分布近似平面。结论 激光冲击凸模型时，表面残余压应力场分布存在偏向现象，即试样沿母线方向的残余压应力值小于圆周方向，其对应的塑性应变深度也呈相同的规律。
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  电弧离子镀NiAlHf涂层的抗高温氧化性能

  陈旋旋, 石倩, 林松盛, 汪唯, 刘志义, 代明江, 杨洪志, 许中湛

  表面技术. 2020, 49(4): 292-298. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.034

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  目的 通过电弧离子镀技术，获得抗氧化性能优良的NiAl涂层。方法 采用电弧离子镀技术，在弧流为110 A，偏压为-50 V的参数下沉积NiAlHf涂层。通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对涂层的物相结构和形貌进行分析，通过能谱仪（EDS）分析涂层的成分。采用恒温氧化增重实验对涂层的氧化动力学进行分析。结果 由电弧离子镀技术制备的NiAl涂层致密均匀，无大颗粒、孔洞等缺陷。涂层主要由β-NiAl相组成，活性元素Hf固溶在主相中。NiAlHf涂层表现出良好的抗高温氧化性能，动力学曲线符合抛物线规律，在1150 ℃下恒温氧化200 h的平均氧化速率为0.0841 g/(m2·h)，远优于传统MCrAlY涂层体系。NiAlHf涂层在氧化初期形成保护性的α-Al2O3氧化皮以及少量亚稳态的θ-Al2O3，随后θ-Al2O3逐渐转变为稳态的α-Al2O3。Hf在涂层表面富集从而形成HfO2，对氧化皮形成了钉扎作用，增强了氧化皮的粘附性，提高了涂层的抗氧化性能。随着氧化的进行，涂层中的β-NiAl相逐渐转变为γ′-Ni3Al相。结论 NiAlHf涂层在1150 ℃下仍具备优良的抗高温氧化性能，对下一代耐更高温度涂层开发，电弧离子镀NiAl涂层的技术推广及工业化应用有一定的指导作用。
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  双相不锈钢表面激光熔覆钴基合金组织和性能研究

  邵延凡, 王泽华, 李潇, 李金龙, 顾宸瑜

  表面技术. 2020, 49(4): 299-305. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.035

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  目的 提高2205双相不锈钢的耐磨性和耐腐蚀性能。方法 采用激光熔覆技术，在2205双相不锈钢基体表面制备钴基合金熔覆层。用X射线衍射仪、光学显微镜检测钴基合金熔覆层的相组成和显微组织，用能谱仪测定熔覆层和基体界面区域的Fe和Cr元素分布，确定熔覆层界面过渡区域的宽度。用显微硬度计和湿砂磨粒磨损试验机，测试熔覆层硬度和耐磨性能。采用扫描电镜观察摩擦表面的磨损特性，分析钴基合金熔覆层的磨损机理。用电化学工作站测试熔覆层的电化学腐蚀特性，并用2205双相不锈钢作为对比试样做相应的性能试验。结果 熔覆层由γ-Co固溶体和少量的Cr7C3、Cr2Ni3化合物相组成，界面处的熔覆层相组织是少量的平面晶和胞状晶，其他区域是发达的树枝晶。由于熔覆层由多道搭接和多层熔覆形成，树枝晶生长有方向性，但不是成固定的方向，并出现明显的分层现象。熔覆层过渡区范围为50 μm左右，熔覆层平均显微硬度达477HV0.1，远高于2205双相不锈钢基体（265HV0.1）。当磨程达到3354 m时，熔覆层的质量损失仅为10.3 mg，约为基体质量损失的1/3。在3.5%NaCl溶液中，熔覆层具有较高的极化电阻与电荷转移电阻和较小的自腐蚀电流。结论 熔覆层组织致密，无气孔、裂纹等缺陷，与基体呈良好的冶金结合，钴基合金熔覆层具有良好的耐磨粒磨损性能和耐腐蚀性能。
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  TiO2纳米管阵列光生阴极保护性能研究进展

  焦杨, 王刚, 江少群

  表面技术. 2020, 49(4): 306-314. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.036

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  TiO2纳米管阵列因具有比表面积大、电子传输能力强、化学稳定性好等特点，以及拥有优势明显的光生阴极保护作用，可以为金属基体提供有效的腐蚀防护，近年来成为了研究的热点之一。为了探索TiO2纳米管阵列在金属防腐蚀方面的应用，就其对不锈钢和碳钢的保护作用以及改性方式对TiO2纳米管阵列的光生阴极保护的延时效果进行了总结，并比较分析了TiO2纳米管阵列对两类钢保护效果的差异，指出了纳米管阵列对碳钢的保护效果不及对不锈钢的保护，其不佳的主要原因是阵列与碳钢基体间的结合强度较低且受界面层结构和电子特性的影响。同时，由于TiO2属于宽禁带半导体材料，对可见光的利用率比较低且当TiO2受到光激发后产生的电子-空穴对的存在时间较短，需要利用不同改性方法来提高光生阴极保护效果，因此对其金属离子掺杂、非金属掺杂、半导体复合、贵金属沉积以及石墨烯复合五种主要改性的研究进展进行了着重阐述，对影响改性效果的主要因素以及相应的改性机理也进行了归纳与分析，并根据当前的研究现状，提出了有待进一步研究和探索的问题，以期为TiO2纳米管阵列获得优良的阴极保护作用提供思路。
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  水热预处理对铝合金表面ZnAl-LDHs涂层防腐蚀性能的影响

  周秉涛, 王友彬, 黄秋雨, 叶天繁, 韦悦周

  表面技术. 2020, 49(4): 315-323. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.037

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  目的 提高表面ZnAl-LDHs涂层对铝合金的防腐蚀保护性能。方法 首先将6061铝合金放入水热反应釜中，加入去离子水，在120 ℃温度下水热反应30 min。将经过水热预处理的铝合金分别放入50、80 ℃的0.005 mol/L的Zn(NO3)2溶液中浸泡4 h，在铝合金表面制备出ZnAl-LDHs涂层。利用XRD、SEM、EDS、EIS和极化曲线等技术，分析不同制备条件下，铝合金表面ZnAl-LDHs层的形貌、结构及其对铝合金的防腐蚀保护性能。结果 水热预处理后，铝合金表面形成Al(OH)3和AlO(OH)混合层，在其上生长形成的ZnAl-LDHs涂层具有较优的层状结构、较高的结晶度和更加细小致密的纳米片。电化学阻抗和极化曲线的测试结果表明，表面ZnAl-LDHs层可以降低6061铝合金的腐蚀电流密度，提高腐蚀电位和电化学阻抗。水热预处理后的铝合金在80 ℃溶液中形成的ZnAl-LDHs层，其自腐蚀电流密度（Jcorr）仅有0.018 μA/cm2，比未水热处理的铝合金上获得的ZnAl-LDHs层（0.101 μA/cm2）更低，在50 ℃溶液中形成的ZnAl-LDHs层也观察到相同的现象。结论 通过水热预处理可在6061铝合金表面形成Al(OH)3和AlO(OH)混合层，将其作为ZnAl-LDHs层原位生长的前驱体，可以促进ZnAl-LDHs的结晶形核，提高其形核率，使ZnAl-LDHs层的纳米片更细小致密，从而使ZnAl-LDHs层对铝合金具有更好的防腐蚀保护性能。
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  Ti-6Al-4V合金表面渗层制备及空蚀性能研究

  李海斌, 刘树龙, 刘义, 胡菁, 汤中亮, 张晓波

  表面技术. 2020, 49(4): 324-331. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.038

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  目的 利用化学热处理对钛合金表面进行扩渗处理，制备硬质表面渗层，以提高钛合金抗空蚀能力。方法 采用氮气气氛下渗铝工艺对Ti-6Al-4V合金退火试样进行表面处理，获得硬质表面渗层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪和显微硬度计表征分析表面渗层的物相组成、微观结构、元素分布及力学性能。利用超声波振动空蚀试验机，按照ASTM G32标准，测试表面渗层在去离子水中的空蚀性能，并结合空蚀后表面形貌和元素分布，研究分析其空蚀机理。结果 扩渗处理在Ti-6Al-4V合金表面生成了具有较高显微硬度的表面渗层，其由最外面的化合物层和内部的扩散层构成。在1023 K温度下处理1 h的试样，其表面渗层均匀、致密、无微裂纹，在去离子水中空蚀12 h的累积质量损失最小，为未处理试样的18%，抗空蚀性能最好。随着处理时间的延长和处理温度的升高，渗层表面变得不平整，且表面凸出的硬质陶瓷颗粒物增多。硬质陶瓷颗粒物虽显著增加试样的显微硬度，但易诱发空泡生成，使抗空蚀性能变差。结论 氮气下渗铝处理在Ti-6Al-4V合金表面获得的表面渗层可以改善合金的抗空蚀性能，而表面凸出的大小不均的硬质陶瓷颗粒物使表面渗层的抗空蚀性能减弱。
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  某沿海火电厂贮煤仓构件腐蚀机制分析

  赵忠贤, 李文戈, 赵远涛, 王双喜, 白玉峰, 吴新锋, 姜涛

  表面技术. 2020, 49(4): 332-338. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.039

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  目的 研究某火电厂沿海煤仓构件的腐蚀情况，分析其腐蚀机制。方法 采用扫描电子显微镜（SEM）对构件表面与内部区域的腐蚀形貌及腐蚀产物分布进行表征，借助能量色散X射线光谱仪（EDS）和 X射线衍射仪（XRD）等仪器，对腐蚀产物元素组成及物相进行表征分析，结合贮煤仓构件服役环境探讨腐蚀机制。结果 沿海火电厂贮煤仓构件腐蚀情况较为严重且分布极广，腐蚀类型主要为点蚀。腐蚀产物厚度约为3.82 mm，表层和内部分别为黄色物质和灰黑色疏松物质，且聚集有球状和丝状或棉团状铁锈。腐蚀产物组成元素以O、Fe为主，其中表面黄色物质的主要物相为Fe2O3，表面丝状或棉团状物质主要为a-FeOOH，内部灰黑色物质的主要物相为Fe3O4，针片状物质为g-FeOOH，球状物质的C、Si、Al、Ca、Mg等元素含量较高且主要物相为SiO2，为煤粉颗粒。结论 沿海电厂贮煤仓构件腐蚀初期为Fe的吸氧腐蚀，并发生完全氧化脱水生成Fe2O3，其良好致密性使内部发生氧浓差腐蚀生成Fe3O4，底面产物主要为Fe3O4和Fe2O3的混合物，而煤粉颗粒和燃煤产生的CO2、SO2等酸性气体为腐蚀的快速发生提供了环境。发生的点蚀极易造成穿孔，需采取更有效的防护措施。
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  表面充氢对TA2在草酸溶液中腐蚀行为的影响

  赵文波, 赵博深, 李广州, 师红旗, 丁毅

  表面技术. 2020, 49(4): 339-346. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.040

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  目的 提高TA2在草酸溶液中的耐蚀性，揭示表面充氢提高钛在草酸溶液中耐腐蚀性能的机理。 方法 采用电化学充氢的方法对TA2试样进行表面充氢，采用SEM和XRD分析充氢对试样表面形貌和相组成的影响，并采用电化学测试和腐蚀浸泡实验研究不同充氢时间的TA2试样在草酸溶液中的耐蚀性。结果 电化学充氢后，TA2试样表面会生成一层以TiH1.5为主要组成相的氢化钛层，该氢化钛层的厚度随充氢时间的延长而增厚。电化学测试结果显示，随着充氢时间的延长，TA2试样在草酸溶液中的自腐蚀电位从–0.7 V（vs. SCE）逐渐增加到0 V左右，腐蚀倾向显著下降；极化电阻Rp则从0.2 kΩ?cm2逐渐增加到了24.1 kΩ?cm2，耐蚀性能增强。腐蚀浸泡实验结果表明，随着充氢时间的延长，TA2试样在草酸溶液中的腐蚀程度逐渐减弱，腐蚀速率也从未充氢时的4.63 mm/a逐渐下降到0.03 mm/a。结论 在草酸溶液中，电化学充氢TA2试样表面生成的氢化钛层对Ti基体具有保护作用，并且保护效果随氢化钛层的增厚而增强。试样表面氢化钛层对Ti基体的保护作用除了与成分有关外，还与其结构相关，完整致密的氢化钛层可以对Ti基体起到很好的保护作用，而疏松多孔的氢化钛不仅不能保护Ti基体，反而还会促进Ti基体的腐蚀。
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  某井5″钻杆刺漏原因分析

  陈猛, 余世杰, 欧阳志英, 徐昌学

  表面技术. 2020, 49(4): 347-355. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.041

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  目的 对某井5″钻杆刺漏形成原因进行分析。方法 对刺漏钻杆样品的材料进行化学成分分析、力学性能测试、金相分析、晶粒度评价、非金属夹杂物评价，对刺孔周边的裂纹进行金相分析、断口宏观分析和扫描电镜分析，对腐蚀坑底部的腐蚀产物进行EDS分析，对钻杆刺穿机理进行模拟分析，对刺漏钻杆受力情况进行有限元模拟分析。结果 该刺漏钻杆的化学成分、力学性能符合API Spec 5DP—2009标准要求，其中冲击韧性较高（两支刺漏钻杆的冲击功分别为83 J和87 J），是技术标准的2倍以上。刺漏钻杆样品的组织为回火索氏体，为正常调质态的组织形貌。刺漏钻杆样品晶粒度级别为9级，非金属夹杂物等级最高为1.0级，符合产品技术标准要求。该刺漏钻杆外壁存在大量的腐蚀坑，而且在腐蚀坑底部存在氧元素的腐蚀产物，即存在氧腐蚀。刺孔延伸裂纹及其周边的裂纹扩展较为平直，而且在裂纹尖端存在疲劳辉纹形貌，证实该刺漏扩展以疲劳裂纹的形式进行。结论 此次两支钻杆的刺穿属于早期腐蚀疲劳破坏，其产生的因素有：（1）钻井液中的溶解O对钻杆外壁腐蚀较为严重，形成较深的腐蚀坑；（2）在通过严重狗腿度井段时，腐蚀坑底部萌生了小裂纹，随后裂纹在旋转弯曲作用力下疲劳扩展直至刺透钻杆壁厚；（3）对此井下过井的钻杆进行严格的检测，防止有缺陷的钻杆下井使用，以避免发生早期失效现象。
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  光电子器件外壳脉冲电镀镍钴合金工艺及其耐蚀性

  周光波, 彭湘桂, 陈加辉, 刘永永

  表面技术. 2020, 49(4): 356-363. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.042

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  目的 开发一种脉冲电镀镍钴合金工艺，并研究其镀层的耐腐蚀性能，以期将其应用于光电子器件外壳电镀领域。方法 采用脉冲电镀的方式获得电镀镍钴合金镀层，通过腐蚀失重试验、极化曲线测试以及电化学阻抗谱测试等方法考察镀层的耐腐蚀性能，通过场发射扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪等设备对镀层的表面微观形貌、成分和晶体结构进行了表征，并与传统的电镀氨基磺酸镍工艺进行了抗腐蚀性能的比较。在耐腐蚀性能最优的工艺条件下，对公司某型号光电子器件外壳进行了镍钴合金电镀，并对产品的镀层进行一系列考核。结果 随着Co含量的增加，脉冲电镀镍钴合金镀层的结晶更均匀致密，晶粒、镀层孔隙更小。在3.5%NaCl溶液中，随着Co含量的增加，脉冲电镀镍钴合金镀层的自腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度减小，电荷转移电阻增加。Co含量25%的脉冲电镀镍钴合金镀层的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为-331 mV和2.26 μA/cm2，电荷转移电阻是212.62 kΩ。产品的镀层质量、引线涂敷强度、引线疲劳等考核均满足相关标准要求。结论 脉冲电镀镍钴合金镀层的耐蚀性随着Co含量的增加而增强。在3.5%的NaCl溶液中，Ni-Co(25%)的镀层自腐蚀电流仅是Ni镀层的44%。开发的脉冲电镀镍钴合金工艺可以应用于光电子器件外壳电镀领域。
表面质量控制及检测
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  –50 ℃冷风条件下抛光硬质合金刀片加工TC4钛合金的表面粗糙度分析

  秦长江, 胡自化, 袁彪, 汤爱民, 罗胜, 杨志平

  表面技术. 2020, 49(4): 364-371. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.04.043

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  目的 提高硬质合金刀片加工TC4钛合金的表面质量。方法 利用化学机械抛光技术对传统磨削的硬质合金刀片分别进行粗抛、半精抛和精抛处理，运用正交试验法，在常温干切和–50 ℃冷风条件下，分别采用传统磨削的硬质合金刀片（磨削刀片）与化学机械抛光的硬质合金刀片（抛光刀片）进行切削TC4钛合金正交试验，利用方差分析法分析切削参数对已加工表面粗糙度Ra的影响。运用多元线性回归方法建立磨削刀片、抛光刀片在常温干切和–50 ℃冷风条件下切削TC4钛合金已加工表面粗糙度Ra的经验预测模型。结果 硬质合金刀片前刀面通过粗抛、半精抛和精抛后，刀片前刀面的表面粗糙度Ra为19 nm。当切削参数相同时，磨削刀片在–50 ℃冷风条件下切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度，比常温干切条件下平均降低了35.9%；抛光刀片在–50 ℃冷风条件下切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度，比常温干切条件下平均降低了43.5%。在常温干切条件下，抛光刀片比磨削刀片切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度平均降低了19.2%；在–50 ℃冷风条件下，抛光刀片比磨削刀片切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度平均降低了28.7%。抛光刀片在–50 ℃冷风条件下切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度Ra，比磨削刀片在常温干切条件下切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度Ra平均降低了54.4%。结论 采用对硬质合金刀片表面进行化学机械抛光技术和以–50 ℃冷风为切削介质的组合工艺，可有效降低TC4钛合金已加工表面粗糙度。